Bewertung des myoelektrischen implantierbaren Aufzeichnungsarrays (MIRA) bei Teilnehmern mit transradialer Amputation (MIRA)

Eine gut dokumentierte Herausforderung bei aktuellen myoelektrischen Geräten ist die übliche Verwendung von nur zwei Oberflächen-EMG-Elektroden zum Aufzeichnen von Steuersignalen, typischerweise eine an jedem der Streck- und Beugemuskelkompartimente im Stumpf. Mit dieser Elektrodenkonfiguration kann immer nur eine einzige Bewegung kontrolliert werden. Der Wechsel zu neuen Bewegungen oder Greifmustern erfordert typischerweise ein sekundäres Umschaltverfahren. Diese sequentielle Steuerung ermöglicht vorprogrammierte funktionelle Griffe und kann durch Muster der Co-Kontraktion antagonistischer Muskelgruppen ausgewählt werden. Dieser Ansatz hat jedoch aufgrund der langsamen und nicht intuitiven Natur der erforderlichen Muskelaktivierungen nur begrenzten Erfolg. Zum Beispiel kann die Kontraktion der Beugemuskeln verwendet werden, um die Hand zu schließen, aber um das Handgelenk zu drehen, ist eine gemeinsame Kontraktion der Beuger und Strecker (um den Steuermodus zu wechseln) gefolgt von einer Beugerkontraktion erforderlich. Dieser nicht intuitive Ansatz ignoriert die normale Funktion der Unterarmmuskulatur und hat einen weiteren Nachteil, dass eine gleichzeitige Steuerung der Handöffnung und der Drehung des Handgelenks unmöglich ist. Das Hinzufügen zusätzlicher Greifmuster kann das Problem verschlimmern und erfordert oft, dass der Benutzer die verschiedenen vorprogrammierten Muster schrittweise durchführt, indem er mehrere Co-Kontraktionen ausführt, bis die richtige Bewegung ausgewählt ist. Auf Oberflächenelektroden basierende Systeme beruhen auch auf starken Muskelkontraktionen, die ineffizient sind und zu einer umständlichen Handhabung und schließlich zur Abstoßung der Prothese beitragen. Andere Komplikationen, die mit Oberflächenelektroden verbunden sind, sind Signaländerungen aufgrund von Umgebungsbedingungen wie Schwitzen, täglicher Wechsel der Elektrodenposition aufgrund von Hautproblemen und Anfälligkeit für Übersprechen und Bewegungsartefakte. Im Gegensatz dazu sind implantierbare Elektroden vor Umgebungsbedingungen geschützt, bleiben an Ort und Stelle fixiert, können kleine Signale von sanft kontrahierenden Muskeln aufzeichnen und viele verschiedene Signale aufzeichnen, um möglicherweise eine komplexere und gleichzeitige Steuerung mehrerer Gelenke zu ermöglichen.

Jüngste Forschung mit myoelektrischer Steuerung hat sich auf die Entwicklung neuer Steuerungsparadigmata konzentriert, wie z. B. gleichzeitige Steuerung mit mehreren Freiheitsgraden und proportionale Geschwindigkeitssteuerung. Häufig werden Oberflächen-EMG-Aufzeichnungen von einem antagonistischen Muskelpaar verwendet, um einen einzelnen Freiheitsgrad zu steuern. Implantierbare Elektroden haben sich als alternative Methode in vorläufigen Studien am Menschen als vielversprechend erwiesen, und neuere Forschungen haben gezeigt, dass bis zu drei Freiheitsgrade gleichzeitig in einer virtuellen Umgebung unter Verwendung intramuskulärer Elektroden sowie einer proportionalen Geschwindigkeitssteuerung gesteuert wurden. Das implantierbare myoelektrische Sensorsystem (IMES®) verwendet acht implantierte Elektroden (sechs aktiv für die Steuerung benötigt, zwei als Reserve), um drei Freiheitsgrade zu steuern. Eine weitere Studie, bei der die gleichen EMG-Ableitungen und Elektrodenkonfigurationen wie bei MIRA, perkutan implantiert, verwendet wurden, ermöglichte die gleichzeitige Steuerung von bis zu 6 Freiheitsgraden (Daumenflexion, Indexflexion, mittlere Flexion, Daumenadduktion und -abduktion, Handgelenkflexion und -extension und Handgelenkpronation und Supination) einer fortschrittlichen Prothese. Da sich myoelektrische Prothesen von vorprogrammierten Bewegungen und Mustererkennung entfernen, scheint ein Minimum von zwei Elektroden, die in getrennte Muskelziele implantiert werden, notwendig zu sein, um einen einzigen Freiheitsgrad zu steuern.

Der Ansatz des Forschers zielt darauf ab, die Grenzen der Kontrolle hochmoderner Handprothesen anzugehen. Mehrkanalige intramuskuläre EMG-Aufzeichnungen mit dem MIRA-Implantat werden verwendet, um gleichzeitige Hand- und Handgelenksbewegungen anzutreiben, was eine signifikante Verbesserung der motorischen Kontrolle gegenüber dem aktuellen Stand der Technik ermöglicht. Genauer gesagt besteht das Ziel darin, eine Kontrolle über die Drehung des Handgelenks und das Öffnen/Schließen der Hand und optimalerweise eine Beugung/Streckung des Handgelenks und eine unabhängige Beugung/Streckung von vier Fingern zu erreichen. Menschen mit transradialen Amputationen werden mit dem Ziel, die Hand- und Handgelenkfunktion wiederherzustellen, in diese Studie aufgenommen.

Die Forscher haben MIRA so konzipiert, dass perkutane Verbindungen eliminiert werden, wodurch das Infektionsrisiko verringert und der Pflegeaufwand für die Studienteilnehmer minimiert wird. Die Studie ist auf ein Jahr ausgelegt, einschließlich einer erheblichen Anzahl von In-Home-Tests. Prinzipien der Telerehabilitation (z. Fernüberwachung, regelmäßige Fortschrittskontrollen) werden verwendet, um eine häufige Kommunikation mit den Ermittlern und eine regelmäßige Bewertung der Geräteleistung sicherzustellen. Die Durchführung einer einjährigen Studie bietet ausreichend Zeit, damit die Probanden lernen können, ihr neues Gerät zu verwenden, und ermöglicht es uns auch, die langfristige Geräteleistung zu dokumentieren. Die Prüfärzte sammeln vorläufige Sicherheitsdaten und dokumentieren die Art und Häufigkeit von unerwünschten Ereignissen, die während der Dauer der Implantation auftreten. Die Qualität des EMG-Signals und die Gesamtleistung des Geräts über die Dauer der Implantation werden ebenfalls gemessen.