下肢截肢远端残肢组织的躯体结构

历史背景

下肢截肢术是医学史上已知最古老的外科手术之一。 然而，尽管已经过去了两千年，但手术方法的变化相对较小。 目前，下肢截肢最常用于严重外周血管疾病引起的下肢损伤，其次是外伤、肿瘤、感染和先天性肢体缺陷。 据估计，仅在美国每年下肢截肢的频率就在 30,000-40,000 例之间。

下肢的正常功能是通过多个肌肉群协同作用实现的。 步行是一个非常协调的生物力学过程，它依赖于涉及中枢和周围神经系统以及肌肉骨骼系统的复杂反馈回路。 在其天然状态下，下肢肌肉存在于一个平衡的激动剂/拮抗剂环境中，其中一块肌肉的意志激活不仅导致其挛缩，而且导致其对侧肌肉的被动拉伸。 通过这些变化表现出来的肌肉张力的变化会刺激肌肉纤维内的特殊受体，这些受体将关节位置信息传递到大脑皮层。 这种反馈与来自皮肤机械感受器的皮肤感觉信息相结合，为我们提供了一种肢体本体感觉，即使在没有视觉反馈的情况下，最终也能实现高保真肢体控制。

然而，在膝下 (BKA) 或膝上 (AKA) 水平进行下肢截肢的标准手术方法消除了未受伤下肢的许多动态关系特征。 初始暴露是通过阶梯式 (BKA) 或鱼嘴 (AKA) 模式切口完成的，然后在切口水平逐渐横切肌肉、血管、神经和骨骼。 结构横断部位远端的组织被丢弃，无论是否可能有活的节段，并且近端残余肌肉分层覆盖在远端横断骨上，以便为该暴露的骨表面提供绝缘。 然后将周围的皮肤推进到骨骼/肌肉基础结构上，以实现最终闭合。 在这些入路中，远端肢体中组织的初步近似导致了组织混乱的疤痕肿块，其中正常的动态肌肉关系被破坏。 天然激动剂/拮抗剂肌肉配对的解偶联导致残余肌肉群在意志激活时等长收缩，对大脑产生不完整、不平衡的神经反馈，导致对残余肢体位置的异常感知。 这种受干扰的反馈不仅会导致假肢行走功能受损，还会表现为肢体的病理性感觉知觉，表现为幻肢和幻痛症状。

迄今为止，由于下肢截肢的目标相当简单：为假肢安装提供稳定的软垫表面，因此提供者和患者已经容忍了这些方法的局限性。 从历史上看，下肢假肢为截肢者提供了至少恢复部分行走功能的机会。 目前标准的下肢假肢可以让佩戴者以基本的方式行走，偶尔也可以跑步。 然而，由于运动范围有限和缺乏反馈控制，此类设备通常无法概括人类下肢的复杂生物力学。 这些局限性导致下肢截肢者的运动学发生显着改变，这与能量消耗曲线的紊乱有关，这种紊乱随着偏侧性和上升水平而恶化。

然而，一个时代正在来临，现代假肢的功能正在显着扩大。 包括日益微型化的电子设备、无线通信和不断改进的位置传感器在内的技术进步使假肢开发人员能够创造出下一代仿生肢体，其自由度明显高于先前的模型。 这种假肢已被证明可以显着改善适当使用它们的截肢者的能量消耗。 目前正在开发更先进的假肢，这些假肢具有提供主动内在肢体控制的能力，以促进复杂的运动动作，例如单腿跳舞和平衡。 此外，目前正在开发的原型假肢有可能以前所未有的方式提供感官反馈——包括触觉和位置反馈。 这种假肢虽然尚未商业化，但目前正在实验环境中使用。

然而，假肢开发领域的这些技术进步并没有与残肢管理方面的外科进步相匹配。 下肢截肢术的经典技术不提供可作为复杂假肢控制继电器的神经支配接口；如果残肢中没有这种生物致动器来提供信息交换的渠道，下一代假肢就没什么用了。 换句话说，下一代假肢目前包含驱动器和传感器，能够提供比以往任何时候都多得多的增强功能，但肢体截肢的标准方法并没有提供一种有效地将这些假肢与其预期受益人联系起来的方法。 现在需要对下肢截肢的方式进行改进——这种方式将提供一个生物界面，使下肢截肢者能够利用目前正在开发的非凡假肢所提供的增强功能。

以前的临床前或临床研究

在过去十年中，这一领域的努力不断增加，证明了对假肢有效神经接口需求增加的认识。 为远端假体提供高分辨率控制的最初努力主要集中在直接和间接大脑接口上，分别通过放置脑电图头皮传感器或植入式实质电极。 然而，这些努力一直受到分辨率低下、信号采集不一致以及导致脉冲随时间衰减的渐进异物反应的困扰。

随着大脑接口的局限性变得越来越明显，焦点已经转移到直接周围神经接口，包括旨在将电信号直接从单个神经束传递到远端假体的插入筛和袖带。 然而，由于瘢痕形成继发的进行性神经压迫，以及生物模型中显着的神经串扰和干扰，此类监测器几乎没有临床前景。

因此，关于周围神经接口开发的最有前途的努力现在在生物系统领域内。 该领域的两个领先模型如下：

• 靶向肌肉神经再支配 (TMR)：TMR 是一种利用一系列神经转移对特定目标肌肉进行神经再支配以在近端肢体截肢后创建额外的假肢控制部位的技术。 这些神经转移提供了对远端假肢的直观控制，因为重新支配的肌肉由曾经支配截肢肢体的相同神经控制。 残余神经产生的信号由受体肌肉放大，由表面电极捕获并转导至远端假体。 迄今为止，已对 40 多名患者进行了 TMR 手术。 然而，这种技术的局限性包括由于解剖限制和长期信号保真度问题而导致的可用肌电信号位点数量有限。
• 再生周围神经接口 (RPNI)：RPNI 提供了神经支配生物接口的替代版本。 RPNI 是一种外科手术构造，由与远端运动或感觉神经末梢接合的非血管化肌肉段组成。 与 TMR 不同，RPNI 肌肉不是从正常受神经支配的近端肌肉募集的；相反，它是从原位来源的供体组织中构建的游离移植物。 肌肉段逐渐被重定向的神经末梢重新支配，然后在中枢神经系统触发时促进肌肉段的意志激活。 与 TMR 一样，直觉控制的发生是因为重新支配的肌肉由曾经支配截肢的相同神经控制。 然而，与 TMR 不同的是，它对解剖部位没有限制，而且长期信号保真度似乎没有问题。

虽然 TMR 和 RPNI 都显示出为已经接受过截肢的患者提供改进功能的希望，但这两种技术都没有被纳入对截肢方式的根本重新设计中；在文献中迄今为止报道的所有 TMR 或 RPNI 临床实施案例中，这些技术已被用于进一步优化已经经历过肢体丧失的患者的功能。

基本原理和潜在好处

该临床方案提出了 RPNI 模型的迭代，目的是在肢体牺牲时将这些手术结构纳入下肢截肢设计。 鉴于这项技术迄今为止的成功，研究人员认为，将受神经支配的肌肉片段纳入残肢设计有可能为下肢截肢者提供一个生物界面，以实现前所未有的假肢运动控制，不仅分辨率高，而且非常直观和能够恢复肢体本体感觉。 此外，预计允许截肢者更好地控制先进的假肢可能会提供使步态运动学正常化的潜力，从而纠正先前报告的能量消耗的变化。 这些措施有望优化下肢截肢者的功能和整体健康，从而降低目前与截肢者状况相关的发病率。

具体目标

该研究方案的假设是，我们将能够重新设计下肢截肢术的执行方式，以便包括能够成功使用下一代下肢假肢的生物致动器。 该项目的具体目标如下：

1. 为膝下 (BKA) 和膝上 (AKA) 截肢术的新型手术程序定义标准化方法
2. 测量残肢结构中可实现的意志运动激活和偏移程度，并确定此类结构的最佳配置和设计
3. 描述通过采用这些改进的手术技术可实现的本体感受和其他感觉反馈的程度
4. 验证所提出的截肢技术相对于 BKA 和 AKA 标准方法的功能和体感优势
5. 制定适合这种新手术方法的改良急性术后康复策略