Distaalisten raajan jäännöskudosten somatotooppinen konfiguraatio alaraajojen amputaatioissa

Historiallinen tausta

Alaraajojen amputaatio on lääketieteen historian vanhimpia tunnettuja kirurgisia toimenpiteitä. Yli kahden vuosituhannen kulumisesta huolimatta toimintatavassa on kuitenkin suhteellisen vähän muuttunut. Tällä hetkellä alaraajojen amputaatio on tarkoitettu useimmiten alaraajojen vaurioitumiseen, joka johtuu vakavasta ääreisverisuonisairaudesta, jota seuraavat lyhyessä järjestyksessä traumat, kasvaimet, infektiot ja synnynnäiset raajojen vajaatoiminta. Arviot alaraajojen amputaatioiden esiintyvyydestä vaihtelevat 30 000–40 000 tapauksen välillä vuodessa pelkästään Yhdysvalloissa.

Alaraajan normaali toiminta on mahdollista useiden yhdessä toimivien lihasryhmien vuorovaikutuksen ansiosta. Ambulaatio on huomattavan organisoitu biomekaaninen prosessi, joka on riippuvainen monimutkaisesta takaisinkytkentäsilmukasta, johon osallistuu keskus- ja ääreishermosto sekä tuki- ja liikuntaelimistö. Natiivitilassaan alaraajojen lihakset ovat tasapainoisessa agonisti/antagonistimiljöössä, jossa yhden lihaksen tahdonvoimainen aktivointi ei johda ainoastaan ​​sen kontraktuuriin, vaan myös sen vastakohdan passiiviseen venymiseen. Muutokset lihasjännityksissä ilmenevät näiden muutosten kautta johtavat erikoistuneiden reseptorien stimulaatioon lihassäikeissä, jotka välittävät nivelen sijaintitietoa aivokuoreen. Tällainen palaute yhdessä ihon mekanoreseptoreista tulevan ihon aistiinformaation kanssa antaa meille raajan proprioseption tunteen, joka lopulta mahdollistaa korkean tarkkuuden raajan hallinnan, vaikka visuaalista palautetta ei olisikaan.

Kuitenkin tavallinen operatiivinen lähestymistapa alaraajan amputaatioon joko polven alapuolella (BKA) tai polven yläpuolella (AKA) poistaa monet dynaamisista suhteista, jotka ovat ominaisia ​​vahingoittumattomalle alaraajalle. Alkualtistus suoritetaan joko stair-step (BKA) tai fishmouth (AKA) -kuvioidulla viillolla, jota seuraa asteittainen lihasten, verisuonten, hermojen ja luun leikkaus viillon tasolla. Kudokset, jotka ovat distaalisia rakenteellisesta leikkauskohdasta, hylätään riippumatta siitä, onko elinkelpoisia segmenttejä vai ei, ja proksimaaliset jäännöslihakset kerrostetaan distaalisen transektioidun luun päälle eristyksen aikaansaamiseksi tälle paljaalle luupinnalle. Ympäröivä iho viedään sitten luu-/lihasinfrastruktuurin yli lopullisen sulkeutumisen saavuttamiseksi. Distaalisen raajan kudosten alkeellinen lähentäminen näissä lähestymistavoissa johtaa epäorganisoituneeseen arpimassaan, jossa normaalit dynaamiset lihassuhteet tuhoutuvat. Natiiviagonisti/antagonisti-lihasparien irrottaminen johtaa jäännöslihasryhmien isometriseen supistumiseen tahdonvoimaisen aktivoinnin yhteydessä, mikä tuottaa epätäydellistä, epätasapainoista hermopalautetta aivoihin, mikä johtaa poikkeavaan käsitykseen jäännösraajan asennosta. Tällainen häiriintynyt palaute ei ainoastaan ​​johda proteesin ambulatorisen toiminnan heikkenemiseen, vaan se ilmenee myös raajan patologisena sensorisena havainnointina haamuraajan ja haamukivun oireiden muodossa.

Tähän mennessä palveluntarjoajat ja potilaat ovat sietäneet näiden lähestymistapojen rajoituksia, jotka johtuvat alaraajojen amputaation melko yksinkertaisesta tavoitteesta: tarjota vakaa, pehmustettu pinta proteesin kiinnitystä varten. Historiallisesti alaraajaproteesit ovat antaneet amputoiduille mahdollisuuden toipua ainakin jonkin verran ambulatorisista toiminnoista. Tavalliset alaraajaproteesit antavat tällä hetkellä käyttäjälle mahdollisuuden kävellä alkeellisesti, samoin kuin satunnaisesti juosta. Tällaiset laitteet eivät kuitenkaan yleensä ole kyenneet toistamaan ihmisen alaraajan monimutkaista biomekaniikkaa rajoitetun liikealueen ja takaisinkytkennän puutteen vuoksi. Nämä rajoitukset ovat johtaneet oleellisesti muuttuneeseen kinematiikkaan alaraajojen amputaatioissa, jotka liittyvät energiankulutusprofiilien poikkeamiin, jotka pahenevat lateraalisuuden ja nousevan tason myötä.

Kuitenkin koittaa aika, jolloin nykyaikaisten proteesien mahdollisuudet laajenevat huomattavasti. Teknologiset edistysaskeleet, mukaan lukien yhä pienentyvä elektroniikka, langaton tietoliikenne ja jatkuvasti kehittyvät asentoanturit, ovat antaneet proteesien kehittäjille mahdollisuuden luoda seuraavan sukupolven bionisia raajoja, joiden vapausasteet ovat huomattavasti paremmat kuin aikaisemmat mallit. Tällaisten proteesien on osoitettu parantavan huomattavasti amputoitujen energiankulutusta, jotka käyttävät niitä asianmukaisesti. Parhaillaan kehitetään vielä kehittyneempiä proteeseja, jotka sisältävät kyvyn tarjota aktiivista sisäistä raajan ohjausta helpottamaan monimutkaisia ​​motorisia toimintoja, kuten tanssia ja tasapainottamista yhdellä jalalla. Lisäksi kehitetään parhaillaan proteesin prototyyppiä, jolla on potentiaalia tarjota aistinvaraista palautetta - sekä kosketusta että asentoa - tavalla, jota ei ole koskaan ennen nähty. Tällaisia ​​proteeseja, vaikka niitä ei vielä ole saatavilla kaupallisesti, käytetään tällä hetkellä kokeellisissa olosuhteissa.

Näitä teknisiä edistysaskeleita proteesien kehittämisen alalla ei kuitenkaan ole verrattu kirurgisten edistysaskeleiden kanssa jäännösraajan hallinnassa. Klassiset alaraajojen amputaatiotekniikat eivät tarjoa hermotettuja rajapintoja, jotka voisivat toimia releinä monimutkaisessa proteesin hallinnassa; Ilman tällaisia ​​biologisia toimilaitteita jäännösraajassa tiedonvaihtokanavien muodostamiseksi seuraavan sukupolven proteeseista on vain vähän hyötyä. Toisin sanoen seuraavan sukupolven proteeseihin sisältyy tällä hetkellä ohjaimia ja antureita, jotka pystyvät tarjoamaan paljon enemmän toimintoja kuin koskaan ennen on nähty, mutta raajan amputaatioiden tavanomaiset lähestymistavat eivät tarjoa tapaa yhdistää näitä proteeseja tehokkaasti niiden aiottuihin edunsaajiin. Nyt tarvitaan evoluutiota tapaan, jolla alaraajojen amputaatiot suoritetaan – sellainen, joka tarjoaa biologisen rajapinnan, jonka avulla alaraajojen amputoidut voivat hyödyntää parhaillaan kehitteillä olevien merkittävien proteesien tarjoamia parannettuja ominaisuuksia.

Aiemmat prekliiniset tai kliiniset tutkimukset

Tehokkaiden raajojen proteettisten hermoliitäntöjen lisääntyneen tarpeen tunnistaminen on osoittanut lisääntyvässä määrässä ponnisteluja tällä alalla viimeisen vuosikymmenen aikana. Alkuperäiset pyrkimykset tarjota korkearesoluutioinen distaalisten proteesien hallinta keskittyivät ensisijaisesti suoriin ja epäsuoriin aivojen rajapintoihin joko sijoittamalla elektroenkefalografisia päänahan sensoreita tai vastaavasti implantoitavia parenkymaalisia elektrodeja. Tällaisia ​​pyrkimyksiä on kuitenkin vaivannut huono resoluutio, epäjohdonmukaisuudet signaalin hankinnassa ja progressiiviset vieraskappalereaktiot, jotka ovat johtaneet impulssin hajoamiseen ajan myötä.

Kun aivorajapintojen rajoitukset ovat tulleet selvemmiksi, painopiste on siirtynyt suoriin ääreishermorajapintoihin, mukaan lukien välissä olevat seulat ja hihansuut, jotka on suunniteltu siirtämään sähköisiä signaaleja suoraan yksittäisistä hermoketjuista distaalisiin proteeseihin. Tällaiset monitorit ovat kuitenkin osoittaneet vain vähän kliinistä lupausta johtuen arpeutumisesta johtuvan etenevän hermokompression seurauksena sekä merkittävästä neurologisesta ylikuulumisesta ja biologisten mallien häiriöistä.

Sellaisenaan lupaavimmat ponnistelut ääreishermon rajapinnan kehittämiseksi ovat nyt biologisten järjestelmien piirissä. Tämän alan kaksi johtavaa mallia ovat seuraavat:

• Kohdennettu lihasten uudelleenhermotus (TMR): TMR on tekniikka, jossa käytetään sarjaa hermosiirtoja tiettyjen kohdelihasten hermottamiseksi uusien proteettisten ohjauskohtien luomiseksi proksimaalisen raajan amputaation jälkeen. Nämä hermosiirrot tarjoavat distaalisten proteesien intuitiivisen hallinnan, koska uudelleen hermotettuja lihaksia ohjaavat samat hermot, jotka kerran hermottivat amputoidun raajan. Vastaanottajalihakset vahvistavat jäännöshermojen tuottamia signaaleja, jotka vangitaan pintaelektrodeihin ja siirretään distaaliseen proteesiin. TMR-toimenpiteitä on tehty tähän mennessä yli 40 potilaalle. Tämän tekniikan rajoituksiin kuuluu kuitenkin käytettävissä olevien elektromyografisten signaalikohtien rajallinen määrä anatomisista rajoituksista ja pitkän aikavälin signaalin tarkkuuteen liittyvistä ongelmista johtuen.
• Regeneratiiviset perifeeriset hermoliitännät (RPNI): RPNI tarjoaa vaihtoehtoisen version hermotetusta biologisesta rajapinnasta. RPNI on kirurginen rakennelma, joka koostuu verisuonittomasta lihassegmentistä, joka on liitetty distaaliseen motoriseen tai sensoriseen hermopäätteeseen. Toisin kuin TMR, RPNI-lihas ei ole rekrytoitu muuten normaalisti hermotusta proksimaalisesta lihaksesta; sen sijaan se on rakennettu ilmaisena siirteenä ortotooppisesti hankitusta luovuttajan kudoksesta. Lihassegmentti hermotetaan vähitellen uudelleen ohjatun hermopäätteen avulla, mikä sitten edistää lihassegmentin tahdonvoimaista aktivointia keskushermoston laukaisemana. Kuten TMR:ssä, intuitiivinen ohjaus tapahtuu, koska uudelleen hermotettuja lihaksia ohjaavat samat hermot, jotka kerran hermottivat amputoidun raajan. Toisin kuin TMR, anatomisille kohdille ei kuitenkaan ole rajoituksia, eikä signaalin pitkän aikavälin tarkkuudessa näytä olevan ongelmia.

Vaikka sekä TMR että RPNI ovat osoittautuneet lupaaviksi tarjota parannettuja toimintoja potilaille, joille on jo tehty amputaatio, kumpaakaan tekniikkaa ei ole sisällytetty perustavanlaatuiseen uudelleensuunnitteluun tapaa, jolla amputaatiot suoritetaan ensiksikin; kaikissa kirjallisuudessa tähän mennessä raportoiduissa TMR:n tai RPNI:n kliinisissä tapauksissa näitä tekniikoita on käytetty optimoimaan entisestään sellaisten potilaiden toimintaa, jotka ovat jo kokeneet raajan menetystä.

Perustelut ja mahdolliset hyödyt

Tämä kliininen protokolla ehdottaa RPNI-mallin iteraatiota tarkoituksena sisällyttää nämä kirurgiset konstruktit alaraajan amputaatioiden suunnitteluun raajan uhrauksen yhteydessä. Kun otetaan huomioon tämän tekniikan tähänastinen menestys, tutkijat uskovat, että hermottujen lihassegmenttien sisällyttäminen jäännösraajojen suunnitteluun voi tarjota alaraajojen amputoiduille biologisen rajapinnan ennennäkemättömän proteesin motorisen ohjauksen aikaansaamiseksi, joka ei ole vain korkearesoluutioinen, vaan myös erittäin intuitiivinen ja intuitiivinen. pystyy palauttamaan raajan proprioseption. Lisäksi on odotettavissa, että se, että amputoidut voivat hallita kehittyneitä proteeseja paremmin, voi tarjota mahdollisuuden normalisoida kävelykinematiikkaa, mikä korjaa aiemmin raportoituja energiankulutuksen muutoksia. Tällaisilla toimenpiteillä on lupaus optimoida alaraajojen amputoitujen toiminnallista ja yleistä terveyttä, mikä vähentää tällä hetkellä amputoituun tilaan liittyvää sairastuvuutta.

Erityiset tavoitteet

Tämän tutkimusprotokollan hypoteesi on, että pystymme suunnittelemaan uudelleen tapa, jolla alaraajojen amputaatiot suoritetaan niin, että siihen sisällytetään biologisia toimilaitteita, jotka mahdollistavat seuraavan sukupolven alaraajaproteesien onnistuneen käytön. Hankkeen erityistavoitteet ovat seuraavat:

1. Määrittää standardoitu lähestymistapa uuden leikkauksen suorittamiseen sekä polven alapuolella (BKA) että polven yläpuolella (AKA) amputaatioissa
2. Mittaa tahdonalaisen moottorin aktivoitumisen ja liikkeen astetta, joka on saavutettavissa jäännösraajarakenteissa, ja määrittää tällaisten konstruktien optimaalinen konfiguraatio ja suunnittelu
3. Kuvaa proprioseptiivisen ja muun sensorisen palautteen laajuutta, joka on saavutettavissa käyttämällä näitä modifioituja kirurgisia tekniikoita
4. Vahvistaa ehdotetun amputaatiotekniikan toiminnallinen ja somatosensorinen paremmuus verrattuna BKA:n ja AKA:n standardimenetelmiin
5. Kehittää muunneltu akuutti postoperatiivinen kuntoutusstrategia, joka sopii tähän uuteen kirurgiseen lähestymistapaan