Somatotop konfiguration af distale resterende lemmervæv ved amputationer af nedre ekstremiteter

Historisk baggrund

Amputation af underekstremiteter er blandt de ældste kendte kirurgiske indgreb i sygehistorien. På trods af, at over to årtusinder er gået, er relativt lidt ændret i den operative tilgang. I øjeblikket er amputation af underekstremiteterne hyppigst indiceret for kompromittering af nedre ekstremiteter på grund af alvorlig perifer vaskulær sygdom, kort efterfulgt af traumer, tumorer, infektioner og medfødte lemmerdefekter. Estimater af hyppigheden af ​​amputationer af underekstremiteterne varierer fra 30.000-40.000 tilfælde om året alene i USA.

Normal funktion af underekstremiteterne aktiveres gennem samspillet mellem flere muskelgrupper, der virker sammen. Ambulation er en bemærkelsesværdigt orkestreret biomekanisk proces, der er afhængig af en kompleks feedback-loop, der involverer det centrale og perifere nervesystem og muskuloskeletale systemet. I deres oprindelige tilstand eksisterer musklerne i underekstremiteten i et afbalanceret agonist/antagonistmiljø, hvor frivillig aktivering af en muskel ikke kun fører til dens kontraktur, men også passiv strækning af dens modsætning. Ændringer i muskelspændinger manifesterer sig gennem disse ændringer fører til stimulering af specialiserede receptorer i muskelfibrene, som overfører information om ledpositionen til hjernebarken. Sådan feedback, sammen med kutan sensorisk information fra hudmekanoreceptorer, giver os en følelse af lemmerproprioception, der i sidste ende muliggør high-fidelity kontrol af lemmer, selv i fravær af visuel feedback.

Den operative standardtilgang til amputation af underekstremiteterne på enten under knæet (BKA) eller over knæet (AKA) niveau udsletter imidlertid mange af de dynamiske forhold, der er karakteristiske for den uskadede underekstremitet. Den indledende eksponering udføres gennem enten et trappetrin (BKA) eller et fiskemundssnit (AKA), efterfulgt af progressiv gennemskæring af muskler, kar, nerver og knogler på niveau med snittet. Væv distalt i forhold til stedet for den strukturelle gennemskæring kasseres, uanset om der er levedygtige segmenter eller ej, og de proksimale restmuskler lægges over den distale gennemskåret knogle for at give isolering til denne blottede knogleoverflade. Den omgivende hud føres derefter hen over knogle-/muskelinfrastrukturen for at opnå en endelig lukning. Den rudimentære tilnærmelse af væv i det distale lem i disse tilgange resulterer i en uorganiseret armasse, hvor normale dynamiske muskelforhold ødelægges. Afkoblingen af ​​native agonist/antagonist muskelparringer resulterer i isometrisk sammentrækning af resterende muskelgrupper ved frivillig aktivering, hvilket producerer ufuldstændig, ubalanceret neural feedback til hjernen, hvilket resulterer i afvigende opfattelse af resterende lemmerposition. Sådan forstyrret feedback resulterer ikke kun i nedsat ambulatorisk funktion med proteser, men manifesterer sig også som patologisk sensorisk opfattelse af ekstremiteten i form af fantomlem og fantomsmertesymptomatologi.

Til dato har udbydere og patienter tolereret begrænsningerne ved disse tilgange på grund af det ret forenklede mål med amputation af underekstremiteterne: at give en stabil, polstret overflade til protesemontering. Historisk set har underekstremitetsproteser givet amputerede mulighed for at genvinde i det mindste en vis grad af ambulatorisk funktion. Standardproteser til underekstremiteterne giver i øjeblikket brugeren mulighed for at gå på en rudimentær måde, såvel som lejlighedsvis at løbe. Imidlertid har sådanne anordninger generelt ikke været i stand til at rekapitulere den komplekse biomekanik i det menneskelige underekstremitet på grund af begrænsede bevægelsesområder og mangel på feedbackkontrol. Disse begrænsninger har resulteret i væsentligt ændret kinematik hos amputerede underekstremiteter, der er forbundet med forstyrrelser i energiforbrugsprofiler, der forværres med lateralitet og stigende niveau.

En tidsalder er imidlertid ved at grye, hvor mulighederne for moderne proteser udvides bemærkelsesværdigt. Teknologiske fremskridt, herunder stadig mere miniaturiseret elektronik, trådløs kommunikation og stadig raffinerede positionssensorer, har gjort det muligt for proteseudviklere at skabe næste generation af bioniske lemmer med markant forbedrede frihedsgrader i forhold til tidligere modeller. Sådanne proteser har vist sig markant at forbedre energiforbruget for amputerede, som anvender dem korrekt. Endnu mere avancerede proteser er i øjeblikket under udvikling, der inkorporerer evnen til at give aktiv indre kontrol af lemmerne for at lette komplekse motoriske handlinger såsom dans og balancering på ét ben. Derudover udvikles der i øjeblikket prototypeproteser, som har potentiale til at tilbyde sensorisk feedback - både taktil og positionel - på en måde, som aldrig før er set. Sådanne proteser, selvom de endnu ikke er kommercielt tilgængelige, bliver i øjeblikket brugt i eksperimentelle omgivelser.

Imidlertid er disse teknologiske fremskridt inden for proteseudvikling ikke blevet matchet med kirurgiske fremskridt med hensyn til håndtering af det resterende lem. Klassiske teknikker til amputation af underekstremiteterne giver ikke innerverede grænseflader, der kan tjene som relæer til kompleks protesekontrol; Uden sådanne biologiske aktuatorer i den resterende lem til at tilvejebringe ledninger til informationsudveksling, er næste generations proteser af ringe nytte. Sagt på en anden måde, inkorporerer næste generations proteser i øjeblikket drivere og sensorer, der er i stand til at give langt mere forbedret funktionalitet end nogensinde før set, men standardtilgange til amputation af lemmer giver ikke en måde at forbinde disse proteser effektivt med deres tilsigtede begunstigede. Der kræves nu en udvikling i den måde, hvorpå amputationer af underekstremiteterne udføres - en, der vil give en biologisk grænseflade, der vil tillade amputerede underekstremiteter at drage fordel af de forbedrede muligheder, som tilbydes af de bemærkelsesværdige proteser, der i øjeblikket er under udvikling.

Tidligere prækliniske eller kliniske undersøgelser

Anerkendelse af det øgede behov for effektive neurale grænseflader til protetiske lemmer er blevet bevist af et voksende antal indsatser på dette område i løbet af det sidste årti. Indledende bestræbelser på at give højopløsningskontrol af distale proteser var primært fokuseret på direkte og indirekte hjernegrænseflader, enten gennem placering af henholdsvis elektroencefalografiske hovedbundssensorer eller implanterbare parenkymale elektroder. Imidlertid har sådanne bestræbelser været plaget af dårlig opløsning, uoverensstemmelser i signalopsamling og progressive fremmedlegemereaktioner, der har ført til impulsnedbrydning over tid.

Efterhånden som begrænsningerne af hjernegrænseflader er blevet mere tydelige, er fokus flyttet til direkte perifere nervegrænseflader, herunder indskudte sigter og manchetter designet til at transducere elektriske signaler direkte fra individuelle nervefascikler til distale proteser. Sådanne monitorer har dog vist lidt klinisk løfte på grund af progressiv nervekompression sekundært til ardannelse, såvel som betydelig neurologisk krydstale og interferens i biologiske modeller.

Som sådan er de mest lovende indsatser vedrørende udvikling af perifere nervegrænseflader nu inden for de biologiske systemer. De to førende modeller på dette område er som følger:

• Målrettet muskelrennervation (TMR): TMR er en teknik, hvorved en række nerveoverførsler bruges til at reinnervere specifikke målmuskler for at skabe yderligere protetiske kontrolsteder efter amputation af proksimale lemmer. Disse nerveoverførsler tilbyder intuitiv kontrol af distale proteser, fordi de reinnerverede muskler styres af de samme nerver, som engang innerverede det amputerede lem. Signaler skabt af de resterende nerver forstærkes af modtagermusklerne, som fanges af overfladeelektroder og transduceres til den distale protese. TMR-procedurer er blevet udført på mere end 40 patienter til dato. Begrænsninger af denne teknik inkluderer imidlertid det endelige antal tilgængelige elektromyografiske signalsteder på grund af anatomiske begrænsninger og problemer med langsigtet signaltroskab.
• Regenerative Peripheral Nerve Interfaces (RPNI): RPNI tilbyder en alternativ version af en innerveret biologisk grænseflade. En RPNI er en kirurgisk konstruktion, der består af et ikke-vaskulariseret muskelsegment, der er coaptet til en distal motorisk eller sensorisk nerveende. I modsætning til TMR rekrutteres RPNI-musklen ikke fra en ellers normalt innerveret proksimal muskel; i stedet er det konstrueret som et frit transplantat fra ortotopisk fremskaffet donorvæv. Muskelsegmentet reinnerveres gradvist af den omdirigerede nerveende, som så fremmer frivillig aktivering af muskelsegmentet, når det udløses af centralnervesystemet. Som i TMR opstår intuitiv kontrol, fordi de reinnerverede muskler styres af de samme nerver, som engang innerverede det amputerede lem. I modsætning til TMR er der dog ingen begrænsninger på anatomiske steder, og der ser ikke ud til at være problemer med langsigtet signaltroskab.

Mens både TMR og RPNI'er har vist løfte om at tilbyde forbedret funktionalitet til patienter, der allerede har gennemgået amputation, er ingen af ​​teknikkerne blevet indarbejdet i et grundlæggende redesign af måden, hvorpå amputationer udføres i første omgang; i alle tilfælde af klinisk implementering af TMR eller RPNI'er, der hidtil er rapporteret i litteraturen, er disse teknikker blevet anvendt til yderligere at optimere funktionaliteten af ​​patienter, der allerede har oplevet tab af lemmer.

Begrundelse og potentielle fordele

Denne kliniske protokol foreslår en iteration af RPNI-modellen med det formål at inkorporere disse kirurgiske konstruktioner i designet af amputationer af underekstremiteter på tidspunktet for aflivning af lemmer. I betragtning af den hidtidige succes med denne teknik, mener efterforskerne, at inkorporering af innerverede muskelsegmenter i design af resterende lemmer har potentialet til at give amputerede underekstremiteter en biologisk grænseflade til hidtil uset protetisk motorisk kontrol, der ikke kun er høj opløsning, men også meget intuitiv og i stand til at genoprette lemmerproprioception. Derudover forventes det, at det at tillade amputerede at have større kontrol over avancerede proteser kan give mulighed for at normalisere gangskinematikken og derved korrigere ændringer i energiforbruget, som tidligere er blevet rapporteret. Sådanne foranstaltninger har løftet om at optimere den funktionelle og generelle sundhed hos amputerede underekstremiteter og derved reducere den sygelighed, der i øjeblikket er forbundet med amputationsstatus.

Specifikke mål

Hypotesen for denne forskningsprotokol er, at vi vil være i stand til at omdesigne den måde, hvorpå amputationer af underekstremiteterne udføres, for at inkludere biologiske aktuatorer, der vil muliggøre en vellykket anvendelse af næste generation af underekstremitetsproteser. De specifikke mål for projektet er som følger:

1. At definere en standardiseret tilgang til udførelsen af ​​en ny operationsprocedure for både under knæet (BKA) og over knæet (AKA) amputationer
2. At måle graden af ​​viljemotorisk aktivering og udsving, der kan opnås i de resterende lemmerkonstruktioner, og at bestemme den optimale konfiguration og design af sådanne konstruktioner
3. At beskrive omfanget af proprioceptiv og anden sensorisk feedback, der kan opnås gennem anvendelse af disse modificerede kirurgiske teknikker
4. At validere den funktionelle og somatosensoriske overlegenhed af den foreslåede amputationsteknik i forhold til standardtilgange til BKA og AKA
5. At udvikle en modificeret akut postoperativ rehabiliteringsstrategi, der passer til denne nye kirurgiske tilgang