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