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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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. |