Simultane Oberflächen-EMG-Messung und 31 P-MR-Spektroskopie an der Rückenmuskulatur während muskulärer Ermüdung *

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1 Simultane Oberflächen-EMG-Messung und 31 P-MR-Spektroskopie an der Rückenmuskulatur während muskulärer Ermüdung * H.Ch. Scholle 1, R. Graßme 1, R. Rzanny 2, M. Rottenbach 1, W.A. Kaiser 2 1 FB Motorik, Institut für Pathophysiologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena, 2 Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena Einleitung Belastungen des Rückenbereichs bewirken Beanspruchungen, die von individuellen Körpereigenschaften abhängig sind. Hierbei spielen Struktur und Funktion der Rückenmuskulatur insbesondere der sogenannten authochtonen Rückenmuskulatur eine wichtige Rolle, da sie in vivo Haltungs- und Bewegungsaufgaben der Wirbelsäule im entscheidenden Maße erst ermöglicht (s. z.b. Panjabi 1992). Das Ausmaß und die Schnelligkeit der Ermüdung beteiligter Rückenmuskeln werden als bedeutender Faktor für den resultierenden Beanspruchungsgrad im Rückenbereich angesehen (Mannion et al. 1997, Ng et al. 1997, Roy et al. 1997, 1998), da hierdurch die Feinabstimmung agonistischer und antagonistischer Muskulatur verloren gehen kann. Auch die Vertrautheit bzw. Nichtvertrautheit mit einer motorischen Aufgabe kann Einfluß auf die Muskelermüdbarkeit und damit auf die Muskelkoordination haben (Anders et al. 1997). Deshalb scheinen Parameter der intra- und intermuskuläre Koordination von Aktivierungsprozessen die individuelle Beanspruchung des Muskelsystems im Rückenbereich empfindlich reflektieren zu können (Sommerich und Marras 1992, Marras und Granata 1997). Während ermüdender motorischer Aufgaben wurden bereits biochemische (Vestergaard-Poulsen et al. 1992, 1995) als auch elektrophysiologische Aspekte der Muskelaktivierung (z.b. Naeije und Zorn 1982, DeLuca 1984) zum Teil detailliert untersucht, jedoch wurde eine simultane Kennzeichung der zeitlichen Dynamik muskulärer Aktivierungsprozesse mittels Oberflächen- Elektromyographie und 31 P-MR-Spektroskopie während einer definierten muskelermüdenden Belastung im Rückenbereich, wie in dieser Studie, bisher nicht durchgeführt. Durch die simultane Berücksichtigung der zeitlichen Dynamik der registrierten elektrischen und biochemischen Parameter erwarten die Autoren zusätzliche Hinweise, die helfen, beschriebene Differenzen in der Beanspruchbarkeit von Rückenmuskeln bei gesunden Personen, d.h. bei Personen ohne aktuellen Rückenschmerz, zu erklären. Methode Die simultanen 31 P-MR-Spektroskopie (MRS)- und Oberflächen-EMG-Messungen wurden bisher an 5 gesunden Freiwilligen (Alter: 22 bis 26 Jahre) durchgeführt. Die 31 P-MRS-Messungen erfolgten an einem MRT Vision (Siemens) bei 1,5 T mit der Standard Herz-Oberflächenspule (30x30cm). Mit einer 2D-CSI-Sequenz wurden eine transversale Schicht mit der Schichtdicke von 100mm analysiert, welche die Rückenmuskulatur in Höhe der Elektroden (L4/L5) schneidet (Voxelgröße:40x40x100mm; Matrix8x8;TR/TE/α:465ms/3ms/45 ). Die zeitliche Auflösung der 31 P-MR-Einzelmessung lag bei etwa 30s. Es wurden nacheinander ohne Unterbrechung 20 Einzelmessungen durchgeführt (5 Messungen vor, 5 * Unterstützt vom Kompetenzzentrum für Interdisziplinäre Prävention der FSU und BGN 77

2 während und 10 nach Belastung). Die Auswertung der Spektren wurde mit Siemens- Standard-Spektroskopie-Software durchgeführt. Das Oberflächen-EMG wurde bipolar in Höhe L4/L5 simultan registriert (Ag-AgCl- Elektroden direkt unter der MRS-Spule, Elektrodenabstand 2cm in Faserrichtung, 2 cm entfernt von der Körpermittellinie; Tiefpass bis 450 Hz, Abtastrate: 1000 Hz). Die lumbale Rückenmuskulatur wurde durch einen modifizierten Sörensen-Test (Biering- Sörensen 1984) belastet. Die Untersuchten lagen mit der unteren Körperhälfte bis zum Beckenbereich bäuchlings auf einem Lagerungskissen (abgestützt auf der Spina iliaca anterior superior, beide Beine in Knöchelhöhe mit Gurten am Untersuchungstisch gesichert, Hände seitlich neben dem Rumpf). Der Oberkörper lag während der Ruhe- und Erholungsphase auf einer weiteren Lagerungshilfe, die während der Belastungsphase zwischenzeitlich entfernt wurde. Die Lagerung des Untersuchten im Lumbalbereich sowie die Position der Oberflächenspule auf den lumbalen Rückenmuskeln wurde zusätzlich durch eine speziell angefertigte Halterung (wissenschaftliche Werkstatt der medizinischtheoretischen Institute des Klinikums) und durch Gurte gesichert. Nach Entfernung der Lagerungshilfe im ventralen Thoraxbereich mußte der Proband seinen Oberkörper insbesondere unter Anspannung seiner Rückenstreckmuskulatur für 150s in etwa waagerechter Position halten. Anschließend wurde die Lagerungshilfe wieder unter den Oberkörper geschoben. Resultate Durch methodische Anpassung der verwendeten Oberflächen-EMG- und MRS-Techniken sowie Verwendung geeigneter Oberflächenelektroden und die Abschirmung der Leitungen des EMG-Systems konnte bei beiden Verfahren ein Signal-Rausch-Verhältnis während der gesamten Untersuchung erreicht werden, das eine Auswertung der registrierten Ergebnisse erlaubt. Trotz der durch die MR-Spektroskopie erzeugten Reizeinbrüche im Oberflächen-EMG sind ausreichend lange Abschnitte ungestörten EMG-Signals vorhanden, die eine Spektralanalyse in den verschiedenen Phasen des Belastungsprogramms ermöglichen (Abb. 1a,b). Im Beispiel der Abb. 1a ist die EMG-Registrierung mit Reizeinbrüchen während der dritten Untersuchungsminute (letzte Minute vor Beginn des Sörensen-Tests) dargestellt (oberste Kurve). In den folgenden Kurven sind Ausschnittsvergrößerungen zu sehen, wobei die untersten Kurve der artefaktfreie EMG-Abschnitt ist, der spektralanalysiert wurde. Hierdurch wurde eine Medianfrequenz des analysierten EMG-Abschnittes von 96 Hz (Mittelwert: 101 Hz) bestimmt. In Abb. 1b ist die Registrierung der sechsten Minute dargestellt (also kurz vor dem Ende des Sörensen-Tests). Die Medianfrequenz hat einen Wert von 69 Hz (Mittelwert: 79 Hz) erreicht. Die EMG-Amplitude hat sich am Ende der Belastung (6. Min.) im Vergleich zur dritten Minute im Mittel nicht entscheidend geändert. Innerhalb des betrachteten Zeitbereichs während der Belastung wurde mittels der MR- Spektroskopie eine Verminderung des Phosphokreatinsignals, eine Zunahme des anorganischen Phosphats sowie Abnahme des ph-wertes festgestellt. Diskussion Die während des Sörensen-Tests gefundene deutliche Verschiebung der EMG- Medianfrequenz zu niedrigeren Werten bei nahezu gleichbleibender EMG-Amplitude 78

3 Abb. 1a: Oberflächen-EMG-Registrierung der Rückenstreckmuskulatur in Höhe L4/L5 mit Reizeinbrüchen durch die MR-Spektroskopie während der dritten Untersuchungsminute (letzte Minute vor Beginn des Sörensen-Tests, zunehmende Ausschnittsvergrößerungen des EMG-Signals von oben nach unten); Medianfrequenz des analysierten EMG-Abschnittes: 96 Hz (Mittelwert: 101 Hz) 79

4 Abb. 1b: Oberflächen-EMG-Registrierung der Rückenstreckmuskulatur in Höhe L4/L5 mit Reizeinbrüchen durch die MR-Spektroskopie während der sechsten Untersuchungsminute (kurz vor dem Ende des Sörensen-Tests, zunehmende Ausschnittsvergrößerungen des EMG- Signals von oben nach unten); Medianfrequenz des analysierten EMG-Abschnittes: 69 Hz (Mittelwert: 79 Hz) 80

5 entspricht dem elektrophysiologischen Befund, der bei einer Muskelermüdung nachweisbar ist (z.b. Naeije und Zorn 1982, DeLuca 1984). Mittels der 31 P-MR-Spektroskopie konnten während des identischen Analysezeitabschnittes im Bereich der untersuchten Rückenstreckmuskulatur eine Verminderung des Phosphokreatinsignals, eine Zunahme des anorganischen Phosphats sowie Abnahme des ph-wertes gefunden werden. MRspektroskopische Befunde von anderen Muskeln zeigten bei ermüdenden Belastungen grundsätzlich ähnliche Veränderungen (Vestergaard-Poulsen et al. 1992, 1995). Schlußfolgerungen Die entwickelte Methode erlaubt erstmals im Bereich der Rückenstreckmuskulatur während einer muskel-ermüdenden Belastung eine simultane Registrierung von Oberflächen-EMG- Signalen, die für eine Spektralanalyse geeignet sind, und 31 P-MR-Spektroskopie-Daten, die Phosphokreatin, anorganisches Phosphat und ph-wert des untersuchten Muskelareals im Zeitverlauf kennzeichnen. Literatur Anders, Ch., Bradl, I., Grosch, J., Mey, E., Schumann, N.P., Scholle, H.Ch.: Heben von Lasten - Ergebnisse einer bi- und monopolaren polyelektromyographischen Studie an definierten Probandengruppen. In: S. Radandt, R. Grieshaber, W. Schneider (eds.) Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen - 3. Erfurter Tage. monade Verlag und Agentur, Rainer Rodewald, Leipzig 1997, S Biering-Sörensen, F.: Physical measurements as risk indicators for low back trouble over one-year period. Spine 9 (1984) De Luca, C.J.: Myoelectrical manifestations of localized muscular fatigue in humans. CRC Crit. Rev. Biomed. Eng. 11 (1984) Mannion, A.F., Connelly, B., Wood, K., Dolan, P.: The use of surface EMG power spectral analysis in the evaluation of back muscle function. J. Rehab. Res. Develop. 34 (1997) Marras W.S., Granata, K.P.: The development of an EMG-assisted model to assess spine loading during wholebody free-dynamic lifting. J. Electromyogr. Kinesiol. 7 (1997) Ng, J.K.F., Richardson, C.A., Jull, G.A.: Electromyographic amplitude and frequency changes in the iliocostalis lumborum and multifidus muscles during a trunc holding test. Physical Ther. 77 (1997) Naeje, M., Zorn, H.: Relation between EMG power spectrum shifts and muscle fiber action potential conduction velocity changes during local muscular fatigue in man. J. Appl. Physiol. 50 (1982) Panjabi, M.: The stabilizing system of the spine. Part I. Function, dysfunction, adaptation and enhancement. J. Spinal Disord. 5 (1992) Roy, S.H., DeLuca, C.J., Emley, M., Oddsson, L.I.E., Buijs, R.J.C., Levins, J.A., Newcombe, D.S., Jabre, J.F.: Classification of back muscle impairment based on the surface electromyographic signal. J. Rehab. Res. Develop. 34 (1997) Roy, S.H., Bonato, P., Knaflitz, M.: EMG assessment of back muscle function during cyclical lifting. J. Electromyogr. Kinesiol. 8 (1998) Sommerich, C.M., Marras, W.S.: Temporal patterns of trunk muscle activity throughout a dynamic asymmetric lifting motion. Human Factors 34 (1992) Vestergaard-Poulsen, P., Thomson, C., Sinkjaer, T., Stubgaard, M., Rosenfalck, A., Henriksen, O.: Simultaneous electromyography and 31 P nuclear magnetic resonance spectroscopy with application to muscle fatigue. Electroenceph. clin. Neurophysiol. 85 (1992) Vestergaard-Poulsen, P., Thomson, C., Sinkjaer, T., Henriksen, O.: Simultaneous 31 P-NMR spectroscopy and EMG in exercising and recovering human skeletal muscle: a correlation study. J. Appl. Physiol. 79 (1995)