Configuration somatotopique des tissus des membres résiduels distaux dans les amputations des membres inférieurs

Contexte historique

L'amputation des membres inférieurs est l'une des plus anciennes interventions chirurgicales connues de l'histoire médicale. Malgré le passage de plus de deux millénaires, cependant, relativement peu de choses ont changé dans l'approche opératoire. Actuellement, l'amputation des membres inférieurs est indiquée le plus souvent en cas d'atteinte des membres inférieurs due à une maladie vasculaire périphérique grave, suivie peu de temps après par les traumatismes, les tumeurs, les infections et les déficiences congénitales des membres. Les estimations de la fréquence des amputations des membres inférieurs varient de 30 000 à 40 000 cas par an aux États-Unis seulement.

La fonction normale du membre inférieur est rendue possible grâce à l'interaction de plusieurs groupes musculaires agissant de concert. La marche est un processus biomécanique remarquablement orchestré qui dépend d'une boucle de rétroaction complexe impliquant les systèmes nerveux central et périphérique et le système musculo-squelettique. Dans leur état natif, les muscles du membre inférieur existent dans un milieu agoniste/antagoniste équilibré dans lequel l'activation volontaire d'un muscle conduit non seulement à sa contracture, mais également à l'étirement passif de son opposé. Les changements de tension musculaire qui se manifestent par ces changements conduisent à la stimulation de récepteurs spécialisés dans les fibres musculaires qui transmettent des informations sur la position des articulations au cortex cérébral. Une telle rétroaction, en conjonction avec les informations sensorielles cutanées des mécanorécepteurs cutanés, nous fournit un sens de la proprioception des membres qui permet finalement un contrôle des membres haute fidélité, même en l'absence de rétroaction visuelle.

Cependant, l'approche opératoire standard de l'amputation des membres inférieurs au niveau sous le genou (BKA) ou au-dessus du genou (AKA) annule bon nombre des relations dynamiques caractéristiques du membre inférieur non blessé. L'exposition initiale est réalisée par une incision en escalier (BKA) ou en bouche de poisson (AKA), suivie d'une section progressive des muscles, des vaisseaux, des nerfs et des os au niveau de l'incision. Les tissus distaux au site de section structurelle sont éliminés, qu'il y ait ou non des segments viables, et les muscles résiduels proximaux sont superposés sur l'os sectionné distal afin d'isoler cette surface osseuse exposée. La peau environnante est ensuite avancée sur l'infrastructure osseuse/musculaire afin d'obtenir une fermeture définitive. Le rapprochement rudimentaire des tissus du membre distal dans ces approches entraîne une masse cicatricielle désorganisée dans laquelle les relations musculaires dynamiques normales sont détruites. Le découplage des appariements musculaires agonistes / antagonistes natifs entraîne une contraction isométrique des groupes musculaires résiduels lors de l'activation volontaire, produisant une rétroaction neuronale incomplète et déséquilibrée vers le cerveau qui entraîne une perception aberrante de la position du membre résiduel. Une telle rétroaction perturbée entraîne non seulement une altération de la fonction ambulatoire avec des prothèses, mais se manifeste également par une perception sensorielle pathologique de l'extrémité sous la forme d'un membre fantôme et d'une symptomatologie de la douleur fantôme.

À ce jour, les prestataires et les patients ont toléré les limites de ces approches en raison de l'objectif assez simpliste de l'amputation des membres inférieurs : fournir une surface stable et rembourrée pour le montage de la prothèse. Historiquement, les prothèses des membres inférieurs ont permis aux amputés de récupérer au moins une certaine mesure de la fonction ambulatoire. Les prothèses standards du membre inférieur permettent actuellement à leur porteur de marcher de manière rudimentaire, ainsi que de courir occasionnellement. Cependant, ces dispositifs n'ont généralement pas été en mesure de récapituler la biomécanique complexe du membre inférieur humain en raison des amplitudes de mouvement limitées et du manque de contrôle par rétroaction. Ces limitations ont entraîné une cinématique considérablement altérée chez les amputés des membres inférieurs qui sont associées à des dérangements dans les profils de dépense énergétique qui s'aggravent avec la latéralité et le niveau ascendant.

Une ère s'ouvre cependant, dans laquelle les capacités des prothèses modernes s'élargissent remarquablement. Les avancées technologiques, notamment l'électronique de plus en plus miniaturisée, les communications sans fil et les capteurs de position toujours plus perfectionnés, ont permis aux développeurs de prothèses de créer des membres bioniques de nouvelle génération avec des degrés de liberté nettement améliorés par rapport aux modèles précédents. Il a été démontré que de telles prothèses améliorent sensiblement la dépense énergétique des amputés qui les utilisent de manière appropriée. Des prothèses encore plus avancées sont actuellement en cours de développement qui intègrent la capacité de fournir un contrôle intrinsèque actif des membres pour faciliter des actions motrices complexes telles que la danse et l'équilibre sur une jambe. De plus, des prototypes de prothèses sont actuellement en cours de développement et ont le potentiel d'offrir une rétroaction sensorielle - à la fois tactile et positionnelle - d'une manière jamais vue auparavant. De telles prothèses, bien qu'elles ne soient pas encore disponibles dans le commerce, sont actuellement utilisées dans des contextes expérimentaux.

Cependant, ces avancées technologiques dans le domaine du développement des prothèses n'ont pas été accompagnées d'avancées chirurgicales en matière de gestion du membre résiduel. Les techniques classiques d'amputation des membres inférieurs n'offrent pas d'interfaces innervées pouvant servir de relais pour le contrôle complexe des prothèses ; sans de tels actionneurs biologiques dans le membre résiduel pour fournir des conduits d'échange d'informations, les prothèses de nouvelle génération sont de peu d'utilité. En d'autres termes, les prothèses de nouvelle génération intègrent actuellement des pilotes et des capteurs capables de fournir des fonctionnalités bien plus améliorées que jamais auparavant, mais les approches standard de l'amputation des membres ne permettent pas de relier efficacement ces prothèses à leurs bénéficiaires prévus. Une évolution dans la manière dont les amputations des membres inférieurs sont effectuées est maintenant nécessaire - une évolution qui fournira une interface biologique qui permettra aux amputés des membres inférieurs de profiter des capacités améliorées offertes par les prothèses remarquables actuellement en cours de développement.

Études précliniques ou cliniques antérieures

La reconnaissance du besoin accru d'interfaces neurales efficaces pour les membres prothétiques a été mise en évidence par un nombre croissant d'efforts dans ce domaine au cours de la dernière décennie. Les efforts initiaux pour fournir un contrôle à haute résolution des prothèses distales se sont concentrés principalement sur les interfaces cérébrales directes et indirectes, soit par le placement de capteurs électroencéphalographiques du cuir chevelu ou d'électrodes parenchymateuses implantables, respectivement. Cependant, ces efforts ont été en proie à une mauvaise résolution, à des incohérences dans l'acquisition du signal et à des réactions progressives de corps étrangers conduisant à une dégradation des impulsions au fil du temps.

Au fur et à mesure que les limites des interfaces cérébrales sont devenues plus évidentes, l'attention s'est déplacée vers les interfaces nerveuses périphériques directes, y compris les tamis et les manchettes interposés conçus pour transduire les signaux électriques directement des fascicules nerveux individuels aux prothèses distales. De tels moniteurs se sont toutefois révélés peu prometteurs sur le plan clinique en raison de la compression nerveuse progressive secondaire à la cicatrisation, ainsi que d'une diaphonie neurologique importante et d'interférences dans les modèles biologiques.

En tant que tel, les efforts les plus prometteurs concernant le développement de l'interface nerveuse périphérique sont maintenant dans le domaine des systèmes biologiques. Les deux modèles phares dans ce domaine sont les suivants :

• Réinnervation musculaire ciblée (TMR) : la RTM est une technique dans laquelle une série de transferts nerveux est utilisée pour réinnerver des muscles cibles spécifiques afin de créer des sites de contrôle prothétiques supplémentaires après l'amputation d'un membre proximal. Ces transferts nerveux offrent un contrôle intuitif des prothèses distales car les muscles réinnervés sont contrôlés par les mêmes nerfs qui innervaient autrefois le membre amputé. Les signaux créés par les nerfs résiduels sont amplifiés par les muscles receveurs, qui sont captés par des électrodes de surface et transmis à la prothèse distale. Les procédures de TMR ont été réalisées sur plus de 40 patients à ce jour. Les limites de cette technique, cependant, incluent le nombre fini de sites de signaux électromyographiques disponibles en raison de contraintes anatomiques et de problèmes de fidélité du signal à long terme.
• Interfaces nerveuses périphériques régénératives (RPNI) : RPNI offre une version alternative d'une interface biologique innervée. Un RPNI est une construction chirurgicale qui consiste en un segment de muscle non vascularisé qui est coapté à une terminaison nerveuse motrice ou sensorielle distale. Contrairement à la TMR, le muscle RPNI n'est pas recruté à partir d'un muscle proximal autrement normalement innervé ; au lieu de cela, il est construit comme une greffe libre à partir de tissu de donneur d'origine orthotopique. Le segment musculaire est progressivement réinnervé par la terminaison nerveuse redirigée, qui favorise alors l'activation volontaire du segment musculaire lorsqu'elle est déclenchée par le système nerveux central. Comme dans la TMR, le contrôle intuitif se produit parce que les muscles réinnervés sont contrôlés par les mêmes nerfs qui ont autrefois innervé le membre amputé. Contrairement à la TMR, cependant, il n'y a pas de limites sur les sites anatomiques et il ne semble pas y avoir de problèmes de fidélité du signal à long terme.

Alors que les TMR et les RPNI se sont révélés prometteurs en offrant une fonctionnalité améliorée aux patients qui ont déjà subi une amputation, aucune des deux techniques n'a été intégrée dans une refonte fondamentale de la manière dont les amputations sont effectuées en premier lieu ; dans tous les cas de mise en œuvre clinique de TMR ou RPNI rapportés à ce jour dans la littérature, ces techniques ont été employées pour optimiser davantage la fonctionnalité des patients ayant déjà subi une perte de membre.

Justification et avantages potentiels

Ce protocole clinique propose une itération du modèle RPNI, avec l'intention d'incorporer ces constructions chirurgicales dans la conception des amputations des membres inférieurs au moment du sacrifice des membres. Compte tenu du succès de cette technique à ce jour, les chercheurs pensent que l'incorporation de segments musculaires innervés dans la conception du membre résiduel a le potentiel de fournir aux amputés des membres inférieurs une interface biologique pour un contrôle moteur prothétique sans précédent qui est non seulement à haute résolution mais aussi très intuitif et capable de restaurer la proprioception des membres. En outre, il est prévu que permettre aux amputés d'avoir un meilleur contrôle des prothèses avancées peut offrir le potentiel de normaliser la cinématique de la marche, corrigeant ainsi les altérations de la dépense énergétique qui ont été signalées précédemment. De telles mesures promettent d'optimiser la santé fonctionnelle et globale des amputés des membres inférieurs, réduisant ainsi la morbidité actuellement associée au statut d'amputé.

Objectifs spécifiques

L'hypothèse de ce protocole de recherche est que nous serons en mesure de repenser la manière dont les amputations des membres inférieurs sont effectuées afin d'inclure des actionneurs biologiques qui permettront l'utilisation réussie des prothèses des membres inférieurs de nouvelle génération. Les objectifs spécifiques du projet sont les suivants :

1. Définir une approche standardisée de la réalisation d'une nouvelle procédure opératoire pour les amputations sous le genou (BKA) et au-dessus du genou (AKA)
2. Mesurer le degré d'activation motrice volontaire et d'excursion réalisable dans les constructions de membre résiduel, et déterminer la configuration et la conception optimales de ces constructions
3. Décrire l'étendue de la rétroaction proprioceptive et sensorielle réalisable grâce à l'utilisation de ces techniques chirurgicales modifiées
4. Valider la supériorité fonctionnelle et somatosensorielle de la technique d'amputation proposée par rapport aux approches standard de BKA et AKA
5. Développer une stratégie de rééducation postopératoire aiguë modifiée adaptée à cette nouvelle approche chirurgicale