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Research Article
Agnes Sturma1,2, Laura A. Hruby1,3, Anna Boesendorfer1, Clemens Gstoettner1, Dario Farina2, Oskar C. Aszmann1,4
1Clinical Laboratory for Bionic Extremity Reconstruction,Medical University of Vienna, 2Bioengineering Department,Imperial College London, 3Department of Orthopaedics and Trauma Surgery,Medical University of Vienna, 4Department of Plastic and Reconstructive Surgery,Medical University of Vienna
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Diese Arbeit präsentiert ein Protokoll zur Verbesserung der prothetischen Funktion nach einer selektiven Nerventransferoperation. Rehabilitationsmaßnahmen umfassen Patienteninformation und -auswahl, Unterstützung der Wundheilung, kortikale Reaktivierung von sensomotorischen Bereichen der oberen Extremität, Training der selektiven Muskelaktivierung, prothetische Handhabung im täglichen Leben und regelmäßige Nachuntersuchungen.
Die gezielte Muskelreinnervation (TMR) verbessert die biologische Kontrollschnittstelle für myoelektrische Prothesen nach einer Amputation über dem Ellenbogen. Die selektive Aktivierung von Muskeleinheiten wird durch die chirurgische Umleitung von Nerven ermöglicht, was zu einer hohen Anzahl unabhängiger myoelektrischer Kontrollsignale führt. Diese Intervention erfordert jedoch eine sorgfältige Patientenauswahl und eine spezifische Rehabilitationstherapie. Hier wird ein Rehabilitationsprotokoll für Amputierte der oberen Extremitäten vorgestellt, die sich einer TMR unterziehen, basierend auf einer Expertenstudie von Delphi. Eingriffe vor der Operation umfassen eine detaillierte Patientenbeurteilung und allgemeine Maßnahmen zur Schmerzkontrolle, Muskelausdauer und -kraft, Balance und Bewegungsfreiheit der verbleibenden Gelenke. Nach der Operation konzentrieren sich zusätzliche therapeutische Interventionen auf die Kontrolle von Ödemen und Narben sowie auf die selektive Aktivierung von kortikalen Bereichen, die für die Kontrolle der oberen Extremitäten verantwortlich sind. Nach erfolgreicher Reinnervation der Zielmuskulatur wird das oberflächenelektromyographische (sEMG) Biofeedback verwendet, um die Aktivierung der neuartigen Muskeleinheiten zu trainieren. Später kann eine Tischprobe die erste Erfahrung der prothetischen Kontrolle liefern. Nach dem Einsetzen der eigentlichen Prothese umfasst das Training sich wiederholende Übungen ohne Objekte, Objektmanipulation und schließlich Aktivitäten des täglichen Lebens. Letztendlich ermöglichen regelmäßige Patiententermine und Funktionsbeurteilungen die Verfolgung der prothetischen Funktion und ermöglichen frühzeitige Eingriffe bei Fehlfunktionen.
Hohe Amputationen der oberen Extremität stellen eine Herausforderung für den prothetischen Ersatzdar 1. Neben der Funktion des Ellenbogengelenks sollten aktive prothetische Systeme das Öffnen / Schließen der Handprothese und idealerweise auch die Pronation / Supination und / oder die Verlängerung / Beugung des Handgelenks umfassen. Die Steuerung von Standard-myoelektrischen Geräten hängt jedoch in der Regel von den Eingangssignalen von zwei Muskeln nur2 ab. Dies sind traditionell die Bizeps- und Trizepsmuskulatur nach transhumeralen Amputationen und die Musculus latissimus dorsi und pectoralis major nach glenohumeralen Amputationen3. Um alle prothetischen Gelenke zu kontrollieren, müssen Amputierte zwischen den aktiven Gelenken wechseln (z. B. durch eine Co-Kontraktion der beiden Muskeln)1. Während dies ein stabiles Kontrollparadigma bietet, folgt eine signifikante Einschränkung mit der daraus resultierenden langsamen und unintuitiven Kontrolle, die keine gleichzeitigen Bewegungen von zwei oder mehr Prothesengelenken zulässt4. Dies schränkt die Funktionalität der Prothese ein und ist einer der Gründe für hohe prothetische Abbruchraten nach Amputationen über dem Ellenbogen5.
Um die begrenzte und nicht intuitive Kontrolle für diese Art von prothetischen Anpassungen zu überwinden, können selektive Nerventransfers verwendet werden. Dieser Ansatz, der auch als Targeted Muscle Reinnervation (TMR) bekannt ist, besteht darin, myo-Kontrollsignale chirurgisch zu etablieren, indem Nerven, die zunächst die amputierte Hand und den amputierten Arm bedienten, an verschiedene Zielmuskeln innerhalb der verbleibenden Extremitätweitergeleitet werden 6,7. Nach erfolgreicher Reinnervation wird eine selektivere Aktivierung der reinnervierten Muskeleinheiten möglich8. Die resultierende elektromyographische (EMG) Aktivität kann dann für die prothetische Kontrolle genutzt werden und kann bis zu sechs Steuersignale liefern.
Während es eine breite Übereinstimmung darüber gibt, dass TMR die prothetische Funktion signifikant verbessern kann9, stellen die selektive Aktivierung und angemessene Kontrolle mehrerer Muskeln im Stumpf eine Herausforderung für die Patienten dar, insbesondere in der frühen postoperativen Phase. Diese erhöhte Komplexität der prothetischen Kontrolle, gepaart mit dem reduzierten multisensorischen Feedback nach der Amputation, erfordert eine spezifische Rehabilitation, um den chirurgischen Eingriff voll auszuschöpfen. Hier wird eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für die Therapieinterventionen auf Basis der jüngsten Empfehlungen10 gegeben. Eine Übersicht über die Interventionen und die geschätzte Zeit, die sie in einem idealen Umfeld benötigen, finden Sie in Abbildung 1.

Abbildung 1: Übersicht über die Phasen des Rehabilitationsprozesses, einschließlich der Meilensteine, die den Beginn einer neuen Phase markieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Das Protokoll wurde im Rahmen einer europäischen Delphi-Studie10 entwickelt. Die Bewertung des Antrags an Patienten wurde von der lokalen Forschungsethikkommission der Medizinischen Universität Wien genehmigt und gemäß der Erklärung von Helsinki durchgeführt. Sofern nicht anders angegeben, sollten die hier beschriebenen Schritte von einem Ergotherapeuten oder einem Physiotherapeuten durchgeführt werden.
1. Präoperative Eingriffe
2. Frühe postoperative Eingriffe
3. Signaltraining

Abbildung 2: Einrichtung für Oberflächen-EMG-Biofeedback. Der Therapeut platziert eine Elektrode auf der Haut des Patienten, wo das EMG-Signal erwartet wird, während er den benötigten Bewegungshinweis erklärt (eine Faust macht). Der Patient und der Therapeut können die Muskelaktivität (EMG) des Patienten auf dem Computerbildschirm sehen und dieses Feedback verwenden, um die beste Elektrodenposition und den besten Bewegungshinweis zu finden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Schematische Darstellung der EMG-Signale mittels Biofeedback. Jeder Kanal (mit einer anderen Farbe) wird einem bestimmten Muskelteil zugeordnet und ist später für eine bestimmte prothetische Bewegung verantwortlich. Eine gute Trennung, wie hier dargestellt, sorgt dafür, dass die Prothese nur die beabsichtigten Bewegungen ausführt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Patient, der eine Tischprothese mit Oberflächenelektroden steuert, die an seinem Restglied montiert sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
4. Prothetische Ausbildung
5. Follow-up-Bewertungen
Das beschriebene Rehabilitationsprotokoll wurde in einem klinischen Umfeld an der Medizinischen Universität Wien implementiert und seine Machbarkeit und Ergebnisse wurden in einer klinischen Studie bewertet, die kürzlichveröffentlicht wurde 9. Wie9 berichtet, nahmen 30 Patienten an der Studie teil, um die Machbarkeit einer TMR-Operation und der anschließenden Rehabilitation zu bewerten. Abbildung 5 zeigt, dass sich von diesen 30 Patienten 11 einer TMR als Schmerzbehandlung unterzogen haben, anstatt die Funktion durch prothetische Anpassung zu verbessern. Von den verbleibenden 19 Patienten, die ursprünglich eine prothetische Anpassung anstrebten, entschieden sich fünf aufgrund der hohen Kosten der Anpassung (geschätzt zwischen 75.000-150.000 €), unzureichender Zeit für die Rehabilitation oder hohem Gewicht der Prothese dagegen. Bei einem Patienten ergab die intraoperative Exploration eine globale Verletzung des Plexus brachialis, was weitere Nerventransfers unmöglich machte. Dieser Patient benutzte weiterhin sein körperbetriebenes Gerät. Von den verbleibenden 13 Patienten, die sich einer prothetischen Rehabilitation unterzogen, standen 10 für eine Nachuntersuchung zur Verfügung.

Abbildung 5: Flussdiagramm mit den Patienten, die in die Machbarkeitsstudie einbezogen wurden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die Ergebnisse wurden mit dem Southampton Hand Assessment Procedure (SHAP)19, dem Action Research Arm Test (ARAT)20,21 und dem Clothespin-Relocation Test (CPRT)6,26 bewertet. Diese Bewertungen sind häufig verwendete Tests zur Bewertung der prothetischen Funktion. Die Auswertung erfolgte mindestens 6 Monate nach der abschließenden prothetischen Anprothese. Zusätzlich wurden die Patienten nach ihren prothetischen Tragegewohnheiten gefragt.
Wie von Salminger et al.9 beschrieben, ergab die Beurteilung der 10 Patienten nach einer TMR-Operation einen SHAP-Score von 40,5 ± 8,1 (mit einer gesunden oberen Extremität mit einem Score von etwa 100) und einen ARAT-Score von 20,4 ± 1,9 (wobei 57 der maximale Score und 0 keine Funktion der oberen Extremität darstellt) (Tabelle 1). In der CPRT konnten die Patienten die Aufgaben innerhalb von 34,3 ± 14,4 s erledigen. Sie berichteten, dass sie ihre Prothese täglich mit einer Tragezeit von 3-10 Stunden pro Tag trugen.
| Ergebnisbewertung | Punktzahl | Erwartete Punktzahl für gesunde obere Extremitäten |
| SHAP | 40,5 ± 8,1 | 100 |
| ARAT | 20,4 ± 1,9 | 57 |
| CPRT | 34,3 ± 14,4 s | - |
Tabelle 1: Prothetische Funktion von Patienten nach TMR-Operation und Rehabilitation. Im SHAP und ARAT bedeuten höhere Werte eine bessere Funktion, was auch darauf hindeutet, dass im CPRT weniger Zeit benötigt wird. Gesamtzahl der beurteilten Patienten: n = 10. Angepasst mit Genehmigung von Referenz9.
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte.
Diese Arbeit präsentiert ein Protokoll zur Verbesserung der prothetischen Funktion nach einer selektiven Nerventransferoperation. Rehabilitationsmaßnahmen umfassen Patienteninformation und -auswahl, Unterstützung der Wundheilung, kortikale Reaktivierung von sensomotorischen Bereichen der oberen Extremität, Training der selektiven Muskelaktivierung, prothetische Handhabung im täglichen Leben und regelmäßige Nachuntersuchungen.
Diese Studie wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Finanzhilfevereinbarung Nr. 810346) gefördert. Die Autoren danken Aron Cserveny für die Vorbereitung der in dieser Publikation verwendeten Illustrationen.
| Dynamisches Arm Plus® System mit einer Variplus Speed Handprothese | Ottobock Healthcare, Duderstadt, Deutschland | Dieses Prothesensystem wurde zusammen mit einem Computer (und Bluetooth-Verbindung) für sEMG Biofeedback verwendet. Später wurde es für die Ausbildung von Tischprothesen und als Prothesenversorgung des Patienten verwendet. | |
| ElbowSoft TMR | Ottobock Healthcare, Duderstadt, Deutschland | In Kombination mit dem Dynamic Arm Plus System und einem Standardrechner (mit Windows 7, 8 oder 10) ermöglicht diese Software die Visualisierung von EMG-Signalen sowie das Ändern von Einstellungen im Prothesensystem. | |
| EMG-Elektroden | Ottobock Healthcare, Duderstadt, Deutschland | Elektroden 13E202 = 50 | Die in dieser Studie verwendeten EMG-Elektroden waren bipolar und umfassten einen Masse- und einen 50-Hz-Filter. Sie wurden mit dem Dynamic Arm Plus® verwendet. |
| Faltbare Spiegeltherapiebox (Arm/Fuß/Knöchel) | Reflex Pain Management Therapy Store | Diese Box wurde für die Spiegeltherapie verwendet. |