Elektromyografie

Zwei Arten von EMG sind weit verbreitet: Oberflächen-EMG und intramuskuläres (Nadel- und Feindraht-) EMG. Beim intramuskulären EMG wird eine Nadelelektrode oder eine Nadel mit zwei feinen Drahtelektroden durch die Haut in das Muskelgewebe eingeführt. Abhängig von den mechanischen Dimensionen der verwendeten Elektroden lässt sich eine hohe Ortsauflösung und Aussagen über einzelne Muskelfasern oder eine geringe Ortsauflösung und summarische Aussagen über ganze Muskelgruppen erzielen.

Oberflächenelektroden erfassen schon auf Grund ihrer mechanischen Dimensionen elektrische Aktivität bis zu einigen Zentimetern und darüber hinaus, können aber nicht die Aktivität einzelner motorischer Einheiten abbilden. Derartige Elektroden werden zum Beispiel in der Sport-Physiologie eingesetzt, wenn es darum geht, den Zeitpunkt des Beginns einer Muskelkontraktion zu bestimmen. In der Neurologie dient die Oberflächenableitung vor allem der Tremoranalyse.

Zur Ableitung der elektrischen Signale des Muskels verwendet man für das routinemäßige, diagnostische EMG in der Neurologie konzentrische Nadelelektroden. Diese Nadeln bestehen aus einem zentralen Leiter (Draht), um den herum eine elektrische Isolationsschicht aufgebracht ist, um die dann die äußere Metallhülle (Rohr) montiert ist. Eine typische EMG-Nadel ist 50 mm lang, hat einen Außendurchmesser von 0,45 mm und an der Spitze einen schrägen Anschliff, der den Mittelleiter isoliert von dem ovalen Anschliff der Metallhülse zeigt. Die Potentialmessung erfolgt zwischen Mittelleiter und Metallhülle. Durch diesen Aufbau werden vor allem spitzennahe Potentialänderungen im Wesentlichen bis zu einer Entfernung von 1–2 Millimetern erfasst. Damit ist eine sehr gezielte Diagnostik möglich.

Bei der Einzelfaserelektromyografie mit Spezialnadeln beträgt der erfasste Halbradius sogar nur 0,2–0,3 mm. Für Spezialzwecke werden auch monopolare Elektroden verwendet. Diese Elektroden bestehen aus einer meist Teflon-isolierten Nadel, deren Metall nur an der Spitze freiliegt. Die Spannung wird gegen eine separate Referenzelektrode (meist Flächenelektrode auf der Haut) gemessen.

Die Potentialquelle des EMG ist das Membranpotential der Muskelzelle, innen −70 mV gegenüber außen. Bei Erregung einer Muskelzelle, etwa über die motorische Endplatte, öffnen sich Ionenkanäle und führen zu einer kurzzeitigen (ca. 1 ms) und lokalen Umkehr des Membranpotentials. Diese Potentialänderung ist messbar. Welche Potentialdifferenz der Eingangsverstärker des Elektromyographen dabei erfasst, ist von sehr vielen physikalischen und physiologischen und letztlich auch pathologischen Faktoren abhängig: von der Entfernung der Elektrode von der Signalquelle (Abschwächung mit der dritten Potenz der Entfernung), von der Anzahl und Art der gleichzeitig aktiven Muskelfasern, von der räumlichen Anordnung von leitenden und isolierenden Gewebekomponenten (Blutleiter = gute Leiter, Fett = schlechter Leiter) und vielen anderen Faktoren mehr. Es resultiert ein sehr komplexes, elektrisches Feld. Das Messergebnis wird sowohl von kapazitiven als auch ohmschen Widerständen bestimmt. Im Resultat wird in einer typischen medizinisch neurologischen Messanordnung für ein EMG ein Signal gemessen, das Potentiale im Bereich von 50 μV bis zu einigen Millivolt erfasst. Die Entladungen einzelner motorischer Einheiten stellen sich dann als Potentialschwankungen von etwa 10 ms Dauer dar und enthalten Frequenzkomponenten bis einige Kilohertz. Es werden elektrisch rauscharme, potentialfreie Instrumentenverstärker mit sehr hohem Eingangswiderstand verwendet (typisch: 200 MOhm Eingangsimpedanz, Rauschpegel (noise) 0,7 μV RMS, Gleichtaktunterdrückung >100 dB).

Wenn aber zum Beispiel in der Sportphysiologie nicht die Binnenstruktur der muskulären Erregung erfasst werden soll, sondern eher der grobe Ablauf einer Muskelzuckung, wird häufig das EMG-Signal elektrisch gleichgerichtet und mit einem Tiefpass gefiltert. Daraus ergibt sich ein „integriertes“ und „geglättetes“ Signal mit entsprechend geringer räumlicher und zeitlicher Auflösung. Die Gleichrichtung geht allerdings von einer Reihe oft nicht zutreffender Grundannahmen aus (es handelt sich eben nicht um ein einfaches, sinuskurvenförmiges Wechselspannungssignal wie etwa die Netzspannung). Das Ergebnis ist daher nur mit größter Vorsicht zu interpretieren.

Die Darstellung des EMG-Signals erfolgte anfangs auf rußgeschwärzten, sich drehenden Trommeln, auf die ein mechanischer Zeiger eine Spur zeichnete (ähnlich wie bei der Seismologie). Später wurden Oszillographen und zur Speicherung Magnetbandgeräte verwendet. Seit breiterer Etablierung der digitalen Speichertechnik werden handelsübliche PCs oder Laptops mit Farbbildschirmen und entsprechende Drucker eingesetzt.

Miniaturendplattenpotentiale, auch Endplattenrauschen genannt, haben negative Amplituden von unter 50 µV und dauern 0,5 bis 2 ms an. Sie entstehen an den Kontaktstellen zwischen Axon und Muskelzelle durch spontane Transmitterausschüttungen, die aber kein fortgeleitetes Aktionspotential auf der Muskelzellmembran auslösen. Sie weisen daher nicht auf eine Muskelschädigung hin. Endplattenpotentiale dauern ca. 20 ms und sind stets überschwellig.

Positive scharfe Welle (PSW)

Fibrillationspotentiale und positive Wellen entstehen in einzelnen Muskelzellen und sind Anzeichen für eine fehlende Innervation (Denervation). Fibrillationspotentiale dauern 1 bis 5 ms an, haben Amplituden bis zu mehreren 100 µV, sind meist bi- oder triphasisch und treten streng rhythmisch (im Gegensatz zur modulierten Entladungsfrequenz gesunder motorischer Einheiten) auf.

Positive scharfe Wellen dauern etwa 4 ms an, haben Amplituden bis mehrere 100 µV, sind mit charakteristischer Form biphasisch und treten rhythmisch mit einer Frequenz zwischen 3 und 50 Hz auf.

Faszikulationspotentiale werden von einer motorischen Einheit generiert. Der Ursprung der Erregung liegt in dem versorgenden Neuron. Bei Schädigung des innervierenden Neurons kann es zu einer Depolarisation der Nervenzellmembran kommen, die als fortgeleitetes Aktionspotential die motorische Einheit erreicht. Der Ursprungsort kann dabei weit entfernt im Zellsoma im Rückenmark (Motoneuron) liegen oder aber auch distal in den Endaufzweigungen des Axons zu den einzelnen Muskelfasern. Faszikulationspotentiale treten unregelmäßig (z. B. alle 1–30 s) auf. Faszikulationen deuten ebenfalls auf eine Neuropathie hin.

Myotone Entladungen sind hochfrequente Aktionspotentialfolgen (60–150 pro Sekunde) mit einer Dauer von ein bis zwei (oder drei) Sekunden und einer Amplitude von 10 μV bis um 1 mV. Sie deuten auf eine Fehlfunktion der Muskelmembran hin, deren Ionenkanäle beschädigt sind.