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Quantitative topographische Kennzeichnung myoelektrischer Aktivitätsverteilungen des M. masseter: Mapping spektraler EMG-Parameter
Abstract
Eine neue Methode zur quantitativen Kennzeichnung myoelektrischer Aktivitätsverteilungen des M. masseter mittels Mapping spektraler EMG-Parameter wird vorgestellt. Die Registrierung des Masseter-Oberflächenelek-tromyogramms erfolgte simultan über 16 Kanäle mit monopolarer Ableittechnik. Auf der Basis der aufgezeichneten 512 ms EMG-Abschnitte wurde via Fast Fourier Transformation die spektrale EMG-Leistung verschiedener Bandbereiche berechnet. Die EMG-Spektralparameter zwischen den jeweiligen Ableitepunkten wurden mittels linearer Interpolation (4-nearest neighbours algorithm) bestimmt. Danach wurden die EMG-Spektralparameter in eine lOstufige Grauton- oder Farbskala eingepaßt. Die so gewonnenen „EMG-Aktivitäts-karten” (EMG-Maps) erlauben eine quantitativ-topographische Charakterisierung von Änderungen myoelektrischer Aktivierungsvorgänge des M. masseter während unterschiedlicher funktioneller Belastungssituationen. Der bei Analyse motorischer Aufgaben im Orofazialgebiet unbedingt zu berücksichtigende Frequenzbereich des Masseter-Oberflächen-EMG liegt zwischen 15 und 500 Hz. Die Topographie der EMG-Aktivierungsmuster des M. masseter ist nur mit einer Elektrodenanordnung, bestehend aus 16 Elektroden und mehr, sicher zu erfassen. Bei eindeutig definierten motorischen Aufgaben wie dem Zubeißen mit vorgegebenen, kontrollierten Kräften ist die Reproduzierbarkeit der EMG-Maps hinsichtlich der Topographie ihrer myoelektrischen Aktivitätsmuster sehr hoch. Die Absolutwerte der spektralen EMG-Leistung sowie die Veränderungen ausgewählter Bandleistungen beim Zubeißen korrelieren mit der Höhe der Kaukräfte.
... .Durch die Erfassung mehrerer Kanäle über einem Muskelareal[11] kann die räumliche Verteilung der Aktivität visualisiert werden. Dieser Ansatz konnte in den vergangenen Jahren stetig weiterentwickelt werden. ...
Zusammenfassung
Hintergrund
Nach einer adäquaten operativen Versorgung von Kniebandverletzungen erfolgt der rehabilitative Prozess – er stellt eine kritische Phase für den späteren Erfolg dar. Neben einer mangelhaften Bewegungsqualität und dem Aktivitätsgrad wurden neuromuskuläre Defizite als kritische Faktoren für Reverletzungen identifiziert.
Fragestellung
Ziel dieser Arbeit war es, anhand der Resultate eines Athleten nach einer schweren Kniegelenkverletzung Kompensationen und Fortschritte innerhalb des Rehabilitationsverlaufs mithilfe von Mehrkanal-Elektromyographie(EMG)-Messungen zu quantifizieren.
Material und Methode
Ein 24 Jahre alter Profifußballer (77 kg, 180 cm) wurde 150, 178 und 226 Tage nach der operativen Versorgung einer Multiligamentverletzung bezüglich der Mm. vastus medialis (VM) und lateralis (VL) mittels Oberflächen-EMG untersucht. Da vergleichbare Analysen vor der Verletzung nicht durchgeführt wurden, werden sowohl Einzelergebnisse und Ergebnisprofile mit Resultaten einer Referenzgruppe sowie der unverletzten Gegenseite verglichen.
Ergebnisse
Neben einer defizitären isometrischen Maximalkraft (MVC) des Streckapparates (76 %) konnte eine reduzierte Aktivität des VM während niedriger Kontraktionsintensitäten (20 und 40 % MVC) beobachtet werden. Weiterhin zeigte sich anhand des VM/VL-Aktivierungs-Ratio ein dysregulierter neuraler Antrieb beider Muskeln auf der operierten Seite.
Schlussfolgerungen
Die reduzierte Aktivität des VM sowie der veränderte neurale Antrieb von VM und VL sind möglicherweise in einer unzureichenden Aktivierbarkeit motorischer Einheiten des VM mit niedrigeren Rekrutierungsschwellen begründet.
... Mehrkanal-SEMG Ableitungen erlauben aber auch die systematische Untersuchung der Topographie von SEMG-Variablen mit Hilfe des Interferenz-Mappings (Schumann et al. 1991, Scholle et al. 1992a, Schumann et al. 1992 Gandevia et al. (1995) formulieren folgendermaßen: ...
... masseter geringer sind, da sie im Vergleich zu Skelettmuskeln des Rumpfes und der Extremitäten höhere Frequenzkomponenten enthalten (Sato 1982). Durchschnittlich 95% der Gesamtspektralleistung des M. masseter finden sich unterhalb 300 Hz, im Vergleich mit 96% unterhalb von 400 Hz (Scholle et al. 1992a) und 99% unterhalb von 700 Hz (Duxbury et al. 1976 (Riggs et al. 1979, Tompkins 1993 (Jobert et al. 1993), konnte aber in dieser Studie wegen der ohnehin beschränkten Zahl der verfügbaren Kanäle nicht realisiert werden. ...
Auf eine funktionelle Unterteilung des morphologisch und histochemisch hoch differenzierten M. masseter weisen seine vielfältigen Funktionen. Polymyographische monopolare Aufzeichnungen des rechten M. masseter wurden unter isometrischen und dynamischen Bedingungen an 14 orthognathen Probanden durchgeführt. Statische Unterkieferstellungen wurden über die Amplituden- und Frequenzparameter traditioneller und parametrischer spektraler Schätzverfahren beschrieben; die kartographische Darstellung erfolgte mittels biharmonischer Splineinterpolation. Das topographische Verteilungsmuster war signifikant von der Unterkieferstellung abhängig, unterschied sich aber nicht unter allen statischen Stellungen. Die höchsten Aktivitäten fanden sich über dem unteren Muskeldrittel bei Unterkiefer-Protrusion, Laterotrusion und Zusammenbeißen. Die topographischen Muster variierender Belastungs- und Mundöffnungsgrade waren durch signifikante vertikale und horizontale Gradienten charakterisiert. Die Verteilungsmuster normierter Werte waren vom Mundöffnungs- und Belastungsgrad unabhängig. Die dynamischen kartographischen Verläufe wurden anhand der Momentanleistung und der statistischen Momente des Skalogramms der kontinuierlichen Wavelet-Transformation (CWT) berechnet. Bei progressiver Kraftsteigerung wechselte des Aktivitätszentrums. Ausdauernde Kontraktionen waren durch rotatorische Variation, Kauen durch zyklische Aktivitätsmaxima über dem unteren Muskeldrittel charakterisiert. Die statischen und dynamischen topographischen Verteilungsmuster erfassen das intramuskuläre Aktivierungsmuster. Die Pars superficialis scheint vor allem bei gezielten Bewegungen und weniger in Ruhelage aktiv zu sein; eine funktionelle Unterteilung wurde nicht verifiziert. Die kinematische kartographische Darstellung auf der Basis der CWT ist eine in dieser Untersuchung neuentwickelte Methode zur quantitativen Beschreibung zeitabhängiger topographischer Aktivierungsmuster dynamischer Muskelkontraktionen.
... They also agree with previous descriptions of frontalis and temporalis EMG recorded directly over the muscles (Van Boxtel et al., 1983, 1984). The apparently linear increase in spectral amplitudes as contraction strength increases fits previous observations of the masticatory muscles (Scholle et al., 1992 ). Furthermore , the observation that the frequency of the main spectral peak increases with contraction strength is consistent with the finding of Conwit et al. (1999) in the quadriceps femoris during isometric contractions at fixed force levels. ...
Electromyogram (EMG) contamination is often a problem in electroencephalogram (EEG) recording, particularly, for those applications such as EEG-based brain-computer interfaces that rely on automated measurements of EEG features. As an essential prelude to developing methods for recognizing and eliminating EMG contamination of EEG, this study defines the spectral and topographical characteristics of frontalis and temporalis muscle EMG over the entire scalp. It describes both average data and the range of individual differences.
In 25 healthy adults, signals from 64 scalp and 4 facial locations were recorded during relaxation and during defined (15, 30, or 70% of maximum) contractions of frontalis or temporalis muscles.
In the average data, EMG had a broad frequency distribution from 0 to >200 Hz. Amplitude was greatest at 20-30 Hz frontally and 40-80 Hz temporally. Temporalis spectra also showed a smaller peak around 20 Hz. These spectral components attenuated and broadened centrally. Even with weak (15%) contraction, EMG was detectable (P<0.001) near the vertex at frequencies >12 Hz in the average data and >8 Hz in some individuals.
Frontalis or temporalis muscle EMG recorded from the scalp has spectral and topographical features that vary substantially across individuals. EMG spectra often have peaks in the beta frequency range that resemble EEG beta peaks.
While EMG contamination is greatest at the periphery of the scalp near the active muscles, even weak contractions can produce EMG that obscures or mimics EEG alpha, mu, or beta rhythms over the entire scalp. Recognition and elimination of this contamination is likely to require recording from an appropriate set of peripheral scalp locations.
This study was designed to inquire into changes occurring in the electromyographic activity throughout the masseter muscle after orthognathic surgical treatment of various bite anomalies. A total of 32 adult patients showing distinct class II (n = 15) or class III malocclusions (n = 17) were entered into the investigation. All patients had monopolar surface electromyograms of the masseter muscle taken prior to presurgical orthodontic treatment and after removal of their orthodontic appliances after surgery. Twenty eugnathic adult patients served as controls. Unlike bipolar lead readings, simultaneous sampling from 16 electrodes permits the registration of the overall excitation pattern in the entire muscle. Recordings were taken during clenching, chewing and protrusion of the lower jaw against a defined force. Comparison with preoperative EMGs proved postsurgical distribution of excitation in class 11 patients to approximate the excitation pattern of eugnathic patients. By contrast, correction in class III malocclusions produced a shift in excitation maxima in the sense of a cranial advance. Harmonization, as evident in class II patients, did not occur. The postoperative discords in masseter excitation patterns, as observed after correction of class III anomalies, are indicative of the risk of relapse and the prolonged phase of retention associated with these conditions.
The importance of dynamic spectral analysis of time-varying signals in medicine, biology and technology is increasing rapidly. The basic spectral parameters are momentary power and momentary frequency. The paper presents adaptive recursive estimation methods for these spectral parameters. Their specific properties are investigated, and the possibilities of applications in computer-assisted analysis of biological and technical signals are demonstrated, even satisfying real-time requirements.
In 20 healthy subjects, 16-channel surface electromyograms (EMG) were recorded with the mandible in its postural position, during compensation for forces applied from ipsilateral, contralateral and frontal positions, and during force-constant biting on a unilaterally placed force transducer. After artefact elimination, EMG power spectra were calculated on the basis of the original EMG curves via fast Fourier transformation. Using spectral EMG characteristics, EMG maps were computed by means of an interpolation algorithm and an imaging procedure. Spectral EMG maps were demonstrated for all the test conditions. Significant differences of myoelectrical activity were verified between the 16 electrode positions. Moreover, the levels and/or the topographical distributions of spectral EMG powers differed significantly between the test conditions. During biting as well as with contralaterally and frontally applied forces, the highest EMG activity was found in the inferior third of the masseter and the lowest in the superior third. With ipsilaterally applied forces, the topographical distribution of the total EMG power was completely changed. The power maximum was frequently demonstrated in the superior, especially the posterosuperior, third of the muscle, the minimum in the inferior third. In the postural position of the mandible, EMG activity decreased from the anterior to the posterior regions of the masseter. If the bite force or the horizontally applied forces were enhanced, EMG activity increased significantly but the EMG map structures were only changed in some details. The topographical distribution of myoelectrical activity demonstrated by EMG maps characterizes the intramuscular activation patterns of distinct masseter functions.(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)
To investigate the factors affecting the topography of trapezius muscle EMG, multichannel recordings were made at different forces of isometric shoulder elevation and during fatiguing exercise.
Twenty-eight channels of monopolar EMG were recorded from an array of 4 x 7 electrodes placed on the upper trapezius muscle. From the monopolar EMG and the bipolar derivations the root mean square (RMS(monopolar), RMS(bipolar)) and power spectrum median frequency (MF(monopolar), MF(bipolar)) were calculated.
The maximum RMS(monopolar) was located above the middle part of the trapezius muscle, where a minimum was found for RMS(bipolar). The cranial-caudal RMS distribution shifted upwards when the force was increased from 50 to 100% MVC and during fatigue. MF(bipolar) showed a peak above the endplate region, where the MF(monopolar) was low. During fatigue the normalized MF slope was independent of the cranial-caudal electrode position, but MF(monopolar) decreased most strongly at positions above the endplate region, where MF(bipolar) decreased less.
While the changes in MF reflected metabolic properties and volume conduction phenomena in the muscle, changes in RMS reflected a compensation for the fatigue processes within the muscle. The RMS changes in fatigue can be explained by the direction of the fibres involved in shoulder elevation.
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