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.
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.
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 Lebens1,2 . 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 wiederhergestellt4,5. 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- undMuskeltransfers7 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.
Biofeedback-Ansätze wurden häufig bei der Rehabilitation mehrerer neuromuskulärer Erkrankungen eingesetzt, die von (hemi)-plegischen Erkrankungen infolge zentraler Erkrankungen wie Hirnblutungen und Schlaganfall18,19 bis verschiedene Muskel-Skelett-Degeneration oder Verletzung und ihre chirurgische Therapie20,21,22. 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 Ellenbogensteuerung24,25,26,27 . 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 Prothesensteuerung28,29,30. 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 herkömmlichenAmputierten8 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 Oberkörperfunktion10,12verwendet 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-Aktivität30,33und ernsthafte Spiele zur Verbesserung des Trainings Motivation34. Darüber hinaus können auch neuartige Technologien für die prothetische Steuerung verwendet werden, wie Mustererkennungsalgorithmen28,30,35. 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.
The authors have nothing to disclose.
Gefördert wurde die Studie von der Christian Doppler Forschungsstiftung des Österreichischen Rates für Forschung und Technologieentwicklung und dem Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft. Wir danken Aron Cserveny für die Vorbereitung der im Manuskript enthaltenen Illustrationen und Frontiers in Neuroscience für die Erlaubnis, die im Originalartikel12dargestellten Daten zu reproduzieren.
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. |