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Research Article
Laura A. Hruby1,2, Agnes Sturma1,3, Oskar C. Aszmann1,4
1Clinical Laboratory for Bionic Extremity Reconstruction,Medical University of Vienna, 2Department of Orthopaedics and Trauma Surgery,Medical University of Vienna, 3Department of Bioengineering,Imperial College London, 4Division of Plastic and Reconstructive Surgery, Department of 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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Les résultats fonctionnels optimaux après reconstruction bionique dans les patients présentant des dommages brachial globaux de plexus dépendent d'un protocole structuré de réadaptation. La formation guidée électromyographique de surface peut améliorer l'amplitude, la séparation et la cohérence des signaux EMG, qui - après l'amputation élective d'une main sans fonction - contrôlent et conduisent une main prothétique.
Dans les patients présentant des dommages brachial globaux de plexus et l'absence des alternatives biologiques de traitement, la reconstruction bionique, y compris l'amputation élective de la main sans fonction et son remplacement avec une prothèse, a été récemment décrite. La fonction prothétique optimale dépend d'un protocole de réadaptation structuré, car l'activité musculaire résiduelle dans le bras d'un patient est plus tard traduite en fonction prothétique. Le biofeedback électromyographique de surface (sEMG) a été employé pendant la réadaptation après course, mais n'a pas été jusqu'ici employé dans les patients présentant des dommages périphériques complexes de nerf. Ici, nous présentons notre protocole de réadaptation mis en œuvre dans les patients présentant des dommages brachial globaux de plexus appropriés pour la reconstruction bionique, commençant de l'identification des signaux de sEMG à la formation prothétique finale. Ce programme structuré de réadaptation facilite le réapprentissage moteur, qui peut être un processus cognitivement débilitant après des dommages complexes d'avulsion de racine de nerf, la re-innervation aberrante et la reconstruction extra-anatomique (comme c'est le cas avec le transfert de nerf chirurgie). Le protocole de réadaptation utilisant des aides de biofeedback de sEMG dans l'établissement de nouveaux modèles moteurs pendant que les patients sont mis au courant du processus avancé de re-innervation des muscles cibles. En outre, les signaux faibles peuvent également être formés et améliorés à l'aide du biofeedback sEMG, rendant un muscle cliniquement « inutile » (présentant la force musculaire M1 sur l'échelle du British Medical Research Council [BMRC]) admissible au contrôle de la main prothétique. En outre, les scores fonctionnels de résultats après reconstruction bionique réussie sont présentés dans cet article.
Les dommages brachial de plexus globaux comprenant l'avulsion traumatique des racines de nerf de la moelle épinière représentent l'une des dommages nerveuses les plus graves chez l'homme et affectent habituellement de jeunes patients autrement en bonne santé dans la fleur de la vie1,2 . Selon le nombre de racines nerveuses avulsed, la paralysie complète de membre supérieur peut s'ensuivre puisque la connexion nerval du cerveau au bras et à la main est perturbée. Traditionnellement, l'avulsion des racines nerveuses a été associée à de mauvais résultats3. Avec les techniques microchirurgicales de nerf gagnant le terrain dans les dernières décennies, les résultats chirurgicaux ont été améliorés et la fonction motrice utile dans l'épaule et le coude sont habituellement restaurées4,5. La musculature intrinsèque dans la main, qui se trouve le plus distally, subit typiquement la dégénérescence grasse ayant pour résultat l'atrophie irréversible avant que les axones régénérants puissent l'atteindre6. Pour de tels cas la reconstruction bionique, qui inclut l'amputation élective de la main sans fonction de « plexus » et son remplacement avec une main méchatronique, a été décrite7,8. L'activité musculaire résiduelle dans l'avant-bras d'un patient, qui peut être cliniquement insignifiante (contractions isométriques, M1 sur l'échelle du British Medical Research Council [BMRC]), est prélevée à partir d'électrodes transcutanées sensifiant l'activité électromyographique, qui est puis traduit en divers mouvements d'une main prothétique9.
Assez de signaux électromyographiques de surface (SEMG) peuvent être présents lors de la consultation initiale. Dans certains cas, cependant, des signaux supplémentaires doivent être établis effectuer des transferts sélectifs de nerf et de muscle7. Dans les deux cas, un protocole de réadaptation structuré est nécessaire pour assurer la cohérence du signal sEMG et la fonction prothétique optimale ultérieure à la fin du processus. Un défi majeur suivant l'avulsion de racine de nerf et la re-innervation aberrante aussi bien qu'après chirurgie de transfert de nerf est l'établissement de nouveaux modèles moteurs pour permettre le contrôle volontaire au-dessus du muscle cible. les méthodes de biofeedback de sEMG ont été employées couramment dans la réadaptation de course10. Cette méthode permet une visualisation directe de l'activité musculaire qui serait autrement passée inaperçue en raison d'une faiblesse musculaire et/ou d'une co-activation d'antagonistes. Il encourage ainsi les patients à former leurs muscles faibles, tout en fournissant une rétroaction précise sur l'exécution correcte des tâches motrices11.
Dans une publication récente, nous avons montré pour la première fois que le biofeedback sEMG peut également être utilisé dans la réhabilitation des lésions nerveuses périphériques complexes12. Nous croyons que le biofeedback de sEMG est une méthode extrêmement utile pour rendre un patient conscient du processus de re-innervation d'avancement après chirurgie de transfert de nerf. En outre, l'activité musculaire faible, qui était autrefois d'aucune utilité pour le patient, peut être formé et renforcé pour le contrôle prothétique plus tard utilisant le biofeedback de sEMG, qui permet la visualisation concrète de l'activité musculaire autrement inaperçue au clinicien et au patient . Les progrès de la formation peuvent donc être bien compris et documentés. En outre, l'utilisation de la rétroaction directe sur l'activité musculaire permet au clinicien de corréler diverses commandes motrices avec l'amplitude et la consistance du signal associé, établissant les meilleures stratégies motrices pour permettre un contrôle prothétique robuste à l'avenir. En résumé, l'objectif de cette méthode est de faciliter le processus de réadaptation en augmentant la compréhension, la conscience et le contrôle d'un patient de ses signaux sEMG, qui conduira plus tard une main prothétique.
La mise en œuvre clinique de ce protocole de réhabilitation a été approuvée par le comité d'éthique de l'Université médicale de Vienne (numéro de vote éthique: 1009/2014), autriche et réalisée conformément aux normes fixées par la Déclaration d'Helsinki. Tous les patients ont fourni le consentement éclairé écrit à la participation à cette étude.
REMARQUE : Des publications antérieures d'Aszmann et coll.7 et Hruby et coll.8,13 sont disponibles décrivant en détail le concept, l'algorithme de traitement et les conditions psychosociales concernant la reconstruction bionique. Le Tableau des matériaux fait référence à tous les matériaux et équipements utilisés dans le protocole de réhabilitation proposé.
1. Évaluation du patient lors de la consultation initiale
2. Identification des signaux sEMG

Figure 1 : Capture d'écran des signaux EMG sur un écran d'ordinateur.
Pour identifier l'activité EMG, deux électrodes ou plus peuvent être placées sur l'avant-bras d'un patient lui demandant de tenter divers mouvements. Dans ce cas précis, l'électrode sur l'aspect volaire de l'avant-bras détecte l'activité EMG telle que reflétée par la première vague rouge affichée sur l'écran de l'ordinateur, lorsque le patient tente de fermer sa main. La séparation du signal chez ce patient est satisfaisante, puisque le signal bleu, qui correspond à la deuxième électrode placée sur l'aspect dorsal de l'avant-bras, n'atteint pas le seuil. Lorsque le patient pense à ouvrir la main, l'amplitude du signal bleu dépasse le seuil, tandis que le signal rouge reste presque inactif. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
3. Formation au signal guidée par le sEMG
REMARQUE : Les séances d'entraînement pour l'entraînement au signal guidé par le sEMG ne doivent pas dépasser 30 min, car cela entraîne une fatigue musculaire, ce qui entrave l'apprentissage moteur réussi. Les étapes décrites doivent être répétées sur une longue période de temps afin d'assurer une bonne coordination neuromusculaire au besoin plus tard pour un contrôle prothétique fiable.

Figure 2 : réadaptation guidée par le SEMG pour les patients présentant la reconstruction bionique de main.
(A) Avec la visualisation directe de l'activité musculaire, diverses commandes motrices peuvent être tentées d'identifier la plus haute amplitude EMG sur un muscle cible spécifique et différentes positions de signal peuvent être comparées. (B) À l'aide d'une prothèse de table, l'activité EMG dans le bras d'un patient est directement traduite en fonction prothétique. (C) L'ajustement d'une main prothétique hybride permet au patient de visualiser et de comprendre l'utilisation future de la main prothétique. (D) Après la reconstruction prothétique, les signaux EMG peuvent être formés et optimisés soit avec le biofeedback sEMG ou avec la main prothétique elle-même. Ce chiffre a été modifié à partir de Sturma et coll.12 et reproduit avec la permission de Frontiers in Neuroscience. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : Patient devant une prothèse de table et capture d'écran de ses deux signaux sur un écran d'ordinateur.
Sur l'avant-bras du patient, deux électrodes détectent l'activité d'EMG. Ces deux signaux sont affichés sous forme de graphiques codés en couleur sur l'écran de l'ordinateur (rouge et bleu) et sont simultanément traduits en mouvement prothétique, permettant au patient de comprendre la relation entre la qualité du signal et le contrôle des prothèses. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
4. Entraînement hybride à l'ajustement des mains et prothèse
5. Amputation élective et remplacement de la main prothétique

Figure 4 : Exemple d'une prothèse et d'une conception de prise possibles.
(A) La prothèse de ce patient consiste en une gaine extérieure en carbone. (B) Au lieu d'une main prothétique, le patient préfère utiliser un crochet, qui s'ouvre et se ferme, comme un outil de prédiledation. (C,D) Les deux électrodes sont intégrées dans la prothèse. Le patient porte une doublure en silicone avec deux trous dedans, permettant le contact direct de peau avec les deux électrodes (non montrées). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Dans six patients présentant des dommages graves de plexus brachial comprenant des avulsions multiples de racine de nerf le protocole présenté de réadaptation utilisant le biofeedback de sEMG a été avec succès mis en oeuvre. Les caractéristiques détaillées du patient se trouvent dans le tableau 1. La figure 2 montre les différentes phases du protocole de réadaptation structuré et des explications détaillées sur sa mise en œuvre.
Pour démontrer des améliorations dans la fonction de main avant et après la reconstruction bionique, une évaluation normalisée évaluant la fonction supérieure globale d'extrémité a été exécutée à deux points de temps : avant l'amputation élective de la main sans fonction de « plexus » aussi bien que après une reconstruction et une réhabilitation prothétiques réussies. L'essai d'action Research Arm (ARAT) a été développé à l'origine pour évaluer la fonction motrice globale d'extrémité supérieure dans les patients présentant l'affaiblissement cognitif du contrôle de main16. L'approche normalisée de Yozbatiran et coll.17 a été utilisée dans nos études. L'ARAT se compose de quatre sections différentes, qui comprennent des tâches proches de la vie quotidienne. Le test est chronométré par l'observateur qui évalue également le rendement de la tâche de 0 à 3, avec 3 indiquant la fonction normale. Un maximum de 57 points est atteignable indiquant la fonction motrice intacte16. Le nombre de séances de thérapie avec le biofeedback sEMG et les résultats détaillés pour chaque patient peuvent être trouvés dans le tableau 2.
Bien que la satisfaction du patient avec le protocole de réadaptation offert utilisant le biofeedback de sEMG n'ait pas été directement mesurée, chacun des six patients a rapporté pour le trouver extrêmement utile en comprenant le processus de re-innervation suivant la chirurgie de transfert de nerf et pour entraîner la contraction des muscles avec une activité très faible qui était autrefois d'aucune utilité clinique pour eux.
| Numéro de cas | Sexe, âge (années) | Type d'accident | Type de lésion | Chirurgies pour améliorer l'interface biotechnologique après les reconstructions initiales n'ont pas réussi à améliorer la fonction de la main |
| 1 | m, 32 | Chute de la hauteur | Avulsion de C7-T1; blessure de traction du plexus infraclaviculaire | Amputation élective de l'avant-bras |
| 2 | m, 32 | Accident de moto | Rupture des 3 trunci de la BP | Muscle gracilis libre transféré au compartiment d'extenseur d'avant-bras et à la neurotisation de la branche profonde du nerf radial au nerf obturateur ; amputation élective de l'avant-bras |
| 3 | m, 55 ans | Accident de moto | Avulsion de C5-T1 | Amputation élective du bras supérieur |
| 4 | m, 38 ans | Accident de moto | Dommages importants aux racines C5-C8; avulsion de T1 | Amputation élective de l'avant-bras |
| 5 | m, 27 ans | Accident de moto | Avulsion C8-T1 | Amputation élective de l'avant-bras |
| 6 | m, 43 | Accident de moto | Avulsion de C6-T1 | Transfert du muscle de triceps à la fossa infraspinatous et au transfert du muscle de biceps au fossa supraclavulaire pour améliorer le montage prosthétique ; Amputation élective du bras (exarticulation de l'épaule) |
Tableau 1 : Caractéristiques du patient. Dans tous les patients, la reconstruction bionique a été lancée en raison de l'infaisabilité des alternatives biologiques de traitement. Les chirurgies pour établir les signaux DME dans l'avant et le bras supérieur peuvent inclure des transferts sélectifs de nerf et de muscle, qui conduira alors une main prothétique myoélectrique. L'amputation élective est effectuée au niveau transradial ou transhuméral, selon l'activité musculaire résiduelle. Tous les transferts sélectifs de nerf exécutés dans ce groupe patient étaient réussis. Ce tableau a été modifié à partir de Sturma et coll.12 et reproduit avec la permission de Frontiers in Neuroscience.
| Numéro de cas | ARAT à la ligne de base | ARAT au suivi | Début de la formation sEMG | Nombre de séances de thérapie au total (30 min chacune) |
| 1 | 7 | 35 | Immédiatement après la première consultation | 24 |
| 2 | 0 | 15 | Formation avec un signal immédiatement après la première consultation; deuxième signal était disponible 9 mois après le transfert gracilis gratuit - transfert de nerf | 30 |
| 3 | 0 | 19 | Immédiatement après la première consultation | 16 |
| 4 | 1 | 22 | Immédiatement après la première consultation | 20 |
| 5 | 9 | 42 | Immédiatement après la décision de viser une reconstruction bionique que la reconstruction biologique a échoué | 20 |
| 6 | 0 | 17 | Immédiatement après la première consultation | 22 |
| Moyenne (SD) | 2,83 à 4,07 | 25.00 à 10.94 | De 22 à 4,32 |
Tableau 2 : Scores aRAT et nombre de séances de thérapie. Dans le test action Research Arm (ARAT), les patients ont initialement montré la fonction négligeable des membres supérieurs (moyenne 2,83, d'un maximum de 57 points réalisables). La fonction utile a été restaurée après reconstruction bionique (moyenne 25.00, de 57). Ce tableau a été modifié à partir de Sturma et coll.12 et reproduit avec la permission de Frontiers in Neuroscience.
Les auteurs n'ont rien à révéler.
Les résultats fonctionnels optimaux après reconstruction bionique dans les patients présentant des dommages brachial globaux de plexus dépendent d'un protocole structuré de réadaptation. La formation guidée électromyographique de surface peut améliorer l'amplitude, la séparation et la cohérence des signaux EMG, qui - après l'amputation élective d'une main sans fonction - contrôlent et conduisent une main prothétique.
Cette étude a été financée par la Christian Doppler Research Foundation du Conseil autrichien pour la recherche et le développement technologique et le Ministère fédéral autrichien de la science, de la recherche et de l'économie. Nous sommes reconnaissants à Aron Cserveny pour la préparation des illustrations incluses dans le manuscrit et à Frontiers in Neuroscience pour la permission de reproduire les données présentées dans l'article original12.
| électrodes EMG sèches | Ottobock Healthcare, Duderstadt, Allemagne | 13E202 = 50 | Les électrodes EMG utilisées dans cette étude étaient bipolaires et comprenaient une masse. Ils peuvent être utilisés à la fois pour l’entraînement EMG avec le Myoboy et pour le contrôle d’un appareil prothétique. |
| Myoboy | Otto bock Healthcare, Duderstadt, Allemagne | Myoboy | Cet appareil qui peut être utilisé comme appareil autonome ou avec un ordinateur. Il permet d’afficher l’activité EMG tout en utilisant les électrodes EMG sèches qui peuvent également être entravées dans l’emboîture prothétique. |
| Ottobock | Healthcare, Duderstadt, Allemagne | Tous les patients ont utilisé cette prothèse myoélectrique disponible dans le commerce comme dispositif prothétique standard et lors des tests fonctionnels. L’appareillage des patients subissant cette procédure n’est toutefois pas limité à ce dispositif. | |
| Ordinateur portable standard avec système | d’exploitation Microsoft | Habituellement, les appareils pour le biofeedback EMG connectés à un ordinateur ne nécessitent pas beaucoup de puissance de calcul et fonctionnent donc sur n’importe quel ordinateur portable | |
| ordinaire TeleMyo 2400T G2 | Noraxon, US | Une configuration de biofeedback EMG de surface utilisée dans notre protocole, connectée à TeleMyo-Software, qui affiche l’activité EMG enregistrée sous forme de graphiques codés en couleur sur l’écran de l’ordinateur | |
| électrodes EMG humides | Électrodes | adhésives Ambu Ambu Blue Sensor VL | Ces électrodes adhésives peuvent être utilisées en combinaison avec de nombreux appareils de biofeedback EMG différents, y compris le TeleMyo 2400T. Bien qu’ils ne puissent pas être déplacés facilement, les contacts humides permettent généralement de détecter des signaux EMG très faibles. |