Vom Roh-EMG zum RMS — Gleichrichtung, Glättung und Filterung erklärt

Mit dem Rohsignal anfangen — und es behalten#

Das Roh-EMG beantwortet bereits zwei Fragen objektiv: Ist der Muskel an oder aus, und ist er mehr oder weniger aktiv als eben (Konrad). Es ist außerdem die einzige Darstellung, in der Artefakte so aussehen, wie sie sind — Netzbrummen, EKG-Spitzen, Grundlinienverschiebungen. Deshalb wird der Signal-Check an der Rohkurve gemacht, und deshalb sollte ein System sie immer speichern und exportieren lassen. Konrads Regel: Im besten Fall lässt sich jeder nachträgliche Verarbeitungsschritt entfernen, um den Rohdatensatz wiederherzustellen.

Das rohe Interferenzmuster ist stochastisch. Der Satz aktiver motorischer Einheiten und die Art, wie sich ihre Potenziale überlagern, ändern sich ständig, sodass ein Burst nie in seiner exakten Form reproduziert werden kann. Verarbeitung existiert, um diesen nicht reproduzierbaren Teil abzustreifen und den Trend zu behalten.

Schritt 1 — Vollweg-Gleichrichtung#

Das Roh-EMG schwingt um null; sein Mittelwert ist null. Die Gleichrichtung klappt jeden negativen Wert ins Positive (Vollweg) oder verwirft ihn (Halbweg; selten). Erst nach der Gleichrichtung ergeben Mittelwert, Spitze und Fläche einen Sinn (Konrad, S. 26). Sonst ändert sich nichts: Das Timing jeder Spitze bleibt erhalten.

Schritt 2 — Glättung: die Hüllkurve#

Die Glättung mittelt das gleichgerichtete Signal über ein gleitendes Fenster und erzeugt die lineare Hüllkurve — den Amplitudenverlauf ohne die Spitzen. Zwei Algorithmen sind Standard (Konrad, S. 27):

• Gleitender Mittelwert (MovAg / ARV). Der Mittelwert des gleichgerichteten Signals im Fenster. SENIAM nennt ihn „Average Rectified Value", einen Schätzer des Amplitudenverhaltens, bezogen auf die Fläche unter der Epoche.
• Root Mean Square (RMS). Quadrieren, mitteln, Wurzel ziehen. Bildet die mittlere Leistung des Signals ab und ist die empfohlene Wahl (SENIAM, De Luca). Bei gleichem Fenster liefert der RMS etwas höhere Werte als der gleitende Mittelwert — absolut sind die beiden nicht austauschbar, obwohl die Kurvenform nahezu identisch ist.

Die Fensterlänge entscheidet den Kompromiss zwischen Ruhe und Timing. Konrad: 20 ms für schnelle Ereignisse (Sprünge, Reflexe) bis 500 ms für langsame oder statische Aufgaben; 50–100 ms funktionieren in den meisten Fällen. Längere Fenster glätten stärker, führen aber eine Phasenverschiebung ein — die Hüllkurve hinkt steilen Anstiegen hinterher, was für Timing-Analysen zählt. Man vergleiche den Vorderer Schienbeinmuskel-Burst beim Fersenkontakt (kurzes Fenster) mit einem gehaltenen Längster Rückenmuskel (langes Fenster ist in Ordnung).

Eine Alternative zum gleitenden Fenster ist ein Tiefpassfilter — Konrads Beispiel: ein Butterworth 2. Ordnung bei 6 Hz, vorwärts und rückwärts angewendet (keine Phasenverschiebung). Er erzeugt dieselbe Hüllkurvenform und Amplitudenstatistik wie ein ~100-ms-gleitender Mittelwert, ohne die Verzögerung.

Schritt 3 — Digitale Filterung: weniger ist mehr#

Konrad, SENIAM und ISEK sind sich einig: Mit modernen Verstärkern ist im regulären kinesiologischen EMG keine zusätzliche Filterung nötig. Empfohlen wird das volle Band 10–500 Hz. Zwei konkrete Warnungen:

• Kein Notch-Filter für 50/60 Hz. Er entfernt echte EMG-Leistung genau in der Region, in der das Spektrum sein Maximum hat. Netzbrummen an der Ursache lösen — Erdung, Kabelfixierung, Referenzelektrode (siehe die zehn Faktoren).
• Ein Hochpass bei 20–25 Hz ist bei Feindraht-Ableitungen und dynamischen Aufgaben mit Kabelbewegung akzeptabel; er verändert ensemble-gemittelte Gangkurven nicht wesentlich. Höher, und man beginnt, den ermüdungsrelevanten niederfrequenten Anteil abzuschneiden.

Konrad ergänzt eine Warnung, die man wiederholen sollte: Biofeedback-Geräte, die stark vorverarbeitete Signale anzeigen, sollten nicht für wissenschaftliche Studien verwendet werden. Für das Biofeedback selbst ist die Hüllkurve genau das, was der Nutzer braucht — solange alle wissen, dass es eine Hüllkurve ist.

Von der Hüllkurve zu Zahlen#

Aus der Hüllkurve werden die Amplitudenparameter berechnet (Konrad, S. 39):

• Mittelwert über ein Analyseintervall — der wichtigste und robusteste Wert; am wenigsten empfindlich für die Intervalllänge; am besten für Vergleiche.
• Spitze — bei Einzeldurchgängen zu variabel; sinnvoll für gemittelte Kurven. Konrads Kompromiss: Average Peak, der Mittelwert z. B. der zehn höchsten Werte im Intervall.
• Fläche (integriertes EMG, iEMG) — das Integral, in µV·s; wächst mit der Intervalllänge, also nur bei gleicher Dauer vergleichbar. Historisch wurde „iEMG" auch unscharf für analog geglättete Kurven verwendet.
• Input % — der Mittelwert jedes Kanals als Anteil an der Summe der Mittelwerte aller Kanäle; eine Verteilungsanalyse, um Muskelverhältnisse zwischen Übungen zu vergleichen.

Welcher dieser Werte welche Frage beantwortet, ist Thema von EMG-Parameter — welche Frage; wie man die Zahlen über Sitzungen und Personen vergleichbar macht, Thema der Normalisierung.

Was anzugeben ist#

Der ISEK-Berichtsstandard und SENIAM verlangen die vollständige Kette, weil zwei Labore mit unterschiedlichen Fenstern aus demselben Muskel unterschiedliche Zahlen bekommen:

1. Verstärker-Bandpass und Abtastrate.
2. Gleichrichtung (Vollweg).
3. Glättungsmethode (RMS / gleitender Mittelwert / Tiefpass) und Fensterlänge bzw. Grenzfrequenz.
4. Jedes zusätzliche Filter (Typ, Ordnung, Grenzfrequenz, phasenfrei oder nicht).
5. Amplitudenparameter (Mittelwert, RMS, Spitze, Fläche) und Analyseintervall.
6. Normalisierungsmethode.

Dieselbe Kette für alles beibehalten, was man vergleicht — eine mit 300-ms-Fenster verarbeitete Referenzkontraktion normalisiert keinen mit 50 ms verarbeiteten Durchgang.