Optimala funktionella resultat efter Bionic rekonstruktion hos patienter med global Plexus brachialis skada beror på ett strukturerat rehabiliterings protokoll. Surface elektromyografisk guidad utbildning kan förbättra amplitud, separation och konsekvens av EMG signaler, som-efter elektiv amputation av en funktionslös hand-kontroll och driva en proteshand.
Hos patienter med global brachialis plexus skada och avsaknad av biologiska behandlingsalternativ, Bionic rekonstruktion, inklusive elektiv amputation av den funktionslösa hand och dess ersättare med en protes, har nyligen beskrivits. Optimal protes funktion beror på ett strukturerat rehabiliterings protokoll, eftersom kvarvarande muskelaktivitet i patientens arm senare översätts till protes funktion. Surface elektromyografisk (semg) biofeedback har använts vid rehabilitering efter stroke, men har hittills inte använts hos patienter med komplicerade perifera nervskador. Här presenterar vi vårt rehabiliterings protokoll som genomförs hos patienter med globala Plexus brachialis-skador som lämpar sig för Bionic-rekonstruktion, från identifiering av sEMG-signaler till slutlig protes träning. Detta strukturerade rehabiliteringsprogram underlättar motorisk Återinlärning, vilket kan vara en kognitivt försvagande process efter komplexa nervrot avulsion skador, avvikande re-innervation och extra-anatomisk rekonstruktion (som är fallet med nerv överföring kirurgi). Rehabiliterings protokollet med hjälp av sEMG biofeedback aids i upprättandet av nya motoriska mönster som patienter blir medvetna om den framryckande re-innervation process av mål muskler. Dessutom kan svaga signaler också tränas och förbättras med hjälp av semg biofeedback, vilket gör en kliniskt “värdelös” muskel (uppvisar muskelstyrka M1 på British Medical Research Council [BMRC] skala) som berättigar till skicklig proteshand kontroll. Dessutom presenteras funktionella resultat efter lyckad Bionic rekonstruktion i denna artikel.
Globala Plexus brachialis skador inklusive den traumatiska avulsion av nervrötter från ryggmärgen utgör en av de allvarligaste nerv skadorna hos människor och drabbar oftast unga, annars friska patienter i livets bästa1,2 . Beroende på antalet nervrötter avulsed, fullständig övre extremiteten förlamning kan uppstå eftersom Nerval anslutning från hjärnan till armen och handen störs. Traditionellt har avulsion av nervrötter förknippats med dåliga resultat3. Med mikrokirurgiska nerv tekniker vinner mark under de senaste decennierna, kirurgiska resultat har förbättrats och användbar motorik i axeln och armbågen är vanligtvis återställs4,5. Den inneboende muskulaturen i handen, som ligger mest distalt, genomgår typiskt fettdegeneration resulterar i irreversibel atrofi innan regenererande axoner kan nå det6. För sådana fall har Bionic rekonstruktion, som inkluderar den valbara amputation av den funktionslösa “plexus” hand och dess ersättare med en mekatronisk hand, har beskrivits7,8. Kvarvarande muskelaktivitet i patientens underarm, som kan vara kliniskt obetydlig (isometrisk sammandragningar, M1 på British Medical Research Council [BMRC]-skalan), plockas upp från transkutan elektroder som känner av elektromyografisk aktivitet, vilket är sedan översatt till olika rörelser av en proteshand9.
Tillräckligt med ytelektromyografiska (sEMG) signaler kan förekomma vid inledande konsultation. I vissa fall, emellertid, ytterligare signaler måste fastställas utför selektiv nerv-och muskel överföringar7. I båda fallen behövs ett strukturerat rehabiliterings protokoll för att säkerställa sEMG-signalens konsistens och efterföljande optimala protes funktion i slutet av processen. En stor utmaning efter nervrot avulsion och avvikande re-innervation samt efter nerv överföring kirurgi är inrättandet av nya motoriska mönster för att möjliggöra viljande kontroll över mål muskeln. sEMG biofeedback metoder har använts i stor utsträckning i rehabilitering av stroke10. Denna metod möjliggör direkt visualisering av muskelaktivitet som annars skulle vara obemärkt på grund av muskelsvaghet och/eller samtidig aktivering av antagonister. Det uppmuntrar därmed patienterna att utbilda sina svaga muskler, samtidigt som den ger exakt återkoppling på korrekt utförande av motor uppgifter11.
I en nyligen publikation har vi för första gången visat att sEMG biofeedback också kan användas vid rehabilitering av komplexa perifera nervskador12. Vi tror att sEMG biofeedback är en mycket användbar metod för att göra en patient medveten om den framryckande re-innervation processen efter nerv överföring kirurgi. Också, svag muskelaktivitet, som tidigare var till någon nytta för patienten, kan utbildas och stärkas för senare protes kontroll med hjälp av sEMG biofeedback, vilket möjliggör konkret visualisering av annars obemärkt muskelaktivitet till både kliniker och patient . Utbildnings förloppet kan därför vara väl förstått och dokumenterat. Dessutom tillåter användning av direkt återkoppling på muskelaktivitet klinikern att korrelera olika motor kommandon med tillhörande signalamplitud och konsistens, upprättande av de bästa motor strategierna för att möjliggöra robust protes kontroll i framtiden. Sammanfattnings, målet med denna metod är att underlätta rehabiliteringsprocessen genom att öka patientens förståelse, medvetenhet och kontroll av hans/hennes sEMG signaler, som senare kommer att köra en proteshand.
Biofeedback metoder har ofta använts i rehabilitering av flera neuromuskulära sjukdomar, allt från (Hemi)-plegic villkor till följd av centrala patologier såsom hjärnblödning och stroke18,19 till olika muskuloskeletala degeneration eller skada och deras kirurgiska terapi20,21,22. Intressant nog har begreppet strukturerad biofeedback inte implementerats i klinisk praxis för perifera nervskador. Men just i rehabilitering av komplexa nervskador, praxis, upprepning, och strukturerade utbildningsprogram med lämplig biofeedback är nödvändiga för att etablera rätt motor mönster23.
Här, och i en tidigare studie12, presenterade vi ett strukturerat rehabiliterings protokoll med semg biofeedback för patienter med avsaknad av biologiska behandlingsalternativ som berättigar till proteshand ersättning, ett begrepp som idag kallas Bionic Återuppbyggnad. Den mest uppenbara fördelen med att använda en sEMG biofeedback set-up i samband med Bionic rekonstruktion beror på den exakta definitionen av sEMG hotspots, dvs hud platser, där en relativt hög amplitud av EMG aktivitet kan mätas transkutaneously. Olika motor kommandon kan prövas växelvis, eftersom sensorerna lätt kan flyttas längs hela under armen, och-i händelse av saknad detekterbar muskelfunktion i under armen-även i överarmen och skuldergördeln. När en patient ombeds att försöka kontrakt musklerna avsedda att utföra en viss åtgärd (t. ex. förlänga handleden), en elektrod kan placeras, där (svaga) muskelkontraktion är palperas av examinator. Observera EMG signalen på datorskärmen, kan man enkelt avgöra om signalens amplitud konsekvent ökar, när patienten försöker att kontraktet denna muskel. Om amplituden inte är tillräckligt hög eller om signalen är inkonsekvent, kan andra motor kommandon med samma elektrod position provas. Som motsätter sig nål EMG, detta förfarande är icke-invasiv, inte smärtsamt och kan upprepas för alla muskler/muskelgrupper i armen. Testa olika motor kommandon på olika muskel platser gör det möjligt att identifiera EMG hotspots, med högsta amplitud och reproducerbar aktivitet i samband med en viss motorisk åtgärd. Efter identifiering av de starkaste EMG-signalerna kan dessa tränas med hjälp av sEMG biofeedback när det gäller signal separation (samtidig aktivering av två eller flera EMG-signaler får inte förekomma på datorskärmen), signalstyrka (reflekterad av EMG-signalens amplitud på datorskärmen) och signalera reproducerbarhet (varje försök att avtala muskeln måste leda till en utflykt av den respektive EMG-signalen). I ett senare skede av träningen översätts EMG-aktiviteten direkt till protes funktion, först med en bords protes (se figur 3), vilket ger ytterligare återkoppling till patienten som möjliggör finjustering av greppstyrkan, och sedan bär fysisk protes.
I konventionella amputerade, en stor mängd litteratur har visat att riktade-muskel-reinnervation (TMR), dvs, den kirurgiska överföringen av kvarvarande arm nerver till alternativa muskel platser i bröstet och övre armen, förbättrar protes funktion, eftersom dessa Re-innerverade muskler fungera som biologiska förstärkare av intuitiva motor kommandon och ge fysiologiskt lämpliga EMG signaler för proteshand, handled och armbåge kontroll24,25,26,27 . Använda mönster-erkännande kontrollsystem, EMG data extraheras från många semg signaler placerade över huden på dessa re-innerverade muskler kan avkodas och översättas till specifika, reproducerbara motor utgångar, som ger mer tillförlitlig myoelektriska protes kontroll28,29,30. Eftersom antalet EMG signal platser och myoelektriska aktivitet i musklerna hos patienter med Plexus brachialis avulsion skada är mycket begränsade, mönsterigenkänning algoritmer får inte användas som görs för konventionella amputerade8. Fortfarande, med ytterligare forskning och förbättrad teknik, kan dessa system kunna extrahera mer information om befintliga svaga muskel signaler och därmed förbättra protes funktion även i denna märkliga patientgrupp.
Medan det presenterade protokollet anses vara en riktlinje, måste detaljerna anpassas beroende på patienten och den tillgängliga utrustningen. På grund av avvikande re-innervation inträffar efter sådana nervskador, motor kommandon inte nödvändigtvis resultera i aktivering av anatomiskt “rätt” muskler12. Till exempel observerade författarna EMG aktivitet vid under armen flexor fack, medan patienter försökte öppna sin hand. Därför bör olika motor kommandon testas för att identifiera EMG-signaler. Dessutom kan den kvarvarande muskelfunktionen (även om det i alla fall är för svag för att generera användbara handrörelser) till stor del variera mellan patienter och orsaka variationer i den erforderliga träningstiden som visas i tabell 2. Ytterligare, valet av protetiska anordningen och antalet elektroder som används för kontroll ändra kraven för precision av signal separation, signalamplitud och behovet av co-kontraktion. Allt detta måste beaktas vid signal träning, hybrid protes träning och faktisk protes träning, eftersom det också rekommenderas i standard protes träning av amputerade31. När det gäller de anordningar som används för sEMG biofeedback utbildning, författarna överväga enheter som lämpar sig om de kan samtidigt visa antalet signaler som behövs för protes kontroll, ge återkoppling i realtid, och kan antingen anslutas till en dator eller bildskärm signalerna på en skärm. Enheter som gör det möjligt att justera signal förstärkningen under träningen är att föredra.
Efter rehabilitering kunde alla patienter använda sin protes under dagliga livsaktiviteter och var nöjda med beslutet att få sin funktionslösa hand ersatt med en protes apparat12. Denna funktionella förbättring reflekterades av signifikanta ökningar av medelvärdet av ARAT-poängen från 2,83 ± 4,07 till 25,00 ± 10,94 (p = 0,028).
Ur vårt perspektiv, sEMG biofeedback set-ups presentera värdefulla verktyg för att underlätta den kognitivt krävande processen för motorisk återhämtning i samband med nervskada och Bionic rekonstruktion. Identifieringen av optimal EMG-elektrod positionering och testning av olika motor kommandon med direkt visualisering av muskelaktivitet är kraftigt förenklad med hjälp av sEMG biofeedback i en klinisk uppsättning. Även om semg biofeedback kan också användas vid rehabilitering av biologisk övre extremitets funktion10,12, dess tillämpning i processen för Bionic rekonstruktion anses vara särskilt effektiv. Viktigast av allt är att de sEMG-signaler som aktiveras under träningen senare återspeglar elektrod positionerna inom protetiska uttaget, som individuellt anpassas för varje patient. Upprepad aktivering av dessa signaler under träningen ökar troligen framtida protes hantering och manuell kapacitet. Direkt visualisering av denna muskelaktivitet ger också en patient att förstå begreppet myoelektriska handkontroll och han/hon kan följa utbildningen framsteg mer medvetet.
I framtiden kan vårt presenterade rehabiliterings protokoll utökas med mer avancerade verktyg för att förbättra funktionella resultat. Detta kan innefatta hög densitet semg inspelningar för att underlätta processen för elektrodplacering via aktiveringen värmekartor32, ytterligare virtuella lösningar för att utvärdera EMG verksamhet30,33, och seriösa spel för att förbättra utbildningen motivation34. Dessutom kan nya tekniker för protes kontroll, till exempel mönster igenkännings algoritmer, också användas28,30,35. Emellertid, på grund av den reducerade neuro-muskulös gränssnitt, det är inte klart om för närvarande kommersiellt tillgängliga system avsedda för annars friska amputerade skulle avsevärt förbättra protes funktion i denna specifika patientgrupp. Framtida studier bör utvärdera tillämpligheten och nyttan av den listade nya tekniken för rehabilitering av patienter med svår Plexus brachialis skador. Dessutom, kontrollerade prövningar med högre Patientnummer kommer också att kunna visa de positiva effekterna av det nuvarande protokollet med hjälp av sEMG biofeedback med en högre nivå av bevis.
The authors have nothing to disclose.
Denna studie finansierades av Christian Doppler Research Foundation i österrikiska rådet för forskning och teknisk utveckling och Österrikes federala ministerium för vetenskap, forskning och ekonomi. Vi är tacksamma mot Aron Cserveny för utarbetandet av de illustrationer som ingår i manuskriptet och till gränser i neurovetenskap för tillstånd att reproducera de uppgifter som presenteras i den ursprungliga artikel12.
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. |