A distalis maradék végtagi szövetek szomatotopikus konfigurációja alsó végtag amputációja során

Történelmi háttér

Az alsó végtag amputációja az egyik legrégebbi ismert sebészeti beavatkozás az orvostudomány történetében. A több mint két évezred elteltével azonban viszonylag kevés változás történt az operatív szemléletben. Jelenleg az alsó végtag amputációja leggyakrabban súlyos perifériás érbetegség miatti alsó végtag-kompromittáció esetén javasolt, amelyet rövid időn belül traumák, daganatok, fertőzések és veleszületett végtaghiányok követnek. Az alsó végtag amputációinak gyakoriságára vonatkozó becslések csak az Egyesült Államokban évi 30 000-40 000 eset között mozognak.

Az alsó végtag normál működése több, egymással összehangolt izomcsoport kölcsönhatása révén érhető el. Az ambuláció egy figyelemreméltóan összehangolt biomechanikai folyamat, amely a központi és a perifériás idegrendszert, valamint a mozgásszervi rendszert érintő komplex visszacsatolási hurkon alapul. Az alsó végtag izmai natív állapotukban egy kiegyensúlyozott agonista/antagonista közegben léteznek, amelyben az egyik izom akaratlagos aktiválása nemcsak kontraktúrájához vezet, hanem az ellentétének passzív megnyúlásához is. Az izomfeszültség változásai ezeken a változásokon keresztül az izomrostok speciális receptorainak stimulálásához vezetnek, amelyek az ízületi helyzetre vonatkozó információkat továbbítják az agykéregnek. Az ilyen visszacsatolás, a bőr mechanoreceptoraiból származó szenzoros információkkal együtt, a végtagok propriocepciójának érzetét kelti számunkra, ami végső soron nagy pontosságú végtagszabályozást tesz lehetővé, még vizuális visszajelzés hiányában is.

Mindazonáltal az alsó végtag amputációjának standard operatív megközelítése térd alatti (BKA) vagy térd feletti (AKA) szinten eltörli a sértetlen alsó végtagra jellemző számos dinamikus kapcsolatot. A kezdeti expozíciót lépcsőzetes (BKA) vagy halszáj (AKA) mintázatú bemetszéssel hajtják végre, majd az izmok, erek, idegek és csontok progresszív átmetszése a bemetszés szintjén történik. A szerkezeti átmetszés helyétől távolabbi szöveteket eldobják, függetlenül attól, hogy léteznek-e életképes szegmensek vagy sem, és a proximális maradék izmokat a disztálisan átmetszett csontra rétegezik, hogy szigeteljék ezt a szabaddá vált csontfelületet. A környező bőr ezután a csont/izom infrastruktúrán halad előre a végleges záródás elérése érdekében. A distalis végtag szöveteinek kezdetleges közelítése ezekben a megközelítésekben egy rendezetlen hegtömeget eredményez, amelyben a normál dinamikus izomkapcsolatok megsemmisülnek. A natív agonista/antagonista izompárok szétkapcsolása a maradék izomcsoportok izometrikus összehúzódását eredményezi akaratlagos aktiváláskor, ami hiányos, kiegyensúlyozatlan idegi visszacsatolást eredményez az agyban, ami a maradék végtag helyzetének aberrális észlelését eredményezi. Az ilyen zavart visszacsatolás nemcsak a protézis melletti ambuláns funkció károsodását eredményezi, hanem a végtag kóros szenzoros érzékelésében is megnyilvánul fantom végtag és fantomfájdalom tünet formájában.

A szolgáltatók és a betegek a mai napig tolerálták e megközelítések korlátait az alsó végtag amputáció meglehetősen leegyszerűsített célja miatt: stabil, párnázott felület biztosítása a protézis felszereléséhez. Történelmileg az alsó végtag protézisek lehetőséget biztosítottak az amputált személyeknek arra, hogy legalább bizonyos mértékig helyreállítsák az ambuláns funkciójukat. A szabványos alsó végtag protézisek jelenleg kezdetleges módon járnak, és alkalmanként futnak is. Az ilyen eszközök azonban általában nem tudták összefoglalni az emberi alsó végtag összetett biomechanikáját a korlátozott mozgási tartományok és a visszacsatolás szabályozásának hiánya miatt. Ezek a korlátok lényegesen megváltozott kinematikát eredményeztek az alsó végtag amputáltaknál, ami az energiafelhasználási profilok eltéréseivel jár együtt, amelyek az oldalirányú és a növekvő szint növekedésével romlanak.

De virrad egy kor, amelyben a modern protézisek képességei látványosan kiszélesednek. A technológiai fejlődés, beleértve az egyre miniatürizálódó elektronikát, a vezeték nélküli kommunikációt és az egyre finomodó helyzetérzékelőket, lehetővé tették a protézisfejlesztők számára, hogy új generációs bionikus végtagokat hozzanak létre, amelyek a korábbi modellekhez képest jelentősen megnövelt szabadságfokkal rendelkeznek. Az ilyen protézisekről kimutatták, hogy jelentősen javítják az amputáltak energiafelhasználását, akik megfelelően használják őket. Jelenleg még fejlettebb protézisek fejlesztése folyik, amelyek magukban foglalják az aktív belső végtagszabályozási képességet, hogy megkönnyítsék az összetett motoros tevékenységeket, például a táncot és az egy lábon való egyensúlyozást. Ezen túlmenően, jelenleg olyan protézisek prototípusát fejlesztik, amelyek képesek érzékelni – mind a tapintással, mind a helyzettel – olyan módon, amilyennek korábban nem volt tanúja. Az ilyen protéziseket, bár még nem kapható a kereskedelemben, jelenleg kísérleti körülmények között alkalmazzák.

A protézisek fejlesztése terén elért technológiai fejlesztések azonban nem párosultak a sebészeti fejlesztésekkel a maradék végtag kezelésében. Az alsó végtag amputációjának klasszikus technikái nem biztosítanak olyan beidegzett interfészeket, amelyek relékként szolgálhatnának a komplex protézisvezérléshez; A következő generációs protézisek, ha nincsenek ilyen biológiai működtetők a maradék végtagban, amelyek az információcseréhez szükséges vezetékeket biztosítanák. Másképpen megfogalmazva, a következő generációs protézisek jelenleg olyan meghajtókat és szenzorokat tartalmaznak, amelyek sokkal jobb funkcionalitást képesek nyújtani, mint valaha, de a végtagamputáció szokásos megközelítései nem biztosítják a protézisek hatékony összekapcsolását a tervezett haszonélvezőkkel. Az alsó végtag amputációinak evolúciójára most van szükség – olyanra, amely olyan biológiai interfészt biztosít, amely lehetővé teszi az alsó végtag amputáltak számára, hogy kihasználják a jelenleg fejlesztés alatt álló figyelemre méltó protézisek által kínált továbbfejlesztett képességeket.

Korábbi preklinikai vagy klinikai tanulmányok

A protetikus végtagok hatékony idegi interfészek iránti megnövekedett igényének felismerését az e területen az elmúlt évtizedben tett erőfeszítések növekvő száma bizonyítja. A disztális protézisek nagy felbontású vezérlésére irányuló kezdeti erőfeszítések elsősorban a közvetlen és közvetett agyi interfészekre összpontosultak, akár elektroencefalográfiás fejbőr-érzékelők elhelyezésével, akár beültethető parenchymalis elektródákkal. Az ilyen törekvéseket azonban megsínylette a gyenge felbontás, a jelek megszerzésének következetlenségei és a progresszív idegentest-reakciók, amelyek az impulzusok idővel leépüléséhez vezetnek.

Ahogy az agyi interfészek korlátai nyilvánvalóbbá váltak, a hangsúly a közvetlen perifériás idegi interfészekre helyeződött át, ideértve a közbeiktatott szitákat és mandzsettákat, amelyek az elektromos jeleket közvetlenül az egyes idegi fasciculusokról a disztális protézisekre továbbítják. Az ilyen monitorok azonban csekély klinikai ígéretet mutattak a hegesedés következtében kialakuló progresszív idegkompresszió, valamint a jelentős neurológiai áthallás és a biológiai modellekben való interferencia miatt.

Mint ilyen, a perifériás idegi interfész fejlesztésével kapcsolatos legígéretesebb erőfeszítések ma már a biológiai rendszerek birodalmába tartoznak. A két vezető modell ezen a területen a következő:

• Célzott izomreinnerváció (TMR): A TMR egy olyan technika, amelyben egy sor idegátvitelt használnak fel specifikus célizmok reinnerválására, hogy a proximális végtag amputációja után további protézis-ellenőrző helyeket hozzanak létre. Ezek az idegátvitelek a disztális protézisek intuitív vezérlését kínálják, mivel a reinnervált izmokat ugyanazok az idegek irányítják, amelyek egykor az amputált végtagot beidegzték. A reziduális idegek által keltett jeleket a befogadó izmok felerősítik, amelyeket felszíni elektródák rögzítenek, és a disztális protézisre továbbítanak. Eddig több mint 40 betegen végeztek TMR-eljárást. Ennek a technikának a korlátai közé tartozik azonban az elérhető elektromiográfiás jelhelyek véges száma az anatómiai korlátok és a hosszú távú jelhűség problémái miatt.
• Regeneratív perifériás idegi interfészek (RPNI): Az RPNI a beidegzett biológiai interfész alternatív változatát kínálja. Az RPNI egy sebészeti konstrukció, amely egy nem vaszkularizált izomszegmensből áll, amely egy disztális motoros vagy szenzoros idegvégződéshez kapcsolódik. A TMR-rel ellentétben az RPNI izom nem egy egyébként normálisan beidegzett proximális izomból származik; ehelyett ingyenes graftként készül ortotopikusan beszerzett donorszövetből. Az izomszegmenst fokozatosan újra beidegzi az átirányított idegvégződés, ami aztán elősegíti az izomszegmens akaratlagos aktiválását, amikor a központi idegrendszer kiváltja. A TMR-hez hasonlóan az intuitív irányítás azért történik, mert a reinnervált izmokat ugyanazok az idegek irányítják, amelyek egykor az amputált végtagot beidegzték. A TMR-rel ellentétben azonban nincsenek korlátozások az anatómiai helyekre vonatkozóan, és úgy tűnik, hogy a jelek hosszú távú hűségével kapcsolatban nincsenek problémák.

Bár mind a TMR, mind az RPNI ígéretesnek bizonyult abban, hogy jobb funkcionalitást kínál a már amputáción átesett betegek számára, egyik technikát sem építették be az amputációk végrehajtásának alapvető újratervezésébe; a szakirodalomban eddig közölt TMR vagy RPNI klinikai megvalósításának minden esetben ezeket a technikákat alkalmazták a már végtagvesztésen átesett betegek funkcionalitásának további optimalizálására.

Indoklás és lehetséges előnyök

Ez a klinikai protokoll az RPNI modell iterációját javasolja, azzal a szándékkal, hogy ezeket a sebészeti konstrukciókat beépítsék az alsó végtag amputációinak tervezésébe a végtag feláldozásakor. Tekintettel ennek a technikának az eddigi sikerére, a kutatók úgy vélik, hogy a beidegzett izomszegmensek beépítése a reziduális végtagok kialakításába magában rejti azt a lehetőséget, hogy az alsó végtag amputáltak biológiai interfészt biztosítsanak a soha nem látott protézismotoros vezérléshez, amely nemcsak nagy felbontású, hanem rendkívül intuitív és intuitív. képes helyreállítani a végtag propriocepcióját. Ezen túlmenően várható, hogy ha az amputált személyek jobban ellenőrizhetik a fejlett protéziseket, lehetőség nyílik a járáskinematika normalizálására, ezáltal korrigálva az energiafelhasználásban korábban bejelentett változásokat. Az ilyen intézkedések az alsó végtag amputáltak funkcionális és általános egészségi állapotának optimalizálását ígérik, ezáltal csökkentve az amputált állapothoz kapcsolódó morbiditást.

Konkrét célok

Ennek a kutatási protokollnak a hipotézise az, hogy képesek leszünk újratervezni az alsó végtagi amputációk végrehajtásának módját úgy, hogy olyan biológiai aktuátorokat is tartalmazzon, amelyek lehetővé teszik a következő generációs alsó végtagi protézisek sikeres alkalmazását. A projekt konkrét céljai a következők:

1. A térd alatti (BKA) és térd feletti (AKA) amputációk új műtéti eljárásainak standardizált megközelítésének meghatározása
2. Mérni a maradék végtag konstrukciókban elérhető akarati motoros aktiválás és kimozdulás mértékét, és meghatározni az ilyen konstrukciók optimális konfigurációját és kialakítását
3. A módosított sebészeti technikák alkalmazásával elérhető proprioceptív és egyéb szenzoros visszacsatolás mértékének leírása
4. A javasolt amputációs technika funkcionális és szomatoszenzoros felsőbbrendűségének igazolása a BKA és az AKA standard megközelítéseivel szemben
5. Ennek az új műtéti megközelítésnek megfelelő módosított akut posztoperatív rehabilitációs stratégia kidolgozása