Summary
Optimale funksjonelle resultater etter at Bionic rekonstruksjon hos pasienter med global brachialis plexus skade avhenger av en strukturert rehabiliterings protokoll. Surface electromyographic guidet trening kan forbedre amplitude, separasjon og konsistens av EMG signaler, som-etter valg av amputasjon av en functionless hånd-kontroll og kjøre en protese hånd.
Abstract
Hos pasienter med global brachialis plexus skade og mangel på biologisk behandling alternativer, har Bionic rekonstruksjon, inkludert valgfri amputasjon av functionless hånd og utskifting med en protese, nylig blitt beskrevet. Optimal protese funksjon avhenger av en strukturert rehabiliterings protokoll, siden gjenværende muskelaktivitet i pasientens arm senere oversettes til protese funksjon. Overflate electromyographic (sEMG) biofeedback har blitt brukt under rehabilitering etter slag, men har så langt ikke vært brukt i pasienter med komplekse perifere nerveskader. Her presenterer vi vår rehabilitering protokoll implementert hos pasienter med global brachialis plexus skader egnet for Bionic rekonstruksjon, fra identifisering av sEMG signaler til endelig protese trening. Denne strukturerte rehabiliteringsprogram forenkler motor relearning, som kan være en kognitivt ødeleggende prosess etter komplekse nerve rot avulsion Kader, avvikende re-innervasjon og ekstra-anatomisk rekonstruksjon (som tilfellet er med nerve overføring kirurgi). Rehabiliterings protokollen ved hjelp av sEMG biofeedback hjelpemidler i etableringen av nye motor mønstre som pasienter blir gjort oppmerksom på fremmarsj re-innervasjon prosessen med målet muskler. I tillegg kan svake signaler også bli trent og forbedret ved hjelp sEMG biofeedback, rendering en klinisk "ubrukelig" muskel (viser muskelstyrke M1 på British Medical Research Council [BMRC] skala) kvalifisert for fingernem protese håndkontroll. Videre, funksjonell utfall score etter vellykket Bionic rekonstruksjon er presentert i denne artikkelen.
Introduction
Global brachialis plexus skader inkludert traumatisk avulsion av nerverøtter fra ryggmargen representerer en av de mest alvorlige nerveskader hos mennesker og vanligvis påvirker unge, ellers friske pasienter i prime of Life1,2 . Avhengig av antall nerverøtter avrevet, kan fullføre øvre lem lammelse følge siden Nerval forbindelse fra hjernen til armen og hånden er forstyrret. Tradisjonelt har avulsion av nerverøtter vært forbundet med dårlige utfall3. Med mikrokirurgisk nerve teknikker få bakken i løpet av de siste ti årene, kirurgiske resultater har blitt forbedret og nyttig motorisk funksjon i skulder og albue er vanligvis restaurert4,5. Den iboende muskulaturen i hånden, som ligger mest distally, vanligvis gjennomgår Fatty degenerasjon resulterer i irreversible atrofi før regenererende axons kan nå det6. For slike tilfeller Bionic rekonstruksjon, som inkluderer valgfag amputasjon av functionless "plexus" hånd og utskifting med en mekatroniske hånd, har blitt beskrevet7,8. Restoljen muskelaktivitet i pasientens underarm, som kan være klinisk ubetydelig (isometrisk sammentrekninger, M1 på British Medical Research Council [BMRC] skala), er plukket opp fra transkutan elektroder sensing electromyographic aktivitet, som er deretter oversatt til ulike bevegelser av en protese hånd9.
Nok overflate electromyographic (sEMG) signaler kan være til stede ved første konsultasjon. I noen tilfeller må imidlertid ekstra signaler etableres utføre selektiv nerve og muskel overføringer7. I begge tilfeller er en strukturert rehabiliterings protokoll nødvendig for å sikre sEMG signal konsistens og påfølgende optimal protese funksjon på slutten av prosessen. En stor utfordring etter nerve rot avulsion og avvikende re-innervasjon så vel som etter nerve overføring kirurgi er etablering av nye motor mønstre å tillate volitional kontroll over målet muskelen. sEMG biofeedback metoder har vært mye brukt i rehabilitering av slag10. Denne metoden tillater direkte visualisering av muskelaktivitet som ellers ville være ubemerket på grunn av muskelsvakhet og/eller co-aktivering av motstanderne. Det oppmuntrer derved pasientene til å trene sine svake muskler, samtidig som de gir presis tilbakemelding på riktig utførelse av motor oppgaver11.
I en fersk publikasjon har vi vist for første gang at sEMG biofeedback kan også brukes i rehabilitering av komplekse perifere nerveskader12. Vi tror at sEMG biofeedback er en svært nyttig metode for å gjøre en pasient oppmerksom på fremmarsj re-innervasjon prosessen etter nerve overføring kirurgi. Også, svak muskelaktivitet, som tidligere var til ingen nytte for pasienten, kan trenes og styrkes for senere protese kontroll ved hjelp av sEMG biofeedback, som tillater konkret visualisering av ellers ubemerket muskelaktivitet til både terapeut og pasient . Trenings fremgangen kan derfor være godt forstått og dokumentert. I tillegg gjør bruk av direkte tilbakemelding på muskelaktivitet at terapeut å koordinere ulike motor kommandoer med tilhørende signal amplitude og konsistens, etablere de beste motoriske strategier for å tillate robust protese kontroll i fremtiden. Oppsummert er målet med denne metoden å lette rehabiliteringsprosessen ved å øke pasientens forståelse, bevissthet og kontroll over hans/hennes sEMG signaler, som senere vil kjøre en protese hånd.
Protocol
Den kliniske gjennomføringen av denne rehabiliterings protokollen ble godkjent av etikk komitéen ved Medical University of Vienna (etisk stemme nummer: 1009/2014), Østerrike og utført i samsvar med standardene fastsatt av erklæringen om Helsingfors. Alle pasientene leverte skriftlig informert samtykke til å delta i denne studien.
Merk: tidligere publikasjoner av Aszmann et al.7 og Hruby et al.8,13 er tilgjengelige som beskriver konseptet, behandling algoritme, og psykososiale forutsetninger om Bionic rekonstruksjon i stor detalj. Tabell over materialer refererer til alt materiale og utstyr som brukes i den foreslåtte rehabiliterings protokollen.
1. pasient vurdering ved første konsultasjon
- For alle trinn av pasient vurdering, rehabilitering og trening, finne et kontor eller eksamen rom, hvor pasienten er alene i en rolig atmosfære uten forstyrrelser. Sørg for å ha nok plass til å undersøke pasienten og å sette opp sEMG biofeedback systemet.
- Få en detaljert saks historie fra pasienten inkludert skade mekanisme og første omsorg, rapporter om tidligere nerve reparasjon operasjoner, og subjektive funksjonshemming i dag-til-dag liv.
- Vurder bare pasienter for Bionic rekonstruksjon med mislykkede biologiske behandlingsalternativer (dvs. nerve reparasjon, nerve overføringer, sekundær rekonstruksjoner resulterer i fåfengt øvre lem funksjon). Ekskluder pasienter med samtidig skade på sentralnervesystemet, ustabile brudd på de berørte lem, ubehandlede og/eller elastiske psykiske helseproblemer, narkotikaavhengighet, manglende overholdelse og forpliktelse til å følge en langvarig rehabilitering Programmet.
- Utfør en detaljert klinisk undersøkelse med fokus på gjeldende øvre lem funksjon. Klinisk vurdere funksjonen til alle store muskler i den berørte arm og hånd ved hjelp av BMRC gradering skala.
- Vurder i et tverrfaglig team bestående av rekonstruktiv kirurger, ortopediske kirurger, physiatrists, psykologer og fysioterapeuter, enten det er mulig med biologiske behandlingsalternativer. Forklar pasienten at funksjonaliteten til en myoelectric protese kan på ingen måte sammenlignes med en biologisk hånd.
- Spør pasienten om hans/hennes motiver og perspektiver på Bionic rekonstruksjon (se en tidligere publikasjon13 inkludert strukturert intervju med en psykolog for å vurdere om en pasient er psychosocially passer å gå gjennom prosessen med Bionic rekonstruksjon).
- Vurdere om Tinel skiltene kan elicited langs neural aksen av de store perifere nerver som indikerer tilstedeværelsen av levedyktige axons egnet for nerve overføring kirurgi.
- Bortsett fra pasientens vurdering, også vagt skissere en mulig tidslinje for hele prosessen, som avhenger av tilgjengeligheten av synlig EMG signaler. Hvis andre intervensjoner, slik som psykologisk støtte, holdning trening, og/eller styrking av de resterende musklene er indikert, starte dem så snart som mulig.
2. identifisering av sEMG-signaler
- Sett opp et system for sEMG biofeedback på et bord i et stille rom. Dette kan være en frittstående enhet, eller en som er koblet til en datamaskin. Hvis en datamaskin brukes, kobler du EMG-enheten til datamaskinen ved å koble til alle kablene og starte den aktuelle programvaren på datamaskinen.
- For å redusere impedans, forberede pasientens hud ved å nøye barbere den respektive kroppsdel og/eller ved å forsiktig fjerne døde hudceller med en peeling gel eller et vått papir håndkle.
- Kort forklare funksjonaliteten til EMG enheten og tilhørende dataprogram til pasienten.
- Plasser pasienten foran dataskjermen.
- Be pasienten å tenke på håndbevegelser og samtidig forsøke å kontrakt musklene ment å utføre en bestemt handling (for eksempel utvide håndleddet, gjør en knyttneve, bøye tommelen, etc.), selv om dette ikke vil resultere i reell bevegelse av hans functionless Hånd. Palpate hans/hennes underarm for (svak) muskel sammentrekning.
- Plasser en sEMG-elektrode på den nøyaktige hud posisjonen, der muskel sammentrekning kan være palpated med fingeren, for eksempel på rygg extensor kupé 5 cm, som går fra hverandre til albueleddet når du ber pasienten om å tenke på å forlenge hans/hennes håndledd og fingre.
Merk: mens sEMG aktivitet kan oppdages med våte og tørre elektroder, er tørre elektroder forberedt for testing, da disse lett kan flyttes på huden for å se etter optimale posisjoner. - Gjenta motor kommandoen som brukes før (dvs. forlengelse av håndleddet og fingrene) for å lokke fram sammentrekning av muskelen.
- Observer EMG signalet på dataskjermen og se om amplituden stadig øker når pasienten forsøker å kontrakt muskelen ment å utføre en bestemt handling (dvs. forlenge håndleddet og fingre).
- Hvis amplituden ikke er høy nok (mindre enn 2 − 3 ganger av bakgrunnsstøyen12) eller signalet er inkonsekvent, kan du prøve andre motor kommandoer med samme elektrode posisjon og se om det finnes høyere amplituder.
- Gjenta fremgangsmåten for en annen muskel-eller muskel gruppe. For eksempel flytte sEMG elektroden til volar aspekt av under armen, plassere den på pronator teres muskelen, og be pasienten å forsøke vridningen hans/hennes underarm. Observer signalet på dataskjermen og se om amplituden gjentatte ganger øker når pasienten tenker på denne bevegelsen.
Merk: hos noen pasienter er ingen muskelaktivitet håndgripelig. Her, tre eller flere sEMG elektroder bør plasseres på volar, rygg og radial aspekt av under armen og ulike motor kommandoer bør forsøkes, tett observere alle signaler for amplitude endringer selv med den minste endringer i elektrode posisjonering ( se figur 1).
Figur 1: skjermbilde av EMG-signaler på en dataskjerm.
For å identifisere EMG aktivitet, kan to eller flere elektroder plasseres på pasientens underarm ber ham/henne til å forsøke ulike bevegelser. I dette konkrete tilfelle sanser elektroden på det volar aspektet av under armen EMG aktivitet som gjenspeiles av den første, røde bølgen som vises på dataskjermen, når pasienten forsøker å lukke sin hånd. Signal separasjon i denne pasienten er tilfredsstillende, siden det blå signalet, som tilsvarer den andre elektroden plassert på rygg aspektet av under armen, ikke når terskelen. Når pasienten tenker på å åpne hånden, amplitude av det blå signalet overstiger terskelen, mens det røde signalet forblir nesten inaktiv. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Også prøve motor kommandoer og elektrode posisjoner som avviker fra den "normale" anatomi som avvikende re-innervasjon og ekstra-anatomiske rekonstruksjoner som i nerve overføringer har endret nevrale innspill til delvis denervated musklene.
- Hvis det ikke finnes muskelaktivitet i under armen, gjentar du prosedyren på overarmen og skulder beltet.
Merk: hos noen pasienter blir det ikke funnet noen sEMG-signaler. I disse, nerve og muskel overføringer må utføres for å etablere nye EMG signal nettsteder (den detaljerte kirurgiske konseptet kan finnes andre steder7), forsinke signal trening for 6 − 9 måneder. For fingernem protese håndkontroll minst to separable EMG signaler er nødvendig.
3. sEMG-guidet signal trening
Merk: treningsøktene for sEMG-guidet signal trening bør ikke overstige 30 min da dette fører til muskeltretthet, som hindrer vellykket motor læring. De beskrevne trinnene må gjentas over en lengre tidsperiode for å sikre god nevromuskulær koordinering etter behov senere for pålitelig protese kontroll.
- Så snart to eller flere EMG-signaler er identifisert, kan du oppfordre pasienten til å aktivere dem vekselvis (se figur 2A). For å drive en protese på en pålitelig måte må de uavhengige EMG-signalene styres uten innblanding.
- Juster spennings gevinsten for hvert signal uavhengig for å oppnå en tilsvarende amplitude terskel for alle signaler under treningen, noe som vil gjøre signalet separasjon og forståelse lettere for pasienten.
- Gjenta og forklar til pasienten mekanikken i en protese hånd: svak muskel sammentrekning vil til slutt føre til bedre signal separasjon og må foretrekkes over muskelstyrke, dvs, et signal amplitude.
Figur 2: sEMG-guidet rehabilitering for pasienter med Bionic hånd rekonstruksjon.
(A) med direkte visualisering av muskelaktivitet, ulike motor kommandoer kan forsøkes å identifisere den høyeste EMG amplitude over en bestemt mål muskel og ulike signal posisjoner kan sammenlignes. (B) ved hjelp av en bordplate protese, oversettes EMG aktivitet i pasientens arm direkte til protese funksjon. (C) montering av en hybrid protese hånd tillater pasienten å visualisere og forstå fremtidige protese hånd bruk. (D) etter protese rekonstruksjon, kan EMG signaler trenes og optimaliseres enten med sEMG biofeedback eller med en protese hånd. Dette tallet har blitt modifisert fra Sturma et al.12 og gjengitt med tillatelse fra grenser i nevrovitenskap. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Observer EMG signalene på dataskjermen og gjøre pasienten klar over om de to signalene er co-aktivert når du prøver en bestemt bevegelse. Forklar pasienten at to signaler ikke bør co-aktiveres under forsøket på en bestemt handling, som hver EMG signal er knyttet til en bestemt protese handling. Co-aktiverte signaler vil derfor ikke resultere i handlingen ønsket av pasienten.
- Instruere pasienten til å prøve forskjellige (svak) bevegelser og observere hvilke presise bevegelse mønstre er de beste i forhold til signal separasjon. Oppfordre pasienten til å trene disse bevegelsene.
- La pasienten vite at perfekt signal separasjon er usannsynlig i begynnelsen av treningen, men vil bli bedre med et høyt antall repetisjoner.
FORSIKTIG: Tillat avslapning som muskelstyrke kan redusere raskere hos pasienter med komplekse nerveskader og svake myoactivity. - Med forbedret signal konsistens, instruere pasienten til å generere en høyere signal amplitude å ytterligere styrke muskelen og dens signal.
- Med konsistent EMG signal separasjon og solid kontroll, installere en bordplate protese koblet til tilsvarende EMG programvare og elektrodene plassert på pasientens underarm/arm. Dette vil direkte oversette EMG aktivitet til mekanisk protese funksjon (se figur 2B og Figur 3).
Figur 3: pasient foran en bordplate protese og skjermbilde av hans to signaler på en dataskjerm.
På pasientens underarm, to elektroder forstand EMG aktivitet. Disse to signalene vises som fargekodede grafer på dataskjermen (rød og blå) og er samtidig oversatt til protese bevegelse, slik at pasienten å forstå forholdet mellom signalkvalitet og protese kontroll. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Informer pasienten om at myoelectric proteser med direkte kontroll bruker input av en elektrode (dvs. muskelaktiviteten som oppdages fra en elektrode) for å kontrollere en protese bevegelse.
- Gjør pasienten oppmerksom på sammenhengen mellom signalet utseende (for det meste amplitude høyde) på dataskjermen og hastigheten/styrken på protese bevegelsen, i tilfelle en enhet med proporsjonal kontroll av bevegelsen er valgt.
Merk: avhengig av antall tilgjengelige EMG-signaler og graden av frihet for den endelige protese enheten, kan det være nødvendig å bruke metoder for å bytte mellom disse frihetsgradene. En hyppig brukt metode for å bytte mellom grader av frihet (f. eks, hånd åpen/nær pronasjon/supinasjon) er via samtidig sammentrekning av to muskler, også kjent som co-sammentrekning14. - Tog co-sammentrekning. La pasienten observere EMG-signalene på dataskjermen og protesen. Hvis protese enheten ikke beveger seg, dvs. åpne/lukke under co-sammentrekning, pasienten gjør det riktig.
4. hybrid hånd montering og protese trening
- Merk elektrode posisjonene på pasientens hud, som er definert som optimalt for pålitelig protese kontroll, og la en Ortopedisk tekniker produsere en foreløpig protese kontakt som er utformet med disse nøyaktige elektrode posisjonene.
- Monter en hybrid protese hånd med den individuelt tilpassede kontakten på eller under functionless "plexus" hånd (se figur 2C).
- Samtidig kjøre EMG programmet for å gjøre pasienten klar over hans/hennes handlinger.
- Vekselvis trene forskjellige protese bevegelser. Elektroder kan også plasseres på tilstøtende muskler langs overarmen og skulder belte for å unngå ubevisste co-sammentrekninger, som vil føre til tretthet i hele øvre lem med økt slitasje ganger.
- Start med enkle protese bevegelser (bare åpne/lukke hånden uten noen co-sammentrekning) med vekten av protese enheten som støttes.
- Gå videre til enkle protese bevegelser i forskjellige arm posisjoner, for eksempel albuen blir utvidet eller flexed vekselvis. Gjør pasienten oppmerksom på signal avvik ved justering av de forskjellige arm posisjonene og tog signal konsistensen i alle posisjoner.
Merk: etter spontan nerve regenerering utilsiktet co-aktivering av ulike muskel-eller muskelgrupper ofte oppstår på grunn av avvikende re-innervasjon, som kan hemme koordinerte bevegelser og deaktivere tilstrekkelig muskel aktiviteter15. Svak utilsiktet muskel sammentrekning oppstår ofte når du flytter armen, som er følt av sEMG sensorer og oversatt til protese bevegelse. Dette kan resultere i dårlig protese kontroll, hvis ikke tilstrekkelig adressert under rehabilitering ved hjelp av EMG trening og muskelstyrke som beskrevet nedenfor. - I tilfelle av tungvint protese kontroll i forskjellige arm posisjoner, nøye observere EMG signalene på dataskjermen og peke ut til pasienten, i hvilken arm posisjon utilsiktet sammentrekning av en eller flere muskler fører til signal ekskursjon. Tren presis aktivering av EMG-signaler i posisjoner som pasienten fortsatt kan håndtere og langsomt endre arm posisjonen over tid.
- Utføre styrketrening for albue flexors (og skulder muskler, hvis aktuelt), hvis co-aktivering av musklene som brukes til protese kontroll er observert mens løfte armen. Forklar pasienten at en sterkere muskel (dvs. en muskel som ikke fungerer med sin maksimale frivillig kraft under enkle løfte oppgaver) vanligvis også bidrar til en bedre separasjon av signalene. Også utføre styrketrening, hvis øvre lem musklene er for svake til å flytte protese enheten i tre-dimensjonale rommet og/eller stabilisere skulderen mens du gjør det.
- Fortsett med enkle gripe oppgaver, som å plukke opp små esker og manipulere små gjenstander (se figur 2C).
- Til slutt, tren enkle oppgaver daglig levende som å åpne en dør, folding et håndkle eller åpne en flaske.
Merk: mange oppgaver kan være begrenset på grunn av det faktum at den lamme hånden kommer i veien, og enheten kan føles ganske tung som pasienten har til å løfte vekten av hans/hennes egen hånd i tillegg til hybrid protese hånd.
- Hvis signalkvaliteten ikke er tilstrekkelig, kan det være fordelaktig å gå tilbake til signal treningen på dataskjermen. I alle oppgaver spesielt se etter co-aktivering av signaler på dataskjermen og ytterligere forbedre signal independency.
- Vurder øvre lem funksjon ved hjelp av hybrid protese hånden og ta opp video av testresultatene. I tillegg bruker de samme vurderinger for den lamme hånden for å dokumentere den funksjonelle fordelen forventes fra protese utskifting av functionless hånd.
5. valgfrie amputasjon og protese hånd erstatning
- Nøyaktig planlegge nivået av amputasjon avhengig av området av de ulike EMG signaler (transradial, transhumeral eller, i sjeldne tilfeller, skulder) i tverrfaglige team bestående av pasientens fysioterapeut/EMG trener, kirurgen ansvarlig for amputasjon og psykolog kjent med pasientens forventninger.
- Spør pasienten om han/hun har noen uløste spørsmål om den planlagte amputasjon og tydelig kommuniserer at det er mulig til enhver tid før amputasjon å oppheve denne beslutningen, som ellers vil resultere i en irreversibel og liv-endring kirurgi.
- Utfør standardisert vurdering av øvre lem funksjon ved hjelp av functionless hånd og video-tape resultatene
- Utfør standardisert vurdering av øvre lem funksjon ved hjelp av hybrid protese hånden og video-tape resultatene for å dokumentere fordelene med en fremtidig protese montering.
- Utfør den valgfrie amputasjon av functionless lem som beskrevet tidligere7,8.
- Tillat postoperativ sår helbredelse og la pasienten trene tilstøtende skjøter for forbedret øvre lem mobilitet. Etter 4 − 6 uker kan du trene EMG-signalene som beskrevet ovenfor, og definere de beste aktiveringspunktene for elektrode posisjoner.
Merk: disse elektrode posisjonene og motor kommandoene kan avvike noe fra de som ble funnet før amputasjon. - La en Ortopedisk tekniker designe den endelige protese kontakten ved hjelp av de tidligere definerte EMG elektrode posisjonene (se Figur 4, som illustrerer en mulig socket-design i en av de inkluderte pasientene).
Merk: mens det er ingen spesifikk socket design anbefales, den nøyaktige plasseringen av elektrodene og deres vedheft til stump hud er av største betydning som brachialis plexus pasienter har en stor grad redusert Nevro-muskuløse grensesnitt.
Figur 4: eksempel på en mulig protese-og socket-design.
(A) denne pasientens protese består av en ytre kappe laget av karbon. (B) i stedet for en protese hånd, foretrekker pasienten å bruke en krok, som åpner og lukker, som et gripe verktøy. (C, D) De to elektrodene er integrert i protesen. Pasienten bærer en silikon liner med to hull i den, slik at direkte hudkontakt med de to elektrodene (ikke vist). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Start protese treningen.
- Igjen, Start med enkle protese bevegelser (bare åpne/lukke hånden uten co-sammentrekning) med vekten av protese enheten som støttes.
- Gå videre til enkle protese bevegelser i forskjellige arm posisjoner, for eksempel albuen blir utvidet eller flexed vekselvis.
- Fortsett med enkle gripe oppgaver som å plukke opp små esker og manipulere små gjenstander (se figur 2D).
- Endelig tog aktiviteter i hverdagen, igjen starter med ganske enkle oppgaver (som å åpne en dør) og langsomt legge kompleksitet og oppgaver som pasienten anser relevant for hans/hennes spesifikke livssituasjon.
- Tre måneder etter protese montering, gjenta den standardiserte vurderingen av øvre lem funksjon ved hjelp av protese hånden og ta opp en video av resultatene.
Representative Results
I seks pasienter med alvorlig brachialis plexus skader inkludert flere nerve rot avulsions presentert rehabilitering protokollen bruker sEMG biofeedback ble vellykket gjennomført. Detaljerte pasient egenskaper finnes i tabell 1. Figur 2 demonstrerer de ulike fasene av den strukturerte rehabiliterings protokollen og detaljerte forklaringer om gjennomføringen av den.
For å demonstrere forbedringer i hånd funksjon før og etter rekonstruksjon av Bionic, ble det utført en standardisert vurdering som evaluerer den globale øvre ekstremiteter-funksjonen på to tidspunkt: før valgfag amputasjon av den functionless "plexus" hånd, samt etter vellykket protese rekonstruksjon og rehabilitering. The action Research arm test (ARAT) ble opprinnelig utviklet for å vurdere globale øvre ekstremiteter motorfunksjon hos pasienter med kognitiv svekkelse av håndkontroll16. Den standardiserte tilnærmingen til Yozbatiran et al.17 ble brukt i våre studier. Den ARAT består av fire ulike seksjoner, som inkluderer oppgaver nær daglig levende. Testen er tidsbestemt av observatøren som også rangerer oppgaven ytelse fra 0 − 3, med 3 indikerer normal funksjon. Maksimalt 57 poeng er oppnåelig, noe som indikerer usvekket motorfunksjon16. Antall behandlings økter med sEMG-biofeedback og detaljerte resultater for hver pasient finnes i tabell 2.
Selv om Pasienttilfredshet med den tilbudte rehabiliterings protokollen ved hjelp av sEMG-biofeedback ikke ble direkte målt, rapporterte alle de seks pasientene å finne det svært nyttig i forstå av re-innervasjon prosessen etter nerve overføring kirurgi og for å trene sammentrekning av musklene med svært svak aktivitet som tidligere var ingen klinisk bruk for dem.
| Saksnummer | Kjønn, alder (år) | Type ulykke | Type lesjon | Operasjoner for å forbedre bioteknologisk grensesnittet etter første rekonstruksjoner har unnlatt å forbedre hånd funksjonen | |
| 1 | m, 32 | Fall fra høyden | Avulsion av C7 − T1; trekkraft skade av infraclavicular plexus | Valgfag amputasjon av under armen | |
| 2 | m, 32 | Motorsykkelulykke | Brudd på alle 3 trunci av BP | Gratis Gracilis muskel overført til under armen extensor kupé & neurotization av dyp gren av radial nerve til Obturator nerve; valgfag amputasjon av under armen | |
| 3 | m, 55 | Motorsykkelulykke | Avulsion av C5 − T1 | Valgfag amputasjon av overarmen | |
| 4 | m, 38 | Motorsykkelulykke | Omfattende skade på røtter C5 − C8; avulsion av T1 | Valgfag amputasjon av under armen | |
| 5 | m, 27 | Motorsykkelulykke | Avulsion C8 − T1 | Valgfag amputasjon av under armen | |
| 6 | m, 43 | Motorsykkelulykke | Avulsion av C6 − T1 | Overføring av Triceps muskel til infraspinatous Fossa og overføring av biceps muskel til supraklavikulære Fossa å forbedre protese montering; Valgfrie amputasjon av armen (skulder exarticulation) | |
Tabell 1: pasientens egenskaper. I alle pasientene ble Bionic rekonstruksjon initiert på grunn av infeasibility av biologiske behandlingsalternativer. Operasjoner for å etablere EMG signaler i forgrunnen-og overarmen kan omfatte selektiv nerve-og muskel overføringer, som deretter vil kjøre en myoelectric protese hånd. Valgfrie amputasjon er enten utført på et transradial eller transhumeral nivå, avhengig av gjenværende muskelaktivitet. Alle selektive nerve overføringer utført i denne pasientgruppen var vellykkede. Denne tabellen er endret fra Sturma et al.12 og gjengis med tillatelse fra grenser i nevrovitenskap.
| Saksnummer | ARAT ved Baseline | ARAT ved oppfølging | Start av sEMG trening | Antall behandlings økter totalt (30 min hver) | |
| 1 | 7 | 35 | Umiddelbart etter første konsultasjon | 24 | |
| 2 | 0 | 15 | Trening med ett signal umiddelbart etter første konsultasjon; andre signalet var tilgjengelig 9 måneder etter gratis gracillis overføring + nerve overføring | 30 | |
| 3 | 0 | 19 | Umiddelbart etter første konsultasjon | 16 | |
| 4 | 1 | 22 | Umiddelbart etter første konsultasjon | 20 | |
| 5 | 9 | 42 | Umiddelbart etter beslutningen om å sikte på en Bionic rekonstruksjon som biologisk rekonstruksjon mislyktes | 20 | |
| 6 | 0 | 17 | Umiddelbart etter første konsultasjon | 22 | |
| Gjennomsnitt (± SD) | 2,83 ± 4,07 | 25,00 ± 10,94 | 22 ± 4,32 | ||
Tabell 2: ARAT poeng og antall behandlings økter. I action Research arm test (ARAT), pasienter i utgangspunktet viste ubetydelig øvre lem funksjon (gjennomsnittlig 2,83, av maksimalt 57 poeng oppnåelig). Nyttig funksjon ble restaurert etter Bionic rekonstruksjon (gjennomsnittlig 25,00, av 57). Denne tabellen er endret fra Sturma et al.12 og gjengis med tillatelse fra grenser i nevrovitenskap.
Discussion
Biofeedback tilnærminger har vært mye brukt i rehabilitering av flere nevromuskulær lidelser, alt fra (hemi)-plegic forhold som følge av sentrale patologi som hjerneblødning og hjerneslag18,19 til ulike muskel degenerasjon eller skade og deres kirurgisk behandling20,21,22. Interessant, begrepet strukturert biofeedback har ikke blitt implementert i klinisk praksis for perifere nerveskader. Men nettopp i rehabilitering av komplekse nerveskader, praksis, repetisjon, og strukturert treningsprogrammer med passende biofeedback er nødvendig for å etablere riktige motor mønstre23.
Her, og i en tidligere studie12, vi presenterte en strukturert rehabilitering protokoll ved hjelp sEMG biofeedback for pasienter med mangel på biologisk behandling alternativer kvalifisert for protese hånd erstatning, et konsept i dag kjent som Bionic Gjenoppbygging. Den mest åpenbare fordelen av å bruke en sEMG biofeedback oppsett i sammenheng med Bionic rekonstruksjon oppstår fra den nøyaktige definisjonen av sEMG hotspots, dvs, hud steder, hvor en relativt høy amplitude av EMG aktivitet kan måles transcutaneously. Ulike motor kommandoer kan forsøkes vekselvis, som sensorene kan enkelt flyttes langs hele under armen, og-i tilfelle av manglende synlig muskel funksjon i under armen-også i den øvre arm og skulder belte. Når en pasient blir bedt om å forsøke å kontrakt musklene ment å utføre en bestemt handling (for eksempel utvide håndleddet), kan en elektrode plasseres, hvor (svak) muskel sammentrekning er palpated av sensor. Observere EMG signalet på dataskjermen, kan man lett finne ut om signalet er amplitude konsekvent øker, når pasienten forsøker å kontrakt denne muskelen. Hvis amplituden ikke er høy nok eller signalet er inkonsekvent, kan andre motor kommandoer med samme elektrode posisjon forsøkes. Som motsetter nål EMG, denne prosedyren er ikke-invasiv, ikke smertefullt og kan gjentas for alle muskler/muskelgrupper i armen. Testing ulike motoriske kommandoer på ulike muskel steder gjør det mulig å identifisere EMG hotspots, med høyest amplitude og reproduserbar aktivitet knyttet til en bestemt motor handling. Etter identifisering av de sterkeste EMG signalene, kan disse trenes ved hjelp av sEMG biofeedback med hensyn til signal separasjon (co-aktivering av to eller flere EMG-signaler må ikke forekomme på dataskjermen), signalstyrke (reflektert av EMG-signalene amplitude på dataskjermen) og signal reproduserbarhet (hvert forsøk på å kontrakt muskelen må føre til en utflukt av de respektive EMG signal). På et senere stadium av treningen, er EMG aktivitet direkte oversatt til protese funksjon, først ved hjelp av en bordplate protese (se Figur 3), som gir ytterligere tilbakemelding til pasienten slik finjustering av grep styrke, og deretter iført fysisk protese.
I konvensjonelle amputerte, en enorm mengde litteratur har vist at målrettet-muskel-reinnervation (TMR), dvs., kirurgisk overføring av gjenværende arm nerver til alternative muskel nettsteder i brystet og øvre arm, forbedrer protese funksjon, siden disse Re-innervated musklene tjene som biologiske forsterkere av intuitive motor kommandoer og gi fysiologisk passende EMG signaler for protese hånd, håndleddet og albue kontroll24,25,26,27 . Bruke mønster-anerkjennelse kontrollsystemer, EMG data Hentet fra mange sEMG signaler plassert over huden av disse re-innervated musklene kan dekodes og oversettes til spesifikke, reproduserbar motor utganger, som gir mer pålitelig myoelectric protese kontroll28,29,30. Fordi antall EMG signal nettsteder og myoelectric aktivitet av musklene hos pasienter med brachialis plexus avulsion skaden er svært begrenset, kan mønster gjenkjennings algoritmer ikke brukes som er gjort for konvensjonelle amputerte8. Likevel, med videre forskning og forbedret teknologi, kan disse systemene være i stand til å trekke ut mer informasjon om eksisterende svake muskel signaler og dermed forbedre protese funksjonen også i denne særegne pasientgruppen.
Mens presentert protokollen er ansett som en retningslinje, detaljer må tilpasses avhengig av pasienten og tilgjengelig utstyr. På grunn av avvikende re-innervasjon oppstår etter slike nerveskader, motor kommandoer ikke nødvendigvis føre til aktivering av anatomisk "riktige" muskler12. Forfatterne observerte for eksempel EMG-aktivitet ved under armen flexor kupeen, mens pasientene forsøkte å åpne hånden. Derfor bør ulike motor kommandoer testes for å identifisere EMG signaler. I tillegg kan restoljen muskel funksjonen (selv i alle tilfeller for svak til å generere nyttige håndbevegelser) i stor grad variere mellom pasienter og forårsake variasjoner i den nødvendige treningstiden som vist i tabell 2. Videre valg av protese enheten og antall elektroder som brukes for kontroll endre kravene til presisjon av signal separasjon, signal amplitude og behovet for co-sammentrekning. Alt dette må tas i betraktning under signal trening, hybrid protese trening og faktisk protese trening, som det også anbefales i standard protese trening av amputerte31. Når det gjelder enheter som brukes for sEMG biofeedback trening, forfatterne vurdere enheter egnet hvis de kan samtidig vise antall signaler som trengs for protese kontroll, gi sanntids tilbakemelding, og kan være enten koblet til en datamaskin eller skjerm signalene på skjermen selv. Enheter som tillater justering av signal forsterkningen under trening foretrekkes.
Etter rehabilitering var alle pasientene i stand til å bruke protesen under daglige aktiviteter og var tilfreds med beslutningen om å få sin functionless hånd erstattet med en protese enhet12. Denne funksjonelle forbedringen ble reflektert av signifikant økning i gjennomsnittlig ARAT score fra 2,83 ± 4,07 til 25,00 ± 10,94 (p = 0,028).
Fra vårt perspektiv, sEMG biofeedback set-ups presentere verdifulle verktøy for å lette kognitivt krevende prosessen med motor utvinning forbundet med nerveskader og Bionic rekonstruksjon. Identifisering av optimal EMG elektrode posisjonering og testing av ulike motor kommandoer med direkte visualisering av muskelaktivitet er sterkt forenklet ved hjelp av sEMG biofeedback i et klinisk oppsett. Selv om sEMG biofeedback kan også brukes i rehabilitering av biologiske øvre lem funksjon10,12, er dens anvendelse i ferd med Bionic rekonstruksjon betraktet som spesielt effektiv. Viktigst, de sEMG signalene aktiveres under trening senere reflekterer elektrode posisjoner i protese kontakten, som er individuelt tilpasset for hver pasient. Derfor, repeterende aktivering av disse signalene under trening mest sannsynlig øker fremtidig protese håndtering og manuell kapasitet. Direkte visualisering av denne muskelaktiviteten tillater også en pasient å forstå begrepet myoelectric håndkontroll og han/hun kan følge treningen fremgang mer bevisst.
I fremtiden kan vår presentert rehabiliterings protokoll utvides med mer avanserte verktøy for å forbedre funksjonelle resultater. Dette kan omfatte høy tetthet sEMG innspillinger for å lette prosessen med elektrodeplassering via aktiverings varme kart32, ytterligere virtuelle løsninger for å evaluere EMG aktivitet30,33, og seriøse spill for å forbedre treningen motivasjon34. I tillegg kan nye teknologier for protese kontroll, for eksempel algoritmer for mønstergjenkjenning, også brukes28,30,35. På grunn av den reduserte Nevro-muskuløse grensesnitt, er det imidlertid ikke klart om for tiden kommersielt tilgjengelige systemer designet for ellers sunne amputerte ville betydelig bedre protese funksjon i denne spesifikke pasientgruppen. Fremtidige studier bør vurdere anvendelse og fordelene av de oppførte romanen teknologier for rehabilitering av pasienter med alvorlig brachialis plexus skader. I tillegg vil kontrollerte studier med høyere pasient tall også tillate å demonstrere de positive virkningene av den gjeldende protokollen ved hjelp av sEMG-biofeedback med et høyere nivå av bevis.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Denne studien ble finansiert av Christian Doppler Research Foundation av den østerrikske Council for forskning og teknologiutvikling og den østerrikske Federal Ministry of Science, forskning og økonomi. Vi er takknemlige for Aron Cserveny for utarbeidelse av illustrasjonene som inngår i manuskriptet og til grenser i nevrovitenskap for tillatelse til å reprodusere dataene som presenteres i den opprinnelige artikkel12.
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. Traction lesions of the brachial plexus. British Journal of Hospital Medicine. 32 (3), 140-143 (1984).
- 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. Brachial plexus root avulsions. World Journal of Surgery. 25 (8), 1049-1061 (2001).
- 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. Biofeedback in rehabilitation. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 10, 60 (2013).
- 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. Prosthetic training: upper limb. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics of North America. 25 (1), 133-151 (2014).
- 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).
