Summary
Optimale funktionelle resultater efter Bionic rekonstruktion hos patienter med global brachialis plexus-skade afhænger af en struktureret rehabiliterings protokol. Overflade elektromyografisk guidet træning kan forbedre amplituden, adskillelsen og konsistensen af EMG-signaler, som-efter elektiv amputation af en funktionsløs hånd kontrol og køre en protes hånd.
Abstract
Hos patienter med global brachialis plexus-skade og mangel på biologiske behandlingsalternativer er der for nylig blevet beskrevet Bionic-genopbygning, herunder elektiv amputation af funktionsløs hånd og udskiftning med en ProTeam. Optimal protesfunktion afhænger af en struktureret rehabiliterings protokol, da residualmuskel aktivitet i en patients arm senere omsættes til protes funktion. Overflade Elektromyografi (sEMG) biofeedback er blevet anvendt under rehabilitering efter slagtilfælde, men har hidtil ikke været anvendt til patienter med komplekse perifere nerveskader. Her præsenterer vi vores rehabiliterings protokol implementeret hos patienter med globale brachialis plexus skader egnet til Bionic rekonstruktion, begyndende fra identifikation af sEMG signaler til den endelige proteser uddannelse. Denne strukturerede rehabilitering program letter motorisk relantering, som kan være en kognitivt invaliderende proces efter komplekse nerve rod avulsionsfrakturer skader, afvigende re-innervation og ekstra-anatomisk rekonstruktion (som det er tilfældet med nerve overførsel kirurgi). Rehabiliterings protokollen ved hjælp af sEMG biofeedback aids i etableringen af nye motoriske mønstre som patienter bliver gjort opmærksom på den fremrykkende re-innervation proces af målmuskler. Desuden kan svage signaler også uddannes og forbedres ved hjælp af sEMG biofeedback, hvilket gør en klinisk "ubrugelig" muskel (udstiller muskelstyrke M1 på British Medical Research Council [BMRC] skala) berettiget til behændige proteser hånd kontrol. Desuden, funktionelle resultat scores efter vellykket Bionic rekonstruktion er præsenteret i denne artikel.
Introduction
Globale brachialis plexus skader, herunder den traumatiske avulsionsfrakturer af nerve rødder fra rygmarven repræsentere en af de mest alvorlige nerveskader hos mennesker og normalt påvirkerunge, ellersraske patienter i prime of Life1,2 . Afhængig af antallet af nerve rødder avulsed, kan komplet øvre lemmer lammelse opstå, da Nerval forbindelsen fra hjernen til armen og hånden er forstyrret. Traditionelt har avulsionsfrakturer af nerve rødder været forbundet med dårlige resultater3. Med mikrokirurgiske nerve teknikker vinder terræn inden for de sidste årtier, er kirurgiske resultater blevet forbedret og nyttig motorisk funktion i skulderen og albuen er normalt restaureret4,5. Den iboende muskulatur i hånden, som ligger mest distally, typisk gennemgår fedtdegeneration resulterer i irreversibel atrofi før regenererende axoner kan nå det6. For sådanne tilfælde Bionic rekonstruktion, som omfatter elektiv amputation af funktionsløs "plexus" hånd og dens udskiftning med en mekatronisk hånd, er blevet beskrevet7,8. Residualmuskel aktivitet i en patients underarm, som kan være klinisk ubetydelig (isometriske sammentrækninger, M1 på British Medical Research Council [BMRC]-skalaen), er hentet fra transkutan elektroder, som fornemmer elektromyografisk aktivitet, hvilket er derefter oversat til forskellige bevægelser af en proteser hånd9.
Nok overflade elektromyografiske (sEMG) signaler kan være til stede ved første konsultation. I nogle tilfælde, dog, yderligere signaler skal etableres udfører selektiv nerve og muskel overførsler7. I begge tilfælde er en struktureret rehabiliterings protokol nødvendig for at sikre sEMG signal konsistens og efterfølgende optimal protes funktion ved afslutningen af processen. En stor udfordring efter nerve roden avulsionsfrakturer og afvigende re-innervation samt efter nerve overførsel kirurgi er etableringen af nye motoriske mønstre for at tillade fri kontrol over målmusklen. sEMG biofeedback metoder har været meget anvendt i rehabilitering af slagtilfælde10. Denne metode giver mulighed for direkte visualisering af muskuløs aktivitet, der ellers ville være ubemærket på grund af muskelsvaghed og/eller co-aktivering af antagonister. Derved tilskyndes patienterne til at træne deres svage muskler, samtidig med at de giver præcis feedback på den korrekte udførelse af motoriske opgaver11.
I en nylig publikation har vi for første gang vist, at sEMG biofeedback også kan anvendes til rehabilitering af komplekse perifere nerveskader12. Vi mener, at sEMG biofeedback er en yderst nyttig metode til at gøre en patient opmærksom på den fremrykkende re-innervation proces efter nerve overførsel kirurgi. Også, svag muskel aktivitet, som tidligere ikke var til nogen nytte for patienten, kan være uddannet og styrket til senere protes kontrol ved hjælp af sEMG biofeedback, som giver mulighed for konkret visualisering af ellers ubemærket muskel aktivitet til både kliniker og patient . Uddannelsesforløbet kan derfor være godt beskrevet og dokumenteret. Desuden, brugen af direkte feedback på muskel aktivitet gør det muligt for klinikeren at korrelere forskellige motoriske kommandoer med den tilhørende signal amplitude og konsistens, at etablere de bedste motor strategier til at tillade robust proteser kontrol i fremtiden. Sammenfattende, målet med denne metode er at lette rehabiliteringsprocessen ved at øge en patients forståelse, bevidsthed og kontrol over hans/hendes sEMG signaler, som senere vil køre en protes hånd.
Protocol
Den kliniske gennemførelse af denne rehabiliterings protokol blev godkendt af den etiske komité for Medical University of Vienna (etisk stemme nummer: 1009/2014), Østrig og udført i overensstemmelse med de standarder, der er fastsat i Helsingfors-erklæringen. Alle patienter gav skriftlig informeret samtykke til at deltage i denne undersøgelse.
Bemærk: tidligere udgivelser af aszmann et al.7 og Hruby et al.8,13 er tilgængelige, der beskriver konceptet, behandlings algoritmen og psykosociale forudsætninger vedrørende Bionic rekonstruktion i stor detalje. Tabel over materialer referencer alle materialer og udstyr, der anvendes i den foreslåede rehabiliterings protokol.
1. patient vurdering ved første konsultation
- For alle trin i patientvurdering, rehabilitering og træning, finde et kontor eller eksamen værelse, hvor patienten er alene i en stille atmosfære uden forstyrrelser. Sørg for at have tilstrækkelig plads til at undersøge patienten og til at opsætte sEMG biofeedback-systemet.
- Få en detaljeret sagshistorik fra patienten, herunder skades mekanisme og første behandling, rapporter om tidligere nerve reparations operationer og subjektiv invaliditet i hverdagen.
- Overvej kun patienter for Bionic rekonstruktion med mislykket biologisk behandling alternativer (dvs., nerve reparation, nerve overførsler, sekundære rekonstruktioner resulterer i nytteløs øverste lemmer funktion). Udelukke patienter med samtidige skader på centralnervesystemet, ustabile frakturer i den berørte lemmer, ubehandlede og/eller modstandsdygtige mentale helbredsproblemer, stofmisbrug, manglende overholdelse og forpligtelse til at overholde en langvarig rehabilitering Program.
- Udfør en detaljeret klinisk undersøgelse med fokus på den aktuelle over ekstremitets funktion. Klinisk vurdere funktionen af alle større muskler i den berørte arm og hånd ved hjælp af BMRC grading skala.
- Vurder i et tværfagligt team bestående af rekonstruktive kirurger, ortopædiske kirurger, fytoster, psykologer og fysioterapeuter, om der er mulighed for biologiske behandlingsalternativer. Forklar patienten, at funktionaliteten af et myoelektrisk proteser på ingen måde kan sammenlignes med en biologisk hånd.
- Spørg patienten om hans/hendes motiver og perspektiver på Bionic rekonstruktion (se en tidligere publikation13 herunder den strukturerede interview med en psykolog til at vurdere, om en patient er psykosocialt egnet til at gå gennem processen med Bionic genopbygning).
- Vurdere, om Tinel tegn kan fremkaldt langs neurale akse af de store perifere nerver indikerer tilstedeværelsen af levedygtige axoner egnet til nerve overførsel kirurgi.
- Bortset fra patientens vurdering, også vagt skitsere en mulig tidslinje for hele processen, som afhænger af tilgængeligheden af detekterbare EMG signaler. Hvis andre indgreb, såsom psykologisk støtte, kropsholdning uddannelse, og/eller styrkelse af de resterende muskler er indiceret, starte dem så hurtigt som muligt.
2. identifikation af sEMG-signaler
- Oprette et system til sEMG biofeedback på et bord i et roligt rum. Dette kan være en enkeltstående enhed eller en, der er sluttet til en computer. Hvis der bruges en computer, tilsluttes EMG-enheden med computeren ved at tilslutte alle kabler og starte den relevante software på computeren.
- For at reducere impedans, forberede patientens hud ved omhyggeligt barbering den respektive kropsdel og/eller ved forsigtigt at fjerne døde hudceller med en peeling gel eller en våd papir håndklæde.
- Kort redegøre for funktionaliteten af EMG-enheden og tilhørende computer software til patienten.
- Placer patienten foran computerskærmen.
- Bed patienten om at tænke på håndbevægelser og samtidig forsøge at kontrakt musklerne beregnet til at udføre en bestemt handling (såsom udvidelse af håndleddet, at gøre en knytnæve, bøje tommelfingeren, etc.), selv om dette ikke vil resultere i reel bevægelse af hans funktionsløs Hånd. Palpere hans/hendes underarm for (svag) muskelsammentrækning.
- Placer en sEMG elektrode på den nøjagtige hudposition, hvor muskelsammentrækning kan palperes med fingeren, f. eks, på dorsale extensor rummet 5 cm distale til albueleddet, når de beder patienten om at tænke på at forlænge hans/hendes håndled og fingre.
Bemærk: mens sEMG-aktivitet kan påvises med våde og tørre elektroder, er tørre elektroderne forberedt til testning, da disse let kan flyttes på huden for at kontrollere, om der er optimale positioner. - Gentag den motor kommando, der anvendes før (dvs. forlængelse af håndled og fingre) for at fremkalde sammentrækning af musklen.
- Overhold EMG-signalet på computerskærmen, og se, om amplituden konsekvent øges, når patienten forsøger at indgå en kontrakt med musklen beregnet til at udføre en bestemt handling (dvs. udvidelse af håndled og fingre).
- Hvis amplituden ikke er høj nok (mindre end 2 − 3 gange baggrundsstøjen12) eller signalet er inkonsistent, kan du prøve andre motoriske kommandoer med samme elektrode position og se, om der er højere amplituder.
- Gentag proceduren for en anden muskel-eller muskel gruppe. For eksempel, flytte sEMG elektroden til volar aspekt af under armen, placere den på pronator teres muskel, og bede patienten om at forsøge at udtale hans/hendes underarm. Observere signalet på computerskærmen og se, om amplituden gentagne gange stiger, når patienten tænker på denne bevægelse.
Bemærk: hos nogle patienter er ingen muskel aktivitet håndgribelig. Her skal tre eller flere sEMG elektroder placeres på volar, dorsale og radial aspekt af under armen og forskellige motoriske kommandoer bør forsøges, nøje observere alle signaler for amplitude ændringer selv med de mindste ændringer i elektrode positionering ( Se figur 1).
Figur 1: skærmbillede af EMG-signaler på en computerskærm.
For at identificere EMG aktivitet, kan to eller flere elektroder placeres på en patients underarm beder ham/hende til at forsøge forskellige bevægelser. I dette specifikke tilfælde, elektroden på volar aspekt af under armen sanser EMG aktivitet som afspejlet ved den første, røde bølge vises på computerskærmen, når patienten forsøger at lukke hans/hendes hånd. Signal adskillelse i denne patient er tilfredsstillende, da det blå signal, som svarer til den anden elektrode placeret på Rygsiden aspekt af underarm, ikke når tærsklen. Når patienten tænker på at åbne hånden, amplituden af det blå signal overskrider tærsklen, mens det røde signal forbliver næsten inaktiv. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
- Prøv også motor kommandoer og elektrode positioner, der afviger fra den "normale" anatomi som afvigende re-innervation og ekstra-anatomiske rekonstruktioner som i nerve overførsler har ændret neurale input til delvist denerveres muskler.
- Hvis der ikke findes nogen muskel aktivitet i under armen, gentages proceduren på overarmen og skulder bæltet.
Bemærk: hos nogle patienter findes der ingen sEMG-signaler. I disse, nerve og muskel overførsler skal udføres for at etablere nye EMG signal sites (den detaljerede kirurgiske koncept kan findes andetsteds7), forsinke signal træning for 6 − 9 måneder. For behændige proteser hånd kontrol er der behov for mindst to adskilte EMG-signaler.
3. sEMG-guidet signal træning
Bemærk: træningssessioner for sEMG-guidet signal træning bør ikke overstige 30 min, da dette fører til muskeltræthed, hvilket hæmmer vellykket motorisk indlæring. De beskrevne trin skal gentages over en længere periode for at sikre en god neuromuskulær koordination efter behov på et senere tidspunkt for pålidelig proteser kontrol.
- Så snart to eller flere EMG-signaler er blevet identificeret, skal patienten tilskyndes til at aktivere dem skiftevis (Se figur 2A). For at kunne køre en protes pålideligt skal de uafhængige EMG-signaler styres uden interferens.
- Juster spændings gevinsten for hvert signal uafhængigt for at opnå en lignende amplitude tærskel for alle signaler under træningen, hvilket vil gøre signal adskillelse og forståelighed lettere for patienten.
- Gentag og Forklar patienten mekanikken i en protes hånd: let muskelsammentrækning vil i sidste ende føre til forbedret signal adskillelse og skal foretrækkes over muskelstyrke, dvs.
Figur 2: sEMG-guidet rehabilitering for patienter med Bionic hånd genopbygning.
(A) med direkte visualisering af muskel aktivitet, kan forskellige motor kommandoer blive forsøgt at identificere den højeste EMG amplitude over en bestemt Target muskel og forskellige signal positioner kan sammenlignes. B) ved hjælp af en bord topprotes er EMG-aktiviteten i en patients arm direkte oversat til protesfunktion. (C) montering af en hybrid protelle hånd giver patienten mulighed for at visualisere og forstå fremtidig proteser hånd brug. D) efter proteser kan EMG-signaler uddannes og optimeres enten med semg biofeedback eller med selve protes hånden. Dette tal er blevet ændret fra Sturma et al.12 og gengivet med tilladelse fra grænser i neurovidenskab. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
- Overhold EMG-signalerne på computerskærmen, og gør patienten opmærksom på, om de to signaler er co-aktiverede, når du forsøger en bestemt bevægelse. Forklar patienten, at to signaler ikke bør være co-aktiverede under forsøget på en specifik handling, da hvert EMG-signal er knyttet til en specifik protes handling. Co-aktiverede signaler vil derfor ikke resultere i den handling, som patienten ønskede.
- Instruer patienten til at prøve forskellige (små) bevægelser og observere, hvilke præcise bevægelsesmønstre er de bedste med hensyn til signal adskillelse. Tilskynd patienten til at træne disse bevægelser.
- Lad patienten vide, at perfekt signal adskillelse er usandsynligt i begyndelsen af uddannelsen, men vil forbedre med et stort antal gentagelser.
Forsigtig: Lad faser af afslapning som muskelstyrke kan falde hurtigere hos patienter med komplekse nerveskader og svag myoactivity. - Med forbedret signal konsistens, instruere patienten til at generere en højere signal amplitude for yderligere at styrke musklen og dens signal.
- Med ensartet EMG-signal separation og solid kontrol skal du installere en bord top-protes, der er forbundet med den tilsvarende EMG-software og elektroderne placeret på patientens underarm/arm. Dette vil direkte oversætte EMG-aktiviteten til mekanisk proteser funktion (Se figur 2B og figur 3).
Figur 3: patient foran en bord top protesen og screenshot af hans to signaler på en computerskærm.
På patientens underarm, to elektroderne Sense EMG aktivitet. Disse to signaler vises som farvekodede grafer på computerskærmen (rød og blå) og er samtidig oversat til proteser, hvilket giver patienten mulighed for at forstå forholdet mellem signalkvalitet og proteser kontrol. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
- Uddanne patienten, at myoelectric proteser med direkte kontrol brugerinput af en elektrode (dvs., den muskuløse aktivitet detekteret fra en elektrode) til at styre en protesfri bevægelse.
- Gør patienten opmærksom på sammenhængen mellem signalens udseende (for det meste amplitude højde) på computerskærmen og hastigheden/styrken af den proteser bevægelse, hvis en anordning med proportional kontrol af bevægelseshastigheden er valgt.
Bemærk: afhængigt af antallet af tilgængelige EMG-signaler og frihedsgraderne for den endelige proteser kan det være nødvendigt at anvende metoder til at skifte mellem disse frihedsgrader. En hyppigt anvendt metode til at skifte mellem frihedsgrader (f. eks hånd åben/tæt på pronation/supination) er via den samtidige sammentrækning af to muskler, også kendt som co-sammentrækning14. - Tog Co-sammentrækning. Lad patienten observere EMG-signalerne på computerskærmen og protesen. Hvis proteser ikke bevæger sig, dvs åbne/lukke under Co-sammentrækning, patienten gør det korrekt.
4. hybrid hånd montering og proteser træning
- Markér elektrode positionerne på patientens hud, som er blevet defineret som optimale til pålidelig protese kontrol, og lad en ortopædisk tekniker fremstille en foreløbig protese sokkel designet med disse nøjagtige elektrode positioner.
- Monter en hybrid protese hånd med den individuelt tilpassede sokkel på eller under den funktionsløs "plexus"-hånd (Se figur 2C).
- Samtidig køre EMG softwareprogram til at gøre patienten opmærksom på hans/hendes handlinger.
- Skiftevis træne forskellige proteser bevægelser. Elektroder kan også placeres på tilstødende muskler langs overarmen og skulder bælte for at undgå ubevidste sammentrækninger, hvilket vil føre til træthed i hele øvre lemmer med øget slid gange.
- Start med simple proteser bevægelser (kun åbne/lukke hånden uden nogen Co-sammentrækning) med vægten af proteser enhed understøttes.
- Gå videre til simple proteser bevægelser i forskellige arm positioner, såsom albuen bliver forlænget eller bøjet skiftevis. Gør patienten opmærksom på signal uoverensstemmelser, når du justerer de forskellige arm-positioner og togsignal konsistens i alle positioner.
Bemærk: efter spontan nerve Regeneration forekommer utilsigtet Co-aktivering af forskellige muskel-eller muskelgrupper ofte på grund af afvigende re-innervation, som kan hæmme koordinerede bevægelser og deaktivere passende muskel aktiviteter15. Svag utilsigtet muskelsammentrækning opstår ofte, når du flytter armen, som er fornemmede af sEMG sensorer og oversat til proteser bevægelse. Dette kan resultere i dårlig protes kontrol, hvis ikke tilstrækkeligt behandlet under rehabilitering ved hjælp af EMG uddannelse og muskelstyrke som beskrevet nedenfor. - I tilfælde af besværlige proteser kontrol i forskellige arm positioner, grundigt observere EMG signaler på computerskærmen og påpege over for patienten, i hvilken arm position utilsigtet sammentrækning af en eller flere muskler fører til signal udflugt. Træne præcis aktivering af EMG-signaler i positioner, som patienten stadig kan håndtere og langsomt ændre armpositionen over tid.
- Udfør styrketræning for albue flexorer (og skulder muskler, hvis relevant), hvis Co-aktivering af musklerne, der anvendes til proteser kontrol observeres under løft af armen. Forklar patienten, at en stærkere muskel (dvs. en muskel, der ikke arbejder med sin maksimale frivillige kraft under simple løfte opgaver) normalt også bidrager til en bedre adskillelse af signalerne. Også udføre styrketræning, hvis de øvre lemmer muskler er for svage til at flytte proteser enhed i tre-dimensionelle rum og/eller stabilisere skulderen, mens du gør det.
- Fortsæt med enkle greb opgaver, såsom picking up små kasser og manipulere små objekter (Se figur 2C).
- Endelig træne enkle opgaver daglig leve som at åbne en dør, folde et håndklæde eller åbne en flaske.
Bemærk: mange opgaver kan være begrænset på grund af det faktum, at den paralyserede hånd kommer i vejen, og enheden kan føle sig temmelig tung, da patienten har til at løfte vægten af hans/hendes egen hånd ud over den hybride proteser hånd.
- Hvis signalkvaliteten er utilstrækkelig, kan det være en fordel at gå tilbage til signal træning på computerskærmen. I alle opgaver specifikt kigge efter Co-aktivering af signaler på computerskærmen og yderligere forbedre signal uafhængighed.
- Vurder funktionen overekstremiteter ved hjælp af hybrid proteser-hånd og Optag video af testresultaterne. Derudover skal du bruge de samme vurderinger for den paralyserede hånd for at dokumentere den funktionelle fordel, som forventes af proteser udskiftning af funktionsløs hånd.
5. elektiv amputation og proteser hånd udskiftning
- Præcist planlægge graden af amputation afhængigt af stedet for de forskellige EMG signaler (transradiale, transhumeral eller, i sjældne tilfælde, glenohumeral) i det tværfaglige team bestående af patientens fysioterapeut/EMG træner, den kirurg, der er ansvarlig for amputation og psykologen fortrolig med patientens forventninger.
- Spørg patienten, hvis han/hun har nogen uafklarede spørgsmål vedrørende den planlagte amputation og klart meddele, at det er muligt på ethvert tidspunkt forud for amputation at tilbagekalde denne beslutning, som ellers vil resultere i en irreversibel og livsændrende kirurgi.
- Udføre den standardiserede vurdering af over ekstremitets funktion ved hjælp af funktionsløs hånd og video-tape resultaterne
- Udfør den standardiserede vurdering af over ekstremitets funktion ved hjælp af hybrid proteser hånd og video-tape resultaterne til at dokumentere fordelene ved en fremtidig proteser montering.
- Udføre elektiv amputation af funktionsløs lemmer som beskrevet tidligere7,8.
- Tillad postoperativ sårheling og lad patienten træne tilstødende led for at forbedre mobiliteten i de øvre ekstremiteter. Efter 4 − 6 uger skal du træne EMG-signalerne som beskrevet ovenfor og definere de bedste hotspots for elektrode positioner.
Bemærk: disse elektrode positioner og motor kommandoer kan afvige en smule fra dem, der findes før amputation. - Lad en ortopædisk tekniker designe den endelige protese sokkel ved hjælp af de tidligere definerede EMG elektrode positioner (Se figur 4, der illustrerer et muligt sokkel design i en af de inkluderede patienter).
Bemærk: selv om der ikke er nogen specifik sokkel design anbefales, den nøjagtige placering af elektroderne og deres vedhæftning til stump hud er af allerstørste betydning som brachialis plexus patienter har en stort set reduceret Neuro-muskuløs grænseflade.
Figur 4: eksempel på en mulig proteser og sokkel design.
A) denne patients protesen består af en ydre kappe af kulstof. (B) i stedet for en protetisk hånd, foretrækker patienten at bruge en krog, som åbner og lukker, som et gribe værktøj. (C, D) De to elektroder er integreret i protesen. Patienten bærer en silikone foring med to huller i det, så direkte hudkontakt med de to elektroder (ikke vist). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
- Start proteser træningen.
- Igen, start med enkle proteser bevægelser (kun åbne/lukke hånden uden nogen Co-sammentrækning) med vægten af den protetiske anordning understøttes.
- Gå videre til simple proteser bevægelser i forskellige arm positioner, såsom albuen bliver forlænget eller bøjet skiftevis.
- Fortsæt med enkle gribe opgaver, såsom picking up små kasser og manipulere små objekter (Se figur 2D).
- Endelig tog aktiviteter i dagligdagen, igen begyndende med ret simple opgaver (som at åbne en dør) og langsomt tilføje kompleksitet og opgaver, som patienten anser for relevante for hans/hendes specifikke livssituation.
- Tre måneder efter proteser skal du gentage den standardiserede vurdering af over ekstremitets funktion ved hjælp af den proteser hånd og optage en video af resultaterne.
Representative Results
Hos seks patienter med svære brachiale plexus-læsioner, herunder flere nerve rødder avulsioner, blev den præsenterede rehabiliterings protokol med sEMG biofeedback gennemført med succes. Detaljerede patientkarakteristika findes i tabel 1. Figur 2 viser de forskellige faser i den strukturerede rehabiliterings protokol og detaljerede forklaringer om dens gennemførelse.
For at demonstrere forbedringer i hånd funktionen før og efter den bioniske genopbygning blev der udført en standardiseret vurdering af den globale øvre ekstremitet funktion på to tidspunkter: før elektiv amputation af den funktionsløs "plexus"-hånd og efter vellykket proteser rekonstruktion og rehabilitering. Action Research arm test (ARAT) blev oprindeligt udviklet til at vurdere den globale øvre ekstremitet motorisk funktion hos patienter med kognitiv svækkelse af hånd kontrol16. Den standardiserede tilgang af Yozbatiran et al.17 blev brugt i vores studier. ARAT består af fire forskellige sektioner, som omfatter opgaver tæt på dagligdagen. Testen er timet af observatøren, der også satser opgavens ydeevne fra 0 − 3, med 3 indikerer normal funktion. Maksimalt 57 Point er opnåelige, hvilket indikerer, at motor funktionen16ikke er svækket. Antallet af behandlingssessioner med sEMG biofeedback og detaljerede resultater for hver patient kan findes i tabel 2.
Selv om patienttilfredsheden med den tilbudte rehabiliterings protokol ved hjælp af sEMG biofeedback ikke blev målt direkte, rapporterede alle seks patienter, at det var yderst nyttigt at forstå reinnervations processen efter nerve overførings kirurgi og at træne sammentrækning af muskler med meget svag aktivitet, der tidligere var uden klinisk brug for dem.
| Sagsnummer | Køn, alder (år) | Type af ulykke | Type af læsion | Operationer til forbedring af bioteknologiske grænseflade efter indledende rekonstruktioner har undladt at forbedre hånd funktion | |
| 1 | m, 32 | Fald fra højden | Avulsion af C7 − T1; trækkraft skade af den infraclavicular plexus | Elektiv amputation af underarm | |
| 2 | m, 32 | Motorcykel ulykke | Ruptur af alle 3 trunci af BP | Gratis gracilis muskel overført til underarm extensor rum & Neuro tisering af dybe gren af radial nerve til Obturator nerve; elektiv amputation af underarm | |
| 3 | m, 55 | Motorcykel ulykke | Avulsion af C5 − T1 | Elektiv amputation af overarm | |
| 4 | m, 38 | Motorcykel ulykke | Omfattende beskadigelse af rødder C5 − C8; avulsionsfrakturer af T1 | Elektiv amputation af underarm | |
| 5 | m, 27 | Motorcykel ulykke | Avulsion C8 − T1 | Elektiv amputation af underarm | |
| 6 | m, 43 | Motorcykel ulykke | Avulsion af C6 − T1 | Overførsel af triceps muskel til infraspinatous fossa og overførsel af biceps muskel til supraklavikale fossa at forbedre proteser montering; Elektiv amputation af armen (skulder exartikulation) | |
Tabel 1: patientens egenskaber. Hos alle patienter blev Bionic rekonstruktion initieret på grund af manglende gennemførlighed af biologiske behandlingsalternativer. Operationer til at etablere EMG signaler i forgrunden-og overarmen kan omfatte selektiv nerve og muskel overførsler, som derefter vil køre en myoelectric proteser hånd. Elektiv amputation udføres enten på et transradialt eller transhumtivt niveau, afhængigt af rest muskelaktiviteten. Alle selektive nerve overførsler udført i denne patientgruppe var vellykkede. Denne tabel er blevet ændret fra Sturma et al.12 og gengivet med tilladelse fra grænser i neurovidenskab.
| Sagsnummer | ARAT ved baseline | ARAT hos follow-up | Påbegyndelse af sEMG træning | Antal terapi sessioner i alt (30 min hver) | |
| 1 | 7 | 35 | Umiddelbart efter første konsultation | 24 | |
| 2 | 0 | 15 | Uddannelse med ét signal umiddelbart efter første konsultation andet signal var til rådighed 9 måneder efter gratis gracillis overførsel + nerve overførsel | 30 | |
| 3 | 0 | 19 | Umiddelbart efter første konsultation | 16 | |
| 4 | 1 | 22 | Umiddelbart efter første konsultation | 20 | |
| 5 | 9 | 42 | Umiddelbart efter beslutningen om at sigte mod en Bionic rekonstruktion som biologisk genopbygning mislykkedes | 20 | |
| 6 | 0 | 17 | Umiddelbart efter første konsultation | 22 | |
| Gennemsnit (± SD) | 2,83 ± 4,07 | 25,00 ± 10,94 | 22 ± 4,32 | ||
Tabel 2: ARAT-scorer og antal behandlingssessioner. I armen test af aktionsforskning (ARAT) udviste patienterne i første omgang ubetydelig funktion for overekstremiteter (gennemsnit 2,83, højst 57 Point opnåelige). Nyttig funktion blev genoprettet efter Bionic rekonstruktion (gennemsnit 25,00, af 57). Denne tabel er blevet ændret fra Sturma et al.12 og gengivet med tilladelse fra grænser i neurovidenskab.
Discussion
Biofeedback tilgange har været meget anvendt i rehabilitering af flere neuromuskulære lidelser, lige fra (Hemi)-plegic betingelser som følge af centrale patologier såsom hjerneblødning og slagtilfælde18,19 til forskellige muskuloskeletale degeneration eller skader og deres kirurgiske behandling20,21,22. Interessant, konceptet med struktureret biofeedback er ikke blevet implementeret i klinisk praksis for perifere nerveskader. Men netop i rehabilitering af komplekse nerveskader, praksis, gentagelse, og strukturerede træningsprogrammer med passende biofeedback er nødvendige for at etablere korrekte motoriske mønstre23.
Her, og i en tidligere undersøgelse12, præsenterede vi en struktureret rehabiliterings protokol ved hjælp af semg biofeedback til patienter med mangel på biologisk behandling alternativer berettiget til proteser hånd udskiftning, et koncept i dag kendt som Bionic Genopbygning. Den mest indlysende fordel ved at anvende en sEMG biofeedback-opsætning i forbindelse med Bionic-genopbygning skyldes den nøjagtige definition af sEMG-hotspots, nemlig hudplaceringer, hvor en relativ høj amplitude af EMG-aktivitet kan måles transcutantant. Forskellige motor kommandoer kan forsøges skiftevis, da sensorerne let kan bevæges langs hele underarm, og-i tilfælde af manglende detekterbar muskelfunktion i under armen-også i overarmen og skulder bælte. Når en patient bliver bedt om at forsøge at kontrakt de muskler, der er beregnet til at udføre en bestemt handling (såsom at forlænge håndleddet), kan en elektrode placeres, hvor (svag) muskelsammentrækning er palperes af eksaminatoren. Observere EMG signal på computerskærmen, kan man nemt afgøre, om signalet amplitude konsekvent stiger, når patienten forsøger at kontrakt denne muskel. Hvis amplituden ikke er høj nok, eller signalet er inkonsistent, kan der forsøges andre motoriske kommandoer med samme elektrode position. Som modstander af nål EMG, denne procedure er ikke-invasiv, ikke smertefuld og kan gentages for alle muskler/muskelgrupper i armen. Afprøvning af forskellige motoriske kommandoer på forskellige muskel placeringer gør det muligt at identificere EMG-hotspots med den højeste amplitude og reproducerbare aktivitet, der er forbundet med en specifik motor handling. Efter identificering af de stærkeste EMG-signaler kan disse trænes ved hjælp af sEMG biofeedback med hensyn til signal adskillelse (samtidig aktivering af to eller flere EMG-signaler må ikke forekomme på computerskærmen), signalstyrke (reflekteres af EMG-signalets amplitude på computerskærmen) og signal reproducerbarhed (hvert forsøg på at kontrakt musklen skal føre til en udflugt af den respektive EMG signal). På et senere stadium af træningen er EMG-aktiviteten direkte oversat til protese funktion, først ved hjælp af en bord topprotese (jf. figur 3), som giver yderligere feedback til patienten, der giver mulighed for finjustering af grebet styrke, og derefter iført fysiske proteser.
I konventionelle amputerede, har en enorm mængde litteratur vist, at målrettede-muskel-reinnervation (TMR), dvs kirurgisk overførsel af resterende arm nerver til alternative muskel steder i brystet og øvre arm, forbedrer proteser funktion, da disse re-innerverede muskler tjene som biologiske forstærkere af intuitive motor kommandoer og give fysiologisk passende EMG signaler til proteser hånd, håndled og albue kontrol24,25,26,27 . Ved hjælp af mønster-anerkendelse styresystemer, EMG data ekstraheret fra talrige sEMG signaler placeret over huden af disse re-innerverede muskler kan afkodes og oversættes til specifikke, reproducerbare motor udgange, som giver mere pålidelig myoelectric kontrol af proteser28,29,30. Fordi antallet af EMG signal sites og myoelectric aktivitet af musklerne hos patienter med brachialis plexus avulsionsfrakturer skade er meget begrænset, mønster anerkendelse algoritmer kan ikke anvendes som det er gjort for konventionelle amputerede8. Stadig, med yderligere forskning og forbedret teknologi, disse systemer kan være i stand til at udtrække mere information om de eksisterende svage muskler signaler og derfor forbedre proteste funktion også i denne ejendommelige patientgruppe.
Mens den præsenterede protokol betragtes som en retningslinje, skal detaljerne tilpasses afhængigt af patienten og det tilgængelige udstyr. På grund af afvigende re-innervation opstår efter sådanne nerveskader, motor kommandoer ikke nødvendigvis resultere i aktivering af anatomisk "korrekte" muskler12. For eksempel, forfatterne observeret EMG aktivitet på underarm flexor rum, mens patienterne forsøgte at åbne deres hånd. Derfor bør forskellige motor kommandoer testes for at identificere EMG-signaler. Desuden kan residualmuskulatur funktionen (selv om den i alle tilfælde er for svag til at generere nyttige håndbevægelser) i vidt omfang variere på tværs af patienterne og forårsage variationer i den krævede uddannelsestid som vist i tabel 2. Yderligere, valget af proteser anordning og antallet af elektroder anvendes til kontrol ændre kravene til præcision af signal adskillelse, signal amplitude og behovet for Co-sammentrækning. Alt dette skal tages i betragtning under signal træning, hybrid proteser træning og faktisk protese træning, da det også anbefales i standard proteser træning af amputerede31. Med hensyn til de anordninger, der anvendes til sEMG biofeedback-træning, betragter forfatterne udstyr, der er egnet, hvis de samtidig kan vise det antal signaler, der er nødvendige for protese kontrol, give feedback i realtid og kan enten tilsluttes en computer eller skærm signalerne på en skærm. Enheder, der tillader justering af signal forstærkning under træningen, foretrækkes.
Efter genoptræning var alle patienter i stand til at bruge deres proteser under daglige aktiviteter og var tilfredse med beslutningen om at få deres funktionmindre hånd erstattet med en protese anordning12. Denne funktionelle forbedring afspejledes af betydelige stigninger i middelværdien af ARAT-scorer fra 2,83 ± 4,07 til 25,00 ± 10,94 (p = 0,028).
Fra vores perspektiv præsenterer sEMG biofeedback set-ups værdifulde værktøjer til at lette den kognitivt krævende proces med motor opsving forbundet med nerveskade og Bionic rekonstruktion. Identifikationen af optimal EMG elektrode positionering og afprøvning af forskellige motoriske kommandoer med direkte visualisering af muskel aktivitet er meget forenklet ved hjælp af sEMG biofeedback i et klinisk set-up. Selv om semg biofeedback også kan anvendes til rehabilitering af den biologiske over ekstremitets funktion10,12, anses dens anvendelse i processen med Bionic-genopbygning for at være særlig effektiv. Vigtigst er det, at sEMG-signalerne, der aktiveres under træningen, senere afspejler elektrode positionerne i den proteser sokkel, som er individuelt tilpasset til hver patient. Derfor vil gentagen aktivering af disse signaler under træningen sandsynligvis øge fremtidig proteser håndtering og manuel kapacitet. Direkte visualisering af denne muskel aktivitet giver også en patient til at forstå begrebet myoelectric Hand Control og han/hun kan følge træningen fremskridt mere bevidst.
I fremtiden kan vores præsenterede rehabiliterings protokol udvides med mere avancerede værktøjer til at forbedre funktionelle resultater. Dette kan omfatte high density semg-optagelser for at lette processen med elektrodeplacering via aktiverings varmekort32, yderligere virtuelle løsninger til at evaluere EMG Activity30,33og seriøse spil for at forbedre træningen motivation34. Desuden kan nye teknologier til protelle kontrol, såsom mønstergenkendelse algoritmer også anvendes28,30,35. På grund af den reducerede Neuro muskuløse grænseflade er det imidlertid ikke klart, om de kommercielt tilgængelige systemer, der er konstrueret til ellers raske amputerede, i væsentlig grad ville forbedre den proteser funktion i denne specifikke patientgruppe. Fremtidige undersøgelser bør evaluere anvendeligheden og fordelene ved de anførte nye teknologier til rehabilitering af patienter med svære brachiale plexus-skader. Desuden vil kontrollerede forsøg med højere patient numre også gøre det muligt at påvise de positive virkninger af den nuværende protokol ved hjælp af sEMG biofeedback med et højere evidensniveau.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Denne undersøgelse blev finansieret af Christian Doppler Research Foundation fra det østrigske råd for forskning og teknologisk udvikling og det østrigske Forbundsministerium for videnskab, forskning og økonomi. Vi takker Aron Cserveny for forberedelsen af de illustrationer, der indgår i manuskriptet, og for grænserne i Neurovidenskaben for tilladelse til at gengive de data, der er præsenteret i den oprindelige artikel12.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. |
References
- Bertelli, J. A., Ghizoni, M. F. Results and current approach for Brachial Plexus reconstruction. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 6 (1), 2 (2011).
- Birch, R.
- Narakas, A. O. The treatment of brachial plexus injuries. International Orthopaedics. 9 (1), 29-36 (1985).
- Terzis, J. K., Barbitsioti, A. Primary restoration of elbow flexion in adult post-traumatic plexopathy patients. Journal of Plastic, Reconstructive & Aesthetic Surgery. 65 (1), 72-84 (2012).
- Tung, T. H., Mackinnon, S. E. Nerve Transfers: Indications, Techniques, and Outcomes. The Journal of Hand Surgery. 35 (2), 332-341 (2010).
- Terzis, J. K., Vekris, M. D., Soucacos, P. N.
- Aszmann, O. C., et al. Bionic reconstruction to restore hand function after brachial plexus injury: a case series of three patients. Lancet. 385 (9983), 2183-2219 (2015).
- Hruby, L. A., et al. Algorithm for bionic hand reconstruction in patients with global brachial plexopathies. Journal of Neurosurgery. 127 (5), 1163-1171 (2017).
- Bergmeister, K. D., et al. Broadband Prosthetic Interfaces: Combining Nerve Transfers and Implantable Multichannel EMG Technology to Decode Spinal Motor Neuron Activity. Frontiers in Neuroscience. 11, 421 (2017).
- Kim, J. H. The effects of training using EMG biofeedback on stroke patients upper extremity functions. Journal of Physical Therapy Science. 29 (6), 1085-1088 (2017).
- Merletti, R. P. P. Electromyography: Physiology, Engineering, and Non-Invasive Applications. , Wiley IEEE-Press Verlag. (2004).
- Sturma, A., Hruby, L. A., Prahm, C., Mayer, J. A., Aszmann, O. C. Rehabilitation of Upper Extremity Nerve Injuries Using Surface EMG Biofeedback: Protocols for Clinical Application. Frontiers in Neuroscience. 12, 906 (2018).
- Hruby, L. A., Pittermann, A., Sturma, A., Aszmann, O. C. The Vienna psychosocial assessment procedure for bionic reconstruction in patients with global brachial plexus injuries. PLoS ONE. 13 (1), 0189592 (2018).
- Vujaklija, I., Farina, D., Aszmann, O. New developments in prosthetic arm systems. Orthopedic Research and Reviews. 8, 31-39 (2016).
- Shin, Y. B., Shin, M. J., Chang, J. H., Cha, Y. S., Ko, H. Y. Effects of Botulinum Toxin on Reducing the Co-contraction of Antagonists in Birth Brachial Plexus Palsy. Annals of Rehabilitation Medicine. 38 (1), 127-131 (2014).
- Lyle, R. C. A performance test for assessment of upper limb function in physical rehabilitation treatment and research. International Journal of Rehabilitation Research. 4 (4), 483-492 (1981).
- Yozbatiran, N., Der-Yeghiaian, L., Cramer, S. C. A standardized approach to performing the action research arm test. Neurorehabilitation and Neural Repair. 22 (1), 78-90 (2008).
- Giggins, O. M., Persson, U. M., Caulfield, B.
- Rayegani, S. M., et al. Effect of neurofeedback and electromyographic-biofeedback therapy on improving hand function in stroke patients. Topics in Stroke Rehabilitation. 21 (2), 137-151 (2014).
- Pfeufer, D., et al. Training with biofeedback devices improves clinical outcome compared to usual care in patients with unilateral TKA: a systematic review. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 27 (5), 1611-1620 (2018).
- Huang, H., Lin, J. J., Guo, Y. L., Wang, W. T. J., Chen, Y. J. EMG biofeedback effectiveness to alter muscle activity pattern and scapular kinematics in subjects with and without shoulder impingement. Journal of Electromyography and Kinesiology. 23 (1), 267-274 (2013).
- Oravitan, M., Avram, C. The effectiveness of electromyographic biofeedback as part of a meniscal repair rehabilitation programme. Journal of Sports Science and Medicine. 12 (3), 526-532 (2013).
- Novak, C. B., von der Heyde, R. L. Evidence and techniques in rehabilitation following nerve injuries. Hand Clinics. 29 (3), 383-392 (2013).
- Dumanian, G. A., et al. Targeted reinnervation for transhumeral amputees: current surgical technique and update on results. Plastic and Reconstructive Surgery. 124 (3), 863-869 (2009).
- Kuiken, T. A., et al. Targeted muscle reinnervation for real-time myoelectric control of multifunction artificial arms. JAMA. 301 (6), 619-628 (2009).
- Miller, L. A., et al. Control of a six degree of freedom prosthetic arm after targeted muscle reinnervation surgery. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 89 (11), 2057-2065 (2008).
- Kuiken, T. A., et al. Targeted reinnervation for enhanced prosthetic arm function in a woman with a proximal amputation: a case study. Lancet. 369 (9559), 371-380 (2007).
- Scheme, E., Englehart, K. Electromyogram pattern recognition for control of powered upper-limb prostheses: state of the art and challenges for clinical use. Journal of Rehabilitation Research & Development. 48 (6), 643-659 (2011).
- Simon, A. M., Lock, B., Stubblefield, K. A. Patient training for functional use of pattern recognition-controlled prostheses. Journal of Prosthetics and Orthotics. 24 (2), 56-64 (2012).
- Simon, A. M., Hargrove, L. J., Lock, B. A., Kuiken, T. A. Target Achievement Control Test: evaluating real-time myoelectric pattern-recognition control of multifunctional upper-limb prostheses. Journal of Rehabilitation Research & Development. 48 (6), 619-627 (2011).
- Johnson, S. S., Mansfield, E.
- Kapelner, T., et al. Motor Unit Characteristics after Targeted Muscle Reinnervation. PLoS ONE. 11 (2), 0149772 (2016).
- Sturma, A., et al. A surface EMG test tool to measure proportional prosthetic control. Biomedizinische Technik. Biomedical Engineering. 60 (3), 207-213 (2015).
- Prahm, C., Kayali, F., Sturma, A., Aszmann, O. PlayBionic: Game-Based Interventions to Encourage Patient Engagement and Performance in Prosthetic Motor Rehabilitation. PM&R. 10 (11), 1252-1260 (2018).
- Roche, A. D., et al. A Structured Rehabilitation Protocol for Improved Multifunctional Prosthetic Control: A Case Study. Journal of Visualized Experiments. (105), e52968 (2015).
