Was das Datenblatt eines EMG-Sensors wirklich sagt
Ein EMG-Datenblatt nennt eine Handvoll Zahlen — Eingangsimpedanz, Gleichtaktunterdrückung, Rauschen, Bandbreite, Abtastrate, Auflösung, Verstärkung, Messbereich. Jede beschreibt eine Sache, die der Verstärker mit den wenigen Mikrovolt von der Haut macht, und jede hat eine Schwelle, unterhalb derer Messungen unzuverlässig werden. Die SENIAM-Sensorempfehlungen und Cram's Kennwerttabelle (Kap. 3) nennen diese Schwellen. Dieser Artikel erklärt, was jeder Wert in der Praxis bedeutet, welche Zahlen „genug" sind und wo Marketingangaben in die Irre führen.
Die Signalkette in einem Absatz
Zwei Elektroden liefern eine Spannungsdifferenz von wenigen Mikrovolt bis wenigen Millivolt. Der Differenzverstärker subtrahiert die beiden Eingänge (löscht, was beide teilen — Brummen, EKG), multipliziert den Rest mit der Verstärkung, schickt ihn durch den Bandpass und übergibt ihn einem Analog-Digital-Wandler, der ihn mit der Abtastrate und einer bestimmten Auflösung abtastet. Jeder Kennwert unten beschreibt ein Glied dieser Kette. Konrads Erinnerung gilt durchgehend: Die Aufgabe des Verstärkers ist, ein Signal von wenigen Millionstel Volt aufzunehmen, ohne etwas hinzuzufügen oder wegzunehmen — die Kennwerte sagen, wie gut ihm das gelingt.
Die Kennwerte einzeln
Eingangsimpedanz
Was sie ist: der Widerstand, den der Verstärker den Elektroden entgegensetzt. Er muss weit höher sein als die Hautimpedanz, sonst „belastet" der Verstärker die Elektroden-Grenzfläche und dämpft das Signal — ungleich unter den beiden Elektroden, was zusätzlich die Gleichtaktunterdrückung verschlechtert.
Genug: SENIAM verlangt > 100 MΩ. Cram's Tabelle nennt 100 kΩ bis 1 GΩ als Marktspanne und merkt an, dass die meisten Geräte bei 1 MΩ oder besser liegen, „mehr als ausreichend". Moderne Verstärker erreichen Gigaohm; der praktische Nutzen ist Toleranz gegenüber unvollkommener Hautvorbereitung, keine sichtbar bessere Kurve.
Gleichtaktunterdrückung (CMRR)
Was sie ist: wie stark ein Signal, das an beiden Eingängen identisch anliegt, unterdrückt wird, in Dezibel. 60 dB = Faktor 1000, 100 dB = Faktor 100 000. Netzbrummen und EKG erreichen beide Elektroden nahezu gleich — die CMRR entscheidet, wie viel davon übrig bleibt.
Genug: SENIAM: > 95 dB. Cram's: 70–180 dB ist die Marktspanne, „je höher, desto besser". Zwei Einschränkungen. Erstens wird die CMRR unter idealen, symmetrischen Bedingungen gemessen; ungleiche Hautimpedanzen unter den beiden Elektroden wandeln Gleichtaktstörungen in ein Differenzsignal um, das keine CMRR entfernen kann — deshalb zählt die Hautvorbereitung mehr als die letzten 20 dB. Zweitens ist der Wert frequenzabhängig; nach dem Wert bei 50/60 Hz fragen.
Grundrauschen (eingangsbezogenes Rauschen)
Was es ist: das Signal, das der Verstärker bei kurzgeschlossenen Eingängen erzeugt — sein eigenes elektronisches Rauschen, in µV RMS über die Bandbreite. Es ist das kleinste EMG, das das System von „nichts" unterscheiden kann.
Genug: Cram's: 0,1–1,0 µV, die meisten Geräte erfassen ab 0,5 µV. SENIAM: < 1 µV RMS. Zum Vergleich Konrads Praxis-Grundlinie: Ein gut vorbereiteter, entspannter Muskel zeigt 1–3,5 µV gleichgerichteten Mittelwert — ein 1-µV-Verstärker ist für Entspannungsarbeit also an der Grenze und für Bewegungsarbeit komfortabel. Bedingungen lesen: „Rauschen" über ein schmales Band oder bei einer einzelnen Frequenz sieht besser aus als der RMS über 10–500 Hz.
Bandbreite (Bandpass)
Was sie ist: der durchgelassene Frequenzbereich, definiert durch Hochpass- und Tiefpass-Eckfrequenz. Die Leistung des Oberflächen-EMG liegt überwiegend zwischen 20 und 250 Hz; Cram's: 20–300 Hz für den allgemeinen Fall.
Genug: SENIAM: Hochpass 10 Hz (20 Hz bei dynamischen Aufgaben), Tiefpass ~500 Hz. Cram's Tabelle 3-2 nennt anwendungsabhängige Wahl — 20–1000 Hz allgemein, 20–300 Hz muskuloskelettale Arbeit, 100–200 Hz Entspannungstraining (das EKG „so gut wie eliminiert", auf Kosten echten Signals), 20–600 Hz Gesichtsmuskeln. Vorsicht bei festen, nicht einstellbaren Filtern und bei einem Hochpass über 20 Hz, der als „Rauschunterdrückung" verkauft wird: Er entfernt ermüdungsbezogene niederfrequente Anteile zusammen mit den Artefakten.
Abtastrate
Was sie ist: Abtastwerte pro Sekunde am A/D-Wandler. Das Nyquist-Kriterium verlangt mindestens das Doppelte der höchsten Signalfrequenz.
Genug: SENIAM: ≥ 1000 Hz bei 500-Hz-Tiefpass; 2000 Hz sind üblich und geben Reserve. Unter 1000 Hz faltet sich Signalgehalt oberhalb der halben Abtastrate als Aliasing zurück und lässt sich nachträglich nicht entfernen. Den Unterschied zwischen interner Abtastrate des Sensors und Übertragungs- bzw. Anzeigerate beachten — ein Funksensor kann mit 2 kHz abtasten und eine Hüllkurve mit 100 Hz streamen, was für Biofeedback reicht, aber nicht für Spektralanalyse.
Auflösung (Bit-Tiefe)
Was sie ist: die Zahl der Stufen, die der A/D-Wandler unterscheidet. 12 Bit = 4096, 16 Bit = 65 536, 24 Bit = 16,8 Millionen.
Genug: 16 Bit sind Standard; 24 Bit ersparen die Wahl eines Verstärkungsbereichs. Entscheidend ist der kleinste Spannungsschritt: Eingangsbereich geteilt durch Stufenzahl. Ein 16-Bit-Wandler über ±5 mV löst 0,15 µV auf — weit unter dem Grundrauschen, mehr Bits erzeugen also keine zusätzliche Information; sie vermeiden nur Übersteuerung und Bereichsumschaltung.
Verstärkung und Messbereich
Was sie sind: Verstärkung ist der Vergrößerungsfaktor (Konrad: typisch 500–2000); der Messbereich ist die größte Amplitude, die das System darstellen kann, bevor es übersteuert. Beides sind zwei Sichten auf dieselbe Einstellung.
Genug: Cram's Tabelle 3-2: 0–1000 µV RMS für dynamische Arbeit, 0–100 µV RMS für Entspannungsarbeit, am besten wählbar. Ein System, das bei 500 µV übersteuert, verliert jede kräftige Kontraktion des Innerer Wadenmuskel oder Zweiköpfiger Oberarmmuskel; ein System mit nur einem 5-mV-Bereich verschenkt Auflösung an einen ruhenden Oberer Trapezmuskel. Auto-Ranging oder 24-Bit-Wandler machen das gegenstandslos.
Elektroden-Schnittstelle und Verkabelung
Was es ist: der Teil, über den das Datenblatt am wenigsten sagt — vorgegelte Ag/AgCl-Elektroden mit ≤ 10 mm leitendem Durchmesser, 20 mm Elektrodenabstand (SENIAM), und wie die Leitungen zum Verstärker kommen. Cram's listet die leitungsbezogenen Artefakte: 50/60-Hz-Einstreuung (Antenneneffekt), Bewegungsartefakt, Hochfrequenzstörungen.
Genug: aktive Elektroden oder ein hautnaher Vorverstärker, kurze Leitungen, feste 20-mm-Geometrie. Funksensoren mit integriertem Verstärker beseitigen das Antennenproblem ganz — ihr begrenzender Kennwert wird dann die Übertragungsrate.
Checkliste zum Systemvergleich
Cram's empfiehlt ein Blatt je Gerät (Exhibit 3-1). Eine verdichtete Fassung:
| Kennwert | Fragen nach | Ausreichend (SENIAM / Cram's) |
|---|---|---|
| Eingangsimpedanz | Wert in MΩ oder GΩ | > 100 MΩ |
| CMRR | dB bei 50/60 Hz | > 95 dB |
| Eingangsbezogenes Rauschen | µV RMS über 10–500 Hz | < 1 µV RMS |
| Bandbreite | Hoch- und Tiefpass, einstellbar? | 10 (20)–500 Hz |
| Abtastrate | Hz am Sensor und Übertragungsrate | ≥ 1000 Hz, besser 2000 |
| Auflösung | Bit und Eingangsbereich → µV je Stufe | 16 Bit oder mehr |
| Messbereich / Verstärkung | max. Amplitude vor Übersteuerung, wählbar? | bis 1000 µV RMS dynamisch |
| Elektroden | Typ, Durchmesser, Elektrodenabstand | Ag/AgCl, ≤ 10 mm, 20 mm |
| Zugriff auf Rohsignal | Rohkurve sichtbar und exportierbar? | ja — der Signal-Check braucht sie |
| Software-Filter | welche, einstellbar, dokumentiert? | dokumentiert und abschaltbar |
Die letzten beiden Zeilen sind keine elektrischen Kennwerte, entscheiden aber, ob man den Signal-Check in fünf Schritten überhaupt durchführen kann. Ein System, das nur eine geglättete Hüllkurve zeigt, verbirgt jedes Artefakt.
Was die Zahlen nicht sagen
- Sie setzen guten Hautkontakt voraus. Ungleiche Impedanzen verschlechtern die CMRR in der Praxis unabhängig vom Datenblatt — siehe die zehn Faktoren.
- Sie sagen nichts über die Platzierung. Ein perfekter Verstärker über der Innervationszone liefert trotzdem eine instabile Amplitude.
- Software-Verarbeitung ist oft undokumentiert. Hüllkurvenfenster, Notch-Filter, EKG-Unterdrückung, Normalisierungs-Voreinstellungen — nachfragen und abschalten, wenn man das Rohsignal braucht.
- Marketingbegriffe sind keine Kennwerte. „Medical grade", „research grade" und „klinische Präzision" tragen keine Zahl. Nach der Tabelle oben fragen.
Muskeln in diesem Artikel
Von der Platzierung zur Messung
EMG Guide zeigt, wo die Elektroden hingehören. easyEMG mit PicoBlue-Sensoren visualisiert danach das Signal live — SENIAM-konform, in Echtzeit, mit Signal-Check am Bildschirm.
Häufige Fragen
Ist eine höhere CMRR immer besser?
Auf dem Papier ja; in der Praxis ist ab etwa 100 dB der begrenzende Faktor die Ungleichheit der beiden Hautimpedanzen, nicht der Verstärker. Haut gut vorbereiten, dann reicht die CMRR jedes modernen Verstärkers.
Brauche ich 24-Bit-Auflösung?
Nein. 16 Bit lösen Schritte weit unter dem Grundrauschen auf. 24 Bit sind bequem, weil sie die Bereichsumschaltung ersparen — nicht, weil sie „mehr" EMG aufzeichnen.
Welche Bandbreite soll ich einstellen?
Für Bewegungs-, Kraft- und Ermüdungsarbeit: 20–500 Hz (10-Hz-Hochpass bei sehr sauberen, statischen Bedingungen). Für Entspannungs-Biofeedback an Rumpf und Schultern schlägt Cram's 100–200 Hz vor, um das EKG zu unterdrücken — mit dem Wissen, dass ein Teil des Signals verloren geht. Was auch immer man wählt: innerhalb eines Vergleichs konstant halten und angeben.
Kann ich der Rauschangabe im Datenblatt trauen?
Nur, wenn Bandbreite und Messbedingung (Eingänge kurzgeschlossen, RMS) genannt sind. Selbst testen: Kurzgeschlossene Eingänge oder ein Elektrodenpaar auf einer knöchernen, entspannten Stelle sollten eine flache Kurve von etwa 1–2 µV RMS ergeben.
Quellen
- Criswell E. Cram's Introduction to Surface Electromyography. 2. Aufl. 2011 — Kap. 3 „Instrumentation", inkl. „How to Check Specifications of SEMG Instruments" und Tabelle 3-2 (S. 35–62, bes. 57–59).
- Hermens HJ et al. SENIAM — European Recommendations for Surface Electromyography, Sensor- und Signalverarbeitungs-Empfehlungen. 1999/2000.
- Konrad P. The ABC of EMG. Noraxon; 2005 — S. 12 (Verstärkung), 21–23 (Signal-Check), 28 (digitale Filterung).
- Merletti R, Parker PA (Hrsg.). Electromyography — Physiology, Engineering, and Noninvasive Applications. IEEE/Wiley; 2004 — Kap. 5.
- De Luca CJ. The use of surface electromyography in biomechanics. J Appl Biomech. 1997;13:135–163.
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