Wir untersuchen unsere Muskelkraft S

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1 Wir untersuchen unsere Muskelkraft S Mit Ausnahme des Herzmuskels sind Kontraktionen der quergestreiften Muskulatur mit dem Willen kontrollierbar. Diese Eigenschaft ermöglicht die gezielte Betrachtung der Aktivität einzelner Muskelgruppen. Mit Hilfe eines Elektromyogramms (EMG) kann die elektrische Aktivität (die Summe der Aktionspotenziale) eines Muskels oder gleich mehrerer Muskeln über die Hautoberfläche gemessen (abgeleitet) werden, wenn sie sich zusammenziehen (kontrahieren). Für die Durchführung eines Elektromyogramms wird die elektrische Aktivität eines Muskels im entspannten Zustand und bei unterschiedlich starker Kontraktion registriert. Aufgaben 1. Erstelle ein EMG von deinem Bizepsmuskel bei mehrfacher Kontraktion. 2. Erstelle ein EMG von deiner Wade bei verschiedenen Bewegungsabläufen. Material 1 Cobra4 Wireless Manager Cobra4 Wireless-Link Cobra4 Sensor-Unit Electrophysiology Drei farbcodierte Einzelmessleitungen Einwegelektroden (100/Pkg.) Krokodilklemmen für Einwegelektroden (3/Pkg.) Software measure für Cobra Zusätzlich wird benötigt 1 PC mit USB-Schnittstelle, Windows XP oder höher 1 Hantel (3 bis 5 kg) Abb. 1: Versuchsdurchführung P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 S Wir untersuchen unsere Muskelkraft Aufbau Am Versuchsaufbau sind mindestens zwei Personen beteiligt. Eine Versuchsperson, der die E- lektroden angelegt werden und eine Person, die den Computer bedient. Die drei Elektroden sind wie in Abb. 1 zu sehen am Bizeps anzulegen. Halte hierbei zwischen den Einwegelektroden einen Abstand von ca. 3 bis 5 cm ein. Schließe die farbigen Einzelmessleitungen mit den Krokodilklemmen an die Elektroden an: Die gelbe Krokodilklemme an die Elektrode auf dem oberen Bizeps (Richtung Schulter), die rote Krokodilklemme an die Elektrode auf dem unterem Bizeps (Richtung Ellbogen). Die grüne Krokodilklemme wird an die mittlere Einwegelektrode angeschlossen. Jetzt kannst du die farbcodierten Einzelmessleitungen an die Cobra4 Sensor-Unit Electrophysiology anschließen. Den roten Stecker dabei in die mit (+) markierte Buchse einstecken, den gelben Stecker in die (-) Buchse und den grünen Stecker in die mit (Ref) gekennzeichnete Buchse einstecken. Für den zweiten Versuch werden die drei Einwegelektroden (wie auf Abb. 2 zu sehen) an die Wade angelegt. Schließe die gelbe Krokodilklemme hierbei an die oberste Elektrode (Richtung Kniekehle) und die rote Klemme an die unterste Elektrode (Richtung Fußgelenk) an. Die grüne Krokodilklemme wird an die mittlere Einwegelektrode angeschlossen. Die Cobra4 Sensor-Unit Electrophysiology kannst du während der Messung mit dir herumtragen. Achte aber darauf, dass die Einzelmessleitungen nicht zur Stolperfalle werden. Durchführung Abb. 2: Verkabelung an der Wade PC und Windows starten. Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PCs stecken. Den Cobra4 Wireless-Link auf die Cobra4 Sensor-Unit Electrophysiology aufstecken und einschalten. Die Software measure Cobra4 starten, das Messgerät wird automatisch erkannt. Öffne den Versuch Wir untersuchen unsere Muskelkraft (im Menü Experiment > Experiment öffnen). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geladen. Eine andere Möglichkeit ist die Auswahl der Messart EMG. Das entsprechende Messkanalfenster zur Auswahl öffnet sich, wenn du im Navigatorfenster auf Spannung U doppelklickst und dann den Reiter Einstellungen auswählst. Beachte hierbei unbedingt, dass die Verstärkung auf Min. einzustellen ist. Starte die Messwertaufnahme in measure mit. Betätige nun ca. 10 Mal deinen Bizeps, indem du die Hantel anhebst. Strecke deinen Arm hierbei nach der Beugung so weit zurück, dass er zwischen den Belastungen für kurze Zeit völlig entspannt ist. Beende die Messung und klicke auf OK zur weiteren Datenbearbeitung. 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Wir untersuchen unsere Muskelkraft S Beobachtungen und Messergebnisse Abb. 3: An der Hautoberfläche abgeleitete Summenaktionspotenziale des Bizeps bei Belastung mit einer 5 kg schweren Hantel. Am Ende dieser Messung war der Bizeps noch nicht erschöpft. Auswertung Wähle nach Beendigung des Messvorgangs mit dem Zoomwerkzeug aus der Messung (vgl. Abb. 3) aus und betrachte ihn. einen geeigneten Ausschnitt 1. Versuche die elektrische Aktivität in Bezug auf deine Armbewegung zu deuten. Welche Amplituden kannst du welcher Bewegung zuordnen? Wie können die Unterschiede interpretiert werden? P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 S Wir untersuchen unsere Muskelkraft Erstelle ein EMG von deiner Wade bei verschiedenen Bewegungsabläufen. Variiere hierbei die Anforderungen an den Muskel, z.b. indem du deinen Fuß oder auch nur deine Zehen bewegst, normal gehst oder die Stufen einer Treppe emporsteigst. Beschreibe das EMG und stelle einen Zusammenhang zwischen den registrierten elektrischen Aktivitäten und den unterschiedlichen Bewegungen her. 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Elektromyographie (EMG) L (Wir untersuchen unsere Muskelkraft) In der Humanmedizin werden Elektromyogramme erstellt, um Krankheiten der Nerven- und Muskelzellen festzustellen. Es werden zwei verschiedene Verfahren angewendet. In der medizinischen Praxis liefert ein Nadel-EMG genauere Aussagen über die Aktivität einzelner Muskelfasern. Dabei wird eine Nadel- Elektrode direkt in eine Muskelfaser gestochen und die elektrische Aktivität abgeleitet. Bei einer Ableitung über die Hautoberfläche können hingegen nur die Summenaktionspotenziale mehrerer Muskelfasern registriert werden. Die Erschöpfung eines Muskels (z.b. beim Hanteltraining) geht nicht wie man vermuten könnte mit einer Verringerung der Summenaktionspotenziale einer Muskelgruppe einher. Häufig lässt sich bei mehrfacher Kontraktion eines Muskels bis zur Erschöpfung zum Ende hin sogar ein Anstieg der elektrischen Aktivität registrieren. Dies hängt damit zusammen, dass bei starker Erschöpfung alle bereit stehenden motorischen Einheiten rekrutiert werden müssen, um den Muskel noch einmal zu kontrahieren. Warnhinweis Ein in der Schule aufgenommenes EMG sollte nicht überinterpretiert werden, wenn Abweichungen zu den beispielhaften EMG in den Abbildungen bestehen. Krankheiten der Muskulatur können nur von einem Arzt festgestellt werden. Hinweis zur Durchführung Stellen sie sicher, dass die Schülerinnen und Schüler während der ersten Messung darauf achten, dass die Versuchsperson sich mit Ausnahme der Armbewegung ruhig verhält. Auch kleinere Bewegungen, wie z.b. das Heben einer Hand oder Bewegungen der Finger, können zu Überlagerungen bei der Messung der Muskelaktivitäten des Bizepsmuskels führen. Auswertung 1. Beim Anspannen des Muskels sind viele große Muskelpotenziale (Summenaktionspotenziale) zu sehen. Wird der Bizeps nicht belastet (Ruhephase des Muskels), sind keine großen Amplituden zu erkennen. In dem Versuch wird deutlich, dass ein entspannter Muskel nahezu keine elektrische Aktivität zeigt. Bei einer Kontraktion des Muskels hingegen entstehen in Abhängigkeit der Intensität der Kontraktion elektrische Potenziale. Die Höhe der elektrischen Aktivität korreliert mit der Anzahl der aktivierten motorischen Einheiten. Anhand der abgeleiteten Summenaktionspotenziale können bei der Kontraktion des Muskels die Aktivitäten von Beugungs- und Streckungsbewegung (Flexion und Extension) des Bizeps unterschieden werden. Es zeigt sich, dass die elektrische Aktivität des Bizepsmuskels bei der Beugungsbewegung des Arms am höchsten ist. Dies hängt mit dem erhöhten Kraftaufwand zusammen, der erforderlich ist, um das Gewicht gegen die Erdanziehungskraft zu bewegen. 2. Durch das kompakte Format der Cobra4 Sensor-Unit Elektrophysiology ist es möglich, bei verschiedensten Bewegungsabläufen Elektromyogramme zu erstellen. Dieser Versuch bietet wegen der flexiblen Einsetzbarkeit der Cobra4 Sensor-Unit Elektrophysiology also viel Spielraum für eigene Ideen zur Messung der Aktivität unterschiedlicher Muskelgruppen in Bewegung. Der Versuch zeigt, dass die Wadenmuskulatur sich (wie alle anderen Muskelgruppen auch) den alltäglichen Anforderungen spontan anpasst. Die Intensität der Kontraktionen korreliert hierbei mit den Anforderungen des Bewegungsvorgangs an die jeweilige Muskelgruppe. P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 L Elektromyographie (EMG) Raum für Notizen 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P