Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Det kliniska genomförandet av detta rehabiliterings protokoll godkändes av etikkommittén vid medicinska universitetet i Wien (etisk röstnummer: 1009/2014), Österrike och genomfördes i enlighet med de normer som fastställts i Helsingforsdeklarationen. Alla patienter gav skriftligt informerat samtycke till att delta i denna studie.
Anm.: tidigare publikationer av aszmann et al.7 och Hruby et al.8,13 finns tillgängliga som beskriver konceptet, behandlingsalgoritm och psykosociala förutsättningar avseende Bionic rekonstruktion i detalj. Tabell över material refererar till alla material och all utrustning som används i det föreslagna rehabiliterings protokollet.
1. patient bedömning vid inledande konsultation
- För alla steg i patientens bedömning, rehabilitering och utbildning, hitta ett kontor eller examination rum, där patienten är ensam i en lugn atmosfär utan störningar. Se till att ha tillräckligt med utrymme för att undersöka patienten och att ställa in sEMG biofeedback systemet.
- Få en detaljerad fall historia från patienten inklusive skademekanism och första vård, rapporter om tidigare nerv reparations operationer, och subjektiva funktionshinder i dag till dag liv.
- Överväg endast patienter för Bionic rekonstruktion med misslyckade biologiska behandlingsalternativ (dvs., nerv reparation, nervöverföringar, sekundära rekonstruktioner resulterar i meningslös övre extremitets funktion). Utesluta patienter med samtidig skada på centralanervsystemet, instabila frakturer i den drabbade extremiteten, obehandlade och/eller motståndskraftiga psykiska hälsoproblem, drogberoende, bristande efterlevnad och engagemang för att följa en långvarig rehabilitering Program.
- Utför en noggrann klinisk undersökning med fokus på den aktuella övre extremitets funktionen. Kliniskt bedöma funktionen hos alla större muskler i den påverkade armen och handen med BMRC-graderingskskalan.
- Utvärdera i ett tvärvetenskapligt team bestående av rekonstruktiv kirurger, ortopediska kirurger, fysiologer, psykologer och fysioterapeuter om biologiska behandlingsalternativ är möjliga. Förklara för patienten att funktionaliteten hos en myoelektriska protes inte på något sätt kan jämföras med en biologisk hand.
- Fråga patienten om hans/hennes motiv och perspektiv på Bionic rekonstruktion (se en tidigare publikation13 inklusive den strukturerade intervjun med en psykolog för att bedöma om en patient är psykosocialt lämplig att gå igenom processen med Bionic rekonstruktion).
- Bedöma om Tinel tecken kan framkallas längs neurala axeln av de stora perifera nerver som indikerar närvaron av livskraftiga axoner som lämpar sig för nerv överföring kirurgi.
- Bortsett från patientens bedömning, också vagt skissera en eventuell tidsplan för hela processen, som beror på tillgängligheten av detekterbara EMG signaler. Om andra ingrepp, såsom psykologiskt stöd, hållning utbildning, och/eller förstärkning av de återstående musklerna indikeras, starta dem så snart som möjligt.
2. identifiering av sEMG-signaler
- Ställ in ett system för sEMG biofeedback på ett bord i ett tyst rum. Detta kan vara en fristående enhet eller en som är ansluten till en dator. Om en dator används ansluter du EMG-enheten med datorn genom att ansluta alla kablar och starta rätt programvara på datorn.
- För att minska impedansen, Förbered patientens hud genom att noggrant raka respektive kroppsdel och/eller genom att försiktigt ta bort döda hudceller med en peeling-gel eller en våt pappershandduk.
- Kort förklara funktionaliteten hos EMG-enheten och tillhörande datorprogramvara för patienten.
- Placera patienten framför datorskärmen.
- Be patienten att tänka på handrörelser och samtidigt försöka att kontraktet musklerna avsedda att utföra en viss åtgärd (t. ex. förlänga handleden, gör en knytnäve, flexar tummen, etc.), även om detta inte kommer att resultera i verklig rörelse av hans funktionslösa Hand. Palpate hans/hennes underarm för (svaga) muskelkontraktion.
- Placera en semg elektrod på exakt hud position, där muskelkontraktion kan palperas med fingret, e.g., på dorsala extensor facket 5 cm distalt till armbågsleden när du ber patienten att tänka på att förlänga hans/hennes handled och fingrar.
Obs: medan sEMG aktivitet kan detekteras med våta och torra elektroder, är torra elektroder förberedda för testning eftersom dessa lätt kan flyttas på huden för att kontrollera för optimala positioner. - Upprepa motorns kommando används före (dvs., förlängning av handled och fingrar) för att framkalla sammandragning av muskeln.
- Observera EMG signalen på datorskärmen och se om amplituden konsekvent ökar när patienten försöker att kontraktet muskeln avsedd att utföra en viss åtgärd (dvs., förlänga handleden och fingrarna).
- Om amplituden inte är tillräckligt hög (mindre än 2 − 3 gånger bakgrundsbrus12) eller om signalen är inkonsekvent, prova andra motor kommandon med samma elektrod position och se om högre amplituder kan erhållas.
- Upprepa proceduren för en annan muskel-eller muskelgrupp. Till exempel, flytta sEMG elektroden till volar aspekt av under armen, placera den på Pronator teres muskeln, och be patienten att försöka pronating hans/hennes underarm. Observera signalen på datorskärmen och se om amplituden ökar upprepade gånger när patienten tänker på denna rörelse.
Obs: hos vissa patienter är ingen muskelaktivitet påtaglig. Här, tre eller flera sEMG elektroder bör placeras på volar, dorsala och radiell aspekt av under armen och olika motor kommandon bör prövas, noga observera alla signaler för amplitud förändringar även med minsta förändringar i elektrod positionering ( Se figur 1).
Bild 1: skärmbild av EMG-signaler på en datorskärm.
För att identifiera EMG aktivitet, två eller flera elektroder kan placeras på patientens under armen ber honom/henne att försöka olika rörelser. I detta specifika fall, den elektrod på volar aspekt av under armen sinnen EMG aktivitet som återspeglas av den första, röda vågen visas på datorskärmen, när patienten försöker stänga hans/hennes hand. Signal separation i denna patient är tillfredsställande, eftersom den blå signalen, som motsvarar den andra elektroden placeras på rygg aspekten av under armen, inte når tröskeln. När patienten tänker på att öppna handen, överskrider amplituden av den blå signalen tröskelvärdet, medan den röda signalen förblir nästan inaktiv. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Också prova motor kommandon och elektrod positioner som skiljer sig från den "normala" anatomi som avvikande re-innervation och extra anatomiska rekonstruktioner som i nervöverföringar har förändrat den neurala ingången till den delvis denervated muskler.
- Om ingen muskelaktivitet finns i under armen, upprepa proceduren på överarmen och skuldergördeln.
Obs: hos vissa patienter finns inga sEMG-signaler. I dessa, nerv-och muskel överföringar måste utföras för att etablera nya EMG signal platser (det detaljerade kirurgiska konceptet kan hittas någon annanstans7), fördröja signal träning för 6 − 9 månader. För dexterös proteshand kontroll behövs minst två separata EMG-signaler.
3. sEMG-guidad signal träning
Obs: träningspassen för sEMG-guidad signal träning bör inte överstiga 30 minuter eftersom detta leder till muskeltrötthet, vilket hindrar framgångsrikt motoriskt lärande. De beskrivna stegen måste upprepas under en längre tid för att säkerställa god neuromuskulär koordination vid behov senare för tillförlitlig protes kontroll.
- Så snart två eller flera EMG-signaler har identifierats, uppmuntra patienten att aktivera dem växelvis (se figur 2A). För att tillförlitligt driva en protes måste de oberoende EMG-signalerna styras utan störningar.
- Justera spännings förstärkningen för varje signal självständigt för att uppnå en liknande amplitud tröskel för alla signaler under träningen, vilket kommer att göra signal separation och förståelse lättare för patienten.
- Upprepa och förklara för patienten mekaniken i en proteshand: lätt muskelkontraktion kommer i slutändan att leda till förbättrad signal separation och måste vara att föredra framför muskelstyrka, dvs en signalens amplitud.
Figur 2: sEMG-styrd rehabilitering för patienter med Bionic hand rekonstruktion.
(A) med direkt visualisering av muskelaktivitet, olika motor kommandon kan försök att identifiera den högsta EMG amplituden över en specifik mål muskel och olika signal positioner kan jämföras. (B) med hjälp av en bords protes är EMG-aktiviteten i patientens arm direkt översatt till protes funktion. (C) monteringen av en hybrid proteshand gör det möjligt för patienten att visualisera och förstå framtida proteshand användning. (D) efter protes rekonstruktion kan EMG-signalerna tränas och optimeras antingen med semg biofeedback eller med den protetiska handen själv. Denna siffra har modifierats från Sturma et al.12 och reproducerats med tillstånd från gränser i neurovetenskap. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Observera EMG-signalerna på datorskärmen och gör patienten medveten om huruvida de två signalerna är co-aktiverade när du försöker en viss rörelse. Förklara för patienten att två signaler inte bör samaktive ras under försöket av en specifik åtgärd, eftersom varje EMG-signal är kopplad till en specifik protes åtgärd. Co-aktiverade signaler kommer därför inte att resultera i den åtgärd som önskas av patienten.
- Instruera patienten att prova olika (små) rörelser och observera vilka exakta rörelsemönster som är bäst när det gäller signal separation. Uppmuntra patienten att träna dessa rörelser.
- Låt patienten veta att perfekt signal separation är osannolikt i början av träningen, men kommer att förbättras med ett stort antal repetitioner.
FÖRSIKTIGHET: Tillåt faser av avslappning som muskelstyrka kan minska snabbare hos patienter med komplexa nervskador och svag myoactivity. - Med förbättrad signal konsistens, instruera patienten att generera en högre signalamplitud för att ytterligare stärka muskeln och dess signal.
- Med konsekvent EMG-signalseparation och solid kontroll, installera en bordsskiva protes ansluten till motsvarande EMG programvara och elektroderna placeras på patientens under armen/armen. Detta kommer direkt att översätta EMG-aktiviteten till mekanisk protes funktion (se figur 2B och figur 3).
Figur 3: patienten framför en bordsskiva protes och en skärmdump av hans två signaler på en datorskärm.
På patientens underarm, två elektroder känsla EMG aktivitet. Dessa två signaler visas som färgkodade grafer på datorskärmen (röd och blå) och översätts samtidigt till protes rörelse, vilket gör att patienten kan förstå sambandet mellan signalkvalitet och protes kontroll. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Utbilda patienten att myoelektriska proteser med direkt kontroll använda ingången av en elektrod (dvs, muskelaktivitet detekteras från en elektrod) för att kontrollera en protes rörelse.
- Gör patienten medveten om sambandet mellan signalens utseende (mestadels amplitud höjd) på datorskärmen och hastigheten/styrkan hos den protetiska rörelsen, om en anordning med proportionell kontroll av rörelsehastighet väljs.
Obs: beroende på antalet tillgängliga EMG-signaler och graden av frihet för den slutliga protetiska anordningen, kan det vara nödvändigt att använda metoder för att växla mellan dessa frihetsgrader. En ofta använd metod för växling mellan grader av frihet (e.g., räcka öppet/nästan pronation/supination) är via den samtidiga contractionen av två muskler, också bekant som co-contraction14. - Träna Co-kontraktion. Låt patienten iaktta EMG-signalerna på datorskärmen och protesen. Om protetiska anordningen inte rör sig, dvs öppna/stänga under samtidig kontraktion, patienten gör det på rätt sätt.
4. Hybrid hand montering och protes träning
- Markera elektrod positionerna på patientens hud, som har definierats som optimala för tillförlitlig protes kontroll och låt en ortopedisk tekniker tillverka ett preliminärt protes uttag utformat med dessa exakta elektrod positioner.
- Montera en hybrid proteshand med den individuellt skräddarsydda uttaget på eller under den funktionslösa "plexus" handen (se figur 2C).
- Samtidigt köra EMG programvara för att göra patienten medveten om sina handlingar.
- Omväxlande träna olika protes rörelser. Elektroder kan också placeras på angränsande muskler längs överarmen och skuldergördeln för att undvika medvetslös Co-sammandragningar, vilket kommer att leda till trötthet i hela övre extremiteten med ökad slit tider.
- Börja med enkla protes rörelser (Öppna/Stäng inte handen utan samtidig kontraktion) med vikten av den protetiska anordningen som stöds.
- Gå vidare till enkla protes rörelser i olika arm positioner, såsom armbågen förlängs eller flexas växelvis. Gör patienten medveten om signal avvikelser vid justering av de olika arm positionerna och tåg signalens konsistens i alla lägen.
Anmärkning: efter spontan nervregeneration oavsiktlig samtidig aktivering av olika muskel-eller muskelgrupper uppstår ofta på grund av avvikande re-innervation, vilket kan hämma koordinerade rörelser och inaktivera adekvat muskelaktivitet15. Svag oavsiktlig muskelkontraktion uppstår ofta när du flyttar armen, som är kände av semg sensorer och översatt till protes rörelse. Detta kan resultera i dålig protes kontroll, om den inte behandlas tillräckligt under rehabilitering med hjälp av EMG-träning och muskel förstärkning enligt beskrivningen nedan. - I händelse av besvärlig protes kontroll i olika arm positioner, noggrant iaktta EMG-signalerna på datorskärmen och peka ut till patienten, i vilken arm position oavsiktlig sammandragning av en eller flera muskler leder till signal utflykt. Träna exakt aktivering av EMG-signaler i positioner som patienten fortfarande kan hantera och sakta ändra arm positionen över tid.
- Utför styrketräning för armbåge flexors (och skuldra muskler, om tillämpligt), om samtidig aktivering av musklerna som används för protes kontroll observeras samtidigt lyfta armen. Förklara för patienten att en starkare muskel (dvs. en muskel som inte fungerar med sin maximala frivilliga kraft under enkla lyft uppgifter) vanligtvis också bidrar till en bättre separation av signalerna. Också utföra styrketräning, om de övre extremiteterna musklerna är för svaga för att flytta protetiska enheten i tredimensionellt utrymme och/eller stabilisera axeln medan du gör det.
- Fortsätt med enkla greppa uppgifter, till exempel plocka upp små lådor och manipulera små objekt (se figur 2C).
- Slutligen, träna enkla uppgifter för dagligt liv som att öppna en dörr, vika en handduk eller öppna en flaska.
Obs: många uppgifter kan vara begränsad på grund av det faktum att den förlamade handen kommer i vägen, och enheten kan kännas ganska tung som patienten har att lyfta vikten av sin egen hand utöver hybrid proteshand.
- Om signalkvaliteten är otillräcklig kan det vara fördelaktigt att gå tillbaka till signal träning på datorskärmen. I alla uppgifter specifikt leta efter Co-aktivering av signaler på datorskärmen och ytterligare förbättra signalen oberoende.
- Bedöm övre extremitets funktion med hjälp av hybrid proteshand och spela in video av testresultaten. Dessutom använder samma bedömningar för den förlamade handen för att dokumentera den funktionella nyttan förväntas från protes utbyte av den funktionslösa handen.
5. elektiv amputation och proteshand leds Plastik
- Exakt planera nivån av amputation beroende på platsen för de olika EMG signaler (transradial, transhumeral eller, i sällsynta fall, glenohumeral) i det tvärvetenskapliga team bestående av patientens sjukgymnast/EMG tränare, kirurgen ansvarig för amputation och psykologen förtrogen med patientens förväntningar.
- Fråga patienten om han/hon har några olösta frågor om den planerade amputation och tydligt meddela att det är möjligt när som helst före amputation att återkalla detta beslut, som annars kommer att resultera i en oåterkallelig och livsförändrande kirurgi.
- Utföra den standardiserade bedömningen av övre extremitets funktion med hjälp av den funktionslösa handen och video-tape resultaten
- Utför den standardiserade bedömningen av övre extremitets funktion med hjälp av hybrid proteshand och video-tape resultaten för att dokumentera fördelarna med en framtida protes montering.
- Utför den valfria amputation av den funktionslösa extremiteten som beskrivits tidigare7,8.
- Tillåt postoperativ sårläkning och låt patienten träna angränsande leder för bättre rörlighet i övre extremiteterna. Efter 4 − 6 veckor, träna EMG-signalerna enligt beskrivningen ovan och definiera de bästa hotspots för elektrod positioner.
Obs: dessa elektrod positioner och motor kommandon kan skilja sig något från dem som hittades före amputation. - Låt en ortopedisk tekniker designa det slutliga protes uttaget med hjälp av de tidigare definierade EMG-elektrodpositionerna (se figur 4, som illustrerar en möjlig socketkonstruktion i en av de inkluderade patienterna).
Obs: även om det inte finns någon specifik socket design rekommenderas, den exakta positionen av elektroderna och deras vidhäftning till stubben hud är av yttersta vikt som brachialis plexus patienter har en till stor del reducerad neuro-muskulös gränssnitt.
Figur 4: exempel på en möjlig protes-och socketdesign.
(A) patientens protes består av ett ytterhölje av kol. (B) istället för en proteshand, patienten föredrar att använda en krok, som öppnas och stängs, som ett greppa verktyg. (C, D) De två elektroderna är integrerade i protesen. Patienten bär en silikon liner med två hål i den, vilket möjliggör direkt hudkontakt med de två elektroderna (visas inte). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Starta protes träningen.
- Återigen, börja med enkla protes rörelser (endast öppna/stänga handen utan någon Co-kontraktion) med vikten av protetiska enheten som stöds.
- Gå vidare till enkla protes rörelser i olika arm positioner, såsom armbågen förlängs eller flexas växelvis.
- Fortsätt med enkla greppa uppgifter som att plocka upp små lådor och manipulera små objekt (se figur 2D).
- Slutligen, utbilda aktiviteter i dagligt liv, återigen börjar med ganska enkla uppgifter (som att öppna en dörr) och sakta lägga till komplexitet och uppgifter som patienten anser relevanta för hans/hennes specifika livssituation.
- Tre månader efter protes montering, upprepa den standardiserade bedömningen av övre extremitets funktion med hjälp av den protetiska handen och spela in en video av resultaten.
Representative Results
Hos sex patienter med svår Plexus brachialis skador inklusive flera nervrot avulsioner det presenterade rehabiliterings protokollet med sEMG biofeedback genomfördes framgångsrikt. Detaljerade patient egenskaper finns i tabell 1. Figur 2 visar de olika faserna i det strukturerade rehabiliterings protokollet och detaljerade förklaringar till dess genomförande.
För att demonstrera förbättringar i handfunktion före och efter Bionic rekonstruktion, en standardiserad bedömning utvärdera global övre extremiteten funktion utfördes vid två tidpunkter: innan elektiv amputation av functionless "plexus" hand samt efter lyckad protes rekonstruktion och rehabilitering. Åtgärden Research arm test (ARAT) utvecklades ursprungligen för att bedöma den globala övre extremiteten motorisk funktion hos patienter med kognitiv försämring av handkontroll16. Det standardiserade tillvägagångssättet för Yozbatiran et al.17 användes i våra studier. ARAT består av fyra olika sektioner, som omfattar uppgifter i närheten av vardagslivet. Testet är tidsinställda av betraktaren som också klassar uppgiften prestanda från 0 − 3, med 3 indikerar normal funktion. Maximalt 57 punkter är uppnåeliga och indikerar felfri motor funktion16. Antalet behandlingssessioner med sEMG biofeedback och detaljerade resultat för varje patient finns i tabell 2.
Även om patientens tillfredsställelse med det erbjudna rehabiliterings protokollet med sEMG biofeedback inte var direkt mätt, rapporterade alla sex patienter att finna det mycket användbart i att förstå den re-innervation processen efter nerv överföring kirurgi och att träna sammandragning av muskler med mycket svag aktivitet som tidigare inte var till någon klinisk användning för dem.
| Ärendenummer | Kön, ålder (år) | Typ av olycka | Typ av lesion | Operationer för att förbättra bioteknologiska gränssnitt efter inledande rekonstruktioner har misslyckats med att förbättra handfunktion | |
| 1 | m, 32 | Fall från höjd | Avulsion av C7 − T1; dragkraft skada av infraclavicular plexus | Elektiv amputation av under armen | |
| 2 | m, 32 | Motorcykelolycka | Rupture av alla 3 trunci av BP | Gratis gracilis muskler överförs till underarm extensor facket & neurotization av djupa gren av radiell nerv till obturatorn nerv; elektiv amputation av under armen | |
| 3 | m, 55 | Motorcykelolycka | Avulsion av C5 − T1 | Elektiv amputation av överarmen | |
| 4 | m, 38 | Motorcykelolycka | Omfattande skador på rötterna C5 − C8; avulsion av T1 | Elektiv amputation av under armen | |
| 5 | m, 27 | Motorcykelolycka | Avulsion C8 − T1 | Elektiv amputation av under armen | |
| 6 | m, 43 | Motorcykelolycka | Avulsion av C6 − T1 | Överföring av triceps muskel till infraspinatous fossa och överföring av biceps muskler till Stadium fossa att förbättra protes montering; Elektiv amputation av armen (Shoulder Exartikulation) | |
Tabell 1: patientens egenskaper. Hos alla patienter initierades Bionic rekonstruktion på grund av infeasibility av biologiska behandlingsalternativ. Operationer för att etablera EMG-signaler i förgrunden och överarmen kan innefatta selektiva nerver och muskel överföringar, som sedan kommer att driva en myoelektriska proteshand. Elektiv amputation utförs antingen på en transradiell eller transhumeral nivå, beroende på kvarvarande muskelaktivitet. Alla selektiva nervöverföringar som utfördes i denna patientgrupp var framgångsrika. Denna tabell har modifierats från Sturma et al.12 och reproducerats med tillstånd från gränser i neurovetenskap.
| Ärendenummer | ARAT vid baseline | ARAT vid uppföljning | Start av sEMG Training | Antal terapisessioner totalt (30 min vardera) | |
| 1 | 7 | 35 | Omedelbart efter det första samrådet | 24 | |
| 2 | 0 | 15 | Utbildning med en signal omedelbart efter första samråd; andra signalen var tillgänglig 9 månader efter gratis gracillis överföring + nerv överföring | 30 | |
| 3 | 0 | 19 | Omedelbart efter det första samrådet | 16 | |
| 4 | 1 | 22 | Omedelbart efter det första samrådet | 20 | |
| 5 | 9 | 42 | Omedelbart efter beslut att sträva efter en Bionic rekonstruktion som biologisk rekonstruktion misslyckades | 20 | |
| 6 | 0 | 17 | Omedelbart efter det första samrådet | 22 | |
| Medelvärde (± SD) | 2,83 ± 4,07 | 25,00 ± 10,94 | 22 ± 4,32 | ||
Tabell 2: ARAT-Poäng och antal behandlingssessioner. I åtgärden Research arm test (ARAT), patienter visade initialt försumbar övre extremitets funktion (medelvärde 2,83, av högst 57 poäng uppnåeliga). Användbar funktion återställdes efter Bionic rekonstruktion (medelvärde 25,00, av 57). Denna tabell har modifierats från Sturma et al.12 och reproducerats med tillstånd från gränser i neurovetenskap.
Discussion
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.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
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.
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).
