Соматотопическая конфигурация дистальных отделов остаточных тканей конечностей при ампутациях нижних конечностей

Историческая справка

Ампутация нижних конечностей является одной из старейших известных хирургических операций в истории медицины. Однако, несмотря на то, что прошло более двух тысячелетий, оперативный подход относительно мало изменился. В настоящее время ампутация нижних конечностей чаще всего показана при компрометации нижних конечностей из-за тяжелого заболевания периферических сосудов, за которыми следуют травмы, опухоли, инфекции и врожденные дефекты конечностей. Оценки частоты ампутаций нижних конечностей колеблются от 30 000 до 40 000 случаев в год только в Соединенных Штатах.

Нормальная функция нижней конечности обеспечивается за счет взаимодействия нескольких групп мышц, действующих согласованно. Ходьба — это замечательно организованный биомеханический процесс, который зависит от сложной петли обратной связи, включающей центральную и периферическую нервную систему, а также опорно-двигательный аппарат. В нативном состоянии мышцы нижней конечности находятся в сбалансированной среде агонист/антагонист, в которой волевая активация одной мышцы приводит не только к ее контрактуре, но и к пассивному растяжению противоположной. Изменения мышечного напряжения, проявляющиеся в этих изменениях, приводят к стимуляции специализированных рецепторов в мышечных волокнах, которые передают информацию о положении суставов в кору головного мозга. Такая обратная связь в сочетании с кожной сенсорной информацией от кожных механорецепторов дает нам чувство проприоцепции конечностей, которое в конечном итоге позволяет с высокой точностью управлять конечностями даже при отсутствии визуальной обратной связи.

Однако стандартный оперативный подход к ампутации нижней конечности на уровне ниже колена (BKA) или выше колена (AKA) стирает многие из динамических отношений, характерных для неповрежденной нижней конечности. Первоначальное обнажение осуществляется через разрез по схеме «ступенька» (BKA) или «рыбий рот» (AKA) с последующим последовательным рассечением мышц, сосудов, нервов и кости на уровне разреза. Ткани, расположенные дистальнее места структурного рассечения, отбрасываются, независимо от того, могут ли там быть жизнеспособные сегменты, а проксимальные остаточные мышцы наслаиваются на дистальную рассеченную кость, чтобы обеспечить изоляцию этой обнаженной костной поверхности. Окружающая кожа затем продвигается по костно-мышечной инфраструктуре, чтобы добиться окончательного закрытия. Элементарное сближение тканей дистального отдела конечности при этих доступах приводит к неорганизованной рубцовой массе, в которой нарушены нормальные динамические взаимоотношения мышц. Разъединение нативных пар мышц-агонистов/антагонистов приводит к изометрическому сокращению остаточных групп мышц при произвольной активации, вызывая неполную, несбалансированную нейронную обратную связь с мозгом, что приводит к аберрантному восприятию положения остаточной конечности. Такое нарушение обратной связи приводит не только к нарушению двигательной функции при протезировании, но и проявляется патологическим сенсорным восприятием конечности в виде фантомной конечности и фантомно-болевой симптоматики.

На сегодняшний день медицинские работники и пациенты мирятся с ограничениями этих подходов из-за довольно упрощенной цели ампутации нижних конечностей: обеспечить стабильную, мягкую поверхность для установки протеза. Исторически сложилось так, что протезы нижних конечностей давали людям с ампутированными конечностями возможность хотя бы в какой-то степени восстановить способность к передвижению. Стандартные протезы нижних конечностей в настоящее время позволяют владельцу элементарно ходить, а иногда и бегать. Однако такие устройства, как правило, не могут воспроизвести сложную биомеханику нижней конечности человека из-за ограниченного диапазона движений и отсутствия контроля с обратной связью. Эти ограничения привели к существенному изменению кинематики у пациентов с ампутацией нижних конечностей, что связано с нарушениями профилей расхода энергии, которые ухудшаются с латеральностью и восходящим уровнем.

Однако наступает эпоха, когда возможности современных протезов значительно расширяются. Технологические достижения, включая все более миниатюрную электронику, беспроводную связь и все более совершенные датчики положения, позволили разработчикам протезов создавать бионические конечности следующего поколения с заметно более широкими степенями свободы по сравнению с предыдущими моделями. Было продемонстрировано, что такие протезы заметно улучшают расход энергии у людей с ампутированными конечностями, которые используют их надлежащим образом. В настоящее время разрабатываются еще более совершенные протезы, которые включают в себя способность обеспечивать активный внутренний контроль конечности для облегчения сложных двигательных действий, таких как танец и балансирование на одной ноге. Кроме того, в настоящее время разрабатываются прототипы протезов, которые потенциально могут обеспечить сенсорную обратную связь — как тактильную, так и позиционную — способом, который никогда ранее не наблюдался. Такие протезы, хотя еще не доступны в продаже, в настоящее время используются в экспериментальных условиях.

Однако эти технологические достижения в области разработки протезов не соответствовали хирургическим достижениям в области лечения культи. Классические методы ампутации нижних конечностей не обеспечивают интерфейсов с иннервацией, которые могут служить реле для сложного управления протезом; без таких биологических приводов в культе, обеспечивающих каналы для обмена информацией, протезы следующего поколения малопригодны. Другими словами, протезы следующего поколения в настоящее время включают в себя драйверы и датчики, способные обеспечить гораздо более расширенную функциональность, чем когда-либо прежде, но стандартные подходы к ампутации конечностей не позволяют эффективно связать эти протезы с их предполагаемыми бенефициарами. В настоящее время требуется эволюция способа выполнения ампутаций нижних конечностей, которая обеспечит биологический интерфейс, который позволит людям с ампутированными нижними конечностями воспользоваться расширенными возможностями, предлагаемыми замечательными протезами, которые в настоящее время разрабатываются.

Предыдущие доклинические или клинические исследования

Признание возросшей потребности в эффективных нейронных интерфейсах для протезов конечностей подтверждается растущим числом усилий в этой области за последнее десятилетие. Первоначальные усилия по обеспечению контроля дистальных протезов с высоким разрешением были сосредоточены в первую очередь на прямом и непрямом интерфейсах мозга, либо путем размещения электроэнцефалографических датчиков скальпа, либо имплантируемых паренхиматозных электродов соответственно. Тем не менее, такие попытки были омрачены плохим разрешением, непостоянством в получении сигнала и прогрессирующей реакцией на инородное тело, что со временем приводило к ухудшению импульса.

Поскольку ограничения мозговых интерфейсов стали более очевидными, акцент сместился на прямые интерфейсы периферических нервов, включая промежуточные сита и манжеты, предназначенные для передачи электрических сигналов непосредственно от отдельных нервных пучков к дистальным протезам. Такие мониторы, однако, показали мало клинических перспектив из-за прогрессирующей компрессии нерва, вторичной по отношению к рубцеванию, а также значительных неврологических перекрестных помех и помех в биологических моделях.

Таким образом, наиболее многообещающие усилия по разработке интерфейсов периферических нервов в настоящее время находятся в сфере биологических систем. Две ведущие модели в этой сфере таковы:

• Целенаправленная реиннервация мышц (TMR): TMR представляет собой метод, при котором используется серия переносов нервов для реиннервации определенных целевых мышц для создания дополнительных участков управления протезами после ампутации проксимальных отделов конечностей. Эти пересадки нервов обеспечивают интуитивное управление дистальными протезами, поскольку реиннервированные мышцы контролируются теми же нервами, которые когда-то иннервировали ампутированную конечность. Сигналы, создаваемые остаточными нервами, усиливаются мышцами-реципиентами, которые улавливаются поверхностными электродами и передаются на дистальный протез. На сегодняшний день процедуры TMR были выполнены более чем у 40 пациентов. Однако ограничения этого метода включают конечное число доступных участков электромиографического сигнала из-за анатомических ограничений и проблем с долгосрочной точностью сигнала.
• Интерфейсы регенеративного периферического нерва (RPNI): RPNI предлагает альтернативную версию иннервируемого биологического интерфейса. RPNI представляет собой хирургическую конструкцию, состоящую из неваскуляризированного сегмента мышцы, который прикрепляется к дистальному двигательному или сенсорному нервному окончанию. В отличие от TMR, мышца RPNI не рекрутируется из нормально иннервируемой проксимальной мышцы; вместо этого он строится как свободный трансплантат из ортотопически полученной донорской ткани. Мышечный сегмент постепенно реиннервируется перенаправленным нервным окончанием, что затем способствует произвольной активации мышечного сегмента при срабатывании центральной нервной системы. Как и в ПМР, интуитивный контроль происходит потому, что реиннервированные мышцы контролируются теми же нервами, которые когда-то иннервировали ампутированную конечность. Однако, в отличие от TMR, здесь нет ограничений по анатомическим участкам и не возникает проблем с долговременной точностью сигнала.

Хотя и TMR, и RPNI продемонстрировали многообещающие возможности улучшения функциональности пациентов, которые уже перенесли ампутацию, ни одна из этих методик не была включена в фундаментальный пересмотр способа выполнения ампутации в первую очередь; во всех случаях клинического применения TMR или RPNI, о которых сообщалось в литературе, эти методы использовались для дальнейшей оптимизации функциональности пациентов, которые уже испытали потерю конечности.

Обоснование и потенциальные преимущества

Этот клинический протокол предлагает итерацию модели RPNI с целью включения этих хирургических конструкций в дизайн ампутаций нижних конечностей во время жертвоприношения конечности. Учитывая успех этой методики на сегодняшний день, исследователи полагают, что включение иннервируемых мышечных сегментов в конструкцию остаточной конечности может предоставить людям с ампутированными нижними конечностями биологический интерфейс для беспрецедентного протезного моторного контроля, который не только обеспечивает высокое разрешение, но и очень интуитивен и интуитивно понятен. способны восстанавливать проприоцепцию конечностей. Кроме того, ожидается, что предоставление людям с ампутированными конечностями большего контроля над современными протезами может дать возможность нормализовать кинематику походки, тем самым скорректировав изменения в расходе энергии, о которых сообщалось ранее. Такие меры обещают оптимизировать функциональное состояние и общее состояние здоровья людей с ампутированными конечностями, тем самым снижая заболеваемость, в настоящее время связанную со статусом ампутированного.

Конкретные цели

Гипотеза этого исследовательского протокола заключается в том, что мы сможем изменить способ выполнения ампутаций нижних конечностей, чтобы включить биологические приводы, которые позволят успешно использовать протезы нижних конечностей следующего поколения. Конкретные цели проекта заключаются в следующем:

1. Определить стандартизированный подход к выполнению новой оперативной процедуры для ампутаций как ниже колена (BKA), так и выше колена (AKA).
2. Измерить степень произвольной двигательной активации и экскурсий, достижимых в конструкциях культи, и определить оптимальную конфигурацию и конструкцию таких конструкций.
3. Описать степень проприоцептивной и другой сенсорной обратной связи, достижимой с помощью этих модифицированных хирургических методов.
4. Подтвердить функциональное и соматосенсорное превосходство предложенной техники ампутации над стандартными подходами к БКА и АКА.
5. Разработать модифицированную стратегию острой послеоперационной реабилитации, подходящую для этого нового хирургического подхода.