Bu yazıda, Kas Manşeti Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü (MC-RPNI) adı verilen biyolojik periferik sinir arayüzü geliştirmek için yenilikçi bir yöntem sunulmaktadır. Bu cerrahi yapı, motor niyetin doğru tespitini ve dış iskelet cihazlarının potansiyel kontrolünü kolaylaştırmak için ilişkili periferik sinirin motor efferent sinyallerini yükseltebilir.
Robotik dış iskeletler, ekstremite güçsüzlüğü olan bireyler için fonksiyonel restorasyon için umut verici bir yöntem olarak rehabilitasyon alanında son zamanlarda beğeni kazanmıştır. Bununla birlikte, kullanımları büyük ölçüde araştırma kurumlarıyla sınırlı kalmakta ve motor algılama yöntemleri güvenilmez kaldığı için sıklıkla statik ekstremite desteği aracı olarak çalışmaktadır. Periferik sinir arayüzleri bu eksikliğe potansiyel bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır; Bununla birlikte, doğası gereği küçük genlikleri nedeniyle, bu sinyallerin arka plan gürültüsünden ayırt edilmesi zor olabilir ve genel motor algılama doğruluklarını düşürür. Mevcut arayüzler abiyotik materyallere dayandığından, zamanla yabancı cisim doku reaksiyonu ile birlikte doğal malzeme parçalanması meydana gelebilir ve bu da doğruluklarını daha da etkileyebilir. Kas Manşeti Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü (MC-RPNI), bu belirtilen komplikasyonların üstesinden gelmek için tasarlanmıştır. Sağlam bir periferik sinire çevresel olarak sabitlenmiş bir serbest kas grefti segmentinden oluşan yapı, zamanla içerdiği sinir tarafından yenilenir ve reinnerve olur. Sıçanlarda, bu yapı, bileşik kas aksiyon potansiyellerinin (CMAP’ler) üretilmesi yoluyla periferik bir sinirin motor efferent aksiyon potansiyellerini normal değerin 100 katına kadar yükseltme yeteneğini göstermiştir. Bu sinyal amplifikasyonu, motor niyetinin yüksek doğrulukta algılanmasını kolaylaştırır ve potansiyel olarak dış iskelet cihazlarının güvenilir bir şekilde kullanılmasını sağlar.
Sadece Amerika Birleşik Devletleri’nde, yaklaşık 130 milyon insan nöromüsküler ve kas-iskelet sistemi bozukluklarından etkilenmekte ve yıllık ekonomik etkide 800 milyar doların üzerinde 1,2 ile sonuçlanmaktadır. Bu bozukluk grubu tipik olarak sinir sistemlerindeki, nöromüsküler kavşaktaki veya kasın içindeki patolojiye sekonderolarak 3. Patolojik kökenlerin çeşitliliğine rağmen, çoğunluk bir dereceye kadar ekstremite zayıflığını paylaşır 1,3. Ne yazık ki, bu zayıflık, özellikle şiddetli travma 4,5,6 ortamında, nöral ve kas dokusu rejenerasyonundaki sınırlamalar göz önüne alındığında genellikle kalıcıdır.
Ekstremite zayıflığı tedavi algoritmaları klasik olarak rehabilitasyon ve destekleyici önlemlere odaklanmış, genellikle kalan sağlam uzuvların (bastonlar, tekerlekli sandalyeler, vb.) 7. Bununla birlikte, bu strateji, zayıflığı tek bir ekstremiteyle sınırlı olmayanlar için yetersiz kalmaktadır. Robotik teknolojilerdeki son yeniliklerle birlikte, ekstremite zayıflığı 8,9,10,11,12,13 ile yaşayanlara ekstremite işlevselliğini geri kazandıran gelişmiş dış iskelet cihazları geliştirilmiştir. Bu robotik dış iskeletler genellikle hareketin başlatılmasına ve sonlandırılmasına veya uzuv pozisyonunun korunmasına yardımcı olabilen, kullanıcı için bireysel olarak uyarlanabilen farklı miktarda kuvvet sağlayan güçlü, giyilebilir cihazlardır 8,9,10,11,12,13 . Bu cihazlar, kullanıcıya motor yardımını nasıl sağladıklarına bağlı olarak pasif veya aktif olarak sınıflandırılır: aktif cihazlar, kullanıcıya gücü artıran elektrikli aktüatörler içerirken, pasif cihazlar, gerektiğinde kullanıcıya geri vermek için kullanıcının hareketlerinden enerji depolar14. Aktif cihazlar bir kullanıcının güç yeteneklerini artırma yeteneğine sahip olduğundan, bu cihazlar ekstremite zayıflığı ayarında çok daha sık kullanılır[14].
Bu popülasyondaki motor niyeti belirlemek için, modern dış iskeletler genellikle distal ekstremite kaslarının elektromiyografisinden (EMG)8,15,16,17 veya beynin yüzey elektroensefalografisinden (sEEG) üretilen örüntü tanıma algoritmalarına dayanır 18,19,20 . Bu algılama yöntemlerinin vaadine rağmen, her iki seçenek de bu cihazların yaygın kullanımını engelleyen önemli sınırlamalara sahiptir. EEG, mikrovolt seviyesindeki sinyalleri transkraniyal olarak18,19,20 olarak algıladığından, eleştiriler sıklıkla bu sinyalleri arka plan gürültüsünden ayırt edememeye odaklanır 21. Arka plan gürültüsü istenen kayıt sinyaline benzer olduğunda, bu düşük sinyal-gürültü oranları (SNR’ler) üretir ve yanlış motor algılama ve sınıflandırma22,23’e neden olur. Doğru sinyal algılama ayrıca kaba / kalın saçların varlığından, kullanıcı aktivitesinden ve hatta terleme 22,24’ten önemli ölçüde etkilenebilen kararlı, düşük empedanslı kafa derisi teması 21’e dayanır. Buna karşılık, EMG sinyalleri genlikte birkaç büyüklükte daha büyüktür ve daha fazla motor sinyali algılama doğruluğunu kolaylaştırır15,18,25. Bununla birlikte, yakındaki kaslar sinyali kirletebileceğinden, cihaz tarafından kontrol edilebilen serbestlik dereceleriniazaltarak 16,17,25 ve derin kas hareketini tespit edememe 25,26,27,28 olduğu için bunun bir bedeli vardır. En önemlisi, EMG, önemli kas uzlaşması ve doku29’un tamamen yokluğu durumunda bir kontrol yöntemi olarak kullanılamaz.
Robotik dış iskeletlerin gelişimini ilerletmek için, amaçlanan kullanıcının motor niyetinin tutarlı ve doğru bir şekilde algılanması gerekir. Periferik sinir sistemini kullanan arayüzler, nispeten basit erişimleri ve fonksiyonel seçicilikleri göz önüne alındığında, umut verici bir arayüz tekniği olarak ortaya çıkmıştır. Mevcut periferik sinir arayüzleme yöntemleri invaziv veya non-invaziv olabilir ve tipik olarak üç kategoriden birine girer: ekstranöral elektrotlar 30,31,32,33, intrafasiküler elektrotlar34,35,36 ve penetran elektrotlar37,38,39,40 . Periferik sinir sinyalleri genellikle mikrovolt seviyesinde olduğundan, bu sinyalleri benzer genlikteki arka plan gürültüsünden ayırt etmek zor olabilir41,42, bu da arayüzün genel motor algılama doğruluğu yeteneklerini azaltır. Bu düşük sinyal-gürültü (SNR) oranları, cihazınbozulmasından 39,43 veya cihazın etrafındaki skar dokusu üreten yerel yabancı cisim reaksiyonundan ve / veya lokal aksonal dejenerasyondan 37,44 kaynaklanan kötüleşen elektrot empedansı 43’e bağlı olarak zamanla kötüleşir. Bu eksiklikler genellikle reoperasyon ve yeni bir periferik sinir arayüzünün implantasyonu ile çözülebilse de, yabancı cisimle ilişkili reaksiyonlar meydana gelmeye devam edeceği için bu uzun vadeli bir çözüm değildir.
Periferik sinirlerin abiyotik arayüzlerle etkileşiminden kaynaklanan bu lokal doku reaksiyonlarını önlemek için, biyolojik bir bileşen içeren bir arayüz gereklidir. Bu eksikliği gidermek için, Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü (RPNI), transekte periferik sinirleri, protez cihazlarla amputasyonlu kişilerin kalıntı uzuvlarına entegre etmek için geliştirilmiştir45,46,47,48. RPNI’nin üretimi, transekte bir periferik sinirin otolog serbest kas greftinin bir segmentine cerrahi implantasyonunu içerir ve zamanla revaskülarizasyon, rejenerasyon ve reinnervasyon meydana gelir. RPNI, mili-volt seviyesinde bileşik kas aksiyon potansiyellerinin (CMAP’ler) üretilmesi sayesinde, içerdiği sinirin mikro-volt seviye sinyalini birkaç büyüklükte yükseltebilir ve motor niyetinin 45,48,49’un doğru bir şekilde algılanmasını kolaylaştırır. RPNI’de son on yılda, hem hayvan50,51 hem de insan47 denemelerinde efferent motor sinir sinyallerinin yükseltilmesi ve iletilmesinde kayda değer bir başarı ile kayda değer bir başarı elde edilmiş, yüksek hassasiyetli protez cihaz kontrolünü çoklu serbestlik dereceleriyle kolaylaştırmıştır.
Ekstremite zayıflığı olan ancak sağlam periferik sinirleri olan bireyler, dış iskelet cihazlarını kontrol etmek için periferik sinir arayüzleri aracılığıyla motor niyetin yüksek doğrulukta saptanmasından benzer şekilde yararlanacaktır. RPNI, amputasyonlu kişilerde olduğu gibi transekte periferik sinirlerle entegrasyon için geliştirildiğinden, cerrahi modifikasyonlar gerekliydi. RPNI ile ilgili deneyimlerden yola çıkarak, Kas Manşeti Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü (MC-RPNI) geliştirilmiştir. RPNI’de olduğu gibi benzer bir serbest kas grefti segmentinden oluşan, bunun yerine sağlam bir periferik sinire çevresel olarak sabitlenir (Şekil 1). Zamanla, kollateral aksonal filizlenme, bu efferent motor sinir sinyallerininbüyütülmesi ve birkaç büyüklük sırası daha büyük olan EMG sinyallerine çevrilmesi yoluyla yenilenir ve yeniden innerve olur. MC-RPNI biyolojik kökenli olduğundan, şu anda kullanımda olan periferik sinir arayüzleri ile ortaya çıkan kaçınılmaz yabancı cisim reaksiyonunu önler52. Ayrıca, MC-RPNI, daha önce RPNI’lerde49’da gösterildiği gibi, distal olarak disseke edilmiş sinirlere önemli çapraz konuşma olmadan bireysel kaslara yerleştirilebildikleri için aynı anda birden fazla serbestlik derecesini kontrol etme yeteneği verir. Son olarak, MC-RPNI, proksimal sinire yerleştirildiği için distal kas fonksiyonundan bağımsız olarak çalışabilir. Mevcut periferik sinir arayüzlerine göre avantajları göz önüne alındığında, MC-RPNI, güvenli, doğru ve güvenilir bir dış iskelet kontrolü yöntemi sağlama konusunda önemli bir umut vaat etmektedir.
MC-RPNI, bir dış iskelet cihazını doğru bir şekilde kontrol etmek için sağlam, periferik bir motor sinirin efferent aksiyon potansiyellerinin amplifikasyonuna izin veren yeni bir yapıdır. Spesifik olarak, MC-RPNI, önemli kas hastalığının ve / veya EMG sinyallerinin kaydedilemediği kas yokluğunun neden olduğu ekstremite zayıflığı olan bireylere özel bir fayda sağlar. Zaten tehlikeye girmiş kas fonksiyonunu azaltmak, bu popülasyonda yıkıcı olacaktır; Bununla birlikte, MC-RPNI, distal olarak in…
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar, uzman laboratuvar yönetimi ve teknik yardımı için Jana Moon’a ve görüntüleme uzmanlığı için Charles Hwang’a teşekkür ediyor. Bu makaledeki deneyler kısmen Plastik Cerrahi Vakfı’nın SS’ye (3135146.4) ve SS’ye 1F32HD100286-01 Ödül Numarası altında Ulusal Çocuk Sağlığı ve İnsani Gelişme Enstitüsü’ne ve P30 AR069620 Ödül Numarası altında Ulusal Sağlık Enstitüleri Ulusal Artrit ve Kas-İskelet ve Deri Hastalıkları Enstitüsü’ne hibe edilmesiyle finanse edilmiştir.
#15 Scalpel | Aspen Surgical, Inc | Ref 371115 | Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15) |
2-N-thin film load cell (S100) | Strain Measurement Devices, Inc | SMD100-0002 | Measures force generated by the attached muscle |
4-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 1654G | P-3 Reverse Cutting Needle |
5-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 687G | P-3 Reverse Cutting Needle |
8-0 Monofilament Suture | AROSurgical | T06A08N14-13 | Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle |
Experimental Rats | Envigo | F344-NH-sd | Rats are Fischer F344 Strain |
Fine Forceps – mirror finish | Fine Science Tools | 11413-11 | Fine tipped forceps with mirror finish ideal for handling delicate structures like nerves |
Fluriso (Isofluorane) | VetOne | 13985-528-40 | Inhalational Anesthetic |
Force Measurement Jig | Red Rock | n/a | Custom designed force measurement jig that allows for immobilization of hindlimb to allow for accurate muscle force recording |
MATLAB software | Mathworks, Inc | PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU | Calculates active force for each recorded force trace from passive and total force measurements |
Nicolet Viasys EMG EP System | Nicolet | MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG | Portable EMG and nerve signal recording system capable of simultaneous 2 channel recordings from nerve and/or muscle |
Oxygen | Cryogenic Gases | UN1072 | Standard medical grade oxygen canisters |
Potassium Chloride | APP Pharmaceuticals | 63323-965-20 | Injectable form, 2 mEq/mL |
Povidone Iodine USP | MediChoice | 65517-0009-1 | 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps |
Puralube Vet Opthalmic Ointment | Dechra | 17033-211-38 | Corneal protective ointment for use during procedure |
Rimadyl (Caprofen) | Zoetis, Inc. | NADA# 141-199 | Injectable form, 50 mg/mL |
Stereo Microscope | Leica | Model M60 | User can adjust magnification to their preference |
Surgical Instruments | Fine Science Tools | Various | User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab |
Triple Antibiotic Ointment | MediChoice | 39892-0830-2 | Ointment comes in sterile, disposable packets |
Vannas Spring Scissors – 2mm cutting edge | Fine Science Tools | 15000-04 | Curved micro-dissection scissors used to perform the epineurial window |
VaporStick 3 | Surgivet | V7015 | Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister |
Webcol Alcohol Prep | Coviden | Ref 6818 | Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep |