하지 절단 시 말단 잔존 사지 조직의 체성형

역사적 배경

하지 절단은 의학 역사상 가장 오래된 알려진 수술 절차 중 하나입니다. 그러나 2000년이 넘는 시간이 지났음에도 불구하고 수술적 접근 방식에는 상대적으로 거의 변화가 없었습니다. 현재, 하지 절단은 심각한 말초혈관 질환으로 인한 하지 손상에 가장 흔하게 적용되며, 외상, 종양, 감염 및 선천성 사지 결함 순으로 적습니다. 하지 절단 빈도의 추정치는 미국에서만 연간 30,000-40,000건에 이릅니다.

하지의 정상적인 기능은 함께 작용하는 여러 근육 그룹의 상호 작용을 통해 활성화됩니다. 보행은 중추 및 말초 신경계와 근골격계를 포함하는 복잡한 피드백 루프에 의존하는 현저하게 조율된 생체역학적 과정입니다. 원래 상태에서 하지의 근육은 균형 잡힌 주동근/길항근 환경에 존재하며, 여기서 한 근육의 의지적 활성화는 수축뿐만 아니라 반대쪽 근육의 수동 신장도 유도합니다. 이러한 변화를 통해 나타나는 근육 긴장의 변화는 관절 위치 정보를 대뇌 피질로 전송하는 근육 섬유 내의 특수 수용체를 자극합니다. 이러한 피드백은 피부 기계수용체의 피부 감각 정보와 함께 시각적 피드백이 없는 경우에도 궁극적으로 높은 충실도의 사지 제어를 가능하게 하는 사지 고유 감각을 제공합니다.

그러나, 무릎 아래(BKA) 또는 무릎 위(AKA) 수준에서 하지 절단에 대한 표준 수술 접근법은 손상되지 않은 하지의 특징인 많은 동적 관계를 제거합니다. 초기 노출은 계단식(BKA) 또는 피시마우스(AKA) 패턴 절개를 통해 이루어지며, 절개 수준에서 근육, 혈관, 신경 및 뼈의 점진적 절개가 뒤따릅니다. 생존 가능한 분절이 있는지 여부에 관계없이 구조적 절개 부위의 원위 조직은 폐기되고 근위 잔류 근육은 이 노출된 골 표면에 절연을 제공하기 위해 원위 절개된 뼈 위에 층을 이룹니다. 그런 다음 주변 피부를 뼈/근육 인프라 위로 전진시켜 확실한 봉합을 달성합니다. 이러한 접근법에서 원위 사지 조직의 기초적인 근사는 정상적인 동적 근육 관계가 파괴되는 무질서한 반흔 덩어리를 초래합니다. 기본 작동근/길항근 쌍의 결합 해제는 의지 활성화 시 잔여 근육 그룹의 등척성 수축을 초래하여 절단단 위치의 비정상적인 인식을 초래하는 뇌에 ​​불완전하고 불균형한 신경 피드백을 생성합니다. 이러한 교란된 피드백은 보철물을 사용한 보행 기능 장애를 초래할 뿐만 아니라 환상 사지 및 환상 통증 증상의 형태로 사지의 병리학적 감각 지각으로 나타납니다.

현재까지 제공자와 환자는 하지 절단이라는 상당히 단순한 목표로 인해 이러한 접근 방식의 한계를 용인했습니다. 역사적으로, 하지 의지는 절단 환자에게 최소한 어느 정도의 보행 기능을 회복할 수 있는 기회를 제공했습니다. 표준 하지 의지는 현재 착용자에게 초보적인 방식으로 걸을 수 있을 뿐만 아니라 때때로 달릴 수 있게 합니다. 그러나 이러한 장치는 제한된 동작 범위와 피드백 제어 부족으로 인해 일반적으로 인간 하지의 복잡한 생체역학을 재현할 수 없었습니다. 이러한 제한으로 인해 하지 절단 환자의 운동학이 크게 변경되어 측면 및 오름차순으로 악화되는 에너지 소비 프로필의 혼란과 관련이 있습니다.

그러나 현대 보철의 능력이 눈에 띄게 확장되는 시대가 열리고 있습니다. 점점 더 소형화되는 전자 장치, 무선 통신 및 끊임없이 개선되는 위치 센서를 포함한 기술 발전으로 인해 보철 개발자는 이전 모델에 비해 자유도가 현저하게 향상된 차세대 생체 공학적 팔다리를 만들 수 있습니다. 이러한 보철물은 적절하게 사용하는 절단 환자의 에너지 소비를 현저하게 개선하는 것으로 입증되었습니다. 한 발로 춤을 추고 균형을 잡는 것과 같은 복잡한 운동 동작을 용이하게 하기 위해 능동적인 본질적인 사지 제어 기능을 제공하는 기능을 포함하는 훨씬 더 발전된 보철물이 현재 개발 중입니다. 또한 이전에 목격한 적이 없는 방식으로 촉각 및 위치 모두에서 감각 피드백을 제공할 수 있는 잠재력을 가진 프로토타입 보철물이 현재 개발되고 있습니다. 이러한 보철물은 아직 상용화되지 않았지만 현재 실험 환경에서 활용되고 있습니다.

그러나 보철물 개발 분야의 이러한 기술 발전은 절단단 관리와 관련된 외과적 발전과 일치하지 않았습니다. 하지 절단에 대한 고전적인 기술은 복잡한 보철물 제어를 위한 릴레이 역할을 할 수 있는 신경분포된 인터페이스를 제공하지 않습니다. 정보 교환을 위한 도관을 제공하기 위해 절단단에 이러한 생물학적 작동기가 없으면 차세대 보철물은 거의 쓸모가 없습니다. 달리 말하면, 차세대 보철물은 현재 이전에 목격된 것보다 훨씬 더 향상된 기능을 제공할 수 있는 드라이버와 센서를 통합하고 있지만 사지 절단에 대한 표준 접근 방식은 이러한 보철물을 의도된 수혜자와 효과적으로 연결하는 방법을 제공하지 않습니다. 이제 하지 절단을 수행하는 방식의 진화가 필요합니다. 이는 하지 절단 환자가 현재 개발 중인 놀라운 보철물이 제공하는 향상된 기능을 활용할 수 있는 생물학적 인터페이스를 제공할 것입니다.

이전 전임상 또는 임상 연구

인공 사지를 위한 효과적인 신경 인터페이스에 대한 증가된 필요성에 대한 인식은 지난 10년 동안 이 영역에서 점점 더 많은 노력을 기울임으로써 입증되었습니다. 말단 보철물의 고해상도 제어를 제공하기 위한 초기 노력은 각각 뇌파 두피 센서 또는 이식형 실질 전극의 배치를 통한 직접 및 간접 뇌 인터페이스에 주로 집중되었습니다. 그러나 이러한 노력은 불량한 해상도, 신호 획득의 불일치 및 시간이 지남에 따라 임펄스 저하로 이어지는 점진적인 이물질 반응으로 인해 어려움을 겪었습니다.

뇌 인터페이스의 한계가 더욱 분명해짐에 따라 개별 신경 다발에서 원위 보철물로 전기 신호를 직접 변환하도록 설계된 개재된 체와 커프를 포함한 직접적인 말초 신경 인터페이스로 초점이 이동했습니다. 그러나 이러한 모니터는 흉터에 이차적인 진행성 신경 압박과 생물학적 모델의 상당한 신경학적 누화 및 간섭으로 인해 임상적 가능성이 거의 나타나지 않았습니다.

이와 같이 말초 신경 인터페이스 개발에 관한 가장 유망한 노력은 이제 생물학적 시스템 영역 내에 있습니다. 이 영역의 두 가지 주요 모델은 다음과 같습니다.

• TMR(Targeted Muscle Reinnervation): TMR은 일련의 신경 전달을 활용하여 특정 목표 근육을 재신경화하여 근위 사지 절단 후 추가적인 보철 제어 부위를 생성하는 기술입니다. 이러한 신경 전달은 원위 보철물의 직관적인 제어를 제공합니다. 신경이 재분배된 근육이 절단된 팔다리에 한 번 신경을 전달했던 것과 동일한 신경에 의해 제어되기 때문입니다. 잔여 신경에 의해 생성된 신호는 수용자 근육에 의해 증폭되며, 표면 전극에 의해 캡처되고 원위 보철물로 변환됩니다. 현재까지 40명 이상의 환자에게 TMR 절차가 수행되었습니다. 그러나 이 기술의 한계는 해부학적 제약과 장기 신호 충실도 문제로 인해 사용 가능한 근전도 신호 사이트의 유한한 수를 포함합니다.
• 재생 말초 신경 인터페이스(RPNI): RPNI는 신경분포된 생물학적 인터페이스의 대체 버전을 제공합니다. RPNI는 원위 운동 신경 또는 감각 신경 말단에 접합된 근육의 비혈관화 부분으로 구성된 외과적 구조물입니다. TMR과 달리 RPNI 근육은 일반적으로 신경분포된 근위 근육에서 모집되지 않습니다. 대신, 동소 공급된 기증자 조직에서 무료 이식편으로 구성됩니다. 근육 분절은 방향이 바뀐 신경 말단에 의해 점차적으로 재신경화되며, 이는 중추 신경계에 의해 촉발될 때 근육 분절의 의지적 활성화를 촉진합니다. TMR에서와 같이, 신경이 재분배된 근육이 절단된 팔다리에 한 번 신경을 분포시켰던 것과 동일한 신경에 의해 제어되기 때문에 직관적인 제어가 발생합니다. 그러나 TMR과 달리 해부학적 부위에 제한이 없고 장기간 신호 충실도에 문제가 없는 것으로 보인다.

TMR과 RPNI 모두 이미 절단 수술을 받은 환자에게 개선된 기능을 제공할 가능성이 있음을 입증했지만 두 기술 모두 처음부터 절단 수술을 수행하는 방식의 근본적인 재설계에 통합되지 않았습니다. 문헌에 보고된 TMR 또는 RPNI의 ​​모든 임상 구현 사례에서 이러한 기술은 이미 사지 손실을 경험한 환자의 기능을 더욱 최적화하기 위해 사용되었습니다.

근거 및 잠재적 이점

이 임상 프로토콜은 이러한 외과 구조를 사지 희생 시 하지 절단 설계에 통합하려는 의도로 RPNI 모델의 반복을 제안합니다. 현재까지 이 기술의 성공을 감안할 때, 연구자들은 절단단 디자인에 신경분포된 근육 세그먼트를 통합하면 하지 절단 환자에게 전례 없는 보철 운동 제어를 위한 생물학적 인터페이스를 제공할 수 있는 잠재력이 있다고 믿습니다. 사지 고유 감각을 회복시킬 수 있습니다. 또한 절단 환자가 고급 보철물을 더 잘 제어할 수 있게 되면 보행 운동학을 정상화하여 이전에 보고된 에너지 소비의 변경을 교정할 수 있는 잠재력을 제공할 수 있을 것으로 예상됩니다. 이러한 조치는 하지 절단 환자의 기능적 및 전반적인 건강을 최적화하여 현재 절단 환자 상태와 관련된 이환율을 감소시킬 것을 약속합니다.

특정 목표

이 연구 프로토콜의 가설은 차세대 하지 의지의 성공적인 사용을 가능하게 하는 생물학적 작동기를 포함하도록 하지 절단이 수행되는 방식을 재설계할 수 있다는 것입니다. 프로젝트의 구체적인 목표는 다음과 같습니다.

1. 무릎 아래(BKA) 및 무릎 위(AKA) 절단 모두에 대한 새로운 수술 절차의 성능에 대한 표준화된 접근 방식을 정의합니다.
2. 절단단 구조에서 달성할 수 있는 의지 운동 활성화 및 편위 정도를 측정하고 이러한 구조의 최적 구성 및 설계를 결정합니다.
3. 이러한 수정된 수술 기술을 사용하여 달성할 수 있는 고유 수용성 및 기타 감각 피드백의 범위를 설명합니다.
4. BKA 및 AKA에 대한 표준 접근법에 비해 제안된 절단 기술의 기능적 및 체감각적 우월성을 검증하기 위해
5. 이 새로운 외과적 접근법에 적합한 수정된 급성 수술 후 재활 전략을 개발하기 위해