Biorretroalimentación electromiográfica de superficie como herramienta de rehabilitación para pacientes con lesión global del plexo braquial que reciben reconstrucción biónica

Neuroscience
 

Summary

Los resultados funcionales óptimos después de la reconstrucción biónica en pacientes con lesión global del plexo braquial dependen de un protocolo de rehabilitación estructurado. El entrenamiento guiado electromiográfico superficial puede mejorar la amplitud, separación y consistencia de las señales EMG, que - después de la amputación electiva de una mano sin funciones - controlan y conducen una mano protésica.

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Hruby, L. A., Sturma, A., Aszmann, O. C. Surface Electromyographic Biofeedback as a Rehabilitation Tool for Patients with Global Brachial Plexus Injury Receiving Bionic Reconstruction. J. Vis. Exp. (151), e59839, doi:10.3791/59839 (2019).

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Abstract

En pacientes con lesión global del plexo braquial y falta de alternativas de tratamiento biológico, recientemente se ha descrito la reconstrucción biónica, incluida la amputación electiva de la mano sin funciones y su reemplazo por una prótesis. La función protésica óptima depende de un protocolo de rehabilitación estructurado, ya que la actividad muscular residual en el brazo de un paciente se traduce más tarde en función protésica. La biorretroalimentación electromiográfica superficial (sEMG) se ha utilizado durante la rehabilitación después del accidente cerebrovascular, pero hasta ahora no se ha utilizado en pacientes con lesiones nerviosas periféricas complejas. Aquí, presentamos nuestro protocolo de rehabilitación implementado en pacientes con lesiones globales del plexo braquial adecuadas para la reconstrucción biónica, desde la identificación de señales sEMG hasta el entrenamiento protésico final. Este programa de rehabilitación estructurado facilita el reaprendizaje motor, que puede ser un proceso cognitivomente debilitante después de lesiones complejas de avulsión de la raíz nerviosa, reinervación aberrante y reconstrucción extraanatómica (como es el caso de la transferencia nerviosa cirugía). El protocolo de rehabilitación mediante la biorretroalimentación sEMG ayuda al establecimiento de nuevos patrones motores a medida que los pacientes son conscientes del proceso de reinnervación de avance de los músculos diana. Además, las señales débiles también pueden ser entrenadas y mejoradas usando la biorretroalimentación sEMG, haciendo que un músculo clínicamente "inútil" (exhibiendo fuerza muscular M1 en la escala del British Medical Research Council [BMRC]) sea elegible para el control de manos protésicos diestros. Además, los resultados funcionales después de una reconstrucción biónica exitosa se presentan en este artículo.

Introduction

Las lesiones globales del plexo braquial, incluida la avulsión traumática de las raíces nerviosas de la médula espinal, representan una de las lesiones nerviosas más graves en los seres humanos y generalmente afectan a pacientes jóvenes y sanos en el mejor momento de la vida1,2 . Dependiendo del número de raíces nerviosas avulsadas, puede ocurrir parálisis completa de las extremidades superiores ya que la conexión nerval a la mano del brazo y la mano se interrumpe. Tradicionalmente, la avulsión de las raíces nerviosas se ha asociado con malos resultados3. Con técnicas nerviosas microquirúrgicas ganando terreno en las últimas décadas, los resultados quirúrgicos se han mejorado y la función motora útil en el hombro y el codo se restauran generalmente4,5. La musculatura intrínseca en la mano, que se encuentra más distalmente, por lo general sufre degeneración grasa que resulta en atrofia irreversible antes de regenerar los axones puede llegar a ella6. Para estos casos la reconstrucción biónica, que incluye la amputación electiva de la mano "plexus" sin funciones y su reemplazo con una mano mecatrónica, se ha descrito7,8. La actividad muscular residual en el antebrazo de un paciente, que puede ser clínicamente insignificante (contracciones isométricas, M1 en la escala del British Medical Research Council [BMRC]), se recoge de los electrodos transcutáneos que sientan actividad electromiográfica, que es luego traducido en varios movimientos de una mano protésica9.

Suficientes señales electromiográficas superficiales (sEMG) pueden estar presentes en la consulta inicial. En algunos casos, sin embargo, es necesario establecer señales adicionales realizando transferencias selectivas de nervios y músculos7. En cualquier caso, se necesita un protocolo de rehabilitación estructurado para garantizar la consistencia de la señal sEMG y la posterior función protésica óptima al final del proceso. Un desafío importante después de la avulsión de la raíz nerviosa y la reinnervación aberrante, así como después de la cirugía de transferencia de nervios es el establecimiento de nuevos patrones motores para permitir el control volicional sobre el músculo objetivo. métodos de biorretroalimentación sEMG han sido ampliamente utilizados en la rehabilitación del accidente cerebrovascular10. Este método permite la visualización directa de la actividad muscular que de otro modo pasaría desapercibida debido a la debilidad muscular y / o la activación de los antagonistas. Por lo tanto, anima a los pacientes a entrenar sus músculos débiles, al tiempo que proporciona una retroalimentación precisa sobre la correcta ejecución de las tareas motoras11.

En una publicación reciente hemos demostrado por primera vez que la biorretroalimentación sEMG también puede utilizarse en la rehabilitación de lesiones nerviosas periféricas complejas12. Creemos que la biorretroalimentación sEMG es un método extremadamente útil para hacer que un paciente sea consciente del proceso de reinnervación que avanza después de la cirugía de transferencia nerviosa. Además, la débil actividad muscular, que anteriormente no era útil para el paciente, puede ser entrenada y reforzada para un control protésico posterior utilizando la biorretroalimentación sEMG, que permite la visualización concreta de la actividad muscular de otra manera inadvertida tanto para el clínico como para el paciente . Por lo tanto, el progreso de la formación puede estar bien comprendido y documentado. Además, el uso de retroalimentación directa sobre la actividad muscular permite al clínico correlacionar varios comandos motores con la amplitud y consistencia de la señal asociada, estableciendo las mejores estrategias motoras para permitir un control protésico robusto en el futuro. En resumen, el objetivo de este método es facilitar el proceso de rehabilitación mediante el aumento de la comprensión, conciencia y control de las señales sEMG de un paciente, que más tarde conducirá una mano protésica.

Protocol

La aplicación clínica de este protocolo de rehabilitación fue aprobada por el comité de ética de la Universidad Médica de Viena (número de voto ético: 1009/2014), Austria y llevada a cabo de acuerdo con las normas establecidas por la Declaración de Helsinki. Todos los pacientes proporcionaron su consentimiento informado por escrito para participar en este estudio.

NOTA: Publicaciones anteriores de Aszmann et al.7 y Hruby et al.8,13 están disponibles describiendo el concepto, algoritmo de tratamiento y requisitos previos psicosociales con respecto a la reconstrucción biónica con gran detalle. La Tabla de Materiales hace referencia a todos los materiales y equipos utilizados en el protocolo de rehabilitación propuesto.

1. Evaluación del paciente tras la consulta inicial

  1. Para todos los pasos de la evaluación del paciente, rehabilitación y formación, encontrar una oficina o sala de examen, donde el paciente está solo en un ambiente tranquilo sin molestias. Asegúrese de tener suficiente espacio para examinar al paciente y configurar el sistema de biorretroalimentación sEMG.
  2. Obtenga un historial de casos detallado del paciente, incluyendo el mecanismo de lesión y los primeros cuidados, informes sobre cirugías previas de reparación nerviosa y discapacidad subjetiva en la vida diaria.
  3. Considere sólo a los pacientes para la reconstrucción biónica con alternativas de tratamiento biológico fallido (es decir, reparación nerviosa, transferencias nerviosas, reconstrucciones secundarias que resulten en la función inútil de las extremidades superiores). Excluir a los pacientes con daño simultáneo al sistema nervioso central, fracturas inestables de la extremidad afectada, problemas de salud mental no tratados y/o resilientes, adicción a las drogas, falta de cumplimiento y compromiso de adherirse a una rehabilitación duradera Programa.
  4. Realizar un examen clínico detallado centrándose en la función actual de la extremidad superior. Evaluar clínicamente la función de todos los músculos principales en el brazo y la mano afectados utilizando la escala de clasificación BMRC.
  5. Evaluar en un equipo multidisciplinario compuesto por cirujanos reconstructivos, cirujanos ortopédicos, fisiatranos, psicólogos y fisioterapeutas si son posibles alternativas de tratamiento biológico. Explique al paciente que la funcionalidad de una prótesis mioeléctrica no puede compararse en modo alguno con la de una mano biológica.
  6. Pregúntele al paciente sobre sus motivos y perspectivas sobre la reconstrucción biónica (véase una publicación anterior13 que incluye la entrevista estructurada con un psicólogo para evaluar si un paciente está psicosocialmente apto para pasar por el proceso de reconstrucción).
  7. Evaluar si los signos de Tinel se pueden obtener a lo largo del eje neural de los nervios periféricos principales que indican la presencia de axones viables adecuados para la cirugía de transferencia de nervios.
  8. Aparte de la evaluación del paciente, también esboza vagamente un posible cronograma de todo el proceso, que depende de la disponibilidad de señales EMG detectables. Si se indican otras intervenciones, como apoyo psicológico, entrenamiento de postura y/o fortalecimiento de los músculos restantes, inícielos lo antes posible.

2. Identificación de señales sEMG

  1. Configure un sistema para la biorretroalimentación sEMG sobre una mesa en una habitación tranquila. Puede ser un dispositivo independiente o uno conectado a un ordenador. Si se utiliza un ordenador, conecte el dispositivo EMG con el ordenador conectando todos los cables e inicie el software adecuado en el ordenador.
  2. Para reducir la impedancia, prepare la piel del paciente afeitándose cuidadosamente la parte del cuerpo respectiva y/o retirando suavemente las células muertas de la piel con un gel de sellación o una toalla de papel húmeda.
  3. En breve explique la funcionalidad del dispositivo EMG y el software informático asociado al paciente.
  4. Coloque al paciente delante de la pantalla del ordenador.
  5. Pídale al paciente que piense en los movimientos de las manos y al mismo tiempo intente contraer los músculos destinados a realizar una acción específica (como extender la muñeca, hacer un puño, flexionar el pulgar, etc.), incluso si esto no resultará en el movimiento real de su función Mano. Palpate su antebrazo para una contracción muscular (débil).
  6. Coloque un electrodo sEMG en la posición exacta de la piel, donde la contracción muscular se puede palpar con el dedo, por ejemplo, en el compartimiento extensor dorsal 5 cm disal a la articulación del codo al pedir al paciente que piense en extender su muñeca y dedos.
    NOTA: Mientras que la actividad sEMG puede ser detectada con electrodos húmedos y secos, los electrodos secos están preparados para las pruebas, ya que estos se pueden mover fácilmente en la piel para comprobar si hay posiciones óptimas.
  7. Repita el comando motor utilizado antes (es decir, la extensión de la muñeca y los dedos) para evitar la contracción del músculo.
    1. Observe la señal EMG en la pantalla del ordenador y compruebe si la amplitud aumenta constantemente cuando el paciente intenta contraer el músculo destinado a realizar una acción específica (es decir, extender la muñeca y los dedos).
    2. Si la amplitud no es lo suficientemente alta (menos de 2 x 3 veces el ruido de fondo12) o la señal es inconsistente, pruebe otros comandos del motor con la misma posición del electrodo y vea si se pueden obtener amplitudes más altas.
  8. Repita el procedimiento para un músculo o grupo muscular diferente. Por ejemplo, mueva el electrodo sEMG al aspecto volador del antebrazo, colocándolo en el músculo pronator teres, y pida al paciente que intente pronatar su antebrazo. Observe la señal en la pantalla del ordenador y vea si la amplitud aumenta repetidamente cuando el paciente piensa en este movimiento.
    NOTA: En algunos pacientes, ninguna actividad muscular es palpable. Aquí, se deben colocar tres o más electrodos sEMG en el aspecto volador, dorsal y radial del antebrazo y se deben intentar varios comandos motor, observando de cerca todas las señales de cambios de amplitud incluso con los más ligeros cambios en el posicionamiento de los electrodos ( ver Figura 1).

Figure 1
Figura 1: Captura de pantalla de señales EMG en la pantalla de un ordenador.
Para identificar la actividad de EMG, se pueden colocar dos o más electrodos en el antebrazo de un paciente pidiéndole que intente varios movimientos. En este caso específico, el electrodo en el aspecto volador del antebrazo detecta la actividad de EMG como se refleja en la primera onda roja que se muestra en la pantalla del ordenador, cuando el paciente intenta cerrar su mano. La separación de la señal en este paciente es satisfactoria, ya que la señal azul, que corresponde al segundo electrodo colocado en el aspecto dorsal del antebrazo, no alcanza el umbral. Cuando el paciente piensa en abrir la mano, la amplitud de la señal azul excede el umbral, mientras que la señal roja permanece casi inactiva. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. También probar comandos motor y posiciones de electrodos que difieren de la anatomía "normal" como reinnervación aberrante y reconstrucciones extraanatómicas como en las transferencias nerviosas han alterado la entrada neuronal a los músculos parcialmente denervados.
  2. Si no se encuentra actividad muscular en el antebrazo, repita el procedimiento en la parte superior del brazo y la faja del hombro.
    NOTA: En algunos pacientes, no se encuentran señales sEMG. En estos, las transferencias nerviosas y musculares deben realizarse para establecer nuevos sitios de señal EMG (el concepto quirúrgico detallado se puede encontrar en otros lugares7),retrasando el entrenamiento de la señal durante 6 a 9 meses. Para el control de la mano protésica hábil se necesitan al menos dos señales EMG separables.

3. Entrenamiento de señal guiado por sEMG

NOTA: Las sesiones de entrenamiento para el entrenamiento de señal guiado por sEMG no deben exceder los 30 minutos, ya que esto conduce a la fatiga muscular, lo que está obstaculizando el aprendizaje motor exitoso. Los pasos descritos deben repetirse durante un período prolongado de tiempo para garantizar una buena coordinación neuromuscular según sea necesario más adelante para un control protésico fiable.

  1. Tan pronto como se hayan identificado dos o más señales EMG, anime al paciente a activarlas alternativamente (ver Figura 2A). Para conducir de forma fiable una prótesis, las señales EMG independientes deben controlarse sin interferencias.
    1. Ajuste la ganancia de voltaje de cada señal de forma independiente para lograr un umbral de amplitud similar para todas las señales durante el entrenamiento, lo que facilitará la separación y comprensión de la señal para el paciente.
    2. Repetir y explicar al paciente la mecánica de una mano protésica: una ligera contracción muscular conducirá en última instancia a una mejor separación de la señal y debe preferirse sobre la fuerza muscular, es decir, la amplitud de una señal.

Figure 2
Figura 2: rehabilitación guiada por sEMG para pacientes con reconstrucción manual biónica.
(A) Con la visualización directa de la actividad muscular, se pueden intentar varios comandos motores para identificar la amplitud de EMG más alta sobre un músculo objetivo específico y se pueden comparar diferentes posiciones de señal. (B) Utilizando una prótesis de mesa superior, la actividad de EMG en el brazo de un paciente se traduce directamente en función protésica. (C) El montaje de una mano protésica híbrida permite al paciente visualizar y comprender el uso futuro de la mano protésica. (D) Después de la reconstrucción protésica, las señales EMG se pueden entrenar y optimizar con la biorretroalimentación sEMG o con la propia mano protésica. Esta figura ha sido modificada de Sturma et al.12 y reproducida con permiso de Frontiers in Neuroscience. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Observe las señales EMG en la pantalla del ordenador y haga que el paciente sepa si las dos señales se activan co-activaal al intentar un movimiento específico. Explique al paciente que dos señales no deben ser coactivadas durante el intento de una acción específica, ya que cada señal EMG está vinculada a una acción protésica específica. Por lo tanto, las señales coactivadas no darán lugar a la acción deseada por el paciente.
  2. Indique al paciente que pruebe diferentes movimientos (leves) y observe qué patrones de movimiento precisos son los mejores con respecto a la separación de la señal. Anime al paciente a entrenar estos movimientos.
  3. Hágasle al paciente que la separación perfecta de la señal es poco probable al comienzo del entrenamiento, pero mejorará con un alto número de repeticiones.
    ADVERTENCIA: Permitir fases de relajación ya que la fuerza muscular puede disminuir más rápido en pacientes con lesiones nerviosas complejas y mioactividad débil.
  4. Con una consistencia de señal mejorada, instruya al paciente a generar una mayor amplitud de señal para fortalecer aún más el músculo y su señal.
  5. Con una separación de señal EMG consistente y un control sólido, instale una prótesis de mesa conectada al software EMG correspondiente y los electrodos colocados en el antebrazo/brazo del paciente. Esto traducirá directamente la actividad de EMG en función protésica mecánica (consulte la Figura 2B y la Figura 3).

Figure 3
Figura 3: Paciente frente a una prótesis de mesa y captura de pantalla de sus dos señales en la pantalla de un ordenador.
En el antebrazo del paciente, dos electrodos detectan la actividad de EMG. Estas dos señales se muestran como gráficos codificados por colores en la pantalla del ordenador (rojo y azul) y se traducen simultáneamente en movimiento protésico, lo que permite al paciente comprender la relación entre la calidad de la señal y el control protésico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Educar al paciente que las prótesis mioeléctricas con control directo utilizan la entrada de un electrodo (es decir, la actividad muscular detectada de un electrodo) para controlar un movimiento protésico.
  2. Hacer que el paciente sea consciente de la correlación entre la apariencia de la señal (principalmente la altura de amplitud) en la pantalla del ordenador y la velocidad/fuerza del movimiento protésico, en caso de que se elija un dispositivo con control proporcional de la velocidad de movimiento.
    NOTA: Dependiendo del número de señales EMG disponibles y de los grados de libertad del dispositivo protésico final, podría ser necesario utilizar métodos para cambiar entre estos grados de libertad. Un método frecuentemente utilizado para cambiar entre grados de libertad (por ejemplo, la mano abierta / cerca de la pronación / supinación) es a través de la contracción simultánea de dos músculos, también conocido como co-contracción14.
  3. Co-contracción del tren. Deje que el paciente observe las señales EMG en la pantalla del ordenador y la prótesis. Si el dispositivo protésico no se mueve, es decir, abrir/cerrar durante la contracción, el paciente lo está haciendo correctamente.

4. Ajuste híbrido de la mano y entrenamiento protésico

  1. Marcar las posiciones del electrodo en la piel del paciente, que se han definido como óptimas para un control protésico confiable y dejar que un técnico ortopédico fabrique una toma protésica preliminar diseñada con estas posiciones exactas del electrodo.
  2. Monte una mano protésica híbrida con el zócalo personalizado sobre o debajo de la manto "plexus" sin funciones (consulte la figura 2C).
  3. Simultáneamente ejecute el programa de software EMG para que el paciente sea consciente de sus acciones.
  4. Alternativamente entrenar diferentes movimientos protésicos. Los electrodos también se pueden colocar en los músculos adyacentes a lo largo de la parte superior del brazo y la faja del hombro para evitar las contracciones inconscientes, lo que conducirá a la fatiga en toda la extremidad superior con un aumento de los tiempos de uso.
    1. Comience con movimientos protésicos simples (sólo abra/ cierre la mano sin ninguna contracción) con el peso del dispositivo protésico que se apoya.
    2. Pasa a movimientos protésicos simples en diferentes posiciones del brazo, como que el codo se extiende o se flexiona alternativamente. Haga que el paciente sea consciente de las discrepancias de la señal al ajustar las diferentes posiciones del brazo y entrenar la consistencia de la señal en todas las posiciones.
      NOTA: Después de la regeneración espontánea del nervio la co-activación no intencional de diferentes grupos musculares o musculares a menudo ocurre debido a la reinnervación aberrante, que puede obstaculizar los movimientos coordinados y desactivar las actividades musculares adecuadas15. La desmayo de la contracción muscular no intencional a menudo ocurre al mover el brazo, que es detectado por sensores sEMG y traducido en movimiento protésico. Esto puede resultar en un control protésico deficiente, si no se aborda adecuadamente durante la rehabilitación utilizando el entrenamiento de EMG y el fortalecimiento muscular como se describe a continuación.
    3. En caso de control protésico engorroso en diferentes posiciones del brazo, observe a fondo las señales EMG en la pantalla de la computadora y señale al paciente, en qué posición del brazo la contracción involuntaria de uno o más músculos conduce a la excursión de la señal. Entrene la activación precisa de las señales EMG en posiciones que el paciente todavía puede manejar y cambiar lentamente la posición del brazo con el tiempo.
    4. Realizar el entrenamiento de fuerza para los flexores de codo (y los músculos del hombro, si corresponde), si se observa la co-activación de los músculos utilizados para el control protésico mientras se levanta el brazo. Explicar al paciente que un músculo más fuerte (es decir, un músculo que no funciona con su máxima fuerza voluntaria durante tareas simples de elevación) por lo general también contribuye a una mejor separación de las señales. También realizar entrenamiento de fuerza, si los músculos de las extremidades superiores son demasiado débiles para mover el dispositivo protésico en el espacio tridimensional y / o estabilizar el hombro mientras lo hace.
    5. Continúe con tareas de agarre sencillas, como recoger pequeñas cajas y manipular objetos pequeños (consulte la figura 2C).
    6. Por último, entrena tareas sencillas de la vida diaria como abrir una puerta, doblar una toalla o abrir una botella.
      NOTA: Muchas tareas pueden estar restringidas debido al hecho de que la mano paralizada se mete en el camino, y el dispositivo podría sentirse bastante pesado ya que el paciente tiene que levantar el peso de su propia mano además de la mano protésica híbrida.
  5. Si la calidad de la señal es insuficiente, podría ser beneficioso volver al entrenamiento de señal en la pantalla del ordenador. En todas las tareas buscar específicamente la co-activación de las señales en la pantalla del ordenador y mejorar aún más la independencia de la señal.
  6. Evalúe la función de las extremidades superiores utilizando la mano protésica híbrida y grabe el vídeo de los resultados de la prueba. Además, utilice las mismas evaluaciones para la mano paralizada con el fin de documentar el beneficio funcional esperado de la sustitución protésica de la mano sin funciones.

5. Amputación electiva y reemplazo de manos protésicas

  1. Planificar con precisión el nivel de amputación dependiendo del sitio de las diversas señales EMG (transradial, transhumeral o, en raras ocasiones, glenohumeral) en el equipo multidisciplinario formado por el fisioterapeuta/entrenador EMG del paciente, el cirujano responsable para la amputación y el psicólogo familiarizado con las expectativas del paciente.
  2. Pregúntele al paciente si tiene alguna pregunta no resuelta con respecto a la amputación planeada y comunique claramente que es posible en cualquier momento antes de la amputación revocar esta decisión, lo que de lo contrario resultará en una cirugía irreversible y que cambiará la vida.
  3. Realizar la evaluación estandarizada de la función de las extremidades superiores utilizando la mano sin funciones y la cinta de vídeo los resultados
  4. Realice la evaluación estandarizada de la función de las extremidades superiores utilizando la mano protésica híbrida y la cinta de vídeo para documentar los beneficios de un accesorio protésico futuro.
  5. Realizar la amputación electiva de la extremidad sin funciones como se describió anteriormente7,8.
  6. Permita la cicatrización de heridas postoperatorias y deje que el paciente entrene las articulaciones adyacentes para mejorar la movilidad de las extremidades superiores. Después de 4 a 6 semanas, entrene las señales EMG como se describió anteriormente y defina los mejores puntos críticos para las posiciones de los electrodos.
    NOTA: Estas posiciones de electrodos y comandos del motor pueden diferir ligeramente de las que se encuentran antes de la amputación.
  7. Deje que un técnico ortopédico diseñe la toma protésica final utilizando las posiciones de electrodo EMG previamente definidas (ver Figura 4,ilustrando un posible diseño de zócalo en uno de los pacientes incluidos).
    NOTA: Si bien no se recomienda un diseño específico del zócalo, la posición exacta de los electrodos y su adhesión a la piel del muñón son de suma importancia ya que los pacientes con plexo braquial tienen una interfaz neuromuscular en gran medida reducida.

Figure 4
Figura 4: Ejemplo de una posible prótesis y diseño de zócalo.
(A) La prótesis de este paciente consiste en una funda exterior hecha de carbono. (B) En lugar de una mano protésica, el paciente prefiere utilizar un gancho, que se abre y se cierra, como una herramienta de agarre. (C,D) Los dos electrodos están integrados en la prótesis. El paciente lleva un revestimiento de silicona con dos agujeros en él, lo que permite el contacto directo de la piel con los dos electrodos (no se muestra). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Comience el entrenamiento de prótesis.
    1. Una vez más, comienza con movimientos protésicos simples (sólo abrir/ cerrar la mano sin ninguna contracción) con el peso del dispositivo protésico que se apoya.
    2. Pasa a movimientos protésicos simples en diferentes posiciones del brazo, como que el codo se extiende o se flexiona alternativamente.
    3. Continúe con tareas de agarre sencillas, como recoger pequeñas cajas y manipular objetos pequeños (consulte la figura 2D).
    4. Por último, entrenar las actividades de la vida diaria, comenzando de nuevo con tareas bastante simples (como abrir una puerta) y añadir lentamente complejidad y tareas que el paciente considera relevantes para su situación específica de la vida.
  2. Tres meses después de la adaptación protésica, repita la evaluación estandarizada de la función de la extremidad superior utilizando la mano protésica y grabe un video de los resultados.

Representative Results

En seis pacientes con lesiones graves del plexo braquial, incluyendo múltiples avulsiones de la raíz nerviosa, se implementó con éxito el protocolo de rehabilitación presentado utilizando la biorretroalimentación sEMG. Las características detalladas del paciente se pueden encontrar en la Tabla 1. La Figura 2 muestra las diversas fases del protocolo de rehabilitación estructurado y explicaciones detalladas sobre su aplicación.

Para demostrar mejoras en la función de la mano antes y después de la reconstrucción biónica, se realizó una evaluación estandarizada que evaluaba la función global de las extremidades superiores en dos momentos: antes de la amputación electiva de la mano "plexus" sin funciones, así como después de una exitosa reconstrucción y rehabilitación de prótesis. La prueba action Research Arm (ARAT) fue desarrollada originalmente para evaluar la función motora global de las extremidades superiores en pacientes con deterioro cognitivo del control de manos16. El enfoque estandarizado de Yozbatiran et al.17 se utilizó en nuestros estudios. El ARAT consta de cuatro secciones diferentes, que incluyen tareas cercanas a la vida diaria. La prueba es cronometrada por el observador que también califica el rendimiento de la tarea de 0 a 3, con 3 indicando el funcionamiento normal. Se puede alcanzar un máximo de 57 puntos indicando la función motora no deteriorada16. El número de sesiones de terapia con biorretroalimentación sEMG y resultados detallados para cada paciente se puede encontrar en la Tabla 2.

Aunque la satisfacción del paciente con el protocolo de rehabilitación ofrecido utilizando la biorretroalimentación sEMG no se midió directamente, los seis pacientes informaron que les resultaba extremadamente útil para comprender el proceso de reinnervación después de la cirugía de transferencia de nervios y entrenar la contracción de los músculos con una actividad muy débil que antes no les servía clínicamente.

Número de caso Sexo, edad (años) Tipo de accidente Tipo de lesión Las cirugías para mejorar la interfaz biotecnológica después de las reconstrucciones iniciales no han podido mejorar la función de la mano
1 m, 32 Caída desde la altura Avulsión de C7-T1; lesión de tracción del plexo infracvicular Amputación electiva del antebrazo
2 m, 32 Accidente de moto Ruptura de los 3 trunci de la PRESIÓN arterial Músculo gracilis libre transferido al compartimiento extensor del antebrazo y neurotización de la rama profunda del nervio radial al nervio obturador; amputación electiva del antebrazo
3 m, 55 Accidente de moto Avulsión de C5-T1 Amputación electiva de la parte superior del brazo
4 m, 38 Accidente de moto Daños extensos a las raíces C5-C8; avulsión de T1 Amputación electiva del antebrazo
5 m, 27 Accidente de moto Avulsión C8-T1 Amputación electiva del antebrazo
6 m, 43 Accidente de moto Avulsión de C6-T1 Transferencia del músculo del tríceps a la fosa infraespinatosa y transferencia del músculo bíceps a la fosa supraclavicular para mejorar el ajuste protésico; Amputación electiva del brazo (excitación del hombro)

Tabla 1: Características del paciente. En todos los pacientes, la reconstrucción biónica se inició debido a la inviabilidad de las alternativas de tratamiento biológico. Las cirugías para establecer señales EMG en el brazo superior y superior pueden incluir transferencias selectivas de nervios y músculos, que luego conducirán una mano protésica mioeléctrica. La amputación electiva se realiza a nivel transradial o transhumeral, dependiendo de la actividad muscular residual. Todas las transferencias nerviosas selectivas realizadas en este grupo de pacientes tuvieron éxito. Esta tabla ha sido modificada de Sturma et al.12 y reproducida con permiso de Frontiers in Neuroscience.

Número de caso ARAT al inicio ARAT en seguimiento Inicio de la formación sEMG Número de sesiones de terapia en total (30 min cada una)
1 7 35 Inmediatamente después de la primera consulta 24
2 0 15 Entrenamiento con una señal inmediatamente después de la primera consulta; segunda señal estaba disponible 9 meses después de la transferencia gratuita de gracillis + transferencia nerviosa 30
3 0 19 Inmediatamente después de la primera consulta 16
4 1 22 Inmediatamente después de la primera consulta 20
5 9 42 Inmediatamente después de la decisión de apuntar a una reconstrucción biónica como reconstrucción biológica falló 20
6 0 17 Inmediatamente después de la primera consulta 22
Media (SD) 2,83 a 4,07 25,00 a 10,94 22 x 4,32

Tabla 2: Puntuaciones ARAT y número de sesiones de terapia. En la prueba action Research Arm (ARAT), los pacientes mostraron inicialmente una función insignificante en las extremidades superiores (media 2,83, de un máximo de 57 puntos alcanzables). La función útil se restauró después de la reconstrucción biónica (media 25.00, de 57). Esta tabla ha sido modificada de Sturma et al.12 y reproducida con permiso de Frontiers in Neuroscience.

Discussion

Los enfoques de biorretroalimentación han sido ampliamente utilizados en la rehabilitación de varios trastornos neuromusculares, que van desde condiciones (hemi)-plégicos resultantes de patologías centrales como hemorragia cerebral y accidente cerebrovascular18,19 a diversa degeneración o lesión musculoesquelética y su terapia quirúrgica20,21,22. Curiosamente, el concepto de biorretroalimentación estructurada no se ha implementado en la práctica clínica para lesiones de los nervios periféricos. Sin embargo, precisamente en la rehabilitación de lesiones nerviosas complejas, la práctica, la repetición y los programas de entrenamiento estructurados con la biorretroalimentación adecuada son necesarios para establecer patrones motores correctos23.

Aquí, y en un estudio anterior12,presentamos un protocolo de rehabilitación estructurado utilizando biorretroalimentación sEMG para pacientes con falta de alternativas de tratamiento biológico elegibles para el reemplazo de manos protésicas, un concepto hoy conocido como biónico Reconstrucción. La ventaja más evidente de utilizar una configuración de biorretroalimentación sEMG en el contexto de la reconstrucción biónica surge de la definición exacta de puntos críticos sEMG, es decir, ubicaciones de la piel, donde una amplitud relativamente alta de la actividad de EMG se puede medir de forma transcutánea. Varios comandos del motor se pueden intentar alternativamente, ya que los sensores se pueden mover fácilmente a lo largo de todo el antebrazo, y - en caso de falta de función muscular detectable en el antebrazo - también en la parte superior del brazo y la faja del hombro. Cuando se le pide a un paciente que intente contraer los músculos destinados a realizar una acción específica (como extender la muñeca), se puede colocar un electrodo, donde la contracción muscular (débil) es palpada por el examinador. Observando la señal EMG en la pantalla del ordenador, se puede determinar fácilmente si la amplitud de la señal aumenta constantemente, cuando el paciente intenta contraer este músculo. Si la amplitud no es lo suficientemente alta o la señal es inconsistente, se pueden intentar otros comandos del motor con la misma posición del electrodo. A diferencia de la aguja EMG, este procedimiento no es invasivo, no es doloroso y se puede repetir para todos los músculos / grupos musculares en el brazo. La prueba de varios comandos de motor en diferentes ubicaciones musculares permite identificar los puntos críticos EMG, con la mayor amplitud y actividad reproducible asociada con una acción motora específica. Después de la identificación de las señales EMG más fuertes, éstas pueden ser entrenadas utilizando biorretroalimentación sEMG con respecto a la separación de la señal (la activación de dos o más señales EMG no debe ocurrir en la pantalla del ordenador), la intensidad de la señal (reflejada por la señal EMG amplitud en la pantalla del ordenador) y la reproducibilidad de la señal (cada intento de contraer el músculo debe conducir a una excursión de la señal EMG respectiva). En una etapa posterior del entrenamiento, la actividad de EMG se traduce directamente en función protésica, primero usando una prótesis de mesa superior (ver Figura 3), que proporciona retroalimentación adicional al paciente permitiendo el ajuste preciso de la fuerza de agarre, y luego usando el prótesis físicas.

En los amputados convencionales, una gran cantidad de literatura ha demostrado que la reinnervación muscular dirigida (TMR), es decir, la transferencia quirúrgica de los nervios residuales del brazo a sitios musculares alternativos en el pecho y la parte superior del brazo, mejora la función protésica, ya que los músculos reinvaviados sirven como amplificadores biológicos de comandos motores intuitivos y proporcionan señales EMG fisiológicamente apropiadas para el control protésico de manos, muñeca y codo24,25,26,27 . Utilizando sistemas de control de reconocimiento de patrones, los datos EMG extraídos de numerosas señales sEMG colocadas sobre la piel de estos músculos reinervados se pueden decodificar y traducir a salidas de motor específicas y reproducibles, lo que proporciona control de prótesis28,29,30. Debido a que el número de sitios de señal EMG y la actividad mioeléctrica de los músculos en pacientes con lesión por avulsión del plexo braquial son muy limitados, los algoritmos de reconocimiento de patrones no se pueden utilizar como se hace para los amputados convencionales8. Aún así, con más investigación y tecnología mejorada, estos sistemas pueden ser capaces de extraer más información sobre las señales musculares débiles existentes y por lo tanto mejorar la función protésica también en este peculiar grupo de pacientes.

Mientras que el protocolo presentado se considera una directriz, los detalles deben ser adaptados dependiendo del paciente y el equipo disponible. Debido a la reinnervación aberrante que ocurre después de tales lesiones nerviosas, los comandos motores no necesariamente resultan en la activación de los músculos anatómicamente "correctos"12. Por ejemplo, los autores observaron la actividad de la EMG en el compartimiento flexor del antebrazo, mientras los pacientes intentaban abrir la mano. Por lo tanto, varios comandos del motor se deben probar para identificar las señales EMG. Además, la función muscular residual (aunque en todos los casos demasiado débil para generar movimientos útiles de las manos) podría variar en gran medida entre los pacientes y causar variaciones en el tiempo de entrenamiento requerido como se muestra en la Tabla 2. Además, la elección del dispositivo protésico y el número de electrodos utilizados para el control cambian los requisitos para la precisión de la separación de la señal, la amplitud de la señal y la necesidad de co-contracción. Todo esto debe tenerse en cuenta durante el entrenamiento de señal, el entrenamiento de prótesis híbrida y el entrenamiento protésico real, ya que también se recomienda en el entrenamiento protésico estándar de amputados31. En cuanto a los dispositivos utilizados para el entrenamiento de biorretroalimentación sEMG, los autores consideran que los dispositivos son adecuados si pueden mostrar simultáneamente el número de señales necesarias para el control protésico, dar retroalimentación en tiempo real y pueden conectarse a un ordenador o pantalla las señales en una pantalla ellos mismos. Se prefieren los dispositivos que permiten ajustar la ganancia de señal durante el entrenamiento.

Después de la rehabilitación, todos los pacientes pudieron utilizar su prótesis durante las actividades diarias y quedaron satisfechos con la decisión de reemplazar su mano sin funciones por un dispositivo protésico12. Esta mejora funcional se reflejó en aumentos significativos en las puntuaciones medias de ARAT de 2,83 a 4,07 a 25,00 a 10,94 (p a 0,028).

Desde nuestra perspectiva, las configuraciones de biorretroalimentación sEMG presentan valiosas herramientas para facilitar el proceso cognitivamente exigente de recuperación motora asociada con lesiones nerviosas y reconstrucción biónica. La identificación del posicionamiento óptimo del electrodo EMG y la prueba de varios comandos motores con visualización directa de la actividad muscular se simplifica en gran medida utilizando la biorretroalimentación sEMG en una configuración clínica. Aunque la biorretroalimentación sEMG también puede utilizarse en la rehabilitación de la función biológica de las extremidades superiores10,12, su aplicación en el proceso de reconstrucción biónica se considera particularmente eficaz. Lo más importante es que las señales sEMG activadas durante el entrenamiento más tarde reflejan las posiciones del electrodo dentro de la toma protésica, que se personaliza individualmente para cada paciente. Por lo tanto, la activación repetitiva de estas señales durante el entrenamiento muy probablemente aumenta el manejo protésico futuro y la capacidad manual. La visualización directa de esta actividad muscular también permite a un paciente comprender el concepto de control de manos mioeléctrica y puede seguir el progreso del entrenamiento más conscientemente.

En el futuro, nuestro protocolo de rehabilitación presentado podría ampliarse con herramientas más avanzadas para mejorar los resultados funcionales. Esto podría incluir grabaciones sEMG de alta densidad para facilitar el proceso de colocación de electrodos a través de mapas de calor de activación32, otras soluciones virtuales para evaluar la actividad de EMG30,33,y juegos serios para mejorar el entrenamiento motivación34. Además, las nuevas tecnologías para el control protésico, como los algoritmos de reconocimiento de patrones, también podrían utilizarse28,30,35. Sin embargo, debido a la reducción de la interfaz neuromuscular, no está claro si los sistemas actualmente disponibles en el comercialmente diseñados para amputados sanos mejorarían significativamente la función protésica en este grupo específico de pacientes. Los estudios futuros deben evaluar la aplicabilidad y los beneficios de las nuevas tecnologías enumeradas para la rehabilitación de pacientes con lesiones graves del plexo braquial. Además, los ensayos controlados con un mayor número de pacientes también permitirán demostrar los efectos positivos del protocolo actual utilizando la biorretroalimentación sEMG con un mayor nivel de evidencia.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este estudio fue financiado por la Christian Doppler Research Foundation del Consejo Austriaco de Investigación y Desarrollo Tecnológico y el Ministerio Federal de Ciencia, Investigación y Economía de Austria. Agradecemos a Aron Cserveny por la preparación de las ilustraciones incluidas en el manuscrito y a Frontiers in Neuroscience por el permiso de reproducir los datos presentados en el artículo original12.

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.

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