Новый подход к ампутации верхних конечностей для усиления волевого контроля и восстановления проприоцепции

Ампутация верхних конечностей является одной из старейших известных хирургических процедур в истории медицины, и многие из ее технических принципов были впервые разъяснены Гиппократом. Несмотря на то, что прошло более двух тысячелетий, относительно мало что изменилось в оперативном подходе к жертвоприношению верхней конечности. По оценкам, 58 000 пациентов в Соединенных Штатах в настоящее время страдают от потери верхних конечностей на уровне выше локтя (AEA) или ниже локтя (BEA), и ожидается, что к 2050 году распространенность ампутации верхних конечностей возрастет примерно до 95 000 пациентов.

Нормальная функция верхней конечности обеспечивается за счет динамического взаимодействия нескольких групп мышц, действующих согласованно. Ловкость рук — 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 верхней конечности находятся в уравновешенной ситуации агонист/антагонист, при которой волевая активация одной мышцы приводит не только к ее контрактуре, но и к пассивному растяжению противоположной. Изменения мышечного напряжения, проявляющиеся в результате этого взаимодействия единиц агониста и антагониста, приводят к стимуляции специализированных рецепторов внутри мышечных волокон (например, волокон мышечного веретена и сухожильных органов Гольджи), которые передают информацию о положении сустава 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.

К сожалению, стандартный оперативный подход к ампутации верхней конечности на уровне AEA или BEA стирает многие из динамических отношений, характерных для неповрежденной верхней конечности. Первоначальное хирургическое вмешательство обычно осуществляется через разрез в виде рыбьего рта 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 надвигается на костно-мышечную конструкцию для окончательного закрытия. Элементарное сближение диссонирующих тканей в дистальных отделах конечности при этом подходе 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. Такая нарушенная обратная связь не только приводит к нарушению функции конечности с протезами, но и проявляется патологическим сенсорным восприятием конечности в виде фантомных конечностей и фантомно-болевых симптомов.

До настоящего времени ограничения этих подходов допускались из-за довольно упрощенной цели ампутации верхней конечности: обеспечить стабильную, мягкую поверхность для установки протеза. Исторически сложилось так, что протезы верхних конечностей давали людям с ампутированными конечностями возможность хотя бы частично восстановить функцию верхних конечностей. Однако такие устройства, как правило, не могут воспроизвести сложную биомеханику верхней конечности человека из-за ограниченного диапазона движений и отсутствия контроля с обратной связью. Эти ограничения привели к сообщениям о частоте отторжения протезов верхних конечностей в диапазоне от 23% до 45%, включая как устройства с питанием от тела, так и миоэлектрические устройства.

Однако возможности современных протезов сейчас заметно расширяются. Технологические достижения, в том числе все более миниатюрная электроника, беспроводная связь и постоянно совершенствуемые датчики положения, позволили разработчикам протезов создавать бионические конечности следующего поколения со значительно более широкими степенями свободы по сравнению с предыдущими моделями. В настоящее время разрабатываются еще более совершенные протезы, которые могут обеспечить сенсорную обратную связь — как тактильную, так и позиционную — невиданным ранее способом. Такие протезы, хотя они еще не доступны в продаже, в настоящее время изучаются в экспериментальных условиях. Например, Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) недавно опубликовало запрос предложений в рамках программы Hand, Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX), включающей протез верхней конечности с шестью степенями свободы на запястье, большом пальце и всех пальцах10. датчики давления, способные обеспечивать сенсорную обратную связь, и датчики угла и скорости суставов, способные предоставлять данные о положении суставов.

Несмотря на эти технологические достижения в разработке протезов, хирургические методы лечения культи не поспевают за этими расширенными возможностями протезов. Классические техники ампутации верхних конечностей не предусматривают интерфейсов с иннервацией, которые могут служить реле для сложного управления протезом; без таких биологических приводов в культе, обеспечивающих афферентные и эфферентные каналы для обмена информацией, протезы следующего поколения малопригодны. Другими словами, протезы следующего поколения в настоящее время включают 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 ампутации верхних конечностей, который обеспечит биологический интерфейс, который позволит людям с ампутированными конечностями воспользоваться расширенными возможностями, предлагаемыми замечательными протезами, которые в настоящее время разрабатываются.

Признание возросшей потребности в эффективных нейронных интерфейсах для протезов конечностей можно увидеть в увеличении количества усилий в этой сфере за последнее десятилетие. Первоначальные усилия по обеспечению управления дистальными протезами с высоким разрешением были сосредоточены в основном на непрямых и прямых 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, в случае имплантируемых устройств, прогрессирующей реакцией на инородное тело, приводящей к ухудшению импульса с течением времени.

По мере того как ограничения мозговых интерфейсов становились все более очевидными, внимание сместилось на периферические локусы контроля. Усилия в этом направлении включали 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 нервов, вторичной по отношению к рубцеванию, а также из-за значительных неврологических перекрестных помех и помех в биологических моделях.

Наиболее многообещающие усилия в отношении разработки интерфейсов периферических нервов в настоящее время относятся к области биологических систем. Эти модели состоят из конфигураций, в которых нативные ткани иннервируются дистальными нервными окончаниями для создания биологических приводов для дистального управления протезом и обратной связи. Две ведущие модели в этой сфере таковы:

• Целенаправленная реиннервация мышц (TMR). Впервые разработанная Dumanian, Kuiken et al., TMR представляет собой метод, при котором используется серия переносов нервов для реиннервации определенных мышц-мишеней для создания дополнительных участков контроля протеза после ампутации дистального отдела конечности.
• Интерфейсы регенеративного периферического нерва (RPNI): Поддерживаемый Cederna et al, 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.

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.

Клинический протокол предлагает заново изобрести способ выполнения ампутаций верхних конечностей, основываясь на нескольких принципах, установленных в работе, уже выполненной в области TMR и RPNI. Как подробно описано ниже, основная инновация заключается в использовании тканей дистальных отделов конечностей, которые обычно приносятся в жертву в ходе стандартных ампутаций нижних конечностей, чтобы обеспечить субстрат для изначально иннервируемых пар мышц-агонистов/антагонистов, способных не только к интуитивной, произвольной двигательной активации, но и также проприоцептивная обратная связь. Концептуально эта идея состоит в физическом соединении биологически противоположных мышц (например, бицепсов и трицепсов) таким образом, что при неврологически вызванном сокращении одной мышцы также достигается одновременное растяжение ее партнера, что приводит к наблюдаемому движению диады и стимуляции. стандартных проприоцептивных путей. Исследователи назвали эту конструкцию мионевральным интерфейсом агонист-антагонист (AMI).

Способ, которым эта динамическая концепция мышц-агонистов/антагонистов может быть реализована клинически, зависит от того, присутствуют ли интактные, иннервированные и васкуляризированные нативные мышцы во время оперативного вмешательства. За последние пять лет исследовательская группа разработала экспериментальные модели для различных клинических сценариев посредством серии доклинических исследований на популяциях мышей и коз.

Если здоровая нативная мышца доступна в качестве реконструктивного субстрата, коаптация дистальных концов удаленных пар агонист/антагонист может быть включена в конструкцию культи; в сочетании с нативным синовиальным каналом в качестве скользящего интерфейса можно создать систему, подобную шкиву, для обеспечения динамической мышечной конструкции. Конструирование AMI на крысиной модели продемонстрировало сохранение мышечной массы конструкции, жизнеспособность с течением времени и выработку градуированных афферентных сигналов в ответ на линейное и удерживающее растяжение аналогично естественной мышечной архитектуре. Кроме того, выполнение ампутации на транстибиальном уровне с включением конструкции AMI в модель козла продемонстрировало четкое сопряженное движение пары агонист-антагонист в присутствии как естественных нервных команд, так и искусственной мышечной стимуляции.

Основываясь на этих доказательствах концептуальных исследований на животных, исследователи выдвигают гипотезу о том, что AMI предлагает потенциал для обеспечения биологического реле для волевого контроля, который превосходит другие стратегии нейроинтерфейса, с дополнительным преимуществом, заключающимся в способности восстанавливать проприоцепцию конечностей. Таким образом, в сочетании с соответствующим образом адаптированным протезом следующего поколения, AMI может обеспечить первый биологический механизм для достижения истинной замкнутой нейронной интерактивности с механической конечностью.

Исследователи здесь предлагают трехлетнюю проспективную контролируемую оценку функциональных и соматосенсорных преимуществ модифицированной модели ампутации в сценарии верхней конечности. Исследователи считают, что эта модель может предоставить людям с ампутированными конечностями биологический интерфейс, который предлагает не только беспрецедентный двигательный контроль протезов с высоким разрешением, но также обладает высокой интуитивностью и способен восстанавливать проприоцепцию конечностей. В случае проявления эти расширенные возможности могут привести к улучшению функциональности и общему состоянию здоровья, включая более устойчивое возвращение к рабочему статусу и снижение психологического напряжения.