I risultati funzionali ottimali dopo la ricostruzione bionica in pazienti con lesioni del plesso brachiale globale dipendono da un protocollo di riabilitazione strutturato. L’allenamento elettromiografico guidato di superficie può migliorare l’ampiezza, la separazione e la consistenza dei segnali EMG, che – dopo l’amputazione elettiva di una mano senza funzione – controllano e guidano una mano protesica.
Nei pazienti con lesioni del plesso brachiale globali e mancanza di alternative di trattamento biologico, è stata recentemente descritta la ricostruzione bionica, compresa l’amputazione elettiva della mano senza funzione e la sua sostituzione con una protesi. La funzione protesica ottimale dipende da un protocollo di riabilitazione strutturata, poiché l’attività muscolare residua nel braccio di un paziente viene successivamente tradotta in funzione protesica. Il biofeedback elettromiografico superficiale (sEMG) è stato utilizzato durante la riabilitazione dopo l’ictus, ma finora non è stato utilizzato in pazienti con lesioni nervose periferiche complesse. Qui presentiamo il nostro protocollo di riabilitazione implementato in pazienti con lesioni del plessus brachiale globali adatte per la ricostruzione bionica, a partire dall’identificazione dei segnali sEMG alla formazione protesica finale. Questo programma di riabilitazione strutturata facilita il riapprendimento motorio, che può essere un processo cognitivamente debilitante dopo complesse lesioni da avulsione della radice nervosa, aberrante riinnervazione e ricostruzione extra-anatomica (come nel caso del trasferimento del nervo interventi chirurgici). Il protocollo di riabilitazione che utilizza aiuti di biofeedback sEMG nella creazione di nuovi modelli motori mentre i pazienti vengono informati del processo di riinnervazione avanzata dei muscoli bersaglio. Inoltre, deboli segnali possono anche essere addestrati e migliorati utilizzando sEMG biofeedback, rendendo un muscolo clinicamente “inutile” (che presenta la forza muscolare M1 sulla scala del British Medical Research Council [BMRC]) ammissibile per il controllo della mano protesico abile. Inoltre, i punteggi dei risultati funzionali dopo una ricostruzione bionica di successo sono presentati in questo articolo.
Lesioni del plesso brachiale globale tra cui l’avulsione traumatica delle radici nervose dal midollo spinale rappresentano una delle lesioni nervose più gravi negli esseri umani e di solito colpiscono giovani, altrimenti pazienti sani nel fiore degli anni1,2 . A seconda del numero di radici nervose avulse, la paralisi completa dell’arto superiore può derivare dal momento che la connessione nervale dal cervello al braccio e alla mano è interrotta. Tradizionalmente, l’avulsione delle radici nervose è stata associata a scarsi esiti3. Con le tecniche nervose microchirurgiche guadagnando terreno negli ultimi decenni, i risultati chirurgici sono stati migliorati e la funzione motoria utile nella spalla e nel gomito sono di solito ripristinati4,5. La muscolatura intrinseca nella mano, che si trova più dispari, subisce tipicamente una degenerazione grassa con conseguente atrofia irreversibile prima che gli assoni rigeneranti possano raggiungerla6. Per questi casi la ricostruzione bionica, che comprende l’amputazione elettiva della mano “plexus” senza funzione e la sua sostituzione con una mano meccatronica, è stata descritta7,8. L’attività muscolare residua nell’avambraccio di un paziente, che può essere clinicamente insignificante (contrazioni isometriche, M1 sulla scala del British Medical Research Council [BMRC]), viene rilevata dagli elettrodi transcutanei che rilevano l’attività elettromiografica, poi tradotto in vari movimenti di una mano protesica9.
Dopo la consultazione iniziale possono essere presenti segnali elettromiografici (sEMG) sufficienti. In alcuni casi, tuttavia, è necessario stabilire segnali aggiuntivi eseguendo trasferimenti selettivi di nervi e muscoli7. In entrambi i casi, è necessario un protocollo di riabilitazione strutturata per garantire la coerenza del segnale sEMG e la successiva funzione protesica ottimale alla fine del processo. Una sfida importante dopo l’avulsione della radice nervosa e la riinnervazione aberranti così come dopo l’intervento chirurgico di trasferimento del nervo è la creazione di nuovi modelli motori per consentire il controllo volitivo sul muscolo bersaglio. metodi di biofeedback sEMG sono stati ampiamente utilizzati nella riabilitazione dell’ictus10. Questo metodo consente la visualizzazione diretta dell’attività muscolare che altrimenti sarebbe inosservata a causa della debolezza muscolare e/o della co-attivazione di antagonisti. In questo modo incoraggia i pazienti ad allenare i loro muscoli deboli, fornendo un feedback preciso sulla corretta esecuzione dei compiti motori11.
In una recente pubblicazione abbiamo dimostrato per la prima volta che il biofeedback sEMG può essere utilizzato anche nella riabilitazione di complesse lesioni nervose periferiche12. Crediamo che il biofeedback sEMG sia un metodo estremamente utile per rendere un paziente consapevole del processo di riinnervazione avanzata dopo l’intervento chirurgico di trasferimento del nervo. Inoltre, l’attività muscolare debole, che in precedenza non serviva al paziente, può essere addestrata e rafforzata per un successivo controllo protesico utilizzando il biofeedback sEMG, che consente la visualizzazione concreta dell’attività muscolare altrimenti inosservata sia al medico che al paziente . I progressi della formazione possono quindi essere ben compresi e documentati. Inoltre, l’uso di un feedback diretto sull’attività muscolare consente al medico di correlare vari comandi motori con l’ampiezza e la coerenza del segnale associate, stabilendo le migliori strategie motorie per consentire un robusto controllo protesico in futuro. In sintesi, l’obiettivo di questo metodo è quello di facilitare il processo di riabilitazione aumentando la comprensione, la consapevolezza e il controllo di un paziente dei suoi segnali sEMG, che in seguito guideranno una mano protesica.
Approcci di biofeedback sono stati ampiamente utilizzati nella riabilitazione di diversi disturbi neuromuscolari, che vanno da (emi)-condizioni plegiche derivanti da patologie centrali come emorragia cerebrale e ictus18,19 a varie degenerazioni o lesioni muscolo-scheletriche e la loro terapia chirurgica20,21,22. È interessante notare che il concetto di biofeedback strutturato non è stato implementato nella pratica clinica per le lesioni nervose periferiche. Tuttavia, proprio nella riabilitazione di lesioni nervose complesse, pratica, ripetizione e programmi di allenamento strutturati con biofeedback appropriato sono necessari per stabilire modelli motori corretti23.
Qui, e in uno studio precedente12, abbiamo presentato un protocollo di riabilitazione strutturata utilizzando biofeedback sEMG per i pazienti con mancanza di alternative di trattamento biologico ammissibili per la sostituzione protesica della mano, un concetto oggi noto come bionico ricostruzione f. Il vantaggio più evidente dell’utilizzo di un set-up di biofeedback sEMG nel contesto della ricostruzione bionica deriva dall’esatta definizione di hotspot sEMG, vale a dire le posizioni della pelle, dove un’ampiezza relativamente elevata dell’attività EMG può essere misurata transcutaneamente. Vari comandi motori possono essere tentati alternativamente, in quanto i sensori possono essere facilmente spostati lungo l’intero avambraccio e – in caso di mancanza funzione muscolare rilevabile nell’avambraccio – anche nella parte superiore del braccio e della cintura della spalla. Quando a un paziente viene chiesto di tentare di contrarre i muscoli destinati a eseguire un’azione specifica (ad esempio l’estensione del polso), è possibile posizionare un elettrodo, dove la contrazione muscolare (debole) viene palpata dall’esaminatore. Osservando il segnale EMG sullo schermo del computer, si può facilmente determinare se l’ampiezza del segnale aumenta costantemente, quando il paziente tenta di contrarre questo muscolo. Se l’ampiezza non è abbastanza alta o il segnale è incoerente, possono essere tentati altri comandi motori con la stessa posizione dell’elettrodo. Come opporsi all’ago EMG, questa procedura non è invasiva, non è dolorosa e può essere ripetuta per tutti i muscoli / gruppi muscolari nel braccio. Testare vari comandi motori in diverse posizioni muscolari permette di identificare gli hotspot EMG, con la massima ampiezza e attività riproducibile associata a una specifica azione motoria. Dopo l’identificazione dei segnali EMG più forti, questi possono essere addestrati utilizzando il biofeedback sEMG per quanto riguarda la separazione del segnale (la co-attivazione di due o più segnali EMG non deve avvenire sullo schermo del computer), la potenza del segnale (riflessa dal segnale EMG ampiezza sullo schermo del computer) e riproducibilità del segnale (ogni tentativo di contrarre il muscolo deve portare a un’escursione del rispettivo segnale EMG). In una fase successiva dell’allenamento, l’attività EMG si traduce direttamente in funzione protesica, prima utilizzando una protesi da tavolo (vedere la Figura 3),che fornisce un feedback aggiuntivo al paziente che consente la messa a punto della forza della presa, e quindi protesi fisica.
Negli amputati convenzionali, una grande quantità di letteratura ha dimostrato che il reinnervvazione mirata-muscolo (TMR), vale a dire, il trasferimento chirurgico dei nervi residui del braccio a siti muscolari alternativi nel torace e nella parte superiore del braccio, migliora la funzione protesica, dal momento che questi riinnervati i muscoli fungono da amplificatori biologici di comandi motori intuitivi e forniscono segnali EMG fisiologicamente appropriati per il controllo protesico di24mani,polso e gomito 24 ,25,26,27 . Utilizzando sistemi di controllo di riconoscimento dei pattern, i dati EMG estratti da numerosi segnali sEMG posizionati sulla pelle di questi muscoli ri-innervati possono essere decodificati e tradotti in uscite motorie specifiche e riproducibili, che forniscono un mioelettrico più affidabile controllo protesia28,29,30. Poiché il numero di siti di segnale EMG e l’attività mioelettrica dei muscoli nei pazienti con lesioni da avulsione del plesso brachiale sono molto limitati, gli algoritmi di riconoscimento dei modelli non possono essere utilizzati come avviene per gli amputati convenzionali8. Ancora, con ulteriori ricerche e una migliore tecnologia, questi sistemi possono essere in grado di estrarre ulteriori informazioni sui segnali muscolari deboli esistenti e quindi migliorare la funzione protesica anche in questo particolare gruppo di pazienti.
Mentre il protocollo presentato è considerato una linea guida, i dettagli devono essere adattati a seconda del paziente e delle attrezzature disponibili. A causa della riinnervazione aberrante che si verifica dopo tali lesioni nervose, i comandi motori non comportano necessariamente l’attivazione di muscoli anatomicamente “corretti”12. Ad esempio, gli autori hanno osservato l’attività EMG nel compartimento flessore dell’avambraccio, mentre i pazienti tentavano di aprire la mano. Pertanto, vari comandi motori devono essere testati al fine di identificare i segnali EMG. Inoltre, la funzione muscolare residua (anche se in tutti i casi troppo debole per generare movimenti utili della mano) potrebbe variare in gran parte tra i pazienti e causare variazioni nel tempo di allenamento richiesto, come mostrato nella tabella 2. Inoltre, la scelta del dispositivo protesico e il numero di elettrodi utilizzati per il controllo modificano i requisiti per la precisione della separazione del segnale, l’ampiezza del segnale e la necessità di co-contrazione. Tutto questo deve essere preso in considerazione durante l’allenamento del segnale, l’allenamento della protesi ibrida e l’allenamento protesico effettivo, come è raccomandato anche nella formazione protesica standard degli amputati31. Per quanto riguarda i dispositivi utilizzati per la formazione biofeedback sEMG, gli autori considerano i dispositivi adatti se possono visualizzare contemporaneamente il numero di segnali necessari per il controllo protesico, fornire feedback in tempo reale e possono essere collegati a un computer o a un display i segnali su uno schermo stessi. Sono preferiti i dispositivi che consentono di regolare l’aumento del segnale durante l’allenamento.
Dopo la riabilitazione, tutti i pazienti sono stati in grado di utilizzare la loro protesi durante le attività della vita quotidiana e sono stati soddisfatti della decisione di avere la loro mano senza funzione sostituita con un dispositivo protesico12. Questo miglioramento funzionale è stato riflesso da significativi aumenti dei punteggi ARAT medi da 2,83 x 4,07 a 25,00 x 10,94 (p – 0,028).
Dal nostro punto di vista, i set-up di biofeedback sEMG presentano strumenti preziosi per facilitare il processo cognitivamente impegnativo di recupero motorio associato a lesioni nervose e ricostruzione bionica. L’identificazione del posizionamento ottimale degli elettrodi EMG e il test di vari comandi motori con visualizzazione diretta dell’attività muscolare sono notevolmente semplificate utilizzando il biofeedback sEMG in un set-up clinico. Anche se il biofeedback sEMG può essere utilizzato anche nella riabilitazione della funzione biologica dell’arto superiore10,12, la sua applicazione nel processo di ricostruzione bionica è considerata particolarmente efficace. Ancora più importante, i segnali sEMG attivati durante l’allenamento riflettono successivamente le posizioni degli elettrodi all’interno della presa protesica, che è personalizzata individualmente per ogni paziente. Pertanto, l’attivazione ripetitiva di questi segnali durante l’allenamento molto probabilmente aumenta la gestione protesica futura e la capacità manuale. La visualizzazione diretta di questa attività muscolare permette anche al paziente di comprendere il concetto di controllo della mano mioelettrico e lui / lei può seguire i progressi di formazione più consapevolmente.
In futuro, il nostro protocollo di riabilitazione presentato potrebbe essere esteso con strumenti più avanzati per migliorare i risultati funzionali. Questo potrebbe includere registrazioni sEMG ad alta densità per facilitare il processo di posizionamento degli elettrodi tramite mappe di calore di attivazione32, ulteriori soluzioni virtuali per valutare l’attività EMG30,33,e giochi seri per migliorare la formazione motivazione34. Inoltre, nuove tecnologie per il controllo protesico, ad esempio gli algoritmi di riconoscimento dei modelli, potrebbero essere utilizzate anche28,30,35. Tuttavia, a causa della ridotta interfaccia neuromuscolare, non è chiaro se sistemi attualmente disponibili in commercio progettati per amputati altrimenti sani migliorerebbero significativamente la funzione protesica in questo specifico gruppo di pazienti. Studi futuri dovrebbero valutare l’applicabilità e i benefici delle nuove tecnologie elencate per la riabilitazione di pazienti con gravi lesioni del plesso brachiale. Inoltre, gli studi controllati con un numero di pazienti più elevato permetteranno anche di dimostrare gli effetti positivi dell’attuale protocollo utilizzando il biofeedback sEMG con un più alto livello di evidenza.
The authors have nothing to disclose.
Questo studio è stato finanziato dalla Fondazione di ricerca cristiana Doppler del Consiglio austriaco per la ricerca e lo sviluppo tecnologico e dal Ministero federale austriaco della scienza, della ricerca e dell’economia. Siamo grati ad Aron Cserveny per la preparazione delle illustrazioni incluse nel manoscritto e a Frontiers in Neuroscience per il permesso di riprodurre i dati presentati nell’articolo originale12.
dry EMG electrodes | Ottobock Healthcare, Duderstadt, Germany | 13E202 = 50 | The EMG electrodes used in this study were bipolar and included a ground. They can be used both for EMG training with the Myoboy and for the control of a prosthetic device. |
Myoboy | Otto bock Healthcare, Duderstadt, Germany | Myoboy | This device that can be used as stand alone device or with a computer. It allows to display EMG activity while using the dry EMG electrodes that can also be impeded in the prosthetic socket. |
SensorHand Speed | Ottobock Healthcare, Duderstadt, Germany | All patients used this commercially available myoelectrical prosthesis as their standard prosthetic device and during functional testing. Fitting of patients undergoing this procedure is, however, not restricted to this device. | |
Standard laptop with Microsoft operating system | Usually, devices for EMG biofeedback connected to a computer do not require much computing power and thus work on any regular laptop | ||
TeleMyo 2400T G2 | Noraxon, US | A surface EMG biofeedback set-up used in our protocol, connected to TeleMyo-Software, which displays the recorded EMG activity as color-coded graphs on the computer screen | |
wet EMG electrodes | Ambu | Ambu Blue Sensor VL Adhesive Electrodes | These adhesive electrodes can be used in combination with many different EMG biofeedback devices, including the TeleMyo 2400T. While they cannot be moved easily, the wet contacts usually allow to detect very faint EMG signals as well. |