Powierzchniowy biofeedback elektromiograficzny jako narzędzie rehabilitacji dla pacjentów z globalnym uszkodzeniem splotu ramiennego poddawanych rekonstrukcji bionicznej

Podsumowanie

Optymalne wyniki funkcjonalne po rekonstrukcji bionicznej u pacjentów z globalnym uszkodzeniem splotu ramiennego zależą od ustrukturyzowanego protokołu rehabilitacji. Trening elektromiograficzny powierzchniowy może poprawić amplitudę, separację i spójność sygnałów EMG, które - po planowej amputacji niesprawnej ręki - kontrolują i kierują protezą ręki.

Streszczenie

U pacjentów z globalnym uszkodzeniem splotu ramiennego i brakiem alternatyw leczenia biologicznego, niedawno opisano rekonstrukcję bioniczną, w tym planową amputację niesprawnej ręki i zastąpienie jej protezą. Optymalna funkcja protezy zależy od ustrukturyzowanego protokołu rehabilitacji, ponieważ resztkowa aktywność mięśni w ramieniu pacjenta jest później przekładana na funkcję protezy. Biofeedback elektromiograficzny powierzchniowy (sEMG) był stosowany podczas rehabilitacji po udarze mózgu, ale do tej pory nie był stosowany u pacjentów ze złożonymi uszkodzeniami nerwów obwodowych. W niniejszej sprawie przedstawiamy nasz protokół rehabilitacji realizowany u pacjentów z globalnymi uszkodzeniami splotu ramiennego nadającymi się do rekonstrukcji bionicznej, począwszy od identyfikacji sygnałów sEMG, aż po końcowe szkolenie protetyczne. Ten ustrukturyzowany program rehabilitacji ułatwia ponowne uczenie się motoryczne, które może być procesem wyniszczającym poznawczo po złożonych urazach zwichnięcia korzeni nerwowych, nieprawidłowym ponownym unerwieniu i rekonstrukcji pozaanatomicznej (jak ma to miejsce w przypadku operacji transferu nerwów). Protokół rehabilitacji wykorzystujący biofeedback sEMG pomaga w ustaleniu nowych wzorców motorycznych, ponieważ pacjenci są świadomi postępującego procesu ponownego unerwienia mięśni docelowych. Dodatkowo, słabe sygnały mogą być również trenowane i poprawiane za pomocą biofeedbacku sEMG, co sprawia, że klinicznie "bezużyteczny" mięsień (wykazujący siłę mięśni M1 w skali Brytyjskiej Rady Badań Medycznych [BMRC]) kwalifikuje się do zręcznej kontroli protezy ręki. Ponadto w artykule przedstawiono wyniki funkcjonalne po udanej rekonstrukcji bionicznej.

Wprowadzenie

Globalne urazy splotu ramiennego, w tym urazowe zwichnięcie korzeni nerwowych z rdzenia kręgowego, stanowią jedno z najpoważniejszych urazów nerwów u ludzi i zwykle dotykają młodych, skądinąd zdrowych pacjentów w kwiecie wieku1^,2. W zależności od liczby zwichniętych korzeni nerwowych może dojść do całkowitego paraliżu kończyny górnej, ponieważ przerwane jest połączenie nerwowe między mózgiem a ramieniem i dłonią. Tradycyjnie, zwichnięcie korzeni nerwowych wiązało się ze słabymi wynikami³. Dzięki mikrochirurgicznym technikom nerwowym, które zyskały na popularności w ciągu ostatnich dziesięcioleci, wyniki operacji uległy poprawie, a użyteczne funkcje motoryczne w barku i łokciu są zwykle przywracane^4,5. Wewnętrzna muskulatura w dłoni, która leży najbardziej dystalnie, zazwyczaj ulega zwyrodnieniu tłuszczowemu, co powoduje nieodwracalną atrofię, zanim regenerujące się aksony będą mogły do niej dotrzeć⁶. Dla takich przypadków rekonstrukcja bioniczna, która obejmuje planową amputację niefunkcjonalnej ręki "splotu" i zastąpienie jej ręką mechatroniczną, została opisana^7,8. Szczątkowa aktywność mięśni w przedramieniu pacjenta, która może być klinicznie nieistotna (skurcze izometryczne, M1 w skali Brytyjskiej Rady Badań Medycznych [BMRC]) jest wychwytywana przez przezskórne elektrody wykrywające aktywność elektromiograficzną, która jest następnie tłumaczona na różne ruchy protezy ręki⁹.

Wystarczająca ilość sygnałów elektromiograficznych powierzchniowych (sEMG) może być obecna podczas wstępnej konsultacji. Jednak w niektórych przypadkach konieczne jest ustanowienie dodatkowych sygnałów wykonujących selektywne transfery nerwowe i mięśniowe⁷. W obu przypadkach potrzebny jest ustrukturyzowany protokół rehabilitacji, aby zapewnić spójność sygnału sEMG, a następnie optymalną funkcję protetyczną na końcu procesu. Głównym wyzwaniem po zwichnięciu korzeni nerwowych i nieprawidłowym ponownym unerwieniu, a także po operacji transferu nerwów, jest ustanowienie nowych wzorców motorycznych, które umożliwią wolicjonalną kontrolę nad mięśniem docelowym. Metody biofeedbacku sEMG są szeroko stosowane w rehabilitacji udaru mózgu¹⁰. Metoda ta pozwala na bezpośrednią wizualizację aktywności mięśniowej, która w przeciwnym razie pozostałaby niezauważona z powodu osłabienia mięśni i/lub koaktywacji antagonistów. W ten sposób zachęca pacjentów do treningu słabych mięśni, dostarczając jednocześnie precyzyjnej informacji zwrotnej na temat prawidłowego wykonywania zadań motorycznych¹¹.

W niedawnej publikacji po raz pierwszy pokazaliśmy, że biofeedback sEMG może być również stosowany w rehabilitacji złożonych uszkodzeń nerwów obwodowych¹². Uważamy, że biofeedback sEMG jest niezwykle przydatną metodą uświadomienia pacjentowi postępującego procesu ponownego unerwienia po operacji transferu nerwów. Również słaba aktywność mięśni, która wcześniej nie była przydatna dla pacjenta, może być trenowana i wzmacniana do późniejszej kontroli protetycznej za pomocą biofeedbacku sEMG, który umożliwia konkretną wizualizację aktywności mięśni, która w przeciwnym razie nie byłaby zauważona zarówno dla lekarza, jak i pacjenta. Dzięki temu postępy w szkoleniu mogą być dobrze zrozumiane i udokumentowane. Dodatkowo, wykorzystanie bezpośredniego sprzężenia zwrotnego na temat aktywności mięśni pozwala klinicystom skorelować różne polecenia motoryczne z powiązaną amplitudą i spójnością sygnału, ustalając najlepsze strategie motoryczne, które umożliwią solidną kontrolę protetyczną w przyszłości. Podsumowując, celem tej metody jest usprawnienie procesu rehabilitacji poprzez zwiększenie zrozumienia, świadomości i kontroli pacjenta sygnałów sEMG, które później będą napędzać protezę ręki.

Protokół

Kliniczna implementacja tego protokołu rehabilitacji została zatwierdzona przez komisję etyczną Uniwersytetu Medycznego w Wiedniu (numer etycznego głosowania: 1009/2014) w Austrii i przeprowadzona zgodnie ze standardami określonymi w Deklaracji Helsińskiej. Wszyscy pacjenci wyrazili pisemną świadomą zgodę na udział w tym badaniu.

UWAGA: Poprzednie publikacje Aszmann et al.⁷ oraz Hruby et al.^8,13 są dostępne bardzo szczegółowo opisujące koncepcję, algorytm leczenia i psychospołeczne warunki wstępne dotyczące rekonstrukcji bionicznej. Tabela materiałów odnosi się do wszystkich materiałów i sprzętu użytego w proponowanym protokole rehabilitacji.

1. Ocena pacjenta po wstępnej konsultacji

1. Na wszystkich etapach oceny pacjenta, rehabilitacji i szkolenia znajdź gabinet lub gabinet lekarski, w którym pacjent jest sam w cichej atmosferze bez zakłóceń. Upewnij się, że masz wystarczająco dużo miejsca na zbadanie pacjenta i skonfigurowanie systemu biofeedback sEMG.
2. Uzyskaj szczegółową historię przypadku od pacjenta, w tym mechanizm urazu i pierwszą opiekę, raporty z poprzednich operacji naprawy nerwów i subiektywną niepełnosprawność w życiu codziennym.
3. Weź pod uwagę tylko pacjentów do rekonstrukcji bionicznej z nieudanymi alternatywami leczenia biologicznego (tj. naprawa nerwów, transfery nerwów, wtórne rekonstrukcje skutkujące daremną funkcją kończyny górnej). Wykluczenie pacjentów z jednoczesnym uszkodzeniem ośrodkowego układu nerwowego, niestabilnymi złamaniami chorej kończyny, nieleczonymi i/lub odpornymi problemami ze zdrowiem psychicznym, uzależnieniem od narkotyków, brakiem zaleceń i zaangażowaniem w długotrwały program rehabilitacji.
4. Wykonaj szczegółowe badanie kliniczne koncentrujące się na aktualnej funkcji kończyny górnej. Klinicznie oceń funkcję wszystkich głównych mięśni w dotkniętym chorobą ramieniu i dłoni za pomocą skali ocen BMRC.
5. Oceń w multidyscyplinarnym zespole składającym się z chirurgów rekonstrukcyjnych, chirurgów ortopedów, fizjoterapeutów, psychologów i fizjoterapeutów, czy możliwe są alternatywne metody leczenia biologicznego. Wyjaśnij pacjentowi, że funkcjonalność protezy mioelektrycznej w żadnym wypadku nie może się równać z funkcjonalnością biologicznej ręki.
6. Zapytaj pacjenta o jego/jej motywy i perspektywy na rekonstrukcję bioniczną (patrz poprzednia publikacja¹³, w tym ustrukturyzowany wywiad z psychologiem, aby ocenić, czy pacjent jest psychospołecznie zdolny do przejścia przez proces rekonstrukcji bionicznej).
7. Oceń, czy objawy Tinel mogą być wywołane wzdłuż osi neuronalnej głównych nerwów obwodowych, co wskazuje na obecność żywotnych aksonów odpowiednich do operacji transferu nerwów.
8. Oprócz oceny pacjenta, należy również niejasno nakreślić możliwy harmonogram całego procesu, który zależy od dostępności wykrywalnych sygnałów EMG. Jeśli wskazane są inne interwencje, takie jak wsparcie psychologiczne, trening postawy i/lub wzmocnienie pozostałych mięśni, rozpocznij je jak najszybciej.

2. Identyfikacja sygnałów sEMG

1. Skonfiguruj system do biofeedbacku sEMG na stole w cichym pomieszczeniu. Może to być urządzenie autonomiczne lub podłączone do komputera. Jeśli używany jest komputer, podłącz urządzenie EMG do komputera poprzez wpięcie wszystkich i uruchom odpowiednie oprogramowanie na komputerze.
2. Aby zmniejszyć impedancję, należy przygotować skórę pacjenta, ostrożnie goląc odpowiednią część ciała i/lub delikatnie usuwając martwe komórki naskórka za pomocą żelu peelingującego lub mokrego ręcznika papierowego.
3. Pokrótce wyjaśnij pacjentowi funkcjonalność urządzenia EMG i związanego z nim oprogramowania komputerowego.
4. Umieść pacjenta przed ekranem komputera.
5. Poproś pacjenta, aby pomyślał o ruchach ręki i jednocześnie spróbował napiąć mięśnie przeznaczone do wykonania określonej czynności (takiej jak wyprostowanie nadgarstka, zaciśnięcie pięści, zgięcie kciuka itp.), nawet jeśli nie spowoduje to rzeczywistego ruchu jego niesprawnej ręki. Zbadaj palpacyjnie jego przedramię pod kątem (słabego) skurczu mięśni.
6. Umieść elektrodę sEMG dokładnie w tym miejscu skóry, w którym skurcz mięśni może być wyczuwalny palcem, np. na grzbietowym komorze prostowników 5 cm dystalnie do stawu łokciowego, prosząc pacjenta, aby pomyślał o wyprostowaniu nadgarstka i palców.
   UWAGA: Podczas gdy aktywność sEMG można wykryć za pomocą mokrych i suchych elektrod, suche elektrody są przygotowane do testów, ponieważ można je łatwo przesuwać po skórze, aby sprawdzić optymalne pozycje.
7. Powtórz polecenie motoryczne użyte wcześniej (tj. wyprost nadgarstka i palców), aby wywołać skurcz mięśnia.
   1. Obserwuj sygnał EMG na ekranie komputera i sprawdź, czy amplituda stale rośnie, gdy pacjent próbuje skurczyć mięsień przeznaczony do wykonania określonej czynności (tj. wyprostowania nadgarstka i palców).
   2. Jeśli amplituda nie jest wystarczająco wysoka (mniej niż 2−3 razy większa od szumu tła¹²) lub sygnał jest niespójny, wypróbuj inne polecenia silnika o tym samym położeniu elektrody i sprawdź, czy można uzyskać wyższe amplitudy.
8. Powtórz procedurę dla innego mięśnia lub grupy mięśni. Na przykład, przesuń elektrodę sEMG do wolarnej części przedramienia, umieszczając ją na mięśniu pronatora i poproś pacjenta, aby spróbował wykonać pronację przedramienia. Obserwuj sygnał na ekranie komputera i sprawdź, czy amplituda wielokrotnie wzrasta, gdy pacjent myśli o tym ruchu.
   UWAGA: U niektórych pacjentów nie jest wyczuwalna żadna aktywność mięśni. W tym przypadku należy umieścić trzy lub więcej elektrod sEMG na stronie grzbietowej, grzbietowej i promieniowej przedramienia i próbować różnych poleceń motorycznych, uważnie obserwując wszystkie sygnały zmian amplitudy, nawet przy najmniejszych zmianach w ustawieniu elektrody (patrz Rysunek 1).

Rysunek 1: Zrzut ekranu sygnałów EMG na ekranie komputera.
Aby zidentyfikować aktywność EMG, można umieścić dwie lub więcej elektrod na przedramieniu pacjenta, prosząc go o próbę różnych ruchów. W tym konkretnym przypadku elektroda na zgięciowej części przedramienia wyczuwa aktywność EMG odzwierciedloną przez pierwszą, czerwoną falę wyświetlaną na ekranie komputera, gdy pacjent próbuje zamknąć dłoń. Separacja sygnału u tego pacjenta jest satysfakcjonująca, ponieważ niebieski sygnał, który odpowiada drugiej elektrodzie umieszczonej na grzbietowej stronie przedramienia, nie dociera do progu. Kiedy pacjent myśli o otwarciu dłoni, amplituda niebieskiego sygnału przekracza próg, podczas gdy czerwony sygnał pozostaje prawie nieaktywny. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

9. Wypróbuj również polecenia motoryczne i pozycje elektrod, które różnią się od "normalnej" anatomii, ponieważ nieprawidłowe unerwienie i rekonstrukcje pozaanatomiczne, takie jak w przypadku transferów nerwowych, zmieniły wejście nerwowe do częściowo odnerwionych mięśni.
10. Jeśli nie stwierdzono aktywności mięśni przedramienia, powtórz procedurę na ramieniu i obręczy barkowej.
    UWAGA: U niektórych pacjentów nie stwierdza się sygnałów sEMG. W nich należy wykonać transfery nerwowe i mięśniowe w celu ustalenia nowych miejsc sygnału EMG (szczegółową koncepcję chirurgiczną można znaleźć gdzie indziej⁷), opóźniając trening sygnału o 6−9 miesięcy. Do zręcznego sterowania protezą ręki potrzebne są co najmniej dwa rozłączne sygnały EMG.

3. Trening sygnału sterowanego sEMG

UWAGA: Sesje treningowe dla treningu sygnałów sterowanych sEMG nie powinny przekraczać 30 minut, ponieważ prowadzi to do zmęczenia mięśni, co utrudnia skuteczne uczenie się motoryczne. Opisane kroki należy powtarzać przez dłuższy czas, aby zapewnić dobrą koordynację nerwowo-mięśniową, zgodnie z potrzebami później, w celu niezawodnej kontroli protetycznej.

1. Gdy tylko zostaną zidentyfikowane dwa lub więcej sygnałów EMG, zachęć pacjenta do ich naprzemiennej aktywacji (patrz Rysunek 2A). Aby niezawodnie sterować protezą, niezależne sygnały EMG muszą być kontrolowane bez zakłóceń.
   1. Dostosuj wzmocnienie napięcia każdego sygnału niezależnie, aby osiągnąć podobny próg amplitudy dla wszystkich sygnałów podczas treningu, co ułatwi pacjentowi separację sygnałów i zrozumienie.
   2. Powtórz i wyjaśnij pacjentowi mechanikę protezy ręki: lekki skurcz mięśni ostatecznie doprowadzi do lepszej separacji sygnału i musi być preferowany w stosunku do siły mięśni, tj. amplitudy sygnału.

Rycina 2: Rehabilitacja pod kontrolą sEMG dla pacjentów z bioniczną rekonstrukcją ręki.
(A) Dzięki bezpośredniej wizualizacji aktywności mięśni można próbować określić różne polecenia motoryczne w celu zidentyfikowania najwyższej amplitudy EMG nad określonym mięśniem docelowym i można porównać różne pozycje sygnału. (B) Za pomocą protezy stołowej aktywność EMG w ramieniu pacjenta jest bezpośrednio przekładana na funkcję protezy. (C) Dopasowanie hybrydowej protezy ręki pozwala pacjentowi na wizualizację i zrozumienie przyszłego użycia protezy ręki. (D) Po odbudowie protetycznej sygnały EMG mogą być trenowane i optymalizowane za pomocą biofeedbacku sEMG lub samej protezy ręki. Ten rysunek został zmodyfikowany z Sturma et al.¹² i powielony za zgodą Frontiers in Neuroscience. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Obserwuj sygnały EMG na ekranie komputera i uświadom pacjentowi, czy te dwa sygnały są współaktywowane podczas próby wykonania określonego ruchu. Wyjaśnij pacjentowi, że dwa sygnały nie powinny być jednocześnie aktywowane podczas próby wykonania jednego określonego działania, ponieważ każdy sygnał EMG jest powiązany z określonym działaniem protetycznym. Współaktywowane sygnały nie spowodują zatem działania pożądanego przez pacjenta.
3. Poinstruuj pacjenta, aby spróbował różnych (niewielkich) ruchów i obserwuj, które precyzyjne wzorce ruchowe są najlepsze w odniesieniu do separacji sygnałów. Zachęcaj pacjenta do trenowania tych ruchów.
4. Poinformuj pacjenta, że idealna separacja sygnałów jest mało prawdopodobna na początku treningu, ale poprawi się wraz z dużą liczbą powtórzeń.
   UWAGA: Pozwól na fazy relaksacji, ponieważ siła mięśni może zmniejszać się szybciej u pacjentów ze złożonymi uszkodzeniami nerwów i słabą mioaktywnością.
5. Dzięki lepszej spójności sygnału poinstruuj pacjenta, aby wygenerował wyższą amplitudę sygnału, aby jeszcze bardziej wzmocnić mięsień i jego sygnał.
6. Przy stałej separacji sygnału EMG i solidnej kontroli, zainstaluj protezę stołową połączoną z odpowiednim oprogramowaniem EMG i elektrodami umieszczonymi na przedramieniu/ramieniu pacjenta. To bezpośrednio przełoży aktywność EMG na mechaniczne funkcje protetyczne (patrz Rysunek 2B i Rysunek 3).

Ryc. 3: Pacjent przed protezą na stole i zrzut ekranu jego dwóch sygnałów na ekranie komputera.
Na przedramieniu pacjenta dwie elektrody wykrywają aktywność EMG. Te dwa sygnały są wyświetlane jako kolorowe wykresy na ekranie komputera (czerwony i niebieski) i są jednocześnie przekształcane w ruch protezy, co pozwala pacjentowi zrozumieć związek między jakością sygnału a kontrolą protetyczną. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

7. Poinformuj pacjenta, że protezy mioelektryczne z bezpośrednim sterowaniem wykorzystują dane wejściowe jednej elektrody (tj. aktywność mięśniową wykrytą przez jedną elektrodę) do kontrolowania jednego ruchu protezy.
8. Uświadom pacjentowi korelację między pojawianiem się sygnału (głównie wysokością amplitudy) na ekranie komputera a prędkością/siłą ruchu protezy, w przypadku wyboru urządzenia z proporcjonalną kontrolą prędkości ruchu.
   UWAGA: W zależności od liczby dostępnych sygnałów EMG i stopni swobody końcowego urządzenia protetycznego, może być konieczne zastosowanie metod przełączania między tymi stopniami swobody. Jedną z często stosowanych metod przełączania między stopniami swobody (np. ręka otwarta/bliska pronacji/supinacji) jest jednoczesny skurcz dwóch mięśni, znany również jako współskurcz¹⁴.
9. Współzawieranie pociągów. Pozwól pacjentowi obserwować sygnały EMG na ekranie komputera i protezy. Jeśli wyrób protetyczny nie porusza się, tj. nie otwiera/zamyka się podczas współskurczu, pacjent robi to prawidłowo.

4. Hybrydowe dopasowanie rąk i trening protetyczny

1. Zaznacz pozycje elektrod na skórze pacjenta, które zostały określone jako optymalne dla niezawodnej kontroli protetycznej i pozwól technikowi ortopedy na wykonanie wstępnego leja protetycznego zaprojektowanego z dokładnie tymi pozycjami elektrod.
2. Zamontuj hybrydową protezę ręki z indywidualnie dopasowanym lejem na lub poniżej niefunkcjonalnej ręki "splotu" (patrz Rysunek 2C).
3. Jednocześnie uruchom program EMG, aby uświadomić pacjentowi swoje działania.
4. Na przemian trenuj różne ruchy protetyczne. Elektrody można również umieścić na sąsiednich mięśniach wzdłuż ramienia i obręczy barkowej, aby uniknąć nieświadomych współskurczów, które doprowadzą do zmęczenia całej kończyny górnej przy wydłużonym czasie noszenia.
   1. Zacznij od prostych ruchów protetycznych (tylko otwieranie/zamykanie ręki bez współskurczu) z ciężarem podpartego urządzenia protetycznego.
   2. Przejdź do prostych ruchów protetycznych w różnych pozycjach ramienia, takich jak naprzemienne prostowanie lub zginanie łokcia. Uświadom pacjentowi rozbieżności sygnałów podczas regulacji różnych pozycji ramion i zachowaj spójność sygnału pociągu we wszystkich pozycjach.
      UWAGA: Po spontanicznej regeneracji nerwów często dochodzi do niezamierzonej koaktywacji różnych mięśni lub grup mięśni z powodu nieprawidłowego unerwienia, co może utrudniać skoordynowane ruchy i uniemożliwiać odpowiednią aktywność mięśni¹⁵. Podczas poruszania ramieniem często dochodzi do słabego, niezamierzonego skurczu mięśni, który jest wykrywany przez czujniki sEMG i przekładany na ruch protezy. Może to skutkować słabą kontrolą protetyczną, jeśli nie zostanie odpowiednio rozwiązane podczas rehabilitacji z wykorzystaniem treningu EMG i wzmocnienia mięśni, jak opisano poniżej.
   3. W przypadku uciążliwej kontroli protetycznej w różnych pozycjach ramienia, należy dokładnie obserwować sygnały EMG na ekranie komputera i wskazać pacjentowi, w jakiej pozycji ramienia niezamierzony skurcz jednego lub więcej mięśni prowadzi do przesunięcia sygnału. Trenuj precyzyjną aktywację sygnałów EMG w pozycjach, z którymi pacjent może sobie jeszcze poradzić, i powoli zmieniaj pozycję ramienia w czasie.
   4. Wykonuj trening siłowy zginaczy łokci (i mięśni ramion, jeśli dotyczy), jeśli obserwuje się koaktywację mięśni używanych do kontroli protetycznej podczas podnoszenia ramienia. Wyjaśnij pacjentowi, że silniejszy mięsień (tj. mięsień, który nie pracuje z maksymalną siłą podczas prostych zadań związanych z podnoszeniem) zwykle przyczynia się również do lepszej separacji sygnałów. Wykonuj również trening siłowy, jeśli mięśnie kończyn górnych są zbyt słabe, aby poruszać protezą w przestrzeni trójwymiarowej i/lub ustabilizować przy tym ramię.
   5. Kontynuuj proste zadania chwytania, takie jak podnoszenie małych pudełek i manipulowanie małymi przedmiotami (zobacz Rysunek 2C).
   6. Na koniec trenuj proste czynności życia codziennego, takie jak otwieranie drzwi, składanie ręcznika lub otwieranie butelki.
      UWAGA: Wiele zadań może być ograniczonych ze względu na fakt, że sparaliżowana ręka przeszkadza, a urządzenie może wydawać się dość ciężkie, ponieważ pacjent musi podnieść ciężar własnej ręki oprócz hybrydowej protezy ręki.
5. Jeśli jakość sygnału jest niewystarczająca, korzystne może być powrót do trenowania sygnału na ekranie komputera. We wszystkich zadaniach należy zwrócić szczególną uwagę na koaktywację sygnałów na ekranie komputera i jeszcze bardziej poprawić niezależność sygnału.
6. Oceń funkcję kończyny górnej za pomocą hybrydowej protezy ręki i nagraj wideo z wynikami badania. Dodatkowo, użyj tych samych ocen dla sparaliżowanej ręki, aby udokumentować korzyści funkcjonalne oczekiwane z protetycznej wymiany niefunkcjonalnej ręki.

5. Planowa amputacja i proteza ręki

1. Precyzyjnie zaplanuj poziom amputacji w zależności od miejsca różnych sygnałów EMG (transradialnych, przezramiennych lub, w rzadkich przypadkach, ramiennych) w multidyscyplinarnym zespole składającym się z fizjoterapeuty/trenera EMG pacjenta, chirurga odpowiedzialnego za amputację oraz psychologa znającego oczekiwania pacjenta.
2. Zapytaj pacjenta, czy ma jakieś nierozwiązane pytania dotyczące planowanej amputacji i wyraźnie zakomunikuj, że w dowolnym momencie przed amputacją możliwe jest cofnięcie tej decyzji, co w przeciwnym razie spowoduje nieodwracalną i zmieniającą życie operację.
3. Wykonaj standaryzowaną ocenę funkcji kończyny górnej za pomocą bezfunkcyjnej ręki i nagraj wyniki na taśmę wideo
4. Wykonaj standaryzowaną ocenę funkcji kończyny górnej za pomocą hybrydowej protezy ręki i nagraj wyniki na taśmę wideo, aby udokumentować korzyści płynące z przyszłego dopasowania protezy.
5. Wykonaj planową amputację kończyny pozbawionej funkcji, jak opisano wcześniej^7,8.
6. Pozwól na gojenie się ran pooperacyjnych i pozwól pacjentowi trenować sąsiednie stawy w celu poprawy ruchomości kończyn górnych. Po 4−6 tygodniach trenuj sygnały EMG zgodnie z powyższym opisem i zdefiniuj najlepsze hotspoty dla pozycji elektrod.
   UWAGA: Te pozycje elektrod i polecenia silnika mogą nieznacznie różnić się od tych sprzed amputacji.
7. Pozwól technikowi ortopedy zaprojektować ostateczną wersję leja protetycznego przy użyciu wcześniej zdefiniowanych pozycji elektrod EMG (patrz Rysunek 4, ilustrujący możliwy projekt leja u jednego z dołączonych pacjentów).
   UWAGA: Chociaż nie ma zalecanej konkretnej konstrukcji leja, dokładne położenie elektrod i ich przyleganie do skóry kikuta mają ogromne znaczenie, ponieważ pacjenci ze splotem ramiennym mają znacznie zmniejszony interfejs nerwowo-mięśniowy.

Rysunek 4: Przykład możliwej konstrukcji protezy i leja.
(A) Proteza tego pacjenta składa się z zewnętrznej osłony wykonanej z węgla. (B) Zamiast protezy ręki pacjent woli używać haka, który otwiera się i zamyka, jako narzędzia chwytającego. (C,D) Dwie elektrody są zintegrowane z protezą. Pacjent nosi silikonową wkładkę z dwoma otworami, umożliwiającymi bezpośredni kontakt skóry z dwiema elektrodami (nie pokazano). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

8. Rozpocznij szkolenie protetyczne.
   1. Ponownie zacznij od prostych ruchów protetycznych (tylko otwieranie/zamykanie ręki bez współskurczu) z ciężarem podpartego urządzenia protetycznego.
   2. Przejdź do prostych ruchów protetycznych w różnych pozycjach ramienia, takich jak naprzemienne prostowanie lub zginanie łokcia.
   3. Kontynuuj proste zadania chwytania, takie jak podnoszenie małych pudełek i manipulowanie małymi przedmiotami (patrz Rysunek 2D).
   4. Na koniec trenuj czynności życia codziennego, ponownie zaczynając od raczej prostych zadań (takich jak otwieranie drzwi) i powoli dodawaj złożoność i zadania, które pacjent uważa za istotne dla swojej konkretnej sytuacji życiowej.
9. Trzy miesiące po dopasowaniu protezy powtórz standaryzowaną ocenę funkcji kończyny górnej za pomocą protezy ręki i nagraj film z wynikami.

Wyniki

U sześciu pacjentów z ciężkimi urazami splotu ramiennego, w tym mnogimi zwichnięciami korzeni nerwowych, przedstawiony protokół rehabilitacji z wykorzystaniem biofeedbacku sEMG został pomyślnie wdrożony. Szczegółową charakterystykę pacjenta można znaleźć w Tabeli 1. Rysunek 2 pokazuje różne fazy ustrukturyzowanego protokołu rehabilitacji oraz szczegółowe wyjaśnienia dotyczące jego wdrażania.

Aby wykazać poprawę funkcji ręki przed i po rekonstrukcji bionicznej, przeprowadzono standaryzowaną ocenę ogólnej funkcji kończyny górnej w dwóch punktach czasowych: przed planową amputacją niefunkcjonalnej ręki "splotu", jak również po udanej rekonstrukcji i rehabilitacji protetycznej. Test ramienia badawczego Action Research (ARAT) został pierwotnie opracowany do oceny ogólnej funkcji motorycznej kończyny górnej u pacjentów z zaburzeniami poznawczymi sterowania ręcznego¹⁶. W naszych badaniach zastosowano ustandaryzowane podejście Yozbatiran et al.¹⁷. ARAT składa się z czterech różnych sekcji, które obejmują zadania bliskie życiu codziennemu. Test jest mierzony w czasie przez obserwatora, który również ocenia wykonanie zadania w zakresie od 0 do 3, gdzie 3 oznacza normalne funkcjonowanie. Maksymalnie 57 punktów jest osiągalnych co wskazuje na niezaburzone funkcje motoryczne¹⁶. Liczbę sesji terapeutycznych z biofeedbackiem sEMG oraz szczegółowe wyniki dla każdego pacjenta można znaleźć w Tabeli 2.

Chociaż zadowolenie pacjentów z oferowanego protokołu rehabilitacji za pomocą biofeedbacku sEMG nie było bezpośrednio mierzone, wszyscy sześcioro pacjentów stwierdziło, że jest on niezwykle pomocny w zrozumieniu procesu ponownego unerwienia po operacji transferu nerwów i trenowaniu skurczu mięśni o bardzo słabej aktywności, która wcześniej nie była dla nich klinicznie użyteczna.

Numer sprawy	Płeć, wiek (lata)	Rodzaj wypadku	Rodzaj zmiany chorobowej	Operacje mające na celu poprawę interfejsu biotechnologicznego po początkowych rekonstrukcjach nie poprawiły funkcji ręki
1	m, 32	Upadek z wysokości	Zwichnięcie C7−T1; uszkodzenie trakcyjne splotu podobojczykowego	Planowa amputacja przedramienia
cyfra arabska	m, 32	Wypadek motocyklowy	Pęknięcie wszystkich 3 trunci BP	Wolny mięsień gracilis przeniesiony do przedziału prostownika przedramienia i neurotyzacja głębokiej gałęzi nerwu promieniowego do nerwu zasłonowego; planowa amputacja przedramienia
3	m, 55 lat	Wypadek motocyklowy	Odchylenie C5−T1	Planowa amputacja ramienia
4	m, 38 lat	Wypadek motocyklowy	Rozległe uszkodzenie korzeni C5−C8; awulsja T1	Planowa amputacja przedramienia
5	m, 27 lat	Wypadek motocyklowy	Awulsja C8−T1	Planowa amputacja przedramienia
6	m, 43	Wypadek motocyklowy	Odchylenie C6−T1	Przeniesienie mięśnia trójgłowego do dołu podkolczastego i przeniesienie mięśnia dwugłowego do dołu nadobojczykowego w celu poprawy dopasowania protezy; Planowa amputacja ramienia (wyartykulacja barku)

Tabela 1: Charakterystyka pacjenta.U wszystkich pacjentów rozpoczęto rekonstrukcję bioniczną ze względu na niemożność znalezienia alternatywnych metod leczenia biologicznego. Operacje mające na celu ustanowienie sygnałów EMG w przednim i górnym ramieniu mogą obejmować selektywne transfery nerwowe i mięśniowe, które następnie będą napędzać mioelektryczną protezę ręki. Amputacja planowa jest wykonywana na poziomie transradialnym lub przezramiennym, w zależności od resztkowej aktywności mięśni. Wszystkie selektywne transfery nerwów przeprowadzone w tej grupie pacjentów zakończyły się sukcesem. Ta tabela została zmodyfikowana na podstawie Sturma et al.¹² i powielona za zgodą Frontiers in Neuroscience.

Rozdział

Numer sprawy	ARAT na początku badania	ARAT w ramach działań następczych	Początek treningu sEMG		Łączna liczba sesji terapeutycznych (30 min każda)
1	7	35	Natychmiast po pierwszej konsultacji		24
cyfra arabska	0	15	Trening z jednym sygnałem natychmiast po pierwszej konsultacji; drugi sygnał był dostępny 9 miesięcy po swobodnym transferze Gracillis + transfer nerwów		Rozdział 30
3	0	Rozdział 19	Natychmiast po pierwszej konsultacji		16
4	1	22 Rozdział 22	Natychmiast po pierwszej konsultacji		20
5	9	42 Rozdział 42	Natychmiast po podjęciu decyzji o dążeniu do rekonstrukcji biologicznej, ponieważ rekonstrukcja biologiczna nie powiodła się		20
6	0	17	Natychmiast po pierwszej konsultacji		22 Rozdział 22
Średnia (± SD)	2,83 ± 4,07	godz. 25.00 ± 10.94			22 ± 4,32

Tabela 2: Wyniki ARAT i liczba sesji terapeutycznych.W teście ramienia Action Research Arm (ARAT) pacjenci początkowo wykazywali znikomą funkcję kończyny górnej (średnio 2,83, z maksymalnie 57 możliwych do uzyskania punktów). Użyteczność funkcji została przywrócona po rekonstrukcji bionicznej (średnia 25,00, z 57). Ta tabela została zmodyfikowana na podstawie Sturma et al.¹² i powielona za zgodą Frontiers in Neuroscience.

Dyskusja

Metody biofeedbacku są szeroko stosowane w rehabilitacji wielu zaburzeń nerwowo-mięśniowych, począwszy od stanów (połowiczo)-plegicznych wynikających z patologii centralnych, takich jak krwotok mózgowy i udar^18,19, po różne zwyrodnienia lub urazy układu mięśniowo-szkieletowego i ich terapię chirurgiczną 20,21,22. Co ciekawe, koncepcja ustrukturyzowanego biofeedbacku nie została wdrożona w praktyce klinicznej w przypadku uszkodzeń nerwów obwodowych. Jednak właśnie w rehabilitacji złożonych urazów nerwów praktyka, powtarzanie i ustrukturyzowane programy treningowe z odpowiednim biofeedbackiem są niezbędne do ustalenia prawidłowych wzorców motorycznych²³.

Tutaj, a także w poprzednim badaniu¹², przedstawiliśmy ustrukturyzowany protokół rehabilitacji z wykorzystaniem biofeedbacku sEMG dla pacjentów z brakiem alternatyw leczenia biologicznego kwalifikujących się do protetycznej wymiany ręki, koncepcji znanej obecnie jako rekonstrukcja bioniczna. Najbardziej oczywista zaleta stosowania układu biofeedback sEMG w kontekście rekonstrukcji bionicznej wynika z dokładnego zdefiniowania hotspotów sEMG, czyli miejsc na skórze, w których można zmierzyć stosunkowo dużą amplitudę aktywności EMG przezskórnie. Różne polecenia motoryczne mogą być wykonywane naprzemiennie, ponieważ czujniki można łatwo przesuwać wzdłuż całego przedramienia, a w przypadku braku wykrywalnej funkcji mięśni w przedramieniu - również w górnej części ramienia i obręczy barkowej. Kiedy pacjent jest proszony o próbę skurczu mięśni przeznaczonych do wykonania określonej czynności (takiej jak wyprostowanie nadgarstka), można umieścić elektrodę, w której badający wyczuwa (słaby) skurcz mięśni. Obserwując sygnał EMG na ekranie komputera, można łatwo określić, czy amplituda sygnału stale rośnie, gdy pacjent próbuje skurczyć ten mięsień. Jeśli amplituda nie jest wystarczająco wysoka lub sygnał jest niespójny, można próbować wykonać inne polecenia silnika o tym samym położeniu elektrody. W przeciwieństwie do EMG igłowego, zabieg ten jest nieinwazyjny, niebolesny i można go powtórzyć dla wszystkich mięśni/grup mięśniowych ramienia. Testowanie różnych poleceń motorycznych w różnych lokalizacjach mięśni pozwala zidentyfikować punkty zapalne EMG, o największej amplitudzie i powtarzalnej aktywności związanej z określoną czynnością motoryczną. Po zidentyfikowaniu najsilniejszych sygnałów EMG, można je wytrenować za pomocą biofeedbacku sEMG w zakresie separacji sygnałów (koaktywacja dwóch lub więcej sygnałów EMG nie może zachodzić na ekranie komputera), siły sygnału (odzwierciedlonej przez amplitudę sygnału EMG na ekranie komputera) i odtwarzalności sygnału (każda próba skurczu mięśnia musi prowadzić do przesunięcia odpowiedniego sygnału EMG). Na późniejszym etapie szkolenia aktywność EMG jest bezpośrednio przekładana na funkcję protezy, najpierw przy użyciu protezy stołowej (patrz ryc. 3), która daje pacjentowi dodatkową informację zwrotną umożliwiającą precyzyjne dostrojenie siły chwytu, a następnie noszenia fizycznej protezy.

U osób po amputacji konwencjonalnych ogromna ilość literatury wykazała, że celowane unerwienie mięśni (TMR), tj. chirurgiczne przeniesienie pozostałych nerwów ramienia do alternatywnych miejsc mięśniowych w klatce piersiowej i ramieniu, poprawia funkcję protezy, ponieważ te ponownie unerwione mięśnie służą jako biologiczne wzmacniacze intuicyjnych poleceń motorycznych i dostarczają fizjologicznie odpowiednich sygnałów EMG do kontroli protezy dłoni, nadgarstka i łokcia^24. 25,26,27. Korzystając z systemów kontroli rozpoznawania wzorców, dane EMG wyodrębnione z licznych sygnałów sEMG umieszczonych na skórze tych ponownie unerwionych mięśni mogą być dekodowane i tłumaczone na określone, powtarzalne wyjścia motoryczne, co zapewnia bardziej niezawodną kontrolę protez mioelektrycznych 28,29,30. Ponieważ liczba miejsc sygnału EMG i aktywność mioelektryczna mięśni u pacjentów z uszkodzeniem zwichnięcia splotu ramiennego są bardzo ograniczone, algorytmy rozpoznawania wzorców nie mogą być stosowane, jak ma to miejsce w przypadku konwencjonalnych osób po amputacji⁸. Mimo to, dzięki dalszym badaniom i ulepszonej technologii, systemy te mogą być w stanie wydobyć więcej informacji na temat istniejących słabych sygnałów mięśniowych, a tym samym poprawić funkcję protezy również w tej szczególnej grupie pacjentów.

Chociaż przedstawiony protokół jest uważany za wskazówkę, szczegóły muszą być dostosowane w zależności od pacjenta i dostępnego sprzętu. Ze względu na nieprawidłowe unerwienie występujące po takich urazach nerwów, polecenia motoryczne niekoniecznie skutkują aktywacją anatomicznie "prawidłowych" mięśni¹². Na przykład autorzy zaobserwowali aktywność EMG w przedziale zginacza przedramienia, podczas gdy pacjenci próbowali otworzyć dłoń. Dlatego należy testować różne polecenia motoryczne w celu identyfikacji sygnałów EMG. Dodatkowo, szczątkowa funkcja mięśni (choć we wszystkich przypadkach zbyt słaba, aby generować użyteczne ruchy ręki) może w dużej mierze różnić się u poszczególnych pacjentów i powodować różnice w wymaganym czasie treningu, jak pokazano w Tabeli 2. Co więcej, wybór urządzenia protetycznego i liczba elektrod używanych do sterowania zmieniają wymagania dotyczące precyzji separacji sygnałów, amplitudy sygnału i potrzeby współskurczu. Wszystko to należy wziąć pod uwagę podczas treningu sygnałowego, szkolenia z protezy hybrydowej i rzeczywistego szkolenia protetycznego, ponieważ jest to również zalecane w standardowym szkoleniu protetycznym osób po amputacji³¹. Jeśli chodzi o urządzenia używane do treningu biofeedbacku sEMG, autorzy uważają, że urządzenia są odpowiednie, jeśli mogą jednocześnie wyświetlać liczbę sygnałów potrzebnych do kontroli protetycznej, dawać informacje zwrotne w czasie rzeczywistym i mogą być podłączone do komputera lub samodzielnie wyświetlać sygnały na ekranie. Preferowane są urządzenia, które umożliwiają regulację wzmocnienia sygnału podczas treningu.

Po rehabilitacji wszyscy pacjenci byli w stanie korzystać ze swojej protezy podczas codziennych czynności życiowych i byli zadowoleni z decyzji o wymianie niesprawnej ręki na urządzenie protetyczne¹². Ta poprawa funkcjonalna znalazła odzwierciedlenie w znaczącym wzroście średnich wyników ARAT z 2,83 ± 4,07 do 25,00 ± 10,94 (p = 0,028).

Z naszej perspektywy, konfiguracje biofeedback sEMG stanowią cenne narzędzia ułatwiające wymagający poznawczo proces regeneracji motorycznej związany z uszkodzeniem nerwów i rekonstrukcją bioniczną. Identyfikacja optymalnego położenia elektrod EMG i testowanie różnych poleceń motorycznych z bezpośrednią wizualizacją aktywności mięśni jest znacznie uproszczone dzięki biofeedbackowi sEMG w warunkach klinicznych. Chociaż biofeedback sEMG może być również stosowany w rehabilitacji biologicznej funkcji kończyny górnej^10,12, jego zastosowanie w procesie rekonstrukcji bionicznej uważa się za szczególnie skuteczne. Co najważniejsze, sygnały sEMG aktywowane podczas treningu odbijają później położenie elektrod w leju protetycznym, który jest indywidualnie dostosowywany do każdego pacjenta. W związku z tym powtarzająca się aktywacja tych sygnałów podczas treningu najprawdopodobniej zwiększa przyszłą obsługę protez i zdolności manualne. Bezpośrednia wizualizacja tej aktywności mięśniowej pozwala również pacjentowi zrozumieć koncepcję mioelektrycznego sterowania ręką i może on bardziej świadomie śledzić postępy w treningu.

W przyszłości prezentowany przez nas protokół rehabilitacji może zostać rozszerzony o bardziej zaawansowane narzędzia poprawiające wyniki funkcjonalne. Może to obejmować zapisy sEMG o wysokiej gęstości w celu ułatwienia procesu umieszczania elektrod za pomocą map cieplnych aktywacji³², dalsze wirtualne rozwiązania do oceny aktywności EMG^30,33 oraz poważne gry zwiększające motywację do treningu³⁴. Ponadto można również zastosować nowatorskie technologie kontroli protetycznej, takie jak algorytmy rozpoznawania wzorców 28,30,35. Jednak ze względu na zmniejszony interfejs nerwowo-mięśniowy nie jest jasne, czy obecnie dostępne na rynku systemy przeznaczone dla zdrowych osób po amputacji znacząco poprawiłyby funkcję protezy w tej konkretnej grupie pacjentów. Przyszłe badania powinny ocenić możliwość zastosowania i korzyści z wymienionych nowatorskich technologii w rehabilitacji pacjentów z ciężkimi urazami splotu ramiennego. Dodatkowo, kontrolowane badania z większą liczbą pacjentów pozwolą również wykazać pozytywne efekty obecnego protokołu wykorzystującego biofeedback sEMG z wyższym poziomem dowodów.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
suche elektrody EMG	Ottobock Healthcare, Duderstadt, Niemcy	13E202 = 50	Elektrody EMG użyte w tym badaniu były bipolarne i zawierały masę. Mogą być używane zarówno do treningu EMG z Myoboyem, jak i do sterowania urządzeniem protetycznym.
Myoboy	Otto bock Healthcare, Duderstadt, Niemcy	Myoboy	To urządzenie, które może być używane jako samodzielne urządzenie lub z komputerem. Pozwala to na wyświetlanie aktywności EMG podczas korzystania z suchych elektrod EMG, które również mogą być utrudnione w leju protetycznym.
SensorHand Speed	Ottobock Healthcare, Duderstadt, Niemcy		Wszyscy pacjenci używali tej dostępnej na rynku protezy mioelektrycznej jako standardowego urządzenia protetycznego oraz podczas testów funkcjonalnych. Dopasowanie pacjentów poddawanych tej procedurze nie ogranicza się jednak do tego urządzenia.
Standardowy laptop z systemem			Zazwyczaj urządzenia do biofeedbacku EMG podłączone do komputera nie wymagają dużej mocy obliczeniowej i dlatego działają na każdym zwykłym laptopie
TeleMyo 2400T G2	Noraxon, US		Powierzchniowy zestaw biofeedbacku EMG używany w naszym protokole, podłączony do TeleMyo-Software, który wyświetla zarejestrowaną aktywność EMG w postaci kolorowych wykresów na ekranie komputera
mokre elektrody EMG	Elektrody	samoprzylepne Ambu Ambu Blue Sensor VL	Te elektrody samoprzylepne mogą być używane w połączeniu z wieloma różnymi urządzeniami do biofeedbacku EMG, w tym TeleMyo 2400T. Chociaż nie można ich łatwo przesuwać, mokre styki zwykle pozwalają również na wykrycie bardzo słabych sygnałów EMG.