Summary
Оптимальные функциональные исходы после бионической реконструкции у пациентов с глобальной травмой плечевого сплетения зависят от структурированного протокола реабилитации. Поверхностная электромиографическая тренировка может улучшить амплитуду, разделение и согласованность сигналов ЭМГ, которые - после факультативной ампутации бесфункционной руки - контролируют и управляют протезной рукой.
Abstract
У пациентов с глобальной травмой брахиального сплетения и отсутствием биологических альтернатив лечения недавно была описана бионическая реконструкция, включая факультативную ампутацию бесфункционной руки и ее замену протезом. Оптимальная протезная функция зависит от структурированного протокола реабилитации, так как остаточная мышечная активность в руке пациента впоследствии переводится в протезную функцию. Поверхностная электромиографическая (sEMG) биологическая обратная связь была использована во время реабилитации после инсульта, но до сих пор не используется у пациентов со сложными повреждениями периферических нервов. Здесь мы представляем наш реабилитационный протокол, реализованный у пациентов с глобальными травмами плечевого сплетения, пригодными для бионической реконструкции, начиная от идентификации сигналов сЕМГ до окончательного протезирования. Эта структурированная программа реабилитации облегчает двигательное переобучение, которое может быть когнитивно изнурительным процессом после сложных травм авульсии корневого корня нерва, аномальной реиннервации и экстраанатомической реконструкции (как в случае с переносом нерва хирургическое вмешательство). Протокол реабилитации с использованием sEMG биологической обратной связи средств в создании новых моделей двигателя, как пациенты в настоящее время осведомлены о продвижении процесса повторного иннерванции целевых мышц. Кроме того, слабые сигналы также могут быть обучены и улучшены с помощью sEMG биологической обратной связи, что делает клинически "бесполезные" мышцы (выставляя мышечную силу M1 по шкале Британского медицинского исследовательского совета) право на ловкий протез управления рукой. Кроме того, функциональные результаты после успешной бионической реконструкции представлены в этой статье.
Introduction
Глобальные травмы брахиального сплетения, включая травматические судороги нервных корешков из спинного мозга представляют собой один из самых тяжелых травм нерва у людей и, как правило, влияют на молодых, в противном случае здоровых пациентов врасцветежизни1,2 . В зависимости от количества нервных корней avulsed, полный паралич верхней конечности может возникнуть, так как нервная связь от мозга к руке и руке нарушается. Традиционно, отвращение нервных корешков было связано с плохими исходами3. С микрохирургических методов нерва набирает силу в течение последних десятилетий, хирургические результаты были улучшены и полезные двигательные функции в плече и локте, какправило,восстановлены4,5. Внутренняя мускулатура в руке, которая лежит наиболее дистически, как правило, подвергается жировой дегенерации в результате необратимой атрофии до регенерации аксонов может достичь его6. Для таких случаев бионическая реконструкция, которая включает в себя факультативную ампутацию бесфункционной «сплетения» руки и ее замену мехатронной рукой, была описана7,8. Остаточная мышечная активность в предплечье пациента, которая может быть клинически незначительной (изометрические сокращения, M1 по шкале Британского медицинского исследовательского совета), подхватывается из транскутанивных электродов, чувствительных к электромиографической активности, которая затем переведены в различные движения протезной руки9.
Достаточно поверхностных электромиографических сигналов (SEMG) может присутствовать при первичной консультации. В некоторых случаях, однако, дополнительные сигналы должны быть установлены выполнения селективного нерва и мышечных передач7. В любом случае, структурированный протокол реабилитации необходим для обеспечения согласованности сигнала sEMG и последующей оптимальной функции протезирования в конце процесса. Основной проблемой после авульсии корня нерва и аномальной реиннервации, а также после операции передачи нерва является создание новых моделей двигателя, чтобы вольный контроль над целевой мышцы. sEMG биологической обратной связи методы были широко использованы в реабилитации инсульта10. Этот метод позволяет напрямую визуализировать мышечную активность, которая в противном случае была бы незамеченной из-за мышечной слабости и/или совместной активации антагонистов. Это тем самым поощряет пациентов тренировать свои слабые мышцы, обеспечивая при этом точную обратную связь о правильном выполнении двигательных задач11.
В недавней публикации мы показали, в первый раз, что sEMG биологической обратной связи также могут быть использованы в реабилитации сложных периферических травм нерва12. Мы считаем, что sEMG биологической обратной связи является чрезвычайно полезным методом, чтобы пациент знал о продвижении процесса повторной иннервации после операции передачи нерва. Кроме того, слабая мышечная активность, которая ранее была не использовать для пациента, могут быть обучены и укреплены для последующего контроля протезов с помощью sEMG биологической обратной связи, что позволяет конкретной визуализации в противном случае незамеченной мышечной активности как клинициста и пациента . Таким образом, прогресс в области профессиональной подготовки может быть хорошо освоен и задокументирован. Кроме того, использование прямой обратной связи на мышечную активность позволяет врачу соотнести различные моторные команды с амплитудой сигнала и последовательности, создавая лучшие двигательные стратегии, чтобы обеспечить надежный протезный контроль в будущем. Таким образом, цель этого метода заключается в облегчении процесса реабилитации путем повышения понимания пациента, осведомленности и контроля его / ее sEMG сигналов, которые позже диск протезной рукой.
Protocol
Клиническое осуществление этого реабилитационного протокола было одобрено комитетом по этике Венского медицинского университета (этический номер голосования: 1009/2014), Австрия и осуществлено в соответствии со стандартами, установленными Хельсинкской декларацией. Все пациенты предоставили письменное информированное согласие на участие в этом исследовании.
ПРИМЕЧАНИЕ: Предыдущие публикации Aszmann et al.7 и Hruby et al.8,13 доступны, описывающие концепцию, алгоритм лечения и психосоциальные предпосылки относительно бионической реконструкции в мельчайших деталях. Таблица материалов содержит ссылки на все материалы и оборудование, используемые в предлагаемом протоколе реабилитации.
1. Оценка пациента после первичной консультации
- Для всех этапов оценки, реабилитации и обучения, найти офис или кабинет, где пациент находится один в спокойной атмосфере без помех. Убедитесь в том, чтобы иметь достаточно места для изучения пациента и создать систему биологической обратной связи sEMG.
- Получить подробную историю болезни от пациента, включая механизм травмы и первый уход, отчеты о предыдущих операций по ремонту нервов, и субъективной инвалидности в повседневной жизни.
- Рассмотрим только пациентов для бионической реконструкции с неудачными биологическими альтернативами лечения (т.е., восстановление нерва, нервные передачи, вторичные реконструкции в результате бесполезной функции верхних конечностей). Исключить пациентов с одновременным повреждением центральной нервной системы, нестабильными переломами пораженной конечности, необработанными и/или устойчивыми проблемами психического здоровья, наркоманией, несоблюдением и приверженностью длительной реабилитации Программа.
- Выполните детальное клиническое обследование, упором на текущую функцию верхней конечности. Клинически оцените функцию всех основных мышц пораженной руки и руки с помощью шкалы классификации BMRC.
- Оцените в многопрофильной команде, состоящей из реконструктивных хирургов, хирургов-ортопедов, физиотерапевтов, психологов и физиотерапевтов, возможны ли альтернативы биологического лечения. Объясните пациенту, что функциональность миоэлектрического протеза ни в коем случае не может сравниться с функцией биологической руки.
- Спросите пациента о его /ее мотивы и перспективы на бионической реконструкции (см. предыдущую публикацию13 в том числе структурированное интервью с психологом, чтобы оценить, является ли пациент психосоциально подходят, чтобы пройти через процесс бионической реконструкции).
- Оцените, могут ли признаки тинэля быть получены вдоль нервной оси основных периферических нервов, указывающих на наличие жизнеспособных аксонов, пригодных для операции по передаче нерва.
- Помимо оценки пациента, также смутно наметить возможные сроки всего процесса, который зависит от наличия обнаруживаемых сигналов ЭМГ. Если другие вмешательства, такие как психологическая поддержка, осанка подготовки, и / или укрепление остальных мышц указаны, начать их как можно скорее.
2. Идентификация сигналов СЭМГ
- Навлаживать систему биологической обратной связи sEMG на столе в тихой комнате. Это может быть автономное устройство или устройство, подключенное к компьютеру. Если используется компьютер, подключите устройство ЭМГ к компьютеру, подключив все кабели и запустите соответствующее программное обеспечение на компьютере.
- Чтобы уменьшить импеданс, подготовить кожу пациента, тщательно бритья соответствующей части тела и / или осторожно удаления мертвых клеток кожи с пилинг гель или мокрое бумажное полотенце.
- Кратко объясните пациенту функциональность устройства ЭМГ и связанного с ним компьютерного программного обеспечения.
- Расположите пациента перед экраном компьютера.
- Попросите пациента подумать о движениях рук и одновременно попытаться заразиться мышцами, предназначенными для выполнения определенного действия (например, расширение запястья, изготовление кулака, сгибание большого пальца и т.д.), даже если это не приведет к реальному движению его бесфункционев Руку. Палпатего его / ее предплечье для (слабых) сокращения мышц.
- Поместите электрод sEMG на точное положение кожи, где мышечное сжатие может быть пальпировано пальцем, например, на отсеке разгибателя на 5 см дистальный к локтевом суставу, когда просят пациента подумать о расширении его / ее запястья и пальцев.
ПРИМЕЧАНИЕ: В то время как активность sEMG может быть обнаружена с мокрыми и сухими электродами, сухие электроды подготовлены для тестирования, поскольку они могут быть легко перемещены на кожу, чтобы проверить оптимальное положение. - Повторите моторную команду, используемую ранее (т.е. расширение запястья и пальцев), чтобы вызвать сокращение мышц.
- Наблюдайте сигнал ЭМГ на экране компьютера и посмотрите, постоянно ли увеличивается амплитуда, когда пациент пытается заразиться мышцей, предназначенной для выполнения определенного действия (т.е. расширения запястья и пальцев).
- Если амплитуда недостаточно высока (менее 2–3 раз от фонового шума12)или сигнал несовместим, попробуйте другие моторные команды с тем же положением электрода и посмотрите, можно ли получить более высокие амплитуды.
- Повторите процедуру для другой группы мышц или мышц. Например, переместить электрод sEMG к volar аспект предплечья, поместив его на пронатор teres мышцы, и попросить пациента, чтобы попытаться pronating его / ее предплечье. Наблюдайте сигнал на экране компьютера и посмотрите, увеличивается ли амплитуда, когда пациент думает об этом движении.
ПРИМЕЧАНИЕ: У некоторых пациентов, не мышечная активность ощутима. Здесь три или более электродов сЕМГ следует размещать на волар, на ризном и радиальном аспекте предплечья, а также на различные моторные команды, внимательно следя за всеми сигналами для изменения амплитуды даже при малейших изменениях в позиционировании электрода ( см. Рисунок 1).
Рисунок 1: Скриншот сигналов ЭМГ на экране компьютера.
Для определения активности ЭМГ на предплечье пациента можно поместить два или более электродов, попросив его попытатьразличные движения. В данном конкретном случае электрод на volar аспекте предплечья чувствует активность ЭМГ, отраженную первой, красной волной, отображаемой на экране компьютера, когда пациент пытается закрыть свою руку. Разделение сигнала в этом пациенте удовлетворяет, в виду того что голубой сигнал, который соответствует к второму электроду помещенным на dorsal аспекте предплечья, не достигает порога. Когда пациент думает об открытии руки, амплитуда синего сигнала превышает порог, в то время как красный сигнал остается почти неактивным. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
- Также попробуйте моторные команды и позиции электродов, которые отличаются от "нормальной" анатомии как аномальная реиннервация и экстра-анатомические реконструкции, как в нервных переносов изменили нейронные входные частично денервированные мышцы.
- Если мышечная активность не обнаружена в предплечье, повторите процедуру на плече и плечевом поясе.
ПРИМЕЧАНИЕ: У некоторых пациентов, не sEMG сигналы не найдены. В них, нервные и мышечные передачи должны быть выполнены для создания новых eMG сигнала сайтов (подробная хирургическая концепция может быть найдена в другом месте7), задержки подготовки сигнала в течение 6-9 месяцев. Для ловких протезов рукоятт в руках требуется как минимум два разлучных сигнала ЭМГ.
3. обучение сигналу направляется sEMG
ПРИМЕЧАНИЕ: Тренировки для sEMG-направляемых тренировки сигнала не должны превышать 30 минут, так как это приводит к мышечной усталости, которая препятствует успешному обучению двигателя. Описанные шаги должны быть повторены в течение длительного периода времени, чтобы обеспечить хорошую нервно-мышечную координацию по мере необходимости по мере необходимости позже для надежного контроля протезов.
- Как только два или более сигналов ЭМГ были определены, поощрять пациента, чтобы активировать их поочередно (см. Рисунок 2A). Для надежного управления протезом независимые сигналы ЭМГ должны контролироваться без помех.
- Отрегулируйте увеличение напряжения каждого сигнала самостоятельно для достижения аналогичного порога амплитуды для всех сигналов во время тренировки, что облегчит для пациента разделение сигнала и понимание.
- Повторите и объясните пациенту механику протезной руки: небольшое сокращение мышц в конечном итоге приведет к улучшению разделения сигнала и должно быть предпочтительным над мышечной силой, т.е. амплитудой сигнала.
Рисунок 2: реабилитация с гидом sEMG для пациентов с бионической реконструкцией рук.
(A) С прямой визуализацией мышечной активности, различные моторные команды могут быть предприняты попытки определить самую высокую амплитуду ЭМГ над определенной целевой мышцы и различные позиции сигнала могут быть сравнены. (B) Используя протез столешницы, деятельность ЭМГ в руке пациента непосредственно переводится в протезную функцию. (C) Установка гибридного протеза руки позволяет пациенту визуализировать и понять будущее использование протезов рук. (D) После реконструкции протеза, сигналы EMG могут быть обучены и оптимизированы либо с помощью биологической обратной связи sEMG, либо с самой протезной рукой. Эта цифра была изменена из Sturma et al.12 и воспроизведена с разрешения Frontiers in Neuroscience. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
- Наблюдайте за сигналами ЭМГ на экране компьютера и узнаем, являются ли эти два сигнала совместно активированными при попытке определенного движения. Объясните пациенту, что два сигнала не должны быть активированы совместно во время попытки одного конкретного действия, так как каждый сигнал ЭМГ связан с конкретным протезным действием. Таким образом, коактивированные сигналы не приведут к действиям, желаемым пациентом.
- Проинструктируйте пациента попробовать различные (небольшие) движения и наблюдать, какие точные модели движения являются лучшими в отношении разделения сигналов. Поощряйте пациента тренировать эти движения.
- Пусть пациент знает, что идеальное разделение сигнала маловероятно в начале обучения, но улучшится с большим количеством повторений.
ВНИМАНИЕ: Разрешить фазы релаксации, как мышечная сила может уменьшиться быстрее у пациентов со сложными травмами нерва и слабой миоактивности. - С улучшением консистенции сигнала, поручить пациенту генерировать более высокую амплитуду сигнала для дальнейшего укрепления мышцы и ее сигнала.
- При последовательном разделении сигналов ЭМГ и твердом контроле установите протез столешницы, подключенный к соответствующему программному обеспечению ЭМГ, и электроды, размещенные на предплечье/руке пациента. Это позволит непосредственно перевести деятельность ЭМГ в механическую протезную функцию (см. Рисунок 2B и рисунок 3).
Рисунок 3: Пациент перед протезом столешницы и скриншот из двух его сигналов на экране компьютера.
На предплечье пациента два электрода ощущали активность ЭМГ. Эти два сигнала отображаются в виде цветных графиков на экране компьютера (красный и синий) и одновременно переводятся в протезное движение, что позволяет пациенту понять связь между качеством сигнала и контролем протезов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
- Объясните пациенту, что миоэлектрические протезы с прямым контролем используют вход одного электрода (т.е. мышечную активность, обнаруженную с одного электрода) для управления одним протезным движением.
- Сделайте пациента осведомленным о корреляции между появлением сигнала (в основном высотой амплитуды) на экране компьютера и скоростью/силой протезного движения, в случае выбора устройства с пропорциональным контролем скорости движения.
ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от количества доступных сигналов ЭМГ и степени свободы конечного протезного устройства, возможно, потребуется использовать методы переключения между этими степенями свободы. Один часто используемый метод переключения между степенями свободы (например, рука открыта / близко к пронации / супинация) через одновременное сокращение двух мышц, также известный как совместное сокращение14. - Со-сокращение поездов. Пусть пациент наблюдает за сигналами ЭМГ на экране компьютера и протезе. Если протезное устройство не двигается, т.е. открыто/закрывается во время совместного сжатия, пациент делает это правильно.
4. Гибридная ручная установка и протезирование
- Отметьте положение электрода на коже пациента, которые были определены как оптимальные для надежного контроля протезирования и пусть ортопед изготавливает предварительную протезную розетку, разработанную с этими точными позициями электрода.
- Установите гибридную протезную руку с индивидуально скроенным гнездом на или ниже бесфункциональная рука «сплетения» (см. рисунок 2C).
- Одновременно запустите программу EMG, чтобы пациент знал о своих действиях.
- Поочередно тренируйте различные протезные движения. Электроды также могут быть размещены на прилегающих мышц вдоль плечевой и плечевой пояс, чтобы избежать бессознательного совместного сокращения, что приведет к усталости во всей верхней конечности с увеличением времени ношения.
- Начните с простых протезных движений (только открытые/закрывайте руку без какого-либо совместного сжатия) с весом поддерживаемого протезного устройства.
- Переходите к простым протезным движениям в разных положениях рук, например, локоть, вытянутый или сгибаемый поочередно. Сделайте пациента осведомленным о расхождениях сигналов при регулировке различных позиций руки и последовательность сигнала поезда во всех положениях.
ПРИМЕЧАНИЕ: После спонтанной регенерации нерва непреднамеренной совместной активации различных мышечных или мышечных групп часто происходит из-за аномательной реиннервации, которая может препятствовать скоординированным движениям и отключить адекватную мышечную активность15. Слабое непреднамеренное сокращение мышц часто происходит при перемещении руки, которая ощущается датчиками sEMG и переводится в протезное движение. Это может привести к плохому протезированию, если не должным образом решаться во время реабилитации с помощью тренинга ЭМГ и укрепления мышц, как описано ниже. - В случае громоздкого протезного контроля в разных позициях рук тщательно наблюдайте за сигналами ЭМГ на экране компьютера и укажите пациенту, в каком положении руки непреднамеренное сокращение одной или нескольких мышц приводит к сигнальной экскурсии. Поезд точной активации Эмг сигналов в положениях, что пациент все еще может обрабатывать и медленно изменить положение руки с течением времени.
- Выполните силовые тренировки для сгибателей локтевого сустава (и плечевых мышц, если это применимо), если при поднятии руки наблюдается коактивация мышц, используемых для протезирования. Объясните пациенту, что более сильная мышца (т.е. мышца, которая не работает с максимальной добровольной силой во время простых подъемных задач), как правило, также способствует лучшему разделению сигналов. Также выполнять силовые тренировки, если мышцы верхней конечности слишком слабы, чтобы переместить протезное устройство в трехмерном пространстве и / или стабилизировать плечо при этом.
- Продолжить с простыми задачами захвата, такие как собирание маленькие коробки и манипулирования мелкими объектами (см. Рисунок 2C).
- Наконец, поезд простые задачи повседневной жизни, как открытие двери, складывая полотенце или открытие бутылки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Многие задачи могут быть ограничены из-за того, что парализованная рука мешает, и устройство может чувствовать себя довольно тяжелым, так как пациент должен поднять вес своей собственной руки в дополнение к гибридной протезной руке.
- Если качество сигнала недостаточно, может быть полезно вернуться к обучению сигнала на экране компьютера. Во всех задачах специально ищите совместной активации сигналов на экране компьютера и дальнейшее улучшение независимости сигнала.
- Оцените функцию верхних конечностей с помощью гибридного протезирования руки и запишите видео результатов теста. Кроме того, используйте те же оценки для парализованной руки для того, чтобы задокументировать функциональную выгоду, ожидаемую от замены протеза бесфункциональной руки.
5. Выборная ампутация и замена протезов рук
- Точно спланируйте уровень ампутации в зависимости от места различных сигналов ЭМГ (трансрадиальных, трансгумеральных или, в редких случаях, гленогумеральных) в многопрофильной команде, состоящей из физиотерапевта/тренера ЭМГ пациента, ответственного хирурга для ампутации и психолога, знакомого с ожиданиями пациента.
- Спросите пациента, есть ли у него есть какие-либо нерешенные вопросы, касающиеся запланированной ампутации, и четко сообщите, что можно в любое время до ампутации отменить это решение, которое в противном случае приведет к необратимой и изменяющей жизнь операции.
- Выполните стандартизированную оценку функции верхних конечностей с помощью бесфункционированной руки и видеоленты результатов
- Выполните стандартизированную оценку функции верхних конечностей с помощью гибридного протезирования руки и видеоленты результатов для документирования преимуществ будущей установки протеза.
- Выполните факультативную ампутацию бесфункционной конечности, как описано ранее7,8.
- Разрешить послеоперационное заживление ран и пусть пациент поезд смежных суставов для улучшения подвижности верхних конечностей. После 4–6 недель применяйте сигналы ЭМГ, как описано выше, и определите лучшие точки доступа для позиций электродов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эти позиции электродов и моторные команды могут немного отличаться от тех, которые были найдены до ампутации. - Пусть ортопед проектирует окончательный протез розетку с использованием ранее определенных позиций электрода ЭМГ (см. рисунок 4,иллюстрирующий возможную конструкцию розетки в одном из включенных пациентов).
ПРИМЕЧАНИЕ: Хотя нет конкретного дизайна гнезда рекомендуется, точное положение электродов и их прилипание к коже пень имеют первостепенное значение, как brachial сплетения пациентов имеют в значительной степени снижение нервно-мышечного интерфейса.
Рисунок 4: Пример возможного дизайна протеза и розетки.
(A) Протез этого пациента состоит из внешней оболочки из углерода. (B) Вместо протезной руки, пациент предпочитает использовать крючок, который открывается и закрывается, как инструмент захвата. (C,D) Два электрода интегрированы в протез. Пациент носит силиконовый вкладыш с двумя отверстиями в нем, что позволяет прямого контакта кожи с двумя электродами (не показано). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
- Начните обучение протезированию.
- Опять же, начните с простых протезных движений (только открыть / закрыть руку без какого-либо совместного сокращения) с весом протезного устройства поддерживается.
- Переходите к простым протезным движениям в разных положениях рук, например, локоть, вытянутый или сгибаемый поочередно.
- Продолжить с простыми схватив задач, таких как собирание маленькие коробки и манипулирования мелких объектов (см. Рисунок 2D).
- Наконец, тренируйте деятельность повседневной жизни, опять же, начиная с довольно простых задач (как открытие двери) и медленно добавляйте сложности и задачи, которые пациент считает актуальными для своей конкретной жизненной ситуации.
- Через три месяца после установки протеза повторите стандартизированную оценку функции верхних конечностей с помощью протезной руки и запишите видео результатов.
Representative Results
У шести пациентов с тяжелыми травмами сплетения, включая множественные нервные корня, был успешно реализован представленный протокол реабилитации с использованием биологической обратной связи sEMG. Подробные характеристики пациента можно найти в таблице 1. На рисунке 2 показаны различные этапы структурированного протокола реабилитации и подробные разъяснения по его осуществлению.
Чтобы продемонстрировать улучшения в функции рук до и после бионической реконструкции, стандартизированная оценка, оценивающая глобальную функцию верхних конечностей, была проведена в два временных момента: перед факультативной ампутации бесфункционной руки «сплетения», а также после успешной реконструкции и реабилитации протезов. Испытание руки исследования действия (ARAT) первоначально было начато для того чтобы определить глобальную функцию мотора верхней конечности в пациентах с познавательными ухудшении управления руки16. Стандартизированный подход Yozbatiran et al.17 был использован в наших исследованиях. ARAT состоит из четырех различных разделов, которые включают в себя задачи, близкие к повседневной жизни. Тест приурочен наблюдателем, который также оценивает производительность задачи от 0 к 3, при этом 3 указывает на нормальную функцию. Максимум 57 пунктов достижимо показывая unimpaired функциюмотора 16. Количество сеансов терапии с биологической обратной связью sEMG и подробные результаты для каждого пациента можно найти в таблице 2.
Хотя удовлетворенность пациента предлагаемым протоколом реабилитации с использованием sEMG биологической обратной связи не была непосредственно измерена, все шесть пациентов сообщили, чтобы найти его чрезвычайно полезным в оьючивании процесса повторной иннервации после операции передачи нерва и тренировать сокращение мышц с очень слабой активностью, которая ранее не была клинической пользы для них.
| Номер дела | Пол, возраст (годы) | Тип аварии | Тип поражения | Операции по улучшению биотехнологического интерфейса после первоначальных реконструкций не смогли улучшить функцию рук | |
| 1 | м, 32 | Падение с высоты | Авульсия C7-T1; травма тяги инфраклавикулярного сплетения | Избирательная ампутация предплечья | |
| 2 | м, 32 | Мотоцикл аварии | Разрыв всех 3 дубинки BP | Свободные мышцы gracilis переданы предплечья разгибателя отсека и нейротизации глубокой ветви радиального нерва на обтуратор нерва; факультативная ампутация предплечья | |
| 3 | м, 55 | Мотоцикл аварии | Авульсия C5-T1 | Избирательная ампутация верхней руки | |
| 4 | м, 38 | Мотоцикл аварии | Обширные повреждения корней C5-C8; авульсия T1 | Избирательная ампутация предплечья | |
| 5 | м, 27 | Мотоцикл аварии | Авульсия C8-T1 | Избирательная ампутация предплечья | |
| 6 | м, 43 | Мотоцикл аварии | Авульсия C6-T1 | Перенос трицепса мышцы на инфраспинную фоссу и перенос мышц бицепса в супраклавикулярную фоссу для улучшения протезной установки; Избирательная ампутация руки (операция по плечу) | |
Таблица 1: Характеристики пациента. У всех пациентов бионическая реконструкция была начата из-за неосуществимости биологических альтернатив лечения. Операции по установлению эмг-сигналов в передний и верхней части руки могут включать селективные нервные и мышечные передачи, которые затем будут управлять миоэлектрическим протезом руки. Избирательная ампутация выполняется либо на трансрадиальном, либо на трансгумерном уровне, в зависимости от остаточной мышечной активности. Все селективные нервные переносы, выполняемые в этой группе пациентов, были успешными. Эта таблица была изменена из Sturma et al.12 и воспроизведена с разрешения Frontiers in Neuroscience.
| Номер дела | ARAT на базовом уровне | ARAT при последующей деятельности | Начало обучения sEMG | Количество сеансов терапии в общей сложности (30 мин каждый) | |
| 1 | 7 | 35 | Сразу же после первой консультации | 24 | |
| 2 | 0 | 15 | Обучение одним сигналом сразу после первой консультации; второй сигнал был доступен через 9 месяцев после бесплатной передачи gracillis и передачи нерва | 30 | |
| 3 | 0 | 19 | Сразу же после первой консультации | 16 | |
| 4 | 1 | 22 | Сразу же после первой консультации | 20 | |
| 5 | 9 | 42 | Сразу же после принятия решения о проведении бионической реконструкции, как биологическая реконструкция не удалось | 20 | |
| 6 | 0 | 17 | Сразу же после первой консультации | 22 | |
| Среднее (SD) | 2,83 и 4,07 | 25.00 - 10,94 | 22 и 4,32 | ||
Таблица 2: Оценки ARAT и количество сеансов терапии. В тесте Action Research Arm (ARAT) пациенты изначально показали незначительную функцию верхних конечностей (средний 2,83, максимум 57 точек достижимой). Полезная функция была восстановлена после бионической реконструкции (средний 25.00, из 57). Эта таблица была изменена из Sturma et al.12 и воспроизведена с разрешения Frontiers in Neuroscience.
Discussion
Биологическая обратная связь подходы были широко использованы в реабилитации нескольких нервно-мышечных расстройств, начиная от (геми)-плегические условия в результате центральных патологий, таких как кровоизлияние в мозг и инсульт18,19 до различные дегенерации опорно-боржоса или травмы и их хирургической терапии20,21,22. Интересно, что концепция структурированной биологической обратной связи не была реализована в клинической практике для периферических травм нерва. Однако именно в реабилитации сложных нервных травм, практика, повторение, и структурированные учебные программы с соответствующей биологической обратной связи необходимы для установления правильных моделей двигателя23.
Здесь, и в предыдущем исследовании12, мы представили структурированный протокол реабилитации с использованием sEMG биологической обратной связи для пациентов с отсутствием биологической альтернативы лечения, имеющих право на замену протезов рук, концепция сегодня известна как бионическая Реконструкции. Наиболее очевидным преимуществом использования sEMG биологической обратной связи настройки в контексте бионической реконструкции вытекает из точного определения sEMG горячих точек, т.е. расположения кожи, где относительно высокая амплитуда деятельности ЭМГ может быть измерена синкожатно. Различные моторные команды могут быть предприняты попеременно, так как датчики могут быть легко перемещены по всему предплечью, и - в случае отсутствия обнаруживаемой функции мышц в предплечье - также в плечевой руке и плечевом поясе. Когда пациента просят попытаться сократить мышцы, предназначенные для выполнения конкретного действия (например, расширение запястья), электрод может быть помещен, где (слабые) сокращения мышц пальпируется экзаменатором. Наблюдая за сигналом ЭМГ на экране компьютера, можно легко определить, постоянно ли увеличивается амплитуда сигнала, когда пациент пытается заразиться этой мышцей. Если амплитуда недостаточно высока или сигнал несовместим, могут быть предприняты попытки других команд двигателя с тем же положением электрода. В отличие от иглы ЭМГ, эта процедура является неинвазивной, не болезненным и может быть повторен для всех мышц / мышечных групп в руке. Тестирование различных моторных команд в разных мышечных точках позволяет определить точки доступа ЭМГ с самой высокой амплитудой и воспроизводимой активностью, связанной с конкретным моторным действием. После идентификации сильнейших сигналов ЭМГ, они могут быть обучены с помощью sEMG биологической обратной связи в отношении разделения сигналов (со-активация двух или более сигналов ЭМГ не должно происходить на экране компьютера), сила сигнала (отраженная сигналом EMG амплитуда на экране компьютера) и воспроизводимость сигнала (каждая попытка сжимать мышцы должна привести к экскурсии соответствующего сигнала ЭМГ). На более позднем этапе обучения деятельность ЭМГ непосредственно переводится на протезную функцию, сначала используя протез столешницы (см. Рисунок 3),что дает дополнительную обратную связь пациенту, позволяющую тонко настраивать прочность сцепления, а затем носить физический протез.
В обычных ампутированных, огромное количество литературы показало, что целевая мышечная ренервация (ПМР), т.е. хирургическая передача остаточных неров руки альтернативных участков мышц в груди и верхней части руки, улучшает протезную функцию, так как эти повторно иннервированные мышцы служат биологическими усилителями интуитивно понятных моторных команд и обеспечивают физиологически соответствующие сигналы ЭМГ для управления протезами рук, запястья и локтя24,25,26,27 . Используя системы контроля распознавания образов, данные ЭМГ, извлеченные из многочисленных сигналов sEMG, размещенных над кожей этих повторно иннерватированных мышц, могут быть расшифрованы и переведены на конкретные, воспроизводимые выходы двигателя, что обеспечивает более надежные миоэлектрические контроль протезов28,29,30. Поскольку количество эмг-сигналов и миоэлектрическая активность мышц у пациентов с травмой судороги сплетения очень ограничены, алгоритмы распознавания образов не могут быть использованы, как это делается для обычных ампутантов8. Тем не менее, с дальнейшими исследованиями и усовершенствованной технологией, эти системы могут быть в состоянии извлечь больше информации о существующих слабых сигналов мышц и, следовательно, улучшить протезную функцию также в этой своеобразной группе пациентов.
В то время как представленный протокол считается ориентиром, детали должны быть адаптированы в зависимости от пациента и имеющегося оборудования. Из-за аномательной реиннервации, возникающей после таких нервных травм, моторные команды не обязательно приводят к активации анатомически «правильных» мышц12. Например, авторы наблюдали активность ЭМГ в отсеке сгибателя предплечья, в то время как пациенты пытались открыть руку. Поэтому для идентификации сигналов ЭМГ необходимо протестировать различные моторные команды. Кроме того, остаточная мышечная функция (хотя во всех случаях слишком слаба для генерации полезных движений рук) может в значительной степени варьироваться в зависимости от пациентов и вызывать изменения в требуемом времени обучения, как показано в таблице 2. Кроме того, выбор протезного устройства и количество электродов, используемых для управления, меняют требования к точности разделения сигнала, амплитуда сигнала и необходимости совместного сжатия. Все это необходимо учитывать при обучении сигнала, тренировке по гибридному протезированию и фактической протезной подготовке, так как также рекомендуется в стандартной протезной подготовке ампутантов31. Что касается устройств, используемых для обучения биологической обратной связи sEMG, авторы считают устройства подходящими, если они могут одновременно отображать количество сигналов, необходимых для контроля протезирования, давать обратную связь в режиме реального времени, и могут быть подключены к компьютеру или дисплею сигналы на экране сами. Предпочтительны устройства, позволяющие регулировать прирост сигнала во время тренировки.
После реабилитации все пациенты смогли использовать протез во время повседневной жизни и остались довольны решением заменить свою бесфункционную руку протезом12. Это функциональное улучшение нашло свое отражение в значительном увеличении средних баллов ARAT с 2,83 до 4,07 до 25,00 и 10,94 (р 0,028).
С нашей точки зрения, sEMG биологической обратной связи настройки представляют ценные инструменты для облегчения когнитивно требовательных процесс восстановления двигателя, связанные с повреждением нерва и бионической реконструкции. Определение оптимального позиционирования электрода ЭМГ и тестирование различных моторных команд с прямой визуализацией мышечной активности значительно упрощается с помощью биологической обратной связи sEMG в клинической настройке. Хотя sEMG биологической обратной связи также могут быть использованы в реабилитации биологической верхней конечности функции10,12, его применение в процессе бионической реконструкции считается особенно эффективным. Самое главное, sEMG сигналы, активированные во время тренировки позже отражают позиции электрода в протезной розетке, которая индивидуально настроена для каждого пациента. Таким образом, повторяющаяся активация этих сигналов во время обучения, скорее всего, увеличивает будущую обработку протезов и ручную емкость. Прямая визуализация этой мышечной активности также позволяет пациенту понять концепцию миоэлектрического управления рукой, и он / она может следить за обучение прогресс более сознательно.
В будущем представленный ими протокол о реабилитации может быть расширен более продвинутыми инструментами для улучшения функциональных результатов. Это может включать в себя высокую плотность sEMG записи для облегчения процесса размещения электродов через активацию тепловых карт32, дальнейшие виртуальные решения для оценки деятельности ЭМГ30,33, и серьезные игры для повышения подготовки кадров мотивация34. Кроме того, новые технологии для контроля протезов, такие как алгоритмы распознавания образов, также могут быть использованы28,30,35. Однако, из-за снижения нервно-мышечного интерфейса, не ясно, будет ли в настоящее время коммерчески доступные системы, предназначенные для здоровых ампутантов значительно улучшить протезную функцию в этой конкретной группе пациентов. Будущие исследования должны оценить применимость и преимущества перечисленных новых технологий для реабилитации пациентов с тяжелыми травмами плечевого сплетения. Кроме того, контролируемые испытания с более высоким числом пациентов также позволят продемонстрировать положительный эффект текущего протокола с использованием биологической обратной связи sEMG с более высоким уровнем доказательств.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Это исследование было профинансировано Христианским Фондом Доплера Австрийского совета по научно-техническому развитию и Федеральным министерством науки, исследований и экономики Австрии. Мы благодарны Арону Каверенни за подготовку иллюстраций, включенных в рукопись, и Frontiers in Neuroscience за разрешение на воспроизведение данных, представленных в оригинальной статье12.
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).
