1. Einführung

Die Innervationswege der quergestreiften Muskeln liegen im somatischen Nervensystem. Demgemäß handelt es sich hier um ein Reaktionssystem, das auch der Steuerung durch die Willkür unterliegt. Daneben finden sich unwillkürliche Reaktionen, z. B. im Zusammenhang mit emotionalem Erleben und psychischer Belastung. Psychophysische Aktiviertheit dürfte in einem ziemlich direkten Zusammenhang zur Muskelspannung stehen. Insofern stellt die Registrierung der elektrischen Muskelaktivität ein bedeutendes psychophysiologisches Verfahren dar. Unter Elektromyographie versteht man das graphische Darstellen elektrischer Vorgänge in der Muskulatur, die an der Hautoberfläche über einer Muskelgruppe, in der Regel am günstigsten in bipolaren Längsableitungen messbar sind. Die Biopotentiale sind als räumliche und zeitliche Summation von Aktionspotentialen aufzufassen. Die Registrierkurve nennt man entsprechend das Elektromyogramm (EMG). Das Elektromyogramm stellt die bioelektrische Aktivität eines quergestreiften Muskels dar.

Die dem EMG zugrundeliegende elektrische Aktivität ist das Muskelaktionspotential. Eine Elektrode an der Hautoberfläche fängt gleichzeitig Muskelaktionspotentiale von sehr vielen

Potentialschwankungen breiten sich - unter Abschwächung - bis zur Körperoberfläche aus und werden dort von den Elektroden registriert. Arbeitet man - wie in der EMG-Praxis üblich - mit

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bipolarer Ableitung, so lässt sich das Zustandekommen des typischen biphasischen EMG Signals folgendermaßen erklären: Die Welle der Oberflächennegativität wandert (mit einer Geschwindigkeit von ca. 5 ms) längs der Muskelfaser. Demnach ist sie zunächst einer der beiden Elektroden näher; diese Elektrode wird dann relativ zur anderen negativ. Zu einem späteren Zeitpunkt liegt das Gebiet negativer L adung genau in der Mitte zwischen den beiden Elektroden. Beide „sehen“ dann dasselbe Potential, und es wird keine Potentialdifferenz registriert. Schließlich ist die depolarisierte Membranzone der zweiten Elektrode näher, und die Spannung zwischen beiden kehrt ihr Vorzeichen um. Man erhält also eine biphasische Verlaufsform. Bei bekannter Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektrischen Aktivität und vorgegebenem Elektrodenabstand lässt sich die Frequenz des Signals in folgender Weise abschätzen: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Aktionspotentials über die Muskelfaser liegt in der Größenordnung von 5 ms. Rechnet man mit einem Elektrodenabstand von 5 cm, so bedeutet dies, dass die Depolarisationswelle innerhalb von 10 ms unter beiden Elektroden durchgewandert i st. Die aufgezeichnete Wellenform hat also eine Periode von ca. 10 ms, was einer Frequenz von 100 Hz entspricht. In dieser Größenordnung liegen auch i. a. die EMG Frequenzen. Die reine biphasische Potentialform, die ein einzelner Muskelaktionsimpuls auslösen würde, ist allerdings im Oberflächen-EMG kaum zu beobachten, da von einer motorischen Einheit immer mehrere Fasern, die untereinander einen gewissen räumlichen Abstand haben, erregt werden. Daher nimmt, aufgrund der Laufzeitunterschiede auf der Strecke Muskelfaser-Elektrode, die Potentialkurve eine polyphasische Gestalt an, d.h. sie besteht aus mehreren aufeinanderfolgenden Wellenbergen undtälern. Weiterhin unterliegt die Potentialform den Einflüssen der sogenannten Nachpotentiale, die quasi als Ausschwingvorgänge bis zu einer Sekunde nach dem Aktionspotential auftreten können. Auch die Endplatten-Potentiale, die sich nicht längs der Faser fortpflanzen, sondern auf das Endplattengebiet beschränkt sind, tragen zum Zeitverlauf der aufgefangenen Potentialschwankungen bei.

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2. Elektroden und Ableitorte In der Psychophysiologie werden zur EMG-Ableitung fast ausschließlich

Oberflächenelektroden verwendet. Gut geeignet sind die verschiedenen Formen von Napfelektroden (i. a. Ag/AgCI-Elektroden), die man mit

einer Elektrodenpaste, wie sie für EEG oder EKG-Messungen

denpolarisation spielt hier eine untergeordnete Rolle, da Gleichspannungs- oder Driftanteile im Signal meist durch

die Wahl einer relativ kurzen Zeitkonstanten - k leiner als eine Sekunde - ausgefiltet werden. Wie bei der Ableitung der anderen Biopotentiale ist ein Übergangswiderstand unter 5 kOhm anzustreben. Dies läßt sich oft schon durch kräftiges Abreiben der Haut mit Aceton oder Äthylalkohol

erzielen. Zusätzlich kann man die Haut mit feinem Sandpapier leicht aufrauhen. Es kann zur Verbesserung der Signalqualität beitragen, wenn man die Haut vor dem Aufkleben der Elektrode zunächst mit Elektrodengel einreiht und dieses 1 -2 Minuten einwirken lässt. Die in der medizinischen Elektromyographie für diagnostische Zwecke häufig eingesetzten Nadelelektroden ermöglichen zwar eine genauere Lokalisation des aktiven Areals, sind aber für den Probanden wesentlich störender und u.U. auch schmerzhaft.

Für Untersuchungen zum Einfluss psychischer Variablen auf das EMG haben sich als Ableitorte Muskeln im Kopfbereich (Stirn, Nacken, Kinn) sowie die Unterarm- und Fingermuskeln als besonders günstig erwiesen. Wenn möglich, sollte eine Elektrode am Muskelbauch, die andere am Muskelende liegen, um möglichst große Potentialunterschiede zwischen beiden Elektroden zu erzielen. Wie bereits erwähnt, hängt die Stärke des aufgefangenen Signals in hohem Maße vom Ableitungsort ab. Dies erfordert zum einen die Standardisierung der Elektrodenpositionen (was wegen anatomischer Unterschiede zwischen verschiedenen Personen nur bis zu einem gewissen

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Grad möglich ist). Zum anderen ist bei wiederholten Messungen an einer Vp dafür Sorge zu tragen, dass die Elektroden stets an derselben Stelle platziert werden. Zu Standardlokalisationen wurden von DAVIS (1959) Vorschläge gemacht, die eine gewisse Verbreitung gefunden haben. FRIDLUND ^U. CACIOPPO (1986) empfehlen in ihren Leitlinien zur EMG-Methodik für Positionen am Rumpf und an den Gliedmaßen, nach diesen Standardisierungsvorschlägen zu arbeiten. Für zwei besonders

wasserunlöslichen Farbe die entsprechende Hautstelle markieren. Es können auch ohnehin auf der Haut vorhandene Merkmale (z. B. Leberflecken) zum Wiederauffinden eines Elektrodenorts dienen. Das Anfertigen einer Fotografie dürfte in jedem Fall hilfreich sein. Auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse wirken auch Faktoren wie Ermüdungszustand des Muskels und Lage des Körperteils. Es ist daher darauf zu achten, dass der untersuchte Körperteil bequem und entspannt auf einer weichen Unterlage ruht.

3. Verstärkung, Integration, Aufzeichnung

Die Auswertung elektromyographischer Zeitserien bedarf einer sorgfältigen Aufbereitung der Ausgangsdaten des Roh-EMG zu standardisierten elektromyographischen Aktivitäten. Sollen EA-Zeitserien mit repetitiven Bewegungen korreliert werden, sind erst einmal

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Glättungsprozeduren erforderlich. Das kann softwaremäßig im Rechner durch das "gleitende" Mitteln aktueller digitalisierter Werte mit unmittelbar vorausgehenden und folgenden Werten geschehen. In den danach erheblich deutlicher werdenden Maxima u nd Minima von EA-Zeitserien als Korrelat von zyklischen Aktivierungen eines Muskels steckt wesentlich mehr an interpretationsfähiger Information als in einem arithmetischen Mittelwert. Minima stellen die Aktivität in der Erschlaffungsphase eines Muskels dar, Maxima repräsentieren die Kontraktionsphase eines Muskels. Die mittlere Differenz zwischen M axima und Minima kann deshalb den Bewegungen zugeschrieben werden. Sie stellt damit die dynamische Komponente der Muskelbeanspruchung dar.

Verstärkung. Für quantitative EMG-Registrierungen ist ein Verstärkersystem erforderlich, das

über den Frequenzbereich von 50-500 Hz hinweg konstant verstärkt. Die Signalamplitude des Oberflächen-EMG liegt bei Muskelanspannung i. a.

im Bereich zwischen 100 und 1000 µV, kann aber

über dem entspannten Muskel auf einige Mikrovolt absinken.

erforderlich, die ähnlich empfindlich wie EEG-Verstärker

Gleichtaktunterdrückung ist hier besonders wichtig, um 50 Hz-Störsignale effektiv zu dämpfen. Ebenso ist ein geringes Eigenrauschen (max. 1 µV) von

großer Bedeutung, da bei einer Signalamplitude von

wenigen Mikrovolt dieser Störeffekt bei vielen Verstärkern deutlich in den Vordergrund tritt.

Integration. Die Integration des EMG-Signals ist sowohl aus technischen als auch aus inhaltlichen Gründen empfehlenswert. Eine Amplitudenanalyse der einzelnen Wellen im EMG-Signal, die mit

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einer Häufigkeit von 100 und mehr pro Sekunde auftreten können, ist von Hand nur unter extremem Zeitaufwand durchführbar. Daneben ist die exakte Reproduktion des Signals auf Papier nur mit einigem technischen Aufwand möglich. Vom physiologischen Standpunkt ist nach Ansicht LIPPOLDS (1967) - zumindest für den Fall isometrischer Anspannung - das Integral über die Spannungsschwankungen ohnehin das sinnvollere Maß für die elektrische Aktivität eines Muskels: Da hier die Fläche unter den einzelnen Wellen aufaddiert wird (innerhalb einer gewissen Zeiteinheit), geht die Information über die Frequenz der Muskelaktions potentiale in den Gesamtwert mit ein. Je größer die Anzahl von Aktionspotentialen in der Zeiteinheit, desto größer ist auch die aufaddierte Fläche u nter den Spitzen. Da die muskuläre Kontraktion sowohl von der Entladungsfrequenz als auch von der Anzahl der aktivierten motorischen Einheiten gesteuert wird, ist das Integral offenbar ein angemessenerer Reaktionsindex als etwa der Mittelwert der Amplituden.

Ein Integrator sammelt die elektrische Energie, die ihm am Eingang angeboten wird. Da das EMG ein Wechselspannungssignal ist, das zwischen positiver und n egativer Polarität schwankt, würde dies für die Integration bedeuten, dass dem I ntegrator abwechselnd Energie zugeführt und entnommen wird. Eine Messung des Energiebetrags, der durch die Muskelaktivität aufgebracht wird, wäre also auf diese Weise nicht möglich. Daher wird das Rohsignal zunächst gleichgerichtet und dann erst dem Integrator zugeführt. Hier akkumuliert sich dann die elektrische Energie. Die Information über die gemessene Energieabgabe des Muskels lässt sich auf zwei Arten darstellen. Entweder es wird zu fest vorgegebenen Zeiten von außen „abgefragt“, wieviel aufintegriert wurde, und der Integrator wird auf Null zurückgesetzt, oder er setzt sich bei einem vorbestimmten Wert selbsttätig (über einen entsprechenden Schaltkreis) zurück. Im letzteren Fall ist die Information über die aufgenommene Energiemenge in der Geschwindigkeit enthalten, mit der der Integrator den Kriteriumswert e rreicht und sich wieder zurücksetzt. Es ist also der zeitliche Abstand der Rücksetzereignisse die wesentliche Größe. Im ersten Fall gibt die Höhe der Amplitude die Energiemenge pro gewählter Zeiteinheit wieder. Beide Arten von Integratoren sind im Gebrauch, wobei

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letzterer Typ weiter verbreitet sein dürfte, da das Auszählen einer Frequenz mit geringerem Aufwand möglich ist als die Amplitudenausmessung. Ein Nachteil des Integrationsverfahrens besteht in dem Verlust der Information über die Signalform. So können Artefakte u.U. das integrierte EMG wesentlich beeinflussen, ohne dass dies bemerkt wird. Man sollte daher auch dann, wenn nur das integrierte EMG quantitativ ausgewertet wird, stets zur Kontrolle eine Registrierung des Roh-EMG auf Papier (das mit langsamer Geschwindigkeit laufen kann) mit anfertigen.

Registrierung. Für eine getreue Darstellung des EMG dürften in jedem Fall konventionelle

Schreibsysteme zu träge sein, weil bei höheren Frequenzen die Amplituden aufgrund der Massenträgheit der Schreibfedern gedämpft werden. Steht ein Magnetband-Aufzeichnungsgerät zur Verfügung, kann man damit das EMG mit hoher Geschwindigkeit aufnehmen und später die Aufzeichnung mit langsamerer Geschwindigkeit wieder abspielen und auf den Schreibereingang geben. Der Verlauf des integrierten EMG lässt sich i. a. ohne Probleme auf dem Registrierprotokoll aufzeichnen, wenn man den Ausgang der Integratoreinheit auf einen der Eingänge des Polygraphen gibt. Natürlich kann die Umformung des Roh-EMG in das integrierte auch per Rechner erfolgen. Aufgrund der hohen Frequenzanteile im EMG ist eine Abtastfrequenz von mindestens 100Hz zu empfehlen.

4. Artefakte

Bei der EMG-Aufzeichnung ist eine Reihe von Artefaktquellen in Betracht zu ziehen. Netzeinstreuungen sind im Fall des EMG schwer zu unterdrücken, da man auf Filter weitgehend verzichten muss: Diese würden die Frequenzbereiche beschneiden, die innerhalb des Spektrums der elektrischen Muskelaktivität stark vertreten sind. Man muss in diesem Fall versuchen, z.B. durch sorgfältiges Erden der Geräte und der Vp die Netzeinstreuungen zu reduzieren. Häufig ist bei EMG-Aufzeichnungen mit Bewegungsartefakten zu rechnen; diese sind zwar meist leicht als sehr hohe Spitzen zu erkennen, jedoch u. U. schwer zu verhindern. Besonders, wenn eine Anspannung der

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Muskulatur gefordert wird, kann es zu geringen Verschiebungen der Elektrode auf der Haut bzw. gemeinsam mit der Haut relativ zum Muskel kommen. Es ist stets auf festen Sitz der Elektroden zu achten. Bisweilen wird auch ungewollt ein EKG-Signal mitregistriert. Dies tritt bevorzugt bei Ableitungen v on der Rumpfmuskulatur auf. Derartige Einstreuungen lassen sich reduzieren, indem man die relative Lage der Elektroden zueinander verändert, falls dies vom Untersuchungsgegenstand her zulässig ist.

5. Kennwerte des EMG

Für psychophysiologische Untersuchungen bietet sich die Integrationsme thode zur Quantifizierung der elektrischen Muskelaktivität an. Integrierte Werte sind hinsichtlich der intraindividuellen Reliabilität einem Amplitudenmaß deutlich überlegen. Die Wahl der Integrationszeit bzw. der Rücksetzschwelle des Integrators hängt vom gewünschten zeitlichen Auflösungsvermögen ab. Ist man an präziser Information über Zeitabläufe interessiert, so wird man die Integrationsdauer kurz bzw. das Kriterium für das Zurücksetzen des Integrator niedrig wählen. Häufig wird mit Integrationszeiten von einer bzw. zehn Sekunden gearbeitet. Zur Beschreibung der elektrischen Muskelaktivität während längerer Phasen gibt man oft den Mittelwert aus diesen kürzeren Integrationsintervallen an. Die Maßeinheit für das integrierte EMG ist ‚uV *’ bzw. ‚mV *’, da es sich um die Fläche u nter einer Spannungs-Zeit-Kurve handelt. Die Variabilität des integrierten EMG ist ebenfalls ein Maß, das mit der psychophysischen Aktiviertheit kovariiert: Bei Anstieg des Aktiviertheitsniveaus nimmt die Standardabweichung der integrierten Muskelaktivität an Stirn und Unterarm deutlich zu. Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass zahlenmäßige Vergleiche zwischen Individuen und - wenn die Messwerte aus verschiedenen Sitzungen stammen - auch innerhalb des Individuums äußerst zurückhaltend zu interpretieren sind. Die Elektrodenplatzierung und der Ermüdungszustand des Muskels sind Einflussgrößen, die nur schwer reproduzierbar bzw. kontrollierbar sind. Hinzu kommt das generelle

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Problem der interindividuellen Unterschiede, das uns von anderen psychophysiologischen Größen schon bekannt ist.

6. Literatur

Davies, J.F. (1959). Manual of surface electromyography. WADC Tech. Rep. No. 59-184. Dayton, OH: Wright Air Development Center.

Friedlund, A.J. & Cacioppo, J.T. (1986). Guidlines for human electromyographic research. Psychophysiology, 23, 567-589.

Lippold, O.C.J. (1967). Electromyography. In: Venables, P.H. & Martin, I. (Eds). Manual of psycho-physiological methods. Amsterdam: North-Holland.

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