Erstellung eines Datenpools für die Validierung eines analytischen Modells zur Bestimmung anatomischer Parameter von elektromyographisch abgeleiteten motorischen Einheiten

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es einen Datenpool zu erstellen, um später ein analytisches Modell zur Bestimmung von elektrophysiologischen Parametern validieren zu können. Das Hauptaugenmerk wurde dabei auf die Bestimmung der Faserangulation des musculus (m) biceps brachii und des m. tibialis anterior gelegt. Es sollte anhand dieser Muskeln untersucht werden, ob es Unterschiede bei der Aufzeichnung und Auswertung von Muskeln mit paralleler oder gefiederter Faserarchitektur gibt. Die Untersuchung wurde so konzipiert, dass gleichzeitig intramuskuläre und oberflächliche Elektromyographie (EMG) - Signale aufgezeichnet werden konnten. Dabei wurden im Rahmen von Wiederholungsmessungen die oberflächlichen Elektroden in ihrer Position in mehreren 7,5-Grad Schritten rotiert. Zunächst wurde das intramuskuläre Signal ausgewertet, indem das Signal in die korrespondierenden Feuerereignisse der MUs (engl.: motor units) zerlegt wurde. Um Herauszufinden welche intramuskulär aufgezeichneten MUs in der Folgemessung wieder auftreten, wurde die Amplitudenform der verschiedenen MU Aktionspotentiale (MUAP) zwischen aufeinanderfolgenden Messungen verglichen. Mittels STA (engl.: spike triggered averaging) konnten aus dem Oberflächen-EMG sogenannte MU Fingerprints (Amplitudenkarten) extrahiert werden, die es ermöglichten, die Erregungsausbreitung sichtbar zu machen und somit die Hauptangulation der Muskelfasern der entsprechenden MU zu bestimmen. Da das Elektrodengitter in definierten Schritten von 7,5° rotiert wurde, ließen sich die in den MU Fingerprints ermittelten Angulationen mit den Rotationsschritten des Elektrodengitters vergleichen. Das Dekomponieren der MUs gelang bei beiden untersuchten Muskeln ähnlich gut. Insgesamt betrug die Anzahl dekomponierter MUs beim m. biceps brachii 323, und beim m. tibialis anterior 269. Die Identifikation der im Feindraht-EMG detektierten MUs in den Wiederholungsmessungen war relativ schwierig. Der durchschnittliche Korrelationskoeffizient (nach Bereinigung) zwischen den Wellenformen war bei beiden Muskeln ähnlich (0,78 für den m. biceps brachii, 0,85 m. tibialis anterior). Bei beiden Muskeln konnten jeweils nur ein oder zwei MUs gefunden werden, die beim jeweiligen Probanden bei allen sieben Messungen bzw. Rotationsschritten gefunden wurden. Beim m. biceps brachii konnten 29 unterschiedliche MUs im Feindraht-EMG identifiziert werden, die in weiteren zwei oder mehr Messungen erneut auftraten. Diese 29 MUs konnten insgesamt in 106 Messungen identifiziert werden. Bei 84 dieser Messungen (79%) konnten die MUs mittels STA auch im Oberflächen-EMG identifiziert werden. Beim m. tibialis anterior waren es 17 verschiedene MUs die in insgesamt 70 Feindraht-EMG-Messungen auftraten. In 42 dieser Messungen (60%) konnten die MUs auch im Oberflächen-EMG identifiziert werden. Bei beiden Muskeln konnte nur ein kleiner Teil der aus dem Feindraht-EMG dekomponierten MUs anderen, bei Wiederholungsmessungen beim selben Probanden dekomponierten MUs, zugeordnet werden. Diejenigen MUs, bei denen das gelang, waren jedoch häufig auch im Oberflächen-EMG zu sehen. Die Medianwerte der Angulationsänderungen der MUs in den MU Fingerprints stimmten beim m. biceps brachii mit einem Medianwert von 7,5° mit den erwarteten 7,5°-Rotationsschritten des Elektrodengitters überein. Beim m. tibialis anterior war diese Übereinstimmung mit 9,7° im Vergleich zu 7,5° weniger gut. Als Hauptfehlerquelle der Angulationsbestimmung kommen geringe Positionsänderungen der intramuskulären Elektroden während des wiederholten Aufklebens und Entfernens des Oberflächenelektrodengitters im Rahmen der konsekutiven Messungen in Frage. Diese Relativbewegungen haben vermutlich dazu geführt, dass in den konsekutiven Messungen nur eine relativ geringe Zahl von MUs einander zugeordnet werden konnten. Eine weitere Fehlerquelle liegt in einer gewissen Subjektivität bei der Bestimmung der Angulation in den Oberflächen-EMG MUAPs. In diesem Aspekt könnten möglicherweise in der Zukunft entwickelte automatische Auswertungsmethoden von Vorteil sein. Als Ausblick für weitere Arbeiten wurden in einem verfügbaren EMG-Modell generierte Aktionspotentiale mit den gemessenen und dekomponierten Muskelaktionspotenzialen verglichen. Beide Potentiale wurden anhand von MU Fingerprints dargestellt und in verschiedenen Farben überlagert. Die Übereinstimmung war hierbei beim m. biceps brachii deutlich besser als beim m. tibialis anterior. Dies deutet darauf hin, das einfache Modelle anscheinend nicht ausreichen, um Potentiale von komplex aufgebauten Muskeln (wie der m. tibialis anterior) darstellen zu können.