下肢切断における遠位残存肢組織の体性構成

歴史的背景

下肢切断は、医学史上最も古い既知の外科手術の 1 つです。 しかし、2000 年以上の経過にもかかわらず、手術のアプローチはほとんど変わっていません。 現在、下肢切断は、重度の末梢血管疾患による下肢障害に対して最も頻繁に適応され、続いて外傷、腫瘍、感染症、および先天性肢欠損症が続いています。 下肢切断の推定頻度は、米国だけで年間 30,000 ～ 40,000 件の範囲です。

下肢の正常な機能は、協調して作用する複数の筋肉群の相互作用によって可能になります。 歩行は、中枢神経系、末梢神経系、および筋骨格系を含む複雑なフィードバック ループに依存する、非常に組織化された生体力学的プロセスです。 本来の状態では、下肢の筋肉はバランスの取れたアゴニスト/アンタゴニスト環境に存在し、一方の筋肉の自発的な活性化がその拘縮だけでなく、反対側の受動的なストレッチにもつながります。 これらの変化による筋肉の緊張の変化は、関節位置情報を大脳皮質に伝達する筋線維内の特殊な受容体の刺激につながります。 このようなフィードバックは、皮膚の機械受容器からの皮膚感覚情報と組み合わせて、視覚的なフィードバックがない場合でも、最終的に忠実度の高い四肢制御を可能にする四肢の固有受容感覚を提供します。

ただし、膝下 (BKA) または膝上 (AKA) レベルでの下肢切断に対する標準的な手術アプローチは、無傷の下肢に特徴的な動的関係の多くを消し去ります。 最初の露出は、階段状（BKA）またはフィッシュマウス（AKA）パターンの切開によって行われ、続いて切開のレベルで筋肉、血管、神経、および骨が徐々に切除されます。 構造的切断部位の遠位にある組織は、生存可能なセグメントがあるかどうかに関係なく廃棄され、この露出した骨表面を断熱するために、遠位の切断された骨の上に近位の残留筋肉が重ねられます。 次に、最終的な閉鎖を達成するために、周囲の皮膚が骨/筋肉のインフラストラクチャ上に進められます。 これらのアプローチにおける遠位肢の組織の初歩的な近似は、正常な動的な筋肉の関係が破壊される無秩序な瘢痕塊をもたらします。 ネイティブのアゴニスト/アンタゴニストの筋肉ペアリングの切り離しは、随意活性化時に残存筋肉群の等尺性収縮をもたらし、脳への不完全で不均衡な神経フィードバックを生成し、残存肢位置の異常な知覚をもたらします。 このようなフィードバックの乱れは、義足による歩行機能の障害をもたらすだけでなく、幻肢および幻肢痛の症候学の形で四肢の病理学的知覚としても現れます。

今日まで、医療提供者と患者は、下肢切断のかなり単純化された目標のために、これらのアプローチの限界を許容してきました。 歴史的に、下肢義足は切断者に少なくともある程度の歩行機能を回復する機会を与えてきました。 現在、標準的な下肢義足は、着用者に基本的な方法で歩くだけでなく、時々走ることもできます. しかし、このようなデバイスは一般に、可動域が制限され、フィードバック制御が欠如しているため、人間の下肢の複雑な生体力学を再現することができませんでした。 これらの制限により、側性と上昇レベルで悪化するエネルギー消費プロファイルの混乱に関連する下肢切断者の運動学が大幅に変化しました。

しかし、現代の義足の可能性が飛躍的に広がる時代が幕を開けようとしています。 ますます小型化される電子機器、ワイヤレス通信、常に洗練された位置センサーなどの技術的進歩により、義肢開発者は、以前のモデルよりも自由度が大幅に向上した次世代のバイオニック義肢を作成できるようになりました。 このようなプロテーゼは、それらを適切に使用する肢切断者のエネルギー消費を著しく改善することが実証されています。 片足でのダンスやバランスをとるなどの複雑な運動動作を容易にするために、アクティブな固有の手足制御を提供する機能を組み込んだ、さらに高度な義足が現在開発中です。 さらに、試作品の人工装具が現在開発されており、これまでにない方法で、触覚と位置の両方の感覚フィードバックを提供する可能性があります。 このような人工装具は、まだ市販されていませんが、現在、実験環境で利用されています。

しかし、プロテーゼ開発の分野におけるこれらの技術的進歩は、断端の管理に関する外科的進歩と一致していません。 下肢切断の古典的な技術は、複雑な義肢制御のリレーとして機能する神経支配されたインターフェースを提供しません。情報交換のための導管を提供するためのそのような生物学的アクチュエータが断端になければ、次世代の人工装具はほとんど役に立ちません。 別の言い方をすれば、現在、次世代の義肢には、これまでに見られたよりもはるかに高度な機能を提供できるドライバーとセンサーが組み込まれています。 下肢切断術の実施方法の進化が現在必要とされています - 下肢切断者が現在開発中の注目すべき人工装具によって提供される強化された機能を利用できるようにする生物学的インターフェースを提供するものです。

以前の前臨床または臨床研究

義肢の効果的な神経インターフェースの必要性が高まっていることの認識は、過去 10 年間にこの分野での取り組みが拡大していることによって証明されています。 遠位プロテーゼの高解像度制御を提供するための初期の取り組みは、主に、脳波頭皮センサーまたは埋め込み型実質電極の配置のいずれかを介して、直接および間接的な脳インターフェースに焦点を当てていました。 しかし、このような取り組みは、解像度の低さ、信号取得の不一致、時間の経過に伴うインパルスの劣化につながる進行性の異物反応に悩まされてきました。

脳インターフェースの限界がより明らかになるにつれて、個々の神経束から遠位プロテーゼに電気信号を直接変換するように設計されたシーブやカフを介在させるなど、直接的な末梢神経インターフェースに焦点が移りました。 しかし、そのようなモニターは、瘢痕に続発する進行性の神経圧迫、ならびに生物学的モデルにおける重大な神経学的クロストークおよび干渉のために、ほとんど臨床的見込みを示していません。

そのため、末梢神経インターフェースの開発に関する最も有望な取り組みは、現在、生物学的システムの領域にあります。 この分野の 2 つの主要なモデルは次のとおりです。

• 標的筋肉再神経支配 (TMR): TMR は、一連の神経伝達を利用して特定の標的筋肉を再神経支配し、近位肢切断後に追加の人工器官制御部位を作成する技術です。 これらの神経伝達は、再神経支配された筋肉が、切断された手足をかつて神経支配したのと同じ神経によって制御されるため、遠位プロテーゼの直感的な制御を提供します。 残留神経によって生成された信号は、受信者の筋肉によって増幅され、表面電極によって捕捉され、遠位プロテーゼに伝達されます。 これまでに 40 人以上の患者に TMR 手術が行われました。 ただし、この手法の制限には、解剖学的な制約と長期的な信号忠実度の問題により、利用可能な筋電信号サイトの数が限られていることが含まれます。
• 再生末梢神経インターフェース (RPNI): RPNI は、神経支配された生物学的インターフェースの代替バージョンを提供します。 RPNI は、遠位の運動神経終末または感覚神経終末に結合した筋肉の非血管新生セグメントで構成される外科的構造です。 TMR とは異なり、RPNI 筋は通常神経支配されている近位筋から動員されません。代わりに、同所的に供給されたドナー組織からの無料の移植片として構築されます。 筋肉セグメントは、リダイレクトされた神経終末によって徐々に再神経支配され、中枢神経系によってトリガーされると、筋肉セグメントの自発的な活性化が促進されます。 TMR の場合と同様に、再神経支配された筋肉は、切断された手足を一度神経支配したのと同じ神経によって制御されるため、直感的な制御が行われます。 ただし、TMR とは異なり、解剖学的部位に制限はなく、長期的な信号忠実度に問題はないようです。

TMR と RPNI の両方が、すでに切断を受けた患者に改善された機能を提供するという見込みを示していますが、どちらの技術も、そもそも切断が行われる方法の根本的な再設計には組み込まれていません。文献でこれまでに報告されたTMRまたはRPNIの臨床実施のすべてのケースで、これらの技術は、すでに四肢喪失を経験した患者の機能をさらに最適化するために採用されています。

理論的根拠と潜在的な利点

この臨床プロトコルは、下肢の犠牲時にこれらの外科的構造を下肢切断の設計に組み込むことを目的として、RPNI モデルの反復を提案しています。 これまでのこの技術の成功を考えると、神経支配された筋肉セグメントを断端の設計に組み込むことで、前例のない義肢運動制御のための生物学的インターフェースを下肢切断者に提供できる可能性があると研究者は考えています。四肢の固有受容を回復することができます。 さらに、切断者が高度な人工装具をより細かく制御できるようにすることで、歩行の運動学を正常化し、それによって以前に報告されたエネルギー消費の変化を修正できる可能性があると予想されます。 このような措置は、下肢切断者の機能的および全体的な健康状態を最適化し、それによって現在切断者の状態に関連する罹患率を減らす可能性を秘めています。

具体的な目的

この研究プロトコルの仮説は、次世代の下肢義足の採用を成功させる生物学的アクチュエーターを含めるように、下肢切断が行われる方法を再設計できるというものです。 プロジェクトの具体的な目的は次のとおりです。

1. 膝下 (BKA) と膝上 (AKA) の両方の切断に対する新しい手術手順の実行に対する標準化されたアプローチを定義する
2. 断端構築物で達成可能な随意運動活性化と遠足の程度を測定し、そのような構築物の最適な構成と設計を決定する
3. これらの修正された外科的技術の採用を通じて達成可能な固有受容およびその他の感覚フィードバックの程度を説明すること
4. BKA および AKA に対する標準的なアプローチよりも、提案された切断技術の機能的および体性感覚の優位性を検証する
5. この新しい外科的アプローチに適した修正急性術後リハビリテーション戦略を開発する