Optimale functionele uitkomsten na de Bionic-reconstructie bij patiënten met een wereldwijde brachiale plexus blessure hangt af van een gestructureerd revalidatie protocol. Oppervlakte elektromyografische geleide training kan de amplitude, scheiding en consistentie van EMG-signalen verbeteren, wat-na electieve amputatie van een is hand controle en een prothetische hand aandrijfas.
Bij patiënten met wereldwijde brachiale plexus letsel en gebrek aan biologische behandelingsalternatieven, is de Bionic-reconstructie, inclusief de electieve amputatie van de is hand en de vervanging ervan met een prothese, onlangs beschreven. Optimale prothetische functie hangt af van een gestructureerd revalidatie protocol, omdat de resterende spieractiviteit in de arm van een patiënt later wordt vertaald in een prothetische functie. Het oppervlak een (SEMG) Biofeedback is gebruikt tijdens revalidatie na een beroerte, maar is tot nu toe niet gebruikt bij patiënten met complexe perifere zenuw verwondingen. Hier presenteren we ons revalidatie protocol dat is geïmplementeerd bij patiënten met wereldwijde brachiale plexus letsels die geschikt zijn voor de wederopbouw van de Bionic-chip, beginnend bij de identificatie van sEMG-signalen tot de laatste prothetische training. Dit gestructureerde revalidatie programma vergemakkelijkt het releren van de motor, wat een cognitief debiliterend proces kan zijn na complexe zenuwwortel letsels, afwijkende re-innervatie en extra-anatomische reconstructie (zoals het geval is bij zenuwoverdracht chirurgie). Het revalidatie protocol met behulp van sEMG biofeedback helpt bij de oprichting van nieuwe motorische patronen als patiënten worden bewust gemaakt van het voortschrijdende re-innervatie proces van de doel spieren. Bovendien kunnen zwakke signalen ook worden getraind en verbeterd met behulp van sEMG biofeedback, waardoor een klinisch “nutteloze” spier (het tentoonstellen van spierkracht M1 op de British Medical Research Council [BMRC] schaal) in aanmerking komt voor behendige prothetische handbediening. Bovendien, functionele uitkomst scores na succesvolle Bionic wederopbouw worden gepresenteerd in dit artikel.
Wereldwijde brachiale plexus letsels, waaronder de traumatische avulsie van zenuwwortels van het ruggenmerg, vormen een van de ernstigste zenuw letsels bij de mens en zijn meestal van invloed op jonge, anders gezonde patiënten in de Prime of Life1,2 . Afhankelijk van het aantal zenuwwortels, kan volledige verlamming van de bovenste ledematen ontstaan omdat de Nerval verbinding van de hersenen naar de arm en de hand wordt verstoord. Traditioneel, de avulsion van zenuwwortels is geassocieerd met slechte resultaten3. Met microchirurgische zenuw technieken winnen terrein in de afgelopen decennia, chirurgische resultaten zijn verbeterd en nuttige motorische functie in de schouder en de elleboog zijn meestal gerestaureerd4,5. De intrinsieke spier massa in de hand, die het meest intrinsiek ligt, ondergaat meestal vette degeneratie resulterend in onomkeerbare atrofie voordat regenererende axonen het kunnen bereiken6. Voor dergelijke gevallen is de Bionic-reconstructie, die de electieve amputatie van de is “plexus” hand en de vervanging ervan met een mechatronische hand omvat,7,8beschreven. Resterende spieractiviteit in de onderarm van een patiënt, die klinisch onbeduidend kan zijn (isometrische contracties, M1 op de schaal van de British Medical Research Council [BMRC]), wordt opgehaald uit de transcutane elektroden die elektromyografische activiteit sensing, die vervolgens vertaald in verschillende bewegingen van een prothese hand9.
Bij de eerste consultatie kunnen voldoende oppervlakte-elektromyografische (sEMG) signalen aanwezig zijn. In sommige gevallen, echter, aanvullende signalen moeten worden vastgesteld uitvoeren van selectieve zenuw en spier overdrachten7. In beide gevallen is een gestructureerd revalidatie protocol nodig om de sEMG-signaal consistentie en de daaropvolgende optimale prothetische functie aan het einde van het proces te garanderen. Een grote uitdaging na zenuwwortel Avulsie en afwijkende re-innervatie evenals na zenuwoverdracht chirurgie is de oprichting van nieuwe motorische patronen om te laten volitionele controle over de doel spier. sEMG biofeedback methoden zijn op grote schaal gebruikt in de revalidatie van beroerte10. Deze methode maakt directe visualisatie van gespierde activiteit die anders onopgemerkt zou zijn als gevolg van spierzwakte en/of Co-activering van antagonisten. Het moedigt patiënten aan om hun zwakke spieren te trainen, terwijl ze nauwkeurige feedback geven over de juiste uitvoering van motor taken11.
In een recente publicatie hebben we voor de eerste keer aangetoond dat sEMG biofeedback ook kan worden gebruikt bij het herstel van complexe perifere zenuw letsels12. Wij geloven dat sEMG biofeedback een uiterst nuttige methode is om een patiënt bewust te maken van het voortschrijdend re-innervatie proces na een operatie aan de zenuwoverdracht. Ook, flauwvallen spieractiviteit, die voorheen was van geen gebruik voor de patiënt, kan worden getraind en versterkt voor latere prothetische controle met behulp van sEMG biofeedback, waarmee concrete visualisatie van anders onopgemerkt spieractiviteit aan zowel clinicus en patiënt . De voortgang van de training kan daarom goed worden begrepen en gedocumenteerd. Bovendien stelt het gebruik van directe feedback op spieractiviteit de clinicus in staat om verschillende motor commando’s te correleren met de bijbehorende signaalamplitude en consistentie, waarbij de beste motorische strategieën worden vastgesteld om robuuste prothetische controle in de toekomst mogelijk te maken. Samenvattend, het doel van deze methode is om het revalidatieproces te vergemakkelijken door het begrijpen van een patiënt, bewustzijn en controle van zijn/haar sEMG signalen, die later zal rijden een prothese hand.
Biofeedback benaderingen zijn veel gebruikt in de revalidatie van verschillende neuromusculaire aandoeningen, variërend van (hemi)-plegische aandoeningen als gevolg van centrale pathologieën zoals hersenbloeding en beroerte18,19 naar verschillende musculoskeletale degeneratie of letsel en hun chirurgische therapie20,21,22. Interessant is dat het concept van gestructureerde biofeedback niet is geïmplementeerd in de klinische praktijk voor verwondingen van de perifere zenuwen. Echter, juist in het herstel van complexe zenuw letsels, praktijk, herhaling, en gestructureerde trainingsprogramma’s met passende biofeedback zijn nodig om de juiste motorische patronen vast te stellen23.
Hier, en in een eerdere studie12, presenteerden we een gestructureerd revalidatie protocol met behulp van SEMG biofeedback voor patiënten met een gebrek aan biologische behandelingsalternatieven die in aanmerking komen voor prothetische hand vervanging, een concept dat vandaag bekend staat als Bionic Wederopbouw. Het meest schijnbare voordeel van het gebruik van een sEMG biofeedback set-up in het kader van de Bionic wederopbouw vloeit voort uit de exacte definitie van sEMG hotspots, dat wil zeggen, huid locaties, waar een relatief hoge amplitude van EMG activiteit kan worden gemeten transcutel. Verschillende motor commando’s kunnen afwisselend worden geprobeerd, omdat de sensoren gemakkelijk langs de gehele onderarm kunnen worden bewogen, en-in geval van ontbrekende detecteerbare spierfunctie in de onderarm-ook in de bovenarm en schoudergordel. Wanneer een patiënt wordt gevraagd om de spieren te contracteren die bedoeld zijn om een specifieke actie uit te voeren (zoals het verlengen van de pols), kan een elektrode worden geplaatst, waar (zwakke) spiercontractie wordt gepalpeerd door de examinator. Observeren van het EMG-signaal op het computerscherm, kan men gemakkelijk bepalen of de amplitude van het signaal consequent toeneemt, wanneer de patiënt probeert deze spier te contracteren. Als de amplitude niet hoog genoeg is of het signaal inconsistent is, kunnen andere motor commando’s met dezelfde elektrodepositie worden geprobeerd. Als tegen naald EMG, deze procedure is niet-invasief, niet pijnlijk en kan worden herhaald voor alle spieren/spiergroepen in de arm. Het testen van verschillende motor commando’s op verschillende spier locaties maakt het mogelijk om de EMG hotspots te identificeren, met de hoogste amplitude en reproduceerbare activiteit die gepaard gaat met een specifieke motorische actie. Na identificatie van de sterkste EMG-signalen kunnen deze worden getraind met behulp van sEMG biofeedback met betrekking tot signaal scheiding (co-activatie van twee of meer EMG-signalen mag niet op het computerscherm voorkomen), signaalsterkte (gereflecteerd door het EMG-signaal amplitude op het computerscherm) en signaal reproduceerbaarheid (elke poging om de spier te contracteren moet leiden tot een excursie van het respectieve EMG-signaal). In een later stadium van de training, EMG activiteit wordt direct vertaald in prothese functie, eerst met behulp van een tafelblad prothese (Zie Figuur 3), die geeft extra feedback aan de patiënt waardoor fijnafstelling van de gripsterkte, en dan het dragen van de fysieke prothese.
In conventionele Amputees, een enorme hoeveelheid literatuur heeft aangetoond dat gerichte-spier-reinnervatie (TMR), d.w.z., de chirurgische overdracht van resterende arm zenuwen naar alternatieve spier gebieden in de borst en de bovenarm, verbetert de prothetische functie, aangezien deze Re-innervated spieren dienen als biologische versterkers van intuïtieve motor commando’s en bieden fysiologisch passende EMG signalen voor prothetische hand, pols en elleboog controle24,25,26,27 . Met behulp van patroonherkenning besturingssystemen, EMG gegevens geëxtraheerd uit talrijke sEMG signalen geplaatst over de huid van deze re-innervated spieren kunnen worden gedecodeerd en vertaald naar specifieke, reproduceerbare motor uitgangen, die zorgt voor betrouwbaarder myoelectric prothese controle28,29,30. Omdat het aantal EMG-signaal plaatsen en de myoelektrische activiteit van de spieren bij patiënten met plexus-avulsie van brachialis zeer beperkt zijn, kunnen patroon herkennings algoritmen niet worden gebruikt zoals gedaan voor conventionele geamputeerden8. Nog steeds, met verder onderzoek en verbeterde technologie, kunnen deze systemen in staat zijn om meer informatie over de bestaande zwakke spier signalen te extraheren en daarom prothetische functie ook in deze bijzondere patiëntengroep te verbeteren.
Hoewel het gepresenteerde protocol als richtsnoer wordt beschouwd, moeten de details worden aangepast afhankelijk van de patiënt en de beschikbare apparatuur. Als gevolg van afwijkende re-innervatie die zich voordoet na dergelijke zenuw letsel, motor commando’s niet noodzakelijkerwijs resulteren in de activering van anatomisch “juiste” spieren12. De auteurs observeerde bijvoorbeeld EMG-activiteit bij het onderarm flexor-compartiment, terwijl patiënten probeerden hun hand te openen. Daarom moeten verschillende motor commando’s worden getest om EMG-signalen te identificeren. Bovendien kan de resterende spierfunctie (hoewel in alle gevallen te zwak om nuttige handbewegingen te genereren) grotendeels variëren tussen patiënten en variaties in de vereiste trainingstijd veroorzaken, zoals weergegeven in tabel 2. Verder, de keuze van de prothese apparaat en het aantal elektroden gebruikt voor de controle wijzigen van de eisen voor de precisie van de signaal scheiding, de amplitude van het signaal en de noodzaak van co-contractie. Dit alles moet rekening worden gehouden tijdens signaal training, hybride prothese training en werkelijke prothetische training, omdat het ook wordt aanbevolen in standaard prothetische training van geamputeerden31. Met betrekking tot de apparaten die worden gebruikt voor sEMG biofeedback training, de auteurs beschouwen apparaten geschikt als ze gelijktijdig kunnen het aantal signalen dat nodig is voor de controle van de prothese weergeven, geven real-time feedback, en kan worden aangesloten op een computer of beeldscherm de signalen op een scherm zelf. Apparaten waarmee de signaalversterking tijdens de training kan worden aangepast, hebben de voorkeur.
Na revalidatie konden alle patiënten hun prothese gebruiken tijdens de dagelijkse activiteiten van het leven en waren ze tevreden met de beslissing om hun is hand te vervangen door een prothetische inrichting12. Deze functionele verbetering werd weerspiegeld door significante stijgingen van de gemiddelde ARAT-scores van 2,83 ± 4,07 tot 25,00 ± 10,94 (p = 0,028).
Vanuit ons perspectief, sEMG biofeedback set-ups presenteren waardevolle instrumenten om het cognitief veeleisende proces van motor herstel in verband met zenuw letsel en Bionic wederopbouw te vergemakkelijken. De identificatie van optimale EMG elektrode positionering en het testen van verschillende motor commando’s met directe visualisatie van spieractiviteit is sterk vereenvoudigd met behulp van sEMG biofeedback in een klinische opstelling. Hoewel SEMG biofeedback ook kan worden gebruikt bij het herstel van de biologische bovenste ledemaat10,12, de toepassing ervan in het proces van Bionic wederopbouw wordt beschouwd als bijzonder effectief. Belangrijker nog, de sEMG signalen geactiveerd tijdens de training weerspiegelen de elektrode posities binnen de prothese socket, die individueel wordt aangepast voor elke patiënt. Daarom, herhaalde activering van deze signalen tijdens de training waarschijnlijk verhoogt toekomstige prosthetische behandeling en handmatige capaciteit. Directe visualisatie van deze spieractiviteit stelt een patiënt ook in staat om het concept van myoelectric hand controle te begrijpen en hij/zij kan de trainingsvoortgang bewuster volgen.
In de toekomst kan ons gepresenteerde revalidatie protocol worden uitgebreid met geavanceerdere hulpmiddelen om de functionele uitkomsten te verbeteren. Dit kunnen bijvoorbeeld hoge dichtheid SEMG-opnames zijn om het proces van elektrode plaatsing te vergemakkelijken via activatie Heatmaps32, verdere virtuele oplossingen om EMG-activiteit30,33en serieuze games te evalueren om de training te verbeteren motivatie34. Bovendien, nieuwe technologieën voor prothetische controle, zoals patroonherkenning algoritmen kunnen ook worden gebruikt28,30,35. Echter, als gevolg van de verminderde neuro-gespierde interface, het is niet duidelijk of momenteel commercieel verkrijgbare systemen ontworpen voor anders gezonde geamputeerden zou de prothese functie in deze specifieke patiëntengroep aanzienlijk verbeteren. Toekomstige studies moeten de toepasbaarheid en voordelen van de vermelde nieuwe technologieën evalueren voor de revalidatie van patiënten met ernstige plexus letsels van brachialis. Bovendien zullen gecontroleerde onderzoeken met hogere patiëntenaantallen ook toelaten om de positieve effecten van het huidige protocol te demonstreren met behulp van sEMG biofeedback met een hoger niveau van bewijs.
The authors have nothing to disclose.
Deze studie werd gefinancierd door de Christian Doppler Research Foundation van de Oostenrijkse Raad voor onderzoek en technologische ontwikkeling en het Oostenrijkse federale ministerie van wetenschap, onderzoek en economie. Wij zijn Aron Cserveny dankbaar voor de voorbereiding van de illustraties in het manuscript en de grenzen in de neurowetenschappen voor de toestemming van het reproduceren van de gegevens die in het oorspronkelijke artikel12zijn gepresenteerd.
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. |