Glossar der Oberflächen-EMG

Signalentstehung und Physiologie#

Motorische Einheit#

Eine motorische Einheit ist ein Alpha-Motoneuron zusammen mit allen Muskelfasern, die es innerviert; sie ist die kleinste funktionelle Einheit, die das Nervensystem aktivieren kann.

Die Zahl der Fasern je Einheit reicht von wenigen (Augenmuskeln) bis über tausend (große Beinmuskeln). Alles, was eine Oberflächenelektrode aufzeichnet, ist die Summe vieler motorischer Einheiten.

Aktionspotenzial der motorischen Einheit (MUAP)#

Das Aktionspotenzial einer motorischen Einheit ist das summierte elektrische Potenzial aller Fasern dieser Einheit bei einer Entladung, gesehen von einer bestimmten Elektrodenposition.

Seine Form hängt von Fasergeometrie, Tiefe der Einheit und dem Gewebe zwischen Fasern und Elektrode ab. Oberflächen-EMG zeigt nie einzelne MUAPs sauber — es zeigt ihr Interferenzmuster.

Interferenzmuster#

Das Interferenzmuster ist das rohe Oberflächen-EMG-Signal, das entsteht, wenn viele motorische Einheiten asynchron feuern und sich zeitlich überlagern.

Weil es stochastisch ist, erzeugen zwei identische Kontraktionen nie eine identische Rohkurve. Deshalb wird die Amplitude immer über ein Zeitfenster ausgewertet (siehe RMS), nie an einem einzelnen Abtastwert.

Rekrutierung und Frequenzierung#

Rekrutierung ist die Aktivierung zusätzlicher motorischer Einheiten, Frequenzierung (Rate Coding) die Erhöhung der Entladungsrate bereits aktiver Einheiten; gemeinsam stufen sie die Muskelkraft ab.

Beides erhöht die EMG-Amplitude — darum steigt die Amplitude mit der Kraft, aber nicht linear und nicht bei allen Muskeln gleich.

Innervationszone (Motorpunkt)#

Die Innervationszone ist der Bereich eines Muskels, in dem die motorischen Axone an den Fasern enden — der Ursprung der Aktionspotenziale, die sich von dort in beide Richtungen zu den Sehnen ausbreiten.

Elektroden über der Innervationszone erfassen gegenläufig laufende Potenziale, die sich teilweise auslöschen; die Amplituden werden kleiner und instabil. SENIAM platziert die Elektroden deshalb zwischen Innervationszone und distaler Sehne.

Leitgeschwindigkeit#

Die Muskelfaser-Leitgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der ein Aktionspotenzial entlang der Muskelfaser läuft, typischerweise 3–5 m/s.

Sie sinkt bei Ermüdung und steigt mit der Temperatur; ihre Änderung ist der physiologische Grund, warum sich das EMG-Frequenzspektrum bei Dauerkontraktion verschiebt.

Amplitudenauslöschung#

Amplitudenauslöschung ist der Signalverlust, der entsteht, wenn sich positive und negative Phasen überlagerter Aktionspotenziale an der Elektrode zu null addieren.

Sie ist der Hauptgrund, warum die EMG-Amplitude den tatsächlichen neuronalen Antrieb bei hoher Aktivierung unterschätzt — und ein Grund, die Innervationszone zu meiden.

Elektroden und Platzierung#

Bipolare (differenzielle) Ableitung#

Eine bipolare Ableitung misst die Spannungsdifferenz zwischen zwei Elektroden über demselben Muskel; Signale, die an beiden Elektroden gleich sind, heben sich auf.

Das ist die Standardkonfiguration im Oberflächen-EMG. Netzbrummen oder EKG, das beide Elektroden nahezu gleich erreicht, wird weitgehend entfernt (siehe CMRR).

Elektrodenabstand (IED)#

Der Elektrodenabstand ist der Mittelpunktsabstand der beiden Ableitelektroden eines bipolaren Paars; SENIAM empfiehlt 20 mm.

Ein kleinerer Abstand erhöht die Selektivität (weniger Übersprechen), verringert aber die Amplitude; ein größerer erfasst mehr vom Muskel und mehr von den Nachbarn. Für sehr kleine Muskeln erlaubt SENIAM einen kleineren Abstand, aber nie mehr als ein Viertel der Faserlänge.

Referenzelektrode (Erdung)#

Die Referenzelektrode liefert dem Verstärker das gemeinsame Bezugspotenzial und wird über elektrisch inaktivem Gewebe angebracht, typischerweise auf einem Knochenvorsprung.

Übliche Orte sind Handgelenk, Sprunggelenk, der Dornfortsatz C7 oder der Beckenkamm. Eine fehlende oder schlecht sitzende Referenzelektrode ist das Erste, was man bei unruhiger Grundlinie prüft.

Elektrodenorientierung#

Die Elektrodenorientierung ist die Richtung der Verbindungslinie beider Ableitelektroden relativ zu den Muskelfasern; sie soll parallel zum Faserverlauf liegen.

Quer zu den Fasern sinkt die Amplitude und der Frequenzgehalt wird verzerrt, weil beide Elektroden dann nicht mehr dasselbe wandernde Aktionspotenzial nacheinander „sehen".

Anatomische Landmarken#

Anatomische Landmarken sind tastbare Knochenpunkte — Acromion, Epikondylen, Spina iliaca, Malleolen —, von denen aus SENIAM Elektrodenpositionen als Anteil einer Verbindungslinie definiert.

Mit Landmarken statt „Mitte des Muskels" zu arbeiten, macht eine Platzierung zwischen Sitzungen und Untersuchern reproduzierbar.

Hautvorbereitung#

Hautvorbereitung ist das Entfernen von Haaren, abgestorbenen Hautzellen und Schweiß vor dem Aufkleben der Elektroden, um die Hautimpedanz zu senken und zu stabilisieren.

Rasieren, leichtes Abreiben mit Abrasivpaste oder feinem Schleifpapier, dann Reinigen mit Alkohol; die Haut soll leicht gerötet sein. Für langsame, statische Tests kann Alkohol allein reichen; für Laufen oder Springen ist gründliche Vorbereitung Pflicht.

Hautimpedanz#

Die Hautimpedanz ist der elektrische Widerstand, den die Elektroden-Haut-Grenzfläche dem Strom entgegensetzt; sie soll niedrig und unter beiden Elektroden ähnlich sein.

Konrads Praxisskala: 1–5 kΩ sehr gut, 5–10 kΩ gut, 10–30 kΩ akzeptabel für einfache Bedingungen, über 50 kΩ Vorbereitung wiederholen. Die Impedanz fällt in den ersten Minuten nach dem Aufkleben um mehr als die Hälfte — vor der Messung also warten.

Ag/AgCl-Elektrode#

Eine Silber/Silberchlorid-Elektrode ist die Standard-Einmalelektrode mit Gel; ihre nicht polarisierbare Grenzfläche liefert einen stabilen, rauscharmen Kontakt.

SENIAM empfiehlt eine leitende Fläche von höchstens 10 mm Durchmesser. Nassgel-Typen haben die niedrigere Impedanz; Klebegel-Typen lassen sich neu positionieren.

Übersprechen (Crosstalk)#

Übersprechen ist der Anteil eines Oberflächen-EMG-Signals, der aus anderen Muskeln als dem unter der Elektrode stammt.

Es ist in der Rohkurve nicht erkennbar. Minimiert wird es durch kleine Elektroden, kurzen Elektrodenabstand, Platzierung über dem Muskelbauch fern der Ränder — und durch die Wahl von Muskeln, die wirklich oberflächlich liegen. Jede Muskelseite auf EMG Guide nennt die typischen Übersprech-Nachbarn.

Volumenleitung#

Volumenleitung ist die Ausbreitung elektrischer Potenziale durch das Gewebe zwischen Quelle und Elektrode; sie macht Übersprechen erst möglich.

Subkutanes Fett wirkt als Tiefpass und Dämpfer: Je dicker die Gewebeschicht, desto kleiner und glatter das aufgezeichnete Signal.

Spezifische vs. quasi-spezifische Platzierung#

Eine spezifische Platzierung erfasst überwiegend einen Muskel; eine quasi-spezifische Platzierung erfasst eine Muskelgruppe, deren Mitglieder sich mit Oberflächenelektroden nicht trennen lassen.

Cram's Atlas verwendet diese Unterscheidung für jede Ableitstelle. „Handgelenkbeuger", „mediale Hamstrings" oder „Hüftadduktoren" sind naturgemäß quasi-spezifisch; der Messpraxis-Block auf EMG Guide nennt den Typ je Muskel.

Feindraht-EMG (intramuskulär)#

Feindraht-EMG misst innerhalb des Muskels über dünne Hakendrähte, die mit einer Hohlnadel eingebracht werden; es ist für tiefe oder von anderen Muskeln überdeckte Muskeln erforderlich.

Levator scapulae, Rhomboideen, Supraspinatus, Iliopsoas oder Tibialis posterior gehören dazu — deshalb sind sie nicht Teil des EMG-Guide-Katalogs.

Verstärker und Kennwerte#

Gleichtaktunterdrückung (CMRR)#

Die Gleichtaktunterdrückung gibt in Dezibel an, wie stark ein Differenzverstärker Signale unterdrückt, die an beiden Eingängen identisch sind; SENIAM empfiehlt mindestens 95 dB.

Netzbrummen und EKG erreichen beide Elektroden fast gleich und werden dadurch abgeschwächt — je höher die CMRR, desto sauberer die Grundlinie.

Eingangsimpedanz#

Die Eingangsimpedanz ist der Widerstand, den der Verstärker den Elektroden entgegensetzt; sie muss viel höher als die Hautimpedanz sein, damit praktisch kein Strom fließt und das Signal nicht gedämpft wird.

SENIAM empfiehlt mindestens 100 MΩ. Moderne Verstärker erreichen Gigaohm-Werte und sind dadurch toleranter gegenüber unvollkommener Hautvorbereitung.

Verstärkung (Gain)#

Die Verstärkung ist der Faktor, um den der Verstärker das Mikrovolt-Signal vor der Digitalisierung vergrößert.

Typisch sind 500–2000. Zu hohe Verstärkung übersteuert große Signale; zu niedrige verschenkt die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers.

Bandbreite / Bandpassfilter#

Der Bandpass legt den Frequenzbereich fest, den der Verstärker durchlässt; SENIAM empfiehlt für Oberflächen-EMG einen Hochpass bei 10 Hz und einen Tiefpass bei etwa 500 Hz.

Der größte Teil der Signalleistung liegt zwischen 20 und 250 Hz. Ein 20-Hz-Hochpass reduziert Bewegungsartefakte auf Kosten von etwas echtem Signal und ist bei dynamischen Aufgaben üblich.

Abtastrate#

Die Abtastrate ist die Zahl der Abtastwerte pro Sekunde bei der Digitalisierung; sie muss mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste Signalfrequenz (Nyquist), also ≥ 1000 Hz bei 500-Hz-Tiefpass.

Unterabtastung erzeugt Aliasing — hohe Frequenzen erscheinen als niedrige und lassen sich nachträglich nicht mehr entfernen.

Auflösung (Bit-Tiefe)#

Die Auflösung ist die Zahl der Stufen, die der Analog-Digital-Wandler unterscheiden kann, angegeben in Bit; 12 Bit ergeben 4096 Stufen, 16 Bit 65 536.

Zusammen mit Verstärkung und Eingangsbereich bestimmt sie den kleinsten darstellbaren Spannungsschritt; 16 Bit oder mehr sind heute Standard.

Grundrauschen#

Das Grundrauschen ist der Signalpegel, den ein Verstärker ohne Muskelaktivität erzeugt — das elektronische Eigenrauschen des Systems.

Konrad empfiehlt eine Roh-Grundlinie mit gleichgerichtetem Mittelwert von etwa 1–3,5 µV; Spitzen über 10–15 µV weisen auf ein Vorbereitungs- oder Umgebungsproblem hin, nicht auf den Verstärker.

Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)#

Das Signal-Rausch-Verhältnis vergleicht die Amplitude des EMG-Signals mit der des Rauschens; es entscheidet, ob kleine Aktivierungen überhaupt erkennbar sind.

Dickes Unterhautfett, schlechte Hautvorbereitung und kleine Muskeln senken es. Ein Muskel, der „stumm" wirkt, wird womöglich nur mit zu schlechtem SNR erfasst.

Signalverarbeitung#

Roh-EMG#

Das Roh-EMG ist das verstärkte, bandpassgefilterte, aber sonst unbearbeitete Signal — eine um null schwingende Kurve mit positiven und negativen Spitzen.

Es ist die einzige Darstellung, die Artefakte unverfälscht zeigt; deshalb beginnt jeder Signal-Check mit dem Rohsignal, nicht mit der geglätteten Hüllkurve.

Gleichrichtung#

Die Gleichrichtung wandelt das Roh-EMG in ein Signal mit nur positiven Werten um — entweder durch Umklappen der negativen Hälfte (Vollweg) oder durch Abschneiden (Halbweg).

Sie ist Voraussetzung für jede Mittelung, denn der Mittelwert eines Roh-EMG ist null.

Glättung / Hüllkurve#

Die Glättung erzeugt die Hüllkurve des gleichgerichteten EMG durch Mittelung über ein gleitendes Fenster; das Ergebnis bildet den Amplitudenverlauf der Aktivität ab.

Typische Fenster sind 50–100 ms für schnelle Bewegungen und 100–250 ms für langsame oder statische Aufgaben. Längere Fenster ergeben eine ruhigere Kurve, verwischen aber das Timing.

RMS (Root Mean Square)#

Der RMS ist die Wurzel aus dem Mittelwert des quadrierten Signals über ein Fenster; er ist das empfohlene Amplitudenmaß im Oberflächen-EMG, weil er die Signalleistung abbildet.

RMS-Werte werden in Mikrovolt (µV) angegeben. Gegenüber dem gleichgerichteten Mittelwert ist er weniger empfindlich für Amplitudenauslöschung und besser auf physiologische Größen zu beziehen.

Gleichgerichteter Mittelwert (ARV / MAV)#

Der gleichgerichtete Mittelwert ist das Mittel des gleichgerichteten EMG über ein Fenster — die einfachere Alternative zum RMS.

Beide sind eng korreliert; wichtig ist, ein Maß konsequent zu verwenden und anzugeben, welches.

Integriertes EMG (iEMG)#

Das integrierte EMG ist die Fläche unter der gleichgerichteten Kurve über einen Zeitraum, in µV·s.

Anders als der RMS wächst es mit der Intervalllänge — iEMG-Werte sind nur bei gleicher Dauer vergleichbar. Ältere Literatur verwendet „iEMG" oft unscharf für jede geglättete Amplitude.

Normalisierung#

Normalisierung drückt die EMG-Amplitude als Prozentsatz einer Referenzkontraktion aus — meist der maximalen willkürlichen isometrischen Kontraktion (MVIC) — statt in absoluten Mikrovolt.

Absolute Mikrovoltwerte hängen von Haut, Fett, Elektrodenposition und Gerät ab und sind zwischen Muskeln, Personen oder Tagen nicht vergleichbar. Erst die Normalisierung macht „80 % des Maximums" zu einer sinnvollen Aussage.

MVC / MVIC#

Die maximale willkürliche (isometrische) Kontraktion ist ein standardisierter, gut fixierter Maximalversuch gegen festen Widerstand, der als Referenz für die Normalisierung dient.

Sie braucht eine definierte Position, verbale Anfeuerung, mehrere Versuche und ausreichende Pausen; bei Schmerz oder nach Verletzung ist ein echtes Maximum oft nicht erreichbar, dann werden submaximale Referenzen verwendet.

Digitales Filter#

Ein digitales Filter verändert den Frequenzgehalt des abgetasteten Signals — Hochpass gegen Grundliniendrift, Tiefpass zur Glättung, Notch gegen Netzbrummen.

Filter verschieben und verwischen Signale zeitlich; innerhalb eines Vergleichs müssen dieselben Einstellungen gelten, und ein Notch-Filter sollte letztes Mittel sein, weil er auch echtes EMG bei 50/60 Hz entfernt.

EKG-Artefaktreduktion#

Die EKG-Artefaktreduktion entfernt den Herzschlag, der in EMG-Kanäle am Rumpf und an den Schultern einkoppelt — per Hochpass, Template-Subtraktion oder Ausblendung.

Erector spinae, Rectus abdominis, Pectoralis und der linke Trapezius sind am stärksten betroffen.

Zeitnormalisierung#

Die Zeitnormalisierung streckt oder staucht jede Wiederholung einer Bewegung auf eine feste Länge (z. B. 0–100 % eines Gangzyklus), damit Wiederholungen gemittelt werden können.

Die Ensemble-Mittelung über viele Zyklen ergibt dann die typische Aktivierungskurve — die Standarddarstellung in Gang- und Bewegungsanalyse.

Analyse und Parameter#

Onset / Offset#

Onset und Offset sind die Zeitpunkte, an denen ein Muskel aktiv bzw. inaktiv wird, meist definiert über eine Schwelle oberhalb der Ruhe-Grundlinie.

Übliche Schwellen sind 2–3 Standardabweichungen der Grundlinie oder ein fester Prozentsatz der Spitze. Timing-Analysen stehen und fallen mit dieser Definition.

Amplitudenparameter#

Amplitudenparameter beschreiben, wie stark ein Muskel aktiv ist — Mittelwert, Spitze, RMS oder Fläche der Hüllkurve in einem definierten Zeitraum.

Sie beantworten „mehr oder weniger?", nicht „wie viel Kraft?" — die EMG-Kraft-Beziehung ist muskelspezifisch und nichtlinear.

Frequenzparameter — mittlere und Medianfrequenz#

Mittlere und Medianfrequenz beschreiben das Zentrum des EMG-Leistungsspektrums in Hertz; beide verschieben sich mit zunehmender Ermüdung zu niedrigeren Werten.

Die Medianfrequenz (die Frequenz, die die Spektrumsleistung halbiert) ist robuster gegen Rauschen und der Standard-Ermüdungsindex bei isometrischen Dauerkontraktionen.

Leistungsspektrum#

Das Leistungsspektrum zeigt, wie sich die Signalleistung über die Frequenz verteilt, berechnet per Fourier-Transformation.

Bei sauberem Oberflächen-EMG steigt es ab dem Hochpass steil an, erreicht sein Maximum um 50–80 Hz und geht bis 200–250 Hz gegen null. Eine scharfe Spitze bei 50 oder 60 Hz verrät Netzbrummen.

Muskelermüdung (im EMG)#

Im Oberflächen-EMG zeigt sich Ermüdung als Abnahme der Medianfrequenz bei gleichzeitigem Amplitudenanstieg unter konstanter Kraft während einer Dauerkontraktion.

Die Verschiebung spiegelt sinkende Leitgeschwindigkeit und verändertes Verhalten der motorischen Einheiten wider; sie tritt auf, bevor die Kraft tatsächlich nachlässt.

Kokontraktion#

Kokontraktion ist die gleichzeitige Aktivität von Agonist und Antagonist um ein Gelenk, quantifiziert über die Überlappung ihrer EMG-Hüllkurven.

Sie versteift das Gelenk; das Ausmaß ist aufgabenabhängig und nimmt bei instabilen oder ungewohnten Bedingungen zu.

Timing / Muskelkoordination#

Die Timing-Analyse vergleicht Onset, Spitze und Offset mehrerer Muskeln innerhalb einer Bewegung, um ihr Koordinationsmuster zu beschreiben.

Typische Fragen: Feuert der Vastus medialis vor dem Vastus lateralis? Startet der Gluteus maximus vor den Hamstrings?

Teststandardisierung#

Teststandardisierung ist die feste Definition von Position, Bewegung, Last, Geschwindigkeit, Instruktion und Pausen, damit sich wiederholte Messungen nur in der interessierenden Größe unterscheiden.

Ohne sie lassen sich Unterschiede zwischen Sitzungen nicht dem Muskel zuschreiben. Konrad nennt sie die Voraussetzung jedes EMG-Vergleichs.

Grundlinie (tonisches Niveau)#

Die Grundlinie ist das EMG-Niveau bei beabsichtigter Ruhe; bei gut vorbereitetem, entspanntem Muskel bleibt sie flach nahe null und kehrt nach jeder Kontraktion innerhalb von Millisekunden dorthin zurück.

Eine erhöhte oder driftende Grundlinie bedeutet entweder unvollständige Entspannung oder ein Artefakt — die Unterscheidung ist eine Kernkompetenz im EMG-Biofeedback.

Artefakte#

Bewegungsartefakt#

Ein Bewegungsartefakt ist eine niederfrequente Störung durch Relativbewegung zwischen Elektrode, Kabel und Haut — sichtbar als langsame Grundlinienwellen oder scharfe Ausschläge.

Gegenmaßnahmen: gründliche Hautvorbereitung, Kabelfixierung mit Tape oder Netz und ein 20-Hz-Hochpass bei dynamischen Aufgaben.

Netzbrummen#

Netzbrummen ist eine periodische 50-Hz- (Europa) bzw. 60-Hz-Störung (Amerika), die aus der elektrischen Umgebung in die Aufzeichnung einkoppelt.

Ursache sind meist schlecht geerdete Geräte in der Nähe (Laufbänder, Trainingsgeräte) oder eine schlechte Referenzelektrode; Erdung und Kabelführung lösen es zuverlässiger als ein Notch-Filter.

EKG-Artefakt#

Das EKG-Artefakt ist der Herzschlag, der in EMG-Kanälen nahe dem Thorax als regelmäßige Spitze etwa einmal pro Sekunde erscheint.

Es ist physiologisch, kein Fehler — aber es bläht Amplitudenwerte der Rumpfmuskeln auf und muss erkannt oder entfernt werden.

Grundlinien-Offset und -Verschiebung#

Ein Grundlinien-Offset ist eine konstante Verlagerung des Roh-EMG von null; eine Grundlinienverschiebung ist eine vorübergehende Abweichung, die nicht binnen weniger Millisekunden zu null zurückkehrt.

Der Offset wird vor der Aufzeichnung korrigiert; Verschiebungen zeigen Kabelbewegung, Druck auf die Elektrode oder Muskelschwabbeln an und machen Amplitudenwerte in diesem Intervall ungültig.

Standards und Referenzen#

SENIAM#

SENIAM (Surface ElectroMyoGraphy for the Non-Invasive Assessment of Muscles) ist das europäische Projekt (1996–1999), das Konsensempfehlungen zu Sensoreigenschaften, Sensorplatzierung und Signalverarbeitung im Oberflächen-EMG veröffentlicht hat.

Seine Platzierungsempfehlungen umfassen rund 30 Ableitstellen und sind die Grundlage der 52 SENIAM-markierten Muskeln auf EMG Guide; die übrigen Muskeln der Seite nutzen Positionen aus begutachteten Quellen, die auf jeder Seite genannt werden.

ISEK#

Die International Society of Electrophysiology and Kinesiology veröffentlicht Berichtsstandards für EMG-Studien — welche Angaben zu Sensor, Filter, Abtastung und Normalisierung in einer Arbeit stehen müssen.

Die ISEK-Checkliste macht eine Messung für andere reproduzierbar; sie ist auch eine gute Vorlage für ein Praxisprotokoll.

Kinesiologisches vs. klinisches EMG#

Kinesiologisches EMG untersucht die Muskelaktivierung bei willkürlicher Haltung, Bewegung und Training; klinisches (neurologisches) EMG nutzt Nadelelektroden und elektrische Stimulation zur Diagnose von Nerven- und Muskelerkrankungen.

Alles auf EMG Guide gehört zur ersten Art. Oberflächen-EMG visualisiert Aktivierungsmuster; es diagnostiziert nicht.