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Autor: Sanjeev Nandedkar, Ph.D.
Bei elektrodiagnostischen Untersuchungen kann das Signal sehr gering sein, z. B. im einstelligen Mikrovoltbereich. Um die zuverlässige Erkennung dieser Potenziale zu gewährleisten, müssen von anderen elektrischen und magnetischen Geräten stammendes Hintergrundrauschen und Störsignale reduziert werden.
Das bei der Neurographie erzeugte Reizartefakt kann ebenfalls die aufgezeichnete Antwort beeinträchtigen. Wenn die Rausch- und Artefaktamplitude verringert wird, sind die Signale besser reproduzierbar. Dies führt zu verlässlichen Messungen und höherem Vertrauen in die Interpretation der Pathophysiologie.
In diesem Artikel finden Sie Tipps zur Optimierung Ihrer Laborumgebung und Instrumente zur Verringerung von Störsignalen und Artefakten bei EMGs und Neurographien.
Zur Aufzeichnung optimaler Signale arbeitet ein Arzt und/oder Techniker bei der Bedienung des Instruments mit dem Patienten. Bei zu starkem Rauschen werden die Einstellungen wiederholt angepasst, bis ein zufriedenstellendes Signal aufgezeichnet werden kann.
Signale: vom Patienten zum Arzt
Das Verfahren beginnt mit dem Anbringen der Elektroden zur Aufzeichnung der neurophysiologischen Potential. Die Elektroden sind über Kabel mit dem Verstärker verbunden. Ein Großteil der Rauschunterdrückung wird mithilfe von Filtern sowie eines sogenannten Differenzverstärkers erzielt. Die verstärkten Signale werden vom Analog-Digital-Konverter (ADC) in eine digitale Aufzeichnung umgewandelt.
Wenn Signale mit einer hohen Abtastrate abgetastet und angezeigt werden, weisen die Signale keine technische Verzerrung auf (Aliasing). Die digitalisierten Signale werden von den Softwarealgorithmen analysiert. Dies wird auch als digitale Signalverarbeitung bezeichnet. Die Messungen der Wellenformen werden auf dem Computerbildschirm angezeigt. Der Bediener kann die nötigen Anpassungen vornehmen, wie z. B. Einstellen der Stimulation, Entfernen von Kabeln aus der Nähe des Stimulators usw., um Rauschen und Artefakte zu reduzieren. Dann wird der Vorgang wiederholt.
Wenn einer dieser Schritte eine Schwachstelle aufweist, sind die Aufzeichnungen nicht optimal und es ist schwierig, die Testergebnisse mit den Bezugswerten zu vergleichen, um die richtige Diagnose zu stellen. Die beste Signalqualität lässt sich durch Optimierung der Arbeitsabläufe in den einzelnen Schritten anhand der folgenden Tipps erzielen.
Alle Messungen (Latenz, Amplitude und Geschwindigkeit) bei der Neurographie werden durch die Temperatur der Gliedmaßen beeinflusst. Eine geringe Leitgeschwindigkeit aufgrund von kühlen Gliedmaßen kann fälschlicherweise als Nervenpathologie interpretiert werden. In der Regel führen Ärzte Nervenleitungsuntersuchungen bei einer Gliedmaßentemperatur > 30–31 °C durch.
Wenn die untersuchte Gliedmaße kalt ist, gibt es verschiedene Methoden zur Erwärmung. Bei allen Methoden ist jedoch der Patient ständig zu überwachen, um Verbrennungen zu vermeiden. Eine häufig angewendete Methode ist ein in ein Handtuch gewickeltes Wärmekissen, wie es oft in der Reha angewendet wird. Manche Labors verwenden eine Heizlampe. Solche Lampen können jedoch Rauschen und Störsignale bei Aufzeichnungen verursachen.
Eine weitere Methode ist das Aufwärmen der Hände und Füße des Patienten in einem Becken oder einer Wanne mit heißem Wasser. Manche Labors verwenden einen Föhn, der überall erhältlich und praktisch ist. Es kann jedoch sein, dass dieser von der Abteilung für biomedizinische Sicherheit des Krankenhauses genehmigt werden muss. Das Ziel ist es, das Körpergewebe bis zum Nerv zu erwärmen. Daher sollte die Erwärmung einige Minuten lang fortgesetzt werden, selbst wenn die Hauttemperatur angemessen scheint.
Die Elektroden, Kabel und der Verstärker sind elektronische Geräte, die Hintergrundrauschen aufnehmen. Um das Hintergrundrauschen zu reduzieren und bessere Ergebnissen zu erzielen, können folgende Faktoren bei der Laboreinrichtung berücksichtigt werden (Nandedkar, 2019):
Für Nadel-EMGs sollte eine konzentrische oder monopolare Einweg-Nadelelektrode verwendet werden. Diese Nadeln sind für den Gebrauch an einem einzelnen Patienten bestimmt und werden steril geliefert. Dadurch wird das Risiko einer Kreuzinfektion zwischen Patienten erheblich gemindert. Zudem entfällt die Sterilisation der Nadeln zwischen Patienten und das Schärfen, da Mehrwegnadeln nach wiederholtem Gebrauch stumpf werden.
Einweg-Oberflächenelektroden sind ebenfalls Standardausrüstung für Nervenleitungsuntersuchungen in vielen Laboren. Wie bereits erwähnt, wird hierdurch der für die Reinigung von Mehrwegelektroden anfallende Kosten- und Zeitaufwand gespart. Die Einwegelektroden sind bereits mit Gel versehen und haben genormte Aufzeichnungsflächen. Für motorische Reaktionen werden runde Oberflächen empfohlen, da sich die Ausrichtung der Elektrode im Verhältnis zu den Muskelfasern nicht auf das Potenzial auswirkt.
Verstärker mit hohem CMRR und hoher Eingangsimpedanz garantieren Signalqualität
Der Elektromyograph verwendet einen Differenzverstärker zur Rauschunterdrückung. Die Fähigkeit zur Rauschunterdrückung wird durch das sogenannte „Gleichtaktmodus-Unterdrückungsverhältnis“ (CMRR) definiert (Nandedkar, 2019). Ein Verstärker mit einem hohen CMRR ist zu bevorzugen. Dabei ist zu beachten, dass das CMRR anhand einer logarithmischen Skala in Dezibel gemessen wird. Wenn das CMRR um 10 dB höher ist (z. B. 124 dB vs. 114 dB), dämpft es das Rauschen um das Fünffache.
Der Verstärker sollte außerdem einen hohen Eingangswiderstand aufweisen (> 1000 MOhm), um verzerrungsfreie Aufzeichnungen zu gewährleisten. Des Weiteren muss der Verstärker ein breites Spektrum an Eingangssignalen unterstützen, um Aufzeichnungen von sehr geringen Spannungen (z. B. evoziertes akustisches Potenzial im Hirnstamm) und von Signalen mit hohen Amplituden (z. B. Muskelsummenaktionpotential) zu ermöglichen.
Es ist grundsätzlich ein rauscharmer Verstärker zu verwenden. Dies wird in der Regel anhand des quadratischen Mittels (RMS) der Spannung gemessen, normalerweise 0,7 µV oder Spitze-Spitze bei 2 µV. Moderne Verstärker sind noch rauschärmer (z. B. 0,4 µV). Dabei ist zu beachten, dass der Rauschpegel von weiteren Einstellungen abhängig ist. Eine Verringerung der Bandbreite reduziert das Rauschen, verzerrt jedoch die neurophysiologischen Signale.
Alle EMG-Geräte verwenden Filter zur Rauschminderung, deren Einstellungen sich auch auf die neurophysiologischen Signale und deren Messungen auswirken. Daher sind die Standard-Filtereinstellungen zu verwenden. In ungünstigen Umgebungen (z. B. Intensivstation) muss eventuell die Signalbandbreite reduziert werden (Niederfrequenzeinstellung erhöhen und/oder Hochfrequenzeinstellung verringern). Die Standardeinstellungen des EMG-Geräts erfüllen möglicherweise die Richtlinien.
Der Kerbfilter ist für Untersuchungen der sensorischen Nervenleitung und Nadel-EMG-Tests am nützlichsten. Er sollte nicht für Untersuchungen der motorischen Nervenleitung oder Aufzeichnungen einer späten Reaktion (F-Welle, H-Reflex usw.) verwendet werden. Der Filter verringert die Signalamplitude und kann ein Klingelartefakt verursachen.
Mithilfe des Analog-Digital-Konverters (ADC) wird eine digitale Aufzeichnung der EMG-Signale erstellt. Er funktioniert ähnlich wie eine Videokamera. Die Kamera nimmt 30 Bilder pro Sekunde auf. Die einzelnen Bilder sind alle statisch, vermitteln aber bei der Wiedergabe den Eindruck einer kontinuierlichen Bewegung. Wenn die Kamera nur 4 Bilder pro Sekunde aufnehmen würde, würde das Video abgehackt erscheinen.
Der ADC misst die EMG-Signale in regelmäßigen Zeitabständen. Die einzelnen Messungen werden als Abtastungen bezeichnet. Der Zeitabstand zwischen den Abtastungen ist die Abtastrate. Die Anzahl der im Verlauf von 1 Sekunde erfassten Abtastungen ist die Abtastrate oder Abtastfrequenz (Nandedkar, 2019). Mit unserer Analogie hätte die Videokamera eine Abtastrate von 30 Hz.
Um die Signaleigenschaften zu bewahren, sollte die Abtastrate mindestens das Doppelte der im Signal enthaltenen maximalen Frequenz betragen. EMG-Geräte sollten die Signale mit einer wesentlich höheren Rate abtasten. Beispiel: Die Hochfrequenzeinstellung (d. h. Tiefpassfilter) wird beim Nadel-EMG auf 10 kHz eingestellt. Eine Abtastrate von 48 kHz gewährleistet hochwertige EMG-Signale.
Bei Neurographienwerden die Signale mithilfe von Oberflächenelektroden erfasst, deren Frequenz geringer ist (< 2 kHz). Eine Abtastrate von 10 kHz kann ausreichend erscheinen. Sie reicht zwar für Amplitudenmessungen aus, kann jedoch zur Messung der Leitgeschwindigkeit und von deren Unterschieden zwischen Segmenten unzureichend sein.
Mithilfe einer Abtastrate (z. B. 48 kHz) lässt sich die Reproduzierbarkeit dieser Berechnungen verbessern und damit auch das Vertrauen in deren Analyse. Die Abtastrate ist für die verschiedenen Programme auf dem EMG-Gerät unterschiedlich. Eine Methode zur Beschreibung der Abtastrate ist die Anzahl von Punkten auf einer Kurve. Bei Nervenleitungsuntersuchungen zeichnen die Systeme in der Regel Epochen von 100 ms auf (am Anfang wird jedoch ein kürzerer Teil angezeigt). Bei einer Abtastrate von 48 kHz besteht die Kurve aus 4800 Datenpunkten.
Die International Federation of Clinical Neurophysiology (IFCN) hat erst vor Kurzem Richtlinien für Filter- und Verstärkereinstellungen zur optimalen Signalanzeige und -analyse herausgegeben.
Zusammenfassung der optimalen Einstellungen
Reizartefakte sind in Nervenleitungsuntersuchungen inhärent. Sie werden durch die Ausbreitung des Reizstroms zum Aufnahmeort verursacht. Die Reizintensität lässt sich durch Reinigung des Reizorts verringern. Dies führt zu einer geringeren Reizintensität und weniger Artefakten. Die Hautoberfläche zwischen dem Reizort und dem Aufnahmeort muss getrocknet werden. Dadurch wird verhindert, dass der Strom den Aufnahmeort erreicht.
Sensorische Nervenleitungsuntersuchungen sind aufgrund ihrer geringen Amplitude schwierig. Reizartefakte beeinträchtigen die Reaktion und können sich erheblich auf die Amplitude auswirken. Es gibt viele Möglichkeiten zur Reduzierung von Artefakten. Die am häufigsten angewendete Methode ist das Drehen der Anode. Die Kathode verbleibt über dem Nerv, während die Anodenposition verändert wird, bis das geringste Artefakt erzielt wird. Artefakte lassen sich auch durch bipolare Stimulation verringern. Dies ist besonders bei sensorischen Untersuchungen der Nervenleitung in den unteren Gliedmaßen hilfreich.
Und schließlich können digitale Signalverarbeitungsalgorithmen eingesetzt werden. Die „Verbesserungsfunktion“ schätzt das langsame, u-förmige Artefakt (mittlere Kurve) und subtrahiert es vom aufgezeichneten Signal (obere Kurve). Das daraus resultierende Signal hat eine bessere Baseline vor und nach der Reaktion. Dies führt zu höherem Vertrauen in die Analyse des Potenzials.
Wir hoffen, dass Ihnen diese Tipps bei der Optimierung Ihrer EMG- und Nervenleitungsuntersuchungen behilflich sind, damit Sie hochwertige Signale mit minimalen Rausch- und Störsignalen aufzeichnen können. Wenn Sie herausfinden möchten, wie Sie Ihre Arbeitsabläufe zur Erfassung und Meldung von Daten rationalisieren können, laden Sie unseren Leitfaden herunte
References
1. Nandedkar SD: Instrumentation in clinical neurophysiology. In Levin K, Chauvel P (Eds.) Clinical Neurophysiology. Elsevier, Amsterdam, 2019.
2. Tankisi H, Burke D, Cui L, de Carvalho D, Kuwabara S, Nandedkar SD et al: Standards of Instrumentation of EMG. Clin Neurophysiol, 2020; 121:243-258.
037849 Rev. A