Surface Electromyographic Biofeedback als Rehabilitationswerkzeug für Patienten mit globaler Brachial-Plexus-Verletzung, die eine bionische Rekonstruktion erhalten

Zusammenfassung

Optimale funktionelle Ergebnisse nach bionischer Rekonstruktion bei Patienten mit globaler Brachialplexusverletzung hängen von einem strukturierten Rehabilitationsprotokoll ab. Oberflächenelektromyographisches geführtes Training kann die Amplitude, Trennung und Konsistenz von EMG-Signalen verbessern, die - nach wahlloser Amputation einer funktionslosen Hand - eine prothetische Hand steuern und antreiben.

Zusammenfassung

Bei Patienten mit globaler Brachialplexusverletzung und fehlender biologischer Behandlungsalternativen wurde kürzlich die bionische Rekonstruktion, einschließlich der wahlfreien Amputation der funktionslosen Hand und deren Ersatz durch eine Prothese, beschrieben. Die optimale prothetische Funktion hängt von einem strukturierten Rehabilitationsprotokoll ab, da die Restmuskelaktivität im Arm eines Patienten später in eine prothetische Funktion übersetzt wird. Oberflächenelektromyografisches (sEMG) Biofeedback wurde während der Rehabilitation nach Schlaganfall verwendet, wurde aber bisher nicht bei Patienten mit komplexen peripheren Nervenverletzungen eingesetzt. Hier stellen wir Ihnen unser Rehabilitationsprotokoll vor, das bei Patienten mit globalen Brachialplexusverletzungen implementiert ist, die für die bionische Rekonstruktion geeignet sind, angefangen bei der Identifizierung von sEMG-Signalen bis hin zum abschließenden Prothesentraining. Dieses strukturierte Rehabilitationsprogramm erleichtert das motorische Umlernen, was ein kognitiv schwächender Prozess nach komplexen Nervenwurzel-Avulsionsverletzungen, aberranter Reinnervation und extra-anatomischer Rekonstruktion sein kann (wie es bei der Nervenübertragung der Fall ist). Chirurgie). Das Rehabilitationsprotokoll mit sEMG-Biofeedback hilft bei der Etablierung neuer motorischer Muster, da Patienten auf den fortschreitenden Reinnervationsprozess der Zielmuskeln aufmerksam gemacht werden. Darüber hinaus können schwache Signale auch trainiert und verbessert werden, indem sEMG Biofeedback verwendet wird, wodurch ein klinisch "nutzloser" Muskel (der Muskelkraft M1 auf der Skala des British Medical Research Council [BMRC] ausstellt) für eine geschickte prothetische Handkontrolle in Frage kommt. Darüber hinaus werden in diesem Artikel funktionelle Ergebnisergebnisse nach erfolgreicher bionischer Rekonstruktion vorgestellt.

Einleitung

Globale Brachialplexusverletzungen einschließlich der traumatischen Avulsion der Nervenwurzeln aus dem Rückenmark stellen eine der schwersten Nervenverletzungen beim Menschen dar und betreffen in der Regel junge, ansonsten gesunde Patienten in der Blüte des Lebens^1,2 . Abhängig von der Anzahl der Nervenwurzeln avulsed, vollständige obere GliedmaßenLähmung kann folgen, da die nervöse Verbindung vom Gehirn zu Arm und Hand gestört ist. Traditionell wurde die Avulsion der Nervenwurzeln mit schlechten Ergebnissen in Verbindung gebracht³. Mit mikrochirurgischen Nerventechniken an Boden in den letzten Jahrzehnten, chirurgische Ergebnisse wurden verbessert und nützliche motorische Funktion in der Schulter und Ellenbogen werden in der Regel wiederhergestellt^4,5. Die intrinsische Muskulatur in der Hand, die am distally liegt, erfährt in der Regel eine fettige Degeneration, was zu irreversibler Atrophie führt, bevor regenerierende Axone sie erreichen können⁶. Für solche Fälle wurde die bionische Rekonstruktion, zu der auch die wahllose Amputation der funktionslosen "plexus"-Hand und deren Ersatz durch eine mechatronische Hand gehört,^{beschrieben 7,8}. Die Restmuskelaktivität im Unterarm eines Patienten, die klinisch unbedeutend sein kann (isometrische Kontraktionen, M1 auf der Skala des British Medical Research Council [BMRC]), wird von transkutanen Elektroden, die die elektromyografische Aktivität dann in verschiedene Bewegungen einer prothetischen Hand übersetzt⁹.

Genügend oberflächenelektromyographische (sEMG) Signale können bei ersterkundlichem Einsehen vorhanden sein. In einigen Fällen müssen jedoch zusätzliche Signale durch selektive Nerven- und^{Muskeltransfers}7 hergestellt werden. In beiden Fällen ist ein strukturiertes Rehabilitationsprotokoll erforderlich, um die sEMG-Signalkonsistenz und die anschließende optimale prothetische Funktion am Ende des Prozesses zu gewährleisten. Eine große Herausforderung nach Nervenwurzel-Avulsion und aberranter Reinnervation sowie nach einer Nerventransfer-Operation ist die Etablierung neuer motorischer Muster, um eine volitionale Kontrolle über den Zielmuskel zu ermöglichen. sEMG Biofeedback-Methoden sind bei der Rehabilitation von Schlaganfall¹⁰weit verbreitet. Diese Methode ermöglicht eine direkte Visualisierung der Muskelaktivität, die sonst aufgrund von Muskelschwäche und/oder Koaktivierung von Antagonisten unbemerkt wäre. Es ermutigt patienten, ihre schwachen Muskeln zu trainieren, während sie präzise Rückmeldung über die korrekte Ausführung von motorischen Aufgaben¹¹geben.

In einer kürzlich erschienenen Publikation haben wir erstmals gezeigt, dass sEMG-Biofeedback auch bei der Rehabilitation komplexer peripherer Nervenverletzungen eingesetzt werden kann¹². Wir glauben, dass sEMG Biofeedback eine äußerst nützliche Methode ist, um einen Patienten auf den fortschreitenden Re-Innervationsprozess nach einer Nerventransferoperation aufmerksam zu machen. Auch schwache Muskelaktivität, die früher für den Patienten nutzlos war, kann trainiert und gestärkt werden für eine spätere prothetische Kontrolle mit sEMG Biofeedback, die eine konkrete Visualisierung der ansonsten unbemerkten Muskelaktivität sowohl für Den Arzt als auch für den Patienten ermöglicht. . Der Ausbildungsfortschritt kann daher gut verstanden und dokumentiert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von direktem Feedback auf Muskelaktivität dem Arzt, verschiedene Motorbefehle mit der damit verbundenen Signalamplitude und Konsistenz zu korrelieren und die besten Motorstrategien zu entwickeln, um eine robuste prothetische Steuerung in der Zukunft zu ermöglichen. Zusammenfassend ist das Ziel dieser Methode, den Rehabilitationsprozess zu erleichtern, indem das Verständnis, das Bewusstsein und die Kontrolle der sEMG-Signale eines Patienten erhöht werden, die später eine prothetische Hand antreiben werden.

Protokoll

Die klinische Umsetzung dieses Rehabilitationsprotokolls wurde von der Ethikkommission der Medizinischen Universität Wien (ethische Abstimmungsnummer: 1009/2014), Österreich, genehmigt und nach den in der Erklärung von Helsinki festgelegten Standards durchgeführt. Alle Patienten erteilten schriftlich ihre Zustimmung zur Teilnahme an dieser Studie.

HINWEIS: Frühere Veröffentlichungen von Aszmann et al.⁷ und Hruby et al.^{8, 13} sind verfügbar, die das Konzept, den Behandlungsalgorithmus und die psychosozialen Voraussetzungen für die bionische Rekonstruktion sehr detailliert beschreiben. Die Tabelle der Werkstoffe verweist auf alle Materialien und Ausrüstungen, die im vorgeschlagenen Rehabilitationsprotokoll verwendet werden.

1. Patientenbewertung nach Erstkonsultation

1. Für alle Schritte der Patientenbewertung, Rehabilitation und Schulung, finden Sie ein Büro oder Untersuchungsraum, wo der Patient allein in einer ruhigen Atmosphäre ohne Störungen ist. Achten Sie darauf, genügend Platz zu haben, um den Patienten zu untersuchen und das sEMG-Biofeedback-System einzurichten.
2. Erhalten Sie eine detaillierte Fallgeschichte vom Patienten, einschließlich Verletzungsmechanismus und Erstversorgung, Berichte über frühere Nervenreparaturoperationen und subjektive Behinderung im Alltag.
3. Betrachten Sie nur Patienten für die bionische Rekonstruktion mit fehlgeschlagenen biologischen Behandlungsalternativen (d. h. Nervenreparatur, Nerventransfers, sekundäre Rekonstruktionen, die zu einer vergeblichen Funktion der oberen Gliedmaßen führen). Auszuschließen Patienten mit gleichzeitiger Schädigung des zentralen Nervensystems, instabilen Frakturen der betroffenen Gliedmaße, unbehandelten und/oder belastbaren psychischen Problemen, Drogenabhängigkeit, mangelnder Einhaltung und Verpflichtung zur Einhaltung einer langanhaltenden Rehabilitation programmieren.
4. Führen Sie eine detaillierte klinische Untersuchung mit Schwerpunkt auf der aktuellen Funktion der oberen Extremität durch. Klinisch bewerten Sie die Funktion aller wichtigen Muskeln im betroffenen Arm und Hand mit der BMRC-Grading-Skala.
5. Beurteilen Sie in einem multidisziplinären Team aus rekonstruktiven Chirurgen, Orthopäden, Physikern, Psychologen und Physiotherapeuten, ob biologische Behandlungsalternativen möglich sind. Erklären Sie dem Patienten, dass die Funktionalität einer myoelektrischen Prothese keineswegs mit der einer biologischen Hand vergleichbar ist.
6. Fragen Sie den Patienten nach seinen Motiven und Perspektiven der bionischen Rekonstruktion (siehe eine vorherige Publikation¹³ einschließlich des strukturierten Interviews mit einem Psychologen, um zu beurteilen, ob ein Patient psychosozial geeignet ist, den Prozess der bionischen Wiederaufbau).
7. Beurteilen Sie, ob Tinel-Zeichen entlang der neuronalen Achse der wichtigsten peripheren Nerven ausgelöst werden können, die auf das Vorhandensein lebensfähiger Axone hinweisen, die für eine Nerventransferoperation geeignet sind.
8. Neben der Patientenbewertung wird auch vage ein möglicher Zeitplan des gesamten Prozesses skizziert, der von der Verfügbarkeit nachweisbarer EMG-Signale abhängt. Wenn andere Interventionen wie psychologische Unterstützung, Haltungstraining und/oder Stärkung der verbleibenden Muskeln angezeigt werden, beginnen Sie sie so schnell wie möglich.

2. Identifikation von sEMG-Signalen

1. Richten Sie ein System für sEMG Biofeedback auf einem Tisch in einem ruhigen Raum ein. Dies kann ein eigenständiges Gerät oder ein Gerät sein, das mit einem Computer verbunden ist. Wenn ein Computer verwendet wird, schließen Sie das EMG-Gerät mit dem Computer an, indem Sie alle Kabel anschließen, und starten Sie die entsprechende Software auf dem Computer.
2. Um die Impedanz zu reduzieren, bereiten Sie die Haut des Patienten vor, indem Sie den jeweiligen Körperteil sorgfältig rasieren und/oder abgestorbene Hautzellen mit einem Peeling-Gel oder einem nassen Papiertuch vorsichtig entfernen.
3. Erklären Sie dem Patienten kurz die Funktionalität des EMG-Geräts und der zugehörigen Computersoftware.
4. Positionieren Sie den Patienten vor dem Computerbildschirm.
5. Bitten Sie den Patienten, an Handbewegungen zu denken und gleichzeitig zu versuchen, die Muskeln zu ziehen, die dazu bestimmt sind, eine bestimmte Aktion auszuführen (z. B. das Handgelenk zu verlängern, eine Faust zu machen, den Daumen zu beugen usw.), auch wenn dies nicht zu einer echten Bewegung seiner funktionslosen hand. Palpate seinen Unterarm für (schwache) Muskelkontraktion.
6. Legen Sie eine sEMG-Elektrode auf die exakte Hautposition, wo die Muskelkontraktion mit dem Finger getrotzt werden kann, z.B. auf das dorsale Extensorfach 5 cm distal zum Ellenbogengelenk, wenn sie den Patienten bitten, an eine Ausdehnung seines Handgelenks und seiner Finger zu denken.
   HINWEIS: Während die sEMG-Aktivität mit nassen und trockenen Elektroden erkannt werden kann, werden trockene Elektroden für Tests vorbereitet, da diese leicht auf der Haut bewegt werden können, um nach optimalen Positionen zu suchen.
7. Wiederholen Sie den zuvor verwendeten Motorbefehl (d. h. die Verlängerung von Handgelenk und Fingern), um eine Kontraktion des Muskels auszulösen.
   1. Beobachten Sie das EMG-Signal auf dem Computerbildschirm und sehen Sie, ob die Amplitude gleichmäßig zunimmt, wenn der Patient versucht, den Muskel zu verancieren, der für eine bestimmte Aktion bestimmt ist (d. h. das Handgelenk und die Finger ausdehnt).
   2. Wenn die Amplitude nicht hoch genug ist (weniger als das 2-3-fache des Hintergrundrauschens¹²) oder das Signal inkonsistent ist, versuchen Sie es mit anderen Motorbefehlen mit der gleichen Elektrodenposition und prüfen Sie, ob höhere Amplituden erhalten werden können.
8. Wiederholen Sie den Vorgang für eine andere Muskel- oder Muskelgruppe. Zum Beispiel bewegen Sie die sEMG-Elektrode auf den volaren Aspekt des Unterarms, legen Sie sie auf den Pronator teres Muskel, und bitten Sie den Patienten, zu versuchen, seinen Unterarm zu pronisieren. Beobachten Sie das Signal auf dem Computerbildschirm und sehen Sie, ob die Amplitude wiederholt zunimmt, wenn der Patient an diese Bewegung denkt.
   HINWEIS: Bei einigen Patienten ist keine Muskelaktivität spürbar. Hiersollten drei oder mehr sEMG-Elektroden auf den volar-, dorsalen und radialen Aspekt des Unterarms gelegt werden und verschiedene Motorbefehle sollten versucht werden, wobei alle Signale für Amplitudenänderungen auch bei geringsten Änderungen in der Elektrodenpositionierung ( siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Screenshot von EMG-Signalen auf einem Computerbildschirm.
Um die EMG-Aktivität zu identifizieren, können zwei oder mehr Elektroden auf den Unterarm eines Patienten gelegt werden, um ihn zu bitten, verschiedene Bewegungen zu versuchen. In diesem speziellen Fall spürt die Elektrode auf dem volaren Aspekt des Unterarms die EMG-Aktivität, wie sie durch die erste, rote Welle widergespiegelt wird, die auf dem Computerbildschirm angezeigt wird, wenn der Patient versucht, seine Hand zu schließen. Die Signaltrennung bei diesem Patienten ist zufriedenstellend, da das blaue Signal, das der zweiten Elektrode entspricht, die auf dem dorsalen Aspekt des Unterarms platziert ist, die Schwelle nicht erreicht. Wenn der Patient daran denkt, die Hand zu öffnen, überschreitet die Amplitude des blauen Signals die Schwelle, während das rote Signal fast inaktiv bleibt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

9. Versuchen Sie auch motorische Befehle und Elektrodenpositionen, die sich von der "normalen" Anatomie als aberrante Re-Innervation und extra-anatomische Rekonstruktionen wie bei Nervenübertragungen unterscheiden, haben den neuronalen Input zu den teilweise denervierten Muskeln verändert.
10. Wenn keine Muskelaktivität im Unterarm gefunden wird, wiederholen Sie den Eingriff am Oberarm und Schultergürtel.
    HINWEIS: Bei einigen Patienten werden keine sEMG-Signale gefunden. In diesen müssen Nerven- und Muskeltransfers durchgeführt werden, um neue EMG-Signalstellen zu etablieren (das detaillierte chirurgische Konzept kann an anderer Stelle gefunden werden⁷), und das Signaltraining um 6-9 Monate verzögern. Für eine geschickte prothetische Handsteuerung werden mindestens zwei trennbare EMG-Signale benötigt.

3. sEMG-geführtes Signaltraining

HINWEIS: Die Trainingseinheiten für sEMG-geführtes Signaltraining sollten 30 min nicht überschreiten, da dies zu Muskelermüdung führt, die das erfolgreiche motorische Lernen behindert. Die beschriebenen Schritte müssen über einen längeren Zeitraum wiederholt werden, um eine gute neuromuskuläre Koordination zu gewährleisten, die später für eine zuverlässige prothetische Kontrolle erforderlich ist.

1. Sobald zwei oder mehr EMG-Signale identifiziert wurden, ermutigen Sie den Patienten, diese abwechselnd zu aktivieren (siehe Abbildung 2A). Um eine Prothese zuverlässig antreiben zu können, müssen die unabhängigen EMG-Signale störungsfrei gesteuert werden.
   1. Stellen Sie die Spannungsverstärkung jedes Signals unabhängig voneinander ein, um eine ähnliche Amplitudenschwelle für alle Signale während des Trainings zu erreichen, was die Signaltrennung und das Verstehen für den Patienten erleichtert.
   2. Wiederholen und erklären Sie dem Patienten die Mechanik einer prothetischen Hand: Eine leichte Muskelkontraktion führt letztlich zu einer verbesserten Signaltrennung und muss der Muskelkraft, d.h. der Amplitude eines Signals, vorgezogen werden.

Abbildung 2: sEMG-geführte Rehabilitation für Patienten mit bionischer Handrekonstruktion.
(A) Bei direkter Visualisierung der Muskelaktivität können verschiedene Motorbefehle versucht werden, die höchste EMG-Amplitude über einen bestimmten Zielmuskel zu identifizieren und verschiedene Signalpositionen zu vergleichen. (B) Mit einer Tischprothese wird die EMG-Aktivität im Arm eines Patienten direkt in die prothetische Funktion übersetzt. (C) Der Einbau einer hybriden prothetischen Hand ermöglicht es dem Patienten, zukünftige prothetische Handnutzung zu visualisieren und zu verstehen. (D) Nach der prothetischen Rekonstruktion können EMG-Signale entweder mit sEMG Biofeedback oder mit der Prothesenhand selbst trainiert und optimiert werden. Diese Figur wurde von Sturma et al.¹² modifiziert und mit Genehmigung von Frontiers in Neuroscience reproduziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Beobachten Sie die EMG-Signale auf dem Computerbildschirm und machen Sie den Patienten darauf aufmerksam, ob die beiden Signale beim Versuch einer bestimmten Bewegung koaktiviert sind. Erklären Sie dem Patienten, dass zwei Signale während des Versuchs einer bestimmten Aktion nicht koaktiviert werden sollten, da jedes EMG-Signal mit einer bestimmten prothetischen Aktion verknüpft ist. Koaktivierte Signale führen daher nicht zu der vom Patienten gewünschten Wirkung.
3. Weisen Sie den Patienten an, verschiedene (leichte) Bewegungen auszuprobieren und zu beobachten, welche präzisen Bewegungsmuster hinsichtlich der Signaltrennung am besten sind. Ermutigen Sie den Patienten, diese Bewegungen zu trainieren.
4. Lassen Sie den Patienten wissen, dass eine perfekte Signaltrennung zu Beginn des Trainings unwahrscheinlich ist, sich aber mit einer hohen Anzahl von Wiederholungen verbessern wird.
   VORSICHT: Erlauben Sie Phasen der Entspannung, da die Muskelkraft bei Patienten mit komplexen Nervenverletzungen und schwacher Myoaktivität schneller abnehmen kann.
5. Mit verbesserter Signalkonsistenz, weisen Sie den Patienten an, eine höhere Signalamplitude zu erzeugen, um den Muskel und sein Signal weiter zu stärken.
6. Mit konsequenter EMG-Signaltrennung und Feststoffsteuerung installieren Sie eine Tischprothese, die mit der entsprechenden EMG-Software und den Elektroden auf dem Unterarm/Arm des Patienten verbunden ist. Dadurch wird die EMG-Aktivität direkt in die mechanische Prothesenfunktion umgesetzt (siehe Abbildung 2B und Abbildung 3).

Abbildung 3: Patient vor einer Tischplatte Prothese und Screenshot seiner beiden Signale auf einem Computerbildschirm.
Am Unterarm des Patienten spüren zwei Elektroden die EMG-Aktivität. Diese beiden Signale werden als farbcodierte Graphen auf dem Computerbildschirm (rot und blau) angezeigt und simultan in prothetische Bewegungen übersetzt, so dass der Patient die Beziehung zwischen Signalqualität und prothetischer Steuerung verstehen kann. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

7. Weisen Sie den Patienten darauf hin, dass myoelektrische Prothesen mit direkter Steuerung den Eingang einer Elektrode (d. h. die von einer Elektrode detektierte Muskelaktivität) verwenden, um eine prothetische Bewegung zu steuern.
8. Machen Sie den Patienten auf die Korrelation zwischen dem Erscheinungsbild des Signals (meist Amplitudenhöhe) auf dem Computerbildschirm und der Geschwindigkeit/Stärke der prothetischen Bewegung aufmerksam, falls ein Gerät mit proportionaler Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit gewählt wird.
   HINWEIS: Abhängig von der Anzahl der verfügbaren EMG-Signale und den Freiheitsgraden der letzten Prothesenvorrichtung kann es erforderlich sein, Methoden zum Umschalten zwischen diesen Freiheitsgraden zu verwenden. Eine häufig verwendete Methode zum Umschalten zwischen Freiheitsgraden (z.B. Handoffen/nah an Pronation/Supination) ist die gleichzeitige Kontraktion zweier Muskeln, auch bekannt als Co-Kontraktion¹⁴.
9. Trainieren Sie Co-Kontraktion. Lassen Sie den Patienten die EMG-Signale auf dem Computerbildschirm und die Prothese beobachten. Wenn sich das Prothesengerät während der Kontraktion nicht öffnet, d.h. sich öffnet oder schließt, macht der Patient dies richtig.

4. Hybride Handbefestigung und Prothesentraining

1. Markieren Sie die Elektrodenpositionen auf der Haut des Patienten, die als optimal für eine zuverlässige prothetische Steuerung definiert wurden, und lassen Sie einen Orthopädietechniker eine vorläufige Prothesenbuchse mit genau diesen genauen Elektrodenpositionen fertigen.
2. Montieren Sie eine Hybrid-Prothesenhand mit der individuell zugeschnittenen Buchse auf oder unter der funktionslosen "Plexus"-Hand (siehe Abbildung 2C).
3. Führen Sie gleichzeitig das EMG-Softwareprogramm aus, um den Patienten auf seine Handlungen aufmerksam zu machen.
4. Trainieren Sie abwechselnd verschiedene prothetische Bewegungen. Elektroden können auch auf angrenzende Muskeln entlang des Oberarms und Schultergürtels platziert werden, um unbewusste Co-Kontraktionen zu vermeiden, was zu Müdigkeit in der gesamten oberen Extremität mit erhöhten Tragezeiten führen wird.
   1. Beginnen Sie mit einfachen prothetischen Bewegungen (nur öffnen/schließen Sie die Hand ohne Co-Kontraktion) mit dem Gewicht des prothetischen Geräts unterstützt.
   2. Gehen Sie zu einfachen prothetischen Bewegungen in verschiedenen Armpositionen, wie z. B. der Ellbogen, der abwechselnd verlängert oder gebeugt wird. Machen Sie den Patienten bei der Einstellung der verschiedenen Armpositionen auf Signalabweichungen aufmerksam und trainieren Sie die Signalkonsistenz in allen Positionen.
      HINWEIS: Nach spontaner Nervenregeneration tritt eine unbeabsichtigte Koaktivierung verschiedener Muskel- oder Muskelgruppen häufig durch eine aberrante Re-Innervation auf, die koordinierte Bewegungen behindern und angemessene Muskelaktivitäten behindern kann¹⁵. Schwache unbeabsichtigte Muskelkontraktion tritt oft auf, wenn der Arm bewegt wird, was von sEMG-Sensoren wahrgenommen und in prothetische Bewegung übersetzt wird. Dies kann zu einer schlechten prothetischen Kontrolle führen, wenn sie während der Rehabilitation mit EMG-Training und Muskelstärkung, wie unten beschrieben, nicht angemessen behandelt wird.
   3. Bei umständlicher Prothesenkontrolle in verschiedenen Armpositionen die EMG-Signale auf dem Computerbildschirm gründlich beobachten und den Patienten darauf hinweisen, in welcher Armposition eine unbeabsichtigte Kontraktion einer oder mehrerer Muskeln zur Signalexkursion führt. Trainieren Sie präzise Aktivierung endere EMG-Signale in Positionen, die der Patient noch handhaben und langsam die Armposition im Laufe der Zeit ändern kann.
   4. Führen Sie Krafttraining für Ellbogenbeuger (und Schultermuskeln, falls zutreffend), wenn die Koaktivierung der Muskeln für die prothetische Kontrolle beim Heben des Arms beobachtet wird. Erklären Sie dem Patienten, dass ein stärkerer Muskel (d.h. ein Muskel, der bei einfachen Hebeaufgaben nicht mit seiner maximalen freiwilligen Kraft arbeitet) in der Regel auch zu einer besseren Trennung der Signale beiträgt. Führen Sie auch Krafttraining durch, wenn die Muskeln der oberen Gliedmaßen zu schwach sind, um das Prothesengerät im dreidimensionalen Raum zu bewegen und/oder die Schulter dabei zu stabilisieren.
   5. Fahren Sie mit einfachen Greifaufgaben fort, z. B. beim Aufheben kleiner Kästchen und beim Bearbeiten kleiner Objekte (siehe Abbildung 2C).
   6. Trainieren Sie schließlich einfache Aufgaben des täglichen Lebens wie das Öffnen einer Tür, das Falten eines Handtuchs oder das Öffnen einer Flasche.
      HINWEIS: Viele Aufgaben können aufgrund der Tatsache eingeschränkt werden, dass die gelähmte Hand in den Weg kommt, und das Gerät könnte sich ziemlich schwer anfühlen, da der Patient zusätzlich zur Hybridprothesenhand das Gewicht seiner eigenen Hand heben muss.
5. Wenn die Signalqualität nicht ausreicht, kann es von Vorteil sein, zum Signaltraining auf dem Computerbildschirm zurückzukehren. In allen Aufgaben gezielt suchen Sie nach Ko-Aktivierung von Signalen auf dem Computerbildschirm und weiter verbesserung der Signalunabhängigkeit.
6. Bewerten Sie die Funktion der oberen Gliedmaßen mit der hybriden Prothesenhand und zeichnen Sie das Video der Testergebnisse auf. Verwenden Sie außerdem die gleichen Bewertungen für die gelähmte Hand, um den funktionalen Nutzen zu dokumentieren, der von einem prothetischen Ersatz der funktionslosen Hand erwartet wird.

5. Wahlamputation und prothetischer Handersatz

1. Planen Sie den Grad der Amputation in Abhängigkeit von der Stelle der verschiedenen EMG-Signale (transradial, transhumeral oder in seltenen Fällen glenohumeral) im multidisziplinären Team, bestehend aus dem Physiotherapeuten/EMG-Trainer des Patienten, dem verantwortlichen Chirurgen, genau für die Amputation und den Psychologen, der mit den Erwartungen des Patienten vertraut ist.
2. Fragen Sie den Patienten, ob er ungelöste Fragen zur geplanten Amputation hat, und teilen Sie klar, dass es jederzeit vor der Amputation möglich ist, diese Entscheidung zu widerrufen, was andernfalls zu einer irreversiblen und lebensverändernden Operation führen wird.
3. Führen Sie die standardisierte Bewertung der Funktion der oberen Gliedmaßen mit der funktionslosen Hand und Video-Band die Ergebnisse
4. Führen Sie die standardisierte Bewertung der Funktion der oberen Gliedmaßen mit der hybriden prothetischen Hand und Videoband die Ergebnisse, um die Vorteile einer zukünftigen prothetischen Anpassung zu dokumentieren.
5. Führen Sie die wahlive Amputation der funktionslosen Gliedmaße wie zuvor beschrieben^{7,8 durch.}
6. Erlauben Sie eine postoperative Wundheilung und lassen Sie den Patienten benachbarte Gelenke trainieren, um die Beweglichkeit der oberen Gliedmaßen zu verbessern. Trainieren Sie nach 4 bis 6 Wochen die EMG-Signale wie oben beschrieben und definieren Sie die besten Hotspots für Elektrodenpositionen.
   HINWEIS: Diese Elektrodenpositionen und Motorbefehle können leicht von den vor der Amputation gefundenen abweichen.
7. Lassen Sie einen Orthopäden techniker die endgültige Prothesenbuchse mit den zuvor definierten EMG-Elektrodenpositionen entwerfen (siehe Abbildung 4, die ein mögliches Sockeldesign bei einem der mitgelieferten Patienten veranschaulicht).
   HINWEIS: Obwohl kein spezifisches Sockeldesign empfohlen wird, sind die genaue Position der Elektroden und ihre Haftung auf der Haut des Stumpfes von größter Bedeutung, da Brachialplexuspatienten eine weitgehend reduzierte neuro-muskuläre Schnittstelle haben.

Abbildung 4: Beispiel für eine mögliche Prothese und Steckdosenkonstruktion.
(A) Die Prothese dieses Patienten besteht aus einer äußeren Hülle aus Kohlenstoff. (B) Anstelle einer prothetischen Hand verwendet der Patient lieber einen Haken, der sich öffnet und schließt, als Greifwerkzeug. (C,D) Die beiden Elektroden sind in die Prothese integriert. Der Patient trägt einen Silikonliner mit zwei Löchern, der direkten Hautkontakt mit den beiden Elektroden (nicht gezeigt) ermöglicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

8. Starten Sie das Prothesentraining.
   1. Beginnen Sie wiederum mit einfachen prothetischen Bewegungen (nur öffnen/schließen Sie die Hand ohne Kontraktion) wobei das Gewicht des Prothesengeräts unterstützt wird.
   2. Gehen Sie zu einfachen prothetischen Bewegungen in verschiedenen Armpositionen, wie z. B. der Ellbogen, der abwechselnd verlängert oder gebeugt wird.
   3. Fahren Sie mit einfachen Greifaufgaben fort, wie z. B. das Aufheben kleiner Kästchen und das Bearbeiten kleiner Objekte (siehe Abbildung 2D).
   4. Schließlich trainieren Sie Aktivitäten des täglichen Lebens, wieder beginnend mit eher einfachen Aufgaben (wie das Öffnen einer Tür) und langsam Komplexität und Aufgaben hinzufügen, die der Patient für seine spezifische Lebenssituation relevant hält.
9. Wiederholen Sie drei Monate nach der prothetischen Anpassung die standardisierte Beurteilung der Funktion der oberen Gliedmaßen mit der prothetischen Hand und zeichnen Sie ein Video der Ergebnisse auf.

Ergebnisse

Bei sechs Patienten mit schweren Brachialplexusverletzungen, darunter mehrere Nervenwurzel-Avulsionen, wurde das vorgestellte Rehabilitationsprotokoll mit sEMG-Biofeedback erfolgreich umgesetzt. Detaillierte Patientenmerkmale finden Sie in Tabelle 1. Abbildung 2 zeigt die verschiedenen Phasen des strukturierten Rehabilitationsprotokolls und detaillierte Erläuterungen zu seiner Umsetzung.

Um Verbesserungen der Handfunktion vor und nach der bionischen Rekonstruktion zu demonstrieren, wurde zu zwei Zeitpunkten eine standardisierte Bewertung zur Bewertung der globalen Funktion der oberen Extremität durchgeführt: vor der wahlfreien Amputation der funktionslosen "plexus"-Hand sowie nach erfolgreicher prothetischer Rekonstruktion und Rehabilitation. Der Action Research Arm Test (ARAT) wurde ursprünglich entwickelt, um die globale motorische Funktion der oberen Extremität bei Patienten mit kognitiver Beeinträchtigung der Handkontrolle¹⁶zu bewerten. Der standardisierte Ansatz von Yozbatiran et al.¹⁷ wurde in unseren Studien verwendet. Der ARAT besteht aus vier verschiedenen Abschnitten, die Aufgaben in der Nähe des täglichen Lebens umfassen. Der Test wird vom Beobachter getimt, der auch die Taskleistung von 0 bis 3 bewertet, wobei 3 die normale Funktion angibt. Maximal 57 Punkte sind erreichbar, was auf eine unbeeinträchtigte Motorfunktion¹⁶hinweist. Die Anzahl der Therapiesitzungen mit sEMG-Biofeedback und detaillierte neratische Ergebnisse für jeden Patienten finden Sie in Tabelle 2.

Obwohl die Zufriedenheit der Patienten mit dem angebotenen Rehabilitationsprotokoll mit sEMG-Biofeedback nicht direkt gemessen wurde, fanden alle sechs Patienten, dass es äußerst hilfreich sei, den Reinnervationsprozess nach einer Nerventransferoperation zu verstehen und trainieren Sie die Kontraktion der Muskeln mit sehr schwacher Aktivität, die früher für sie nicht von klinischem Nutzen war.

Fallnummer	Geschlecht, Alter (Jahre)	Art des Unfalls	Art der Läsion	Operationen zur Verbesserung der biotechnologischen Schnittstelle nach ersten Rekonstruktionen haben es nicht geschafft, die Handfunktion zu verbessern
1	m, 32	Sturz aus der Höhe	Avulsion von C7-T1; Traktionsverletzung des infraklavikulären Plexus	Wahlamputation des Unterarms
2	m, 32	Motorradunfall	Ruptur aller 3 Trunci des BP	Freie Gracilis Muskel übertragen auf Unterarm-Extensor-Fach & Neurotisierung des tiefen Zweigs des radialen Nervs zu Obturator-Nerv; Wahlamputation des Unterarms
3	m, 55	Motorradunfall	Avulsion von C5-T1	Wahlamputation des Oberarms
4	m, 38	Motorradunfall	Umfangreiche Schäden an den Wurzeln C5-C8; Avulsion von T1	Wahlamputation des Unterarms
5	m, 27	Motorradunfall	Avulsion C8-T1	Wahlamputation des Unterarms
6	m, 43	Motorradunfall	Avulsion von C6-T1	Übertragung des Trizepsmuskels auf die infraspinatous Fossa und Übertragung des Bizepsmuskels auf die supctoiculare Fossa zur Verbesserung der prothetischen Passform; Wahlamputation des Arms (Schulterexartikulation)

Tabelle 1: Patientenmerkmale. Bei allen Patienten wurde die bionische Rekonstruktion aufgrund der Undurchführbarkeit biologischer Behandlungsalternativen eingeleitet. Operationen zur Etablierung von EMG-Signalen im Vorder- und Oberarm können selektive Nerven- und Muskeltransfers umfassen, die dann eine myoelektrische Prothese antreiben. Die Wahlamputation wird je nach Restmuskelaktivität entweder auf transradialer oder transhumeraler Ebene durchgeführt. Alle selektiven Nerventransfers, die in dieser Patientengruppe durchgeführt wurden, waren erfolgreich. Diese Tabelle wurde von Sturma et al.¹² modifiziert und mit Genehmigung von Frontiers in Neuroscience reproduziert.

Fallnummer	ARAT am Ausgangswert	ARAT bei Derfolge	Beginn der sEMG-Schulung		Anzahl der Therapiesitzungen insgesamt (jeweils 30 min)
1	7	35	Unmittelbar nach der ersten Beratung		24
2	0	15	Training mit einem Signal unmittelbar nach der ersten Beratung; zweites Signal war 9 Monate nach freiem Gracillis-Transfer + Nerventransfer verfügbar		30
3	0	19	Unmittelbar nach der ersten Beratung		16
4	1	22	Unmittelbar nach der ersten Beratung		20
5	9	42	Unmittelbar nach der Entscheidung, eine bionische Rekonstruktion anzustreben, da die biologische Rekonstruktion scheiterte		20
6	0	17	Unmittelbar nach der ersten Beratung		22
Mittelwert (sD)	2,83 € 4,07	25,00 € 10,94			22 x 4,32

Tabelle 2: ARAT-Scores und Anzahl der Therapiesitzungen. Im Action Research Arm Test (ARAT) zeigten die Patienten zunächst eine vernachlässigbare Funktion der oberen Gliedmaßen (Mittelwert 2,83, maximal 57 Punkte erreichbar). Nützliche Funktion wurde nach bionischer Rekonstruktion wiederhergestellt (Mittelwert 25.00, von 57). Diese Tabelle wurde von Sturma et al.¹² modifiziert und mit Genehmigung von Frontiers in Neuroscience reproduziert.

Diskussion

Biofeedback-Ansätze wurden häufig bei der Rehabilitation mehrerer neuromuskulärer Erkrankungen eingesetzt, die von (hemi)-plegischen Erkrankungen infolge zentraler Erkrankungen wie Hirnblutungen und Schlaganfall^18,19 bis verschiedene Muskel-Skelett-Degeneration oder Verletzung und ihre chirurgische Therapie^20,21,22. Interessanterweise wurde das Konzept des strukturierten Biofeedbacks in der klinischen Praxis für periphere Nervenverletzungen nicht umgesetzt. Gerade bei der Rehabilitation komplexer Nervenverletzungen sind jedoch Praxis, Wiederholung und strukturierte Trainingsprogramme mit entsprechendem Biofeedback notwendig, um korrekte Motormuster zu etablieren²³.

Hier und in einer früheren Studie¹²haben wir ein strukturiertes Rehabilitationsprotokoll vorgestellt, das sEMG-Biofeedback für Patienten mit Fehlen biologischer Behandlungsalternativen verwendet, die für den prothetischen Handersatz in Frage kommen, ein Konzept, das heute als bionische Wiederaufbau. Der offensichtlichste Vorteil der Verwendung eines sEMG-Biofeedback-Setups im Rahmen der bionischen Rekonstruktion ergibt sich aus der genauen Definition von sEMG-Hotspots, d.h. Hautstandorten, an denen eine relativ hohe Amplitude der EMG-Aktivität transkutan gemessen werden kann. Verschiedene Motorbefehle können abwechselnd versucht werden, da die Sensoren leicht entlang des gesamten Unterarms und - bei fehlender nachweisbarer Muskelfunktion im Unterarm - auch im Oberarm- und Schultergürtel bewegt werden können. Wenn ein Patient gebeten wird, zu versuchen, die Muskeln zu ziehen, die für eine bestimmte Aktion bestimmt sind (z. B. das Handgelenk verlängern), kann eine Elektrode platziert werden, bei der (schwache) Muskelkontraktion vom Prüfer geppatt wird. Wenn man das EMG-Signal auf dem Computerbildschirm beobachtet, kann man leicht feststellen, ob die Amplitude des Signals kontinuierlich zunimmt, wenn der Patient versucht, sich diesen Muskel zu verfestigen. Wenn die Amplitude nicht hoch genug ist oder das Signal inkonsistent ist, können andere Motorbefehle mit derselben Elektrodenposition versucht werden. Als Gegenkraft zu Nadel EMG, Dieses Verfahren ist nicht-invasiv, nicht schmerzhaft und kann für alle Muskeln / Muskelgruppen im Arm wiederholt werden. Das Testen verschiedener Motorbefehle an verschiedenen Muskelpositionen ermöglicht die Identifizierung der EMG-Hotspots mit der höchsten Amplitude und reproduzierbaren Aktivität, die mit einer bestimmten motorischen Aktion verbunden sind. Nach der Identifizierung der stärksten EMG-Signale können diese mit sEMG-Biofeedback in Bezug auf die Signaltrennung (Koaktivierung von zwei oder mehr EMG-Signalen darf nicht auf dem Computerbildschirm erfolgen), Signalstärke (reflektiert durch das EMG-Signal Amplitude auf dem Computerbildschirm) und Signalreproduzierbarkeit (jeder Versuch, den Muskel zu verrenken, muss zu einer Exkursion des jeweiligen EMG-Signals führen). In einem späteren Stadium des Trainings wird die EMG-Aktivität direkt in die prothetische Funktion übersetzt, zunächst mit einer Tischprothese (siehe Abbildung 3), die dem Patienten zusätzliches Feedback gibt, was eine Feinabstimmung der Grifffestigkeit ermöglicht, und dann das Tragen der physische Prothese.

Bei herkömmlichen Amputieren hat eine große Menge an Literatur gezeigt, dass die gezielte Muskelreinnervation (TMR), d.h. die chirurgische Übertragung von Restarmnerven auf alternative Muskelstellen in Brust und Oberarm, die prothetische Funktion verbessert, da diese re-innervierte Muskeln dienen als biologische Verstärker intuitiver Motorbefehle und liefern physiologisch geeignete EMG-Signale für die prothetische Hand-, Handgelenk- und Ellenbogensteuerung^24,25,26,27 . Mithilfe von Mustererkennungssteuerungen können EMG-Daten, die aus zahlreichen sEMG-Signalen extrahiert werden, die über die Haut dieser reingevierten Muskeln platziert sind, entschlüsselt und in spezifische, reproduzierbare Motorausgänge übersetzt werden, was zuverlässigere myoelektrische Prothesensteuerung^28,29,30. Da die Anzahl der EMG-Signalstellen und die myoelektrische Aktivität der Muskeln bei Patienten mit Brachialplexus-Avulsionsverletzungen sehr begrenzt sind, dürfen Mustererkennungsalgorithmen nicht wie bei herkömmlichen^Amputierten8 verwendet werden. Dennoch können diese Systeme mit weiterer Forschung und verbesserter Technologie in der Lage sein, mehr Informationen über die bestehenden schwachen Muskelsignale zu extrahieren und damit die prothetische Funktion auch in dieser eigenartigen Patientengruppe zu verbessern.

Während das vorgestellte Protokoll als Richtschnur gilt, müssen die Details je nach Patient und vorhandener Ausrüstung angepasst werden. Aufgrund einer aberranten Re-Innervation, die nach solchen Nervenverletzungen auftritt, führen motorische Befehle nicht notwendigerweise zur Aktivierung anatomisch "korrekter" Muskeln¹². Zum Beispiel beobachteten die Autoren die EMG-Aktivität im Unterarm-Flexorfach, während Patienten versuchten, ihre Hand zu öffnen. Daher sollten verschiedene Motorbefehle getestet werden, um EMG-Signale zu identifizieren. Darüber hinaus kann die verbleibende Muskelfunktion (obwohl sie in allen Fällen zu schwach ist, um nützliche Handbewegungen zu erzeugen) von Patient zu Patient zu Patient in Fall unterschiedlich sein und zu Schwankungen der erforderlichen Trainingszeit führen, wie in Tabelle 2dargestellt. Darüber hinaus ändern die Wahl der Prothesenvorrichtung und die Anzahl der Elektroden, die zur Steuerung verwendet werden, die Anforderungen an die Genauigkeit der Signaltrennung, die Signalamplitude und die Notwendigkeit der Co-Kontraktion. All dies muss beim Signaltraining, hybriden Prothesentraining und der tatsächlichen Prothesenausbildung berücksichtigt werden, da dies auch im Standard-Prothesentraining von Amputten³¹empfohlen wird. In Bezug auf die Geräte, die für sEMG Biofeedback-Training verwendet werden, halten die Autoren Geräte für geeignet, wenn sie gleichzeitig die Anzahl der Signale anzeigen können, die für die prothetische Steuerung benötigt werden, Echtzeit-Feedback geben und entweder an einen Computer oder ein Display angeschlossen werden können. die Signale auf einem Bildschirm selbst. Bevorzugt werden Geräte, die die Einstellung der Signalverstärkung während des Trainings ermöglichen.

Nach der Rehabilitation konnten alle Patienten ihre Prothese während der täglichen Aktivitäten verwenden und waren mit der Entscheidung zufrieden, ihre funktionslose Hand durch ein Prothesengerät ersetzen zu lassen¹². Diese funktionelle Verbesserung spiegelte sich in signifikanten Erhöhungen der mittleren ARAT-Werte von 2,83 x 4,07 auf 25,00 bis 10,94 (p = 0,028) wider.

Aus unserer Sicht stellen sEMG-Biofeedback-Setups wertvolle Werkzeuge dar, um den kognitiv anspruchsvollen Prozess der motorischen Erholung im Zusammenhang mit Nervenverletzungen und bionischer Rekonstruktion zu erleichtern. Die Identifikation der optimalen EMG-Elektrodenpositionierung und das Testen verschiedener Motorbefehle mit direkter Visualisierung der Muskelaktivität wird durch sEMG Biofeedback in einem klinischen Aufbau erheblich vereinfacht. Obwohl sEMG Biofeedback auch bei der Rehabilitation der biologischen Oberkörperfunktion^10,12verwendet werden kann, gilt seine Anwendung im Prozess der bionischen Rekonstruktion als besonders wirksam. Am wichtigsten ist, dass die sEMG-Signale, die später während des Trainings aktiviert werden, die Elektrodenpositionen innerhalb der Prothesenbuchse widerspiegeln, die individuell auf jeden Patienten zugeschnitten ist. Daher erhöht die wiederholte Aktivierung dieser Signale während des Trainings höchstwahrscheinlich die zukünftige prothetische Handhabung und manuelle Kapazität. Die direkte Visualisierung dieser Muskelaktivität ermöglicht es einem Patienten auch, das Konzept der myoelektrischen Handsteuerung zu verstehen und er/sie kann den Trainingsfortschritt bewusster verfolgen.

In Zukunft könnte unser vorgestelltes Rehabilitationsprotokoll um erweiterte Instrumente erweitert werden, um die funktionalen Ergebnisse zu verbessern. Dies kann sEMG-Aufnahmen mit hoher Dichte umfassen, um den Prozess der Elektrodenplatzierung über Aktivierungs-Heatmaps³²zu erleichtern, weitere virtuelle Lösungen zur Bewertung der EMG-Aktivität^30,33und ernsthafte Spiele zur Verbesserung des Trainings Motivation³⁴. Darüber hinaus können auch neuartige Technologien für die prothetische Steuerung verwendet werden, wie Mustererkennungsalgorithmen^28,30,35. Aufgrund der reduzierten neuromuskulären Schnittstelle ist jedoch nicht klar, ob derzeit kommerziell erhältliche Systeme für ansonsten gesunde Ampute die prothetische Funktion in dieser spezifischen Patientengruppe deutlich verbessern würden. Zukünftige Studien sollten die Anwendbarkeit und den Nutzen der aufgeführten neuartigen Technologien für die Rehabilitation von Patienten mit schweren Brachialplexusverletzungen bewerten. Darüber hinaus ermöglichen kontrollierte Studien mit höheren Patientenzahlen auch den Nachweis der positiven Auswirkungen des aktuellen Protokolls mithilfe von sEMG-Biofeedback mit einem höheren Beweisniveau.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
trockene EMG-Elektroden	Ottobock Healthcare, Duderstadt, Deutschland	13E202 = 50	Die in dieser Studie verwendeten EMG-Elektroden waren bipolar und enthielten eine Masse. Sie können sowohl für das EMG-Training mit dem Myoboy als auch für die Steuerung einer Prothese eingesetzt werden.
Myoboy	Otto bock Healthcare, Duderstadt, Deutschland	Myoboy	Dieses Gerät, das als eigenständiges Gerät oder mit einem Computer verwendet werden kann. Es ermöglicht die Anzeige der EMG-Aktivität während der Verwendung der trockenen EMG-Elektroden, die auch im Prothesenschaft behindert werden können.
SensorHand Speed	Ottobock Healthcare, Duderstadt, Deutschland		Alle Patienten verwendeten diese kommerziell erhältliche myoelektrische Prothese als Standardprothese und bei Funktionstests. Die Anpassung von Patienten, die sich diesem Eingriff unterziehen, ist jedoch nicht auf dieses Gerät beschränkt.
Standard-Laptop mit Microsoft-Betriebssystem			benötigen Geräte für EMG-Biofeedback, die an einen Computer angeschlossen sind, nicht viel Rechenleistung und funktionieren daher auf jedem normalen Laptop
TeleMyo 2400T G2	Noraxon, USA		Ein Oberflächen-EMG-Biofeedback-Setup, das in unserem Protokoll verwendet wird und mit der TeleMyo-Software verbunden ist, die die aufgezeichnete EMG-Aktivität als farbcodierte Diagramme auf dem Computerbildschirm anzeigt.
Nasse EMG-Elektroden	Ambu	Ambu Blue Sensor VL Klebeelektroden	Diese Klebeelektroden können in Kombination mit vielen verschiedenen EMG-Biofeedback-Geräten, einschließlich dem TeleMyo 2400T, verwendet werden. Sie lassen sich zwar nicht leicht bewegen, ermöglichen aber mit den Nasskontakten in der Regel auch die Detektion von sehr schwachen EMG-Signalen.