Nichtinvasive Erfassung elektrophysiologischer Parameter zur Beurteilung von Muskelermüdung unter isometrischen und dynamischen Kontraktionen

Schulte, Elke; Rau, Günter

doi:1502

Nichtinvasive Erfassung elektrophysiologischer Parameter zur Beurteilung von Muskelermüdung unter isometrischen und dynamischen Kontraktionen = Non-invasive assessment of electrophysiological parameters for the evaluation of muscle fatigue under isometric and dynamic conditions

Schulte, Elke (Author)

2005 & 2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Elke Schulte

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

UmfangIV, 151 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Prüfungsjahr: 2005. - Publikationsjahr: 2006

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-11-18

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-15024
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59055/files/Schulte_Elke.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Technik (frei) ; Elektromyographie (frei) ; Muskel (frei) ; Ermüdung (frei) ; Motorische Einheit (frei) ; Elektrodenarray (frei) ; Erregungsweiterleitungsgeschwindigkeit (frei) ; dynamische Kontraktion (frei) ; Muskelermüdung (frei) ; electromyography (frei) ; muscle fatigue (frei) ; motor unit (frei) ; electrode array (frei) ; conduction velocity (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 600

Kurzfassung
Die Erfassung neuromuskulärer Vorgänge bei Muskelermüdung unter Willkürbewegung gewinnt bei der Erforschung der Ursachen chronischer Muskelschmerzen zunehmend an Bedeutung. Hierzu wird ein Verfahren entwickelt, das die nichtinvasive Erfassung von Muskelermüdung bei dynamischen Kontraktionen (Bewegung) erlaubt. Zentraler Parameter zur Erfassung der lokalen Muskelermüdung ist die Abnahme der Erregungsweiterleitungsgeschwindigkeit entlang der Muskelfasern einzelner funktioneller Einheiten (motorische Einheiten). Um diese über längere Zeiträume hinweg erfassen und beurteilen zu können, wurde das Verfahren der räumlich hochauflösenden Elektromyographie (HSR-EMG) eingesetzt und weiterentwickelt. Die zur Verfolgung der elektrophysiologischen Aktivität motorischer Einheiten notwendige räumliche Selektivität wird beim HSR-EMG durch die Kombination von Elektrodenarrays mit räumlicher Filterung erreicht. Die vorgelegte Arbeit umfasst neben einer Anpassung der Hardware and die Anforderungen dynamischer Langzeitmessungen die Entwicklung geeigneter Analysemethoden und Algorithmen zur Interpretation der HSR-EMG Signale aus dynamischen Messungen.Die Hardwarearbeit beinhaltet das Design eines neuen 2-dimensionalen Arrays von Messelektroden, das auf der Haut des Probanden befestigt werden kann, ohne diesen in seiner Bewegungsfreiheit einzuschränken. Es kann sich aufgrund seiner hohen Flexibilität der Muskelkrümmung anpassen. Eine Reihe verschiedener Elektrodenformen wurde getestet, um einen möglichst guten elektrischen Kontakt zur Haut zu ermöglichen.Um die Aktivität einzelner motorischer Einheiten verfolgen zu können, ist es notwendig das EMG Signal in die von den motorischen Einheiten erzeugten Signale zu zerlegen (Dekomposition). Dazu ist ein auf einer Multikanalkreuzkorrelation basierendes Programm entwickelt worden, das sich für die Auswertung von Langzeitmessungen eignet.Bei Bewegung führen geometrische Änderungen zu Effekten im EMG Signal, die keinem physiologischen Korrelat entsprechen. Daher liegt der Schwerpunk der Arbeit auf der Untersuchung solcher „geometrischer Effekte” und ihrer Auswirkungen auf verschiedene elektrophysiologische Parameter, insbesondere der Muskelleitgeschwindigkeit. Die hier gewonnenen Kenntnisse finden bei der Wahl geeigneter Signalanalysemethoden für dynamische HSR-EMG Messungen Anwendung. Des Weiteren wird eine Methode vorgestellt, die geometrische Effekte zur Bestimmung der Muskelfaserlänge nutzt.Exemplarisch wird der Nutzen der entwickelten Methodik am Beispiel zweier Studien zur Untersuchung von Änderungen im Ermüdungsverhalten des Muskels in Probanden mit chronischem bzw. experimentellem Muskelschmerz belegt.

In the exploration of the mechanisms of chronical muscle pain, the assessment of neuro-muscular parameters of muscle fatigue under voluntary movement is of increasing importance. Therefor, a method allowing the non-invasive assessment of muscle fatigue under dynamic contractions (movement) was developed. Central electromyographic parameter in the assessment of local muscle fatigue is a decrease in the single motor unit conduction velocity. To allow the recording and evaluation of single motor unit potentials over a long duration, the method of high spatial resolution electromyography (HSR-EMG) was utilized and improved. In HSR-EMG, the spatial selectivity needed for the follow-up of the electrophysiological activity of motor units is gained by a combination of electrode arrays and spatial filtering. The thesis compends an adaptation of the hardware to the requirements of measurements of long duration under dynamic conditions as well as the development/investigation of methods suited for the interpretation of HSR-EMG signals gained under dynamic contractions.For measurements, a new design of a two-dimensional electrode array was developed. This electrode array can be attached to the skin while not affecting the subjects freedom of movement. Due to its high flexibility it can adopt to the curvature of muscles. A number of different electrode design was tested to gain an optimal electrical contact to the skin.In order to follow up the electrical activity of single motor units, a method is needed that allows the decomposition of the EMG signal into the contributions of the active motor units. For the decomposition a program based on a multi-channel cross correlation was developed, which is suited for the analysis of measurements of long duration.Under movement, changes in the geometry between muscle and electrode array lead to effects in the EMG signal, that do not correlate to physiological alterations. These geometrical effects and their consequences on electrophysiological parameters were investigated. The most important parameter in respect of dynamic HSR-EMG measuremets is the conduction velocity. On the other hand, geometrical effects can be used to determin changes in muscle length under dynamic conditions.The use of the developed methods was shown in the examples of two studies investigating muscle fatigue in subjects with chronic, respectively experimental muscle pain.

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