Somatotopische configuratie van distale restledemaatweefsels bij amputaties van de onderste ledematen

Historische achtergrond

Amputatie van de onderste ledematen is een van de oudst bekende chirurgische ingrepen in de medische geschiedenis. Ondanks het verstrijken van meer dan twee millennia is er relatief weinig veranderd in de operatieve aanpak. Momenteel is amputatie van de onderste ledematen het vaakst geïndiceerd voor het compromitteren van de onderste ledematen als gevolg van ernstige perifere vasculaire aandoeningen, kort daarna gevolgd door trauma, tumoren, infecties en congenitale ledemaatdeficiënties. Schattingen van de frequentie van amputaties van de onderste ledematen variëren alleen al in de Verenigde Staten van 30.000 tot 40.000 gevallen per jaar.

De normale functie van de onderste ledematen wordt mogelijk gemaakt door het samenspel van meerdere spiergroepen die samenwerken. Lopen is een opmerkelijk georkestreerd biomechanisch proces dat afhankelijk is van een complexe feedbacklus waarbij het centrale en perifere zenuwstelsel en het bewegingsapparaat betrokken zijn. In hun oorspronkelijke staat bevinden de spieren van de onderste extremiteit zich in een evenwichtig agonist/antagonist-milieu waarin de bewuste activering van één spier niet alleen leidt tot contractuur, maar ook tot passieve uitrekking van de tegenovergestelde spier. Veranderingen in spierspanning die zich door deze veranderingen manifesteren, leiden tot stimulatie van gespecialiseerde receptoren in de spiervezels die informatie over de gewrichtspositie doorgeven aan de hersenschors. Dergelijke feedback, in combinatie met cutane sensorische informatie van mechanoreceptoren van de huid, geeft ons een gevoel van proprioceptie van ledematen dat uiteindelijk high-fidelity ledemaatcontrole mogelijk maakt, zelfs als er geen visuele feedback is.

De standaard operatieve benadering van amputatie van de onderste ledematen op het niveau onder de knie (BKA) of boven de knie (AKA) doet echter veel van de dynamische relaties die kenmerkend zijn voor de niet-verwonde onderste extremiteit teniet. De initiële blootstelling wordt tot stand gebracht via een incisie volgens een traptredepatroon (BKA) of een fishmouthpatroon (AKA), gevolgd door een progressieve doorsnijding van spieren, vaten, zenuwen en botten ter hoogte van de incisie. Weefsels distaal van de plaats van structurele doorsnijding worden weggegooid, ongeacht of er al dan niet levensvatbare segmenten zijn, en de proximale restspieren worden in lagen over het distale doorgesneden bot gelegd om dit blootgestelde botoppervlak te isoleren. De omringende huid wordt vervolgens over de bot-/spierinfrastructuur voortbewogen om een ​​definitieve sluiting te bereiken. De rudimentaire benadering van weefsels in het distale ledemaat bij deze benaderingen resulteert in een ongeorganiseerde littekenmassa waarin normale dynamische spierrelaties worden vernietigd. De ontkoppeling van spierparen van de oorspronkelijke agonist/antagonist resulteert in isometrische contractie van restspiergroepen bij wilsactivering, wat leidt tot onvolledige, onevenwichtige neurale feedback naar de hersenen die resulteert in een afwijkende perceptie van de positie van de restledemaat. Dergelijke verstoorde feedback resulteert niet alleen in een verminderde ambulante functie met protheses, maar manifesteert zich ook als pathologische zintuiglijke waarneming van de extremiteit in de vorm van fantoomledemaat en fantoompijnsymptomatologie.

Tot op heden hebben zorgverleners en patiënten de beperkingen van deze benaderingen getolereerd vanwege het vrij simplistische doel van amputatie van de onderste ledematen: een stabiel, opgevuld oppervlak bieden voor het monteren van de prothese. Historisch gezien hebben prothesen van de onderste ledematen geamputeerden de mogelijkheid geboden om op zijn minst een zekere mate van ambulante functie te herstellen. Standaard prothesen voor de onderste ledematen bieden de drager momenteel de mogelijkheid om op een rudimentaire manier te lopen, maar ook om af en toe te rennen. Dergelijke apparaten zijn echter over het algemeen niet in staat geweest om de complexe biomechanica van de menselijke onderste ledematen samen te vatten vanwege beperkte bewegingsbereiken en gebrek aan feedbackcontrole. Deze beperkingen hebben geresulteerd in substantieel veranderde kinematica bij geamputeerden van de onderste ledematen, die gepaard gaan met stoornissen in de profielen van energieverbruik die verergeren met lateraliteit en stijgend niveau.

Er breekt echter een tijdperk aan waarin de mogelijkheden van moderne prothesen zich opmerkelijk uitbreiden. Technologische vooruitgang, waaronder steeds meer geminiaturiseerde elektronica, draadloze communicatie en steeds verfijndere positiesensoren, hebben prothetische ontwikkelaars in staat gesteld om bionische ledematen van de volgende generatie te creëren met aanzienlijk meer vrijheidsgraden ten opzichte van eerdere modellen. Het is aangetoond dat dergelijke prothesen het energieverbruik aanzienlijk verbeteren van geamputeerden die ze op de juiste manier gebruiken. Er worden momenteel nog geavanceerdere prothesen ontwikkeld die de mogelijkheid bieden om actieve intrinsieke ledemaatcontrole te bieden om complexe motorische handelingen zoals dansen en balanceren op één been mogelijk te maken. Daarnaast worden momenteel prototypes van prothesen ontwikkeld die het potentieel hebben om sensorische feedback te geven - zowel tactiel als positioneel - op een manier die nog nooit eerder is waargenomen. Hoewel dergelijke prothesen nog niet in de handel verkrijgbaar zijn, worden ze momenteel gebruikt in experimentele omgevingen.

Deze technologische vooruitgang op het gebied van de ontwikkeling van prothesen is echter niet geëvenaard door chirurgische vooruitgang met betrekking tot het beheer van het restledemaat. Klassieke technieken voor amputatie van de onderste ledematen bieden geen geïnnerveerde interfaces die kunnen dienen als relais voor complexe prothesecontrole; zonder dergelijke biologische actuatoren in het restledemaat om kanalen voor informatie-uitwisseling te bieden, zijn prothesen van de volgende generatie van weinig nut. Anders gezegd, de prothesen van de volgende generatie bevatten momenteel stuurprogramma's en sensoren die veel meer functionaliteit kunnen bieden dan ooit tevoren, maar standaardbenaderingen voor amputatie van ledematen bieden geen manier om deze prothesen effectief te koppelen aan hun beoogde begunstigden. Er is nu een evolutie nodig in de manier waarop amputaties van de onderste ledematen worden uitgevoerd - een die een biologische interface zal bieden waarmee geamputeerden van de onderste ledematen kunnen profiteren van de verbeterde mogelijkheden die worden geboden door de opmerkelijke prothesen die momenteel in ontwikkeling zijn.

Eerdere preklinische of klinische studies

Erkenning van de toegenomen behoefte aan effectieve neurale interfaces voor prothetische ledematen is gebleken uit een groeiend aantal inspanningen op dit gebied in de afgelopen tien jaar. Aanvankelijke pogingen om distale prothesen met hoge resolutie te besturen, waren voornamelijk gericht op directe en indirecte herseninterfaces, hetzij door plaatsing van respectievelijk elektro-encefalografische hoofdhuidsensoren of implanteerbare parenchymale elektroden. Dergelijke inspanningen werden echter geplaagd door een slechte resolutie, inconsistenties in signaalverwerving en progressieve reacties op vreemde lichamen die na verloop van tijd tot impulsdegradatie leidden.

Naarmate de beperkingen van herseninterfaces duidelijker zijn geworden, is de focus verschoven naar directe perifere zenuwinterfaces, inclusief tussengeplaatste zeven en manchetten die zijn ontworpen om elektrische signalen rechtstreeks van individuele zenuwbundels naar distale prothesen over te brengen. Dergelijke monitoren hebben echter weinig klinische belofte getoond vanwege progressieve zenuwcompressie secundair aan littekens, evenals significante neurologische overspraak en interferentie in biologische modellen.

Als zodanig bevinden de meest veelbelovende inspanningen met betrekking tot de ontwikkeling van perifere zenuwinterfaces zich nu op het gebied van biologische systemen. De twee leidende modellen op dit gebied zijn als volgt:

• Targeted Muscle Reinnervation (TMR): TMR is een techniek waarbij een reeks zenuwoverdrachten wordt gebruikt om specifieke doelspieren te reïnnerveren om extra prothetische controleplaatsen te creëren na amputatie van de proximale ledematen. Deze zenuwoverdrachten bieden intuïtieve controle over distale prothesen omdat de gereïnnerveerde spieren worden gecontroleerd door dezelfde zenuwen die ooit het geamputeerde ledemaat hebben geïnnerveerd. Signalen die door de resterende zenuwen worden gecreëerd, worden versterkt door de ontvangende spieren, die worden opgevangen door oppervlakte-elektroden en getransduceerd naar de distale prothese. TMR-procedures zijn tot nu toe bij meer dan 40 patiënten uitgevoerd. Beperkingen van deze techniek omvatten echter het eindige aantal beschikbare elektromyografische signaalplaatsen als gevolg van anatomische beperkingen en problemen met signaalgetrouwheid op lange termijn.
• Regeneratieve perifere zenuwinterfaces (RPNI): RPNI biedt een alternatieve versie van een geïnnerveerde biologische interface. Een RPNI is een chirurgische constructie die bestaat uit een niet-gevasculariseerd spiersegment dat is verbonden met een distaal motorisch of sensorisch zenuwuiteinde. In tegenstelling tot TMR wordt de RPNI-spier niet gerekruteerd uit een anderszins normaal geïnnerveerde proximale spier; in plaats daarvan is het geconstrueerd als een gratis transplantaat van orthotopisch donorweefsel. Het spiersegment wordt geleidelijk opnieuw geïnnerveerd door het omgeleide zenuwuiteinde, dat vervolgens wilsactivering van het spiersegment bevordert wanneer het wordt geactiveerd door het centrale zenuwstelsel. Net als bij TMR vindt intuïtieve controle plaats omdat de gereïnnerveerde spieren worden gecontroleerd door dezelfde zenuwen die ooit het geamputeerde ledemaat hebben geïnnerveerd. In tegenstelling tot TMR zijn er echter geen beperkingen op anatomische locaties en lijken er geen problemen te zijn met de signaalgetrouwheid op lange termijn.

Hoewel zowel TMR als RPNI's veelbelovend zijn gebleken in het bieden van verbeterde functionaliteit aan patiënten die al een amputatie hebben ondergaan, is geen van beide technieken opgenomen in een fundamenteel herontwerp van de manier waarop amputaties in de eerste plaats worden uitgevoerd; in alle gevallen van klinische implementatie van TMR of RPNI's die tot nu toe in de literatuur zijn gerapporteerd, zijn deze technieken gebruikt om de functionaliteit van patiënten die al ledemaatverlies hebben ervaren verder te optimaliseren.

Grondgedachte en mogelijke voordelen

Dit klinische protocol stelt een iteratie van het RPNI-model voor, met de bedoeling deze chirurgische constructies op te nemen in het ontwerp van amputaties van de onderste ledematen op het moment dat de ledematen worden opgeofferd. Gezien het succes van deze techniek tot nu toe, zijn de onderzoekers van mening dat de opname van geïnnerveerde spiersegmenten in het ontwerp van het restledemaat het potentieel heeft om geamputeerden van de onderste ledematen een biologische interface te bieden voor ongekende prothetische motorische controle die niet alleen een hoge resolutie heeft, maar ook zeer intuïtief en intuïtief is. in staat om de proprioceptie van de ledematen te herstellen. Bovendien wordt verwacht dat het toestaan ​​van geamputeerden om meer controle te hebben over geavanceerde prothesen, het potentieel kan bieden om de loopkinematica te normaliseren, waardoor veranderingen in het energieverbruik die eerder zijn gemeld, worden gecorrigeerd. Dergelijke maatregelen houden de belofte in om de functionele en algehele gezondheid van geamputeerden van de onderste ledematen te optimaliseren, waardoor de morbiditeit die momenteel wordt geassocieerd met de status van geamputeerden wordt verminderd.

Specifieke doelen

De hypothese van dit onderzoeksprotocol is dat we in staat zullen zijn om de manier waarop amputaties van de onderste ledematen worden uitgevoerd opnieuw te ontwerpen, zodat biologische actuatoren kunnen worden opgenomen die de succesvolle toepassing van de volgende generatie prothesen voor de onderste ledematen mogelijk maken. De specifieke doelstellingen van het project zijn als volgt:

1. Een gestandaardiseerde benadering definiëren voor de uitvoering van een nieuwe operatieve ingreep voor amputaties van zowel onder de knie (BKA) als boven de knie (AKA)
2. Om de mate van wilsmotorische activering en uitwijking te meten die haalbaar is in de restledemaatconstructies, en om de optimale configuratie en het ontwerp van dergelijke constructies te bepalen
3. Om de mate van proprioceptieve en andere sensorische feedback te beschrijven die kan worden bereikt door het gebruik van deze gemodificeerde chirurgische technieken
4. De functionele en somatosensorische superioriteit van de voorgestelde amputatietechniek valideren ten opzichte van standaardbenaderingen van BKA en AKA
5. Een aangepaste acute postoperatieve revalidatiestrategie ontwikkelen die geschikt is voor deze nieuwe chirurgische aanpak