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標的を定めた神経再支配により、切断患者は電動義肢を操作し、感覚フィードバックを取り戻すことができる。この方法は、ノースウェスタン大学とシカゴリハビリテーション研究所のトッド・クイケン博士と、ノースウェスタン大学形成外科のグレゴリー・デュマニアン博士によって開発された。[1]
概要
標的再神経支配には、遠心性および求心性の要素があります。標的筋肉再神経支配は、切断患者の予備筋肉（標的筋肉）の神経支配を除去し（元の神経を切断および/または不活性化）、切断された手足の残存神経で再神経支配する方法です。[1]標的筋肉の結果として得られるEMG信号は、失われた手足への運動コマンドを表し、電動義肢を駆動するために使用されます。[1]
標的感覚再神経支配法は、標的筋肉の近くまたは上の皮膚の神経を除去し、その後、残存する手の神経の求心性線維で再神経支配する方法である。[2]したがって、この皮膚片に触れると、切断患者は失われた腕または手が触れられているという感覚を得られる。[2]
モチベーション
電動神経義肢の高度な制御を実現しようとする方法はいくつか存在する。慢性脳インプラントは運動皮質からの神経信号を記録し、 EEGやfMRIなどの方法は非侵襲的に運動コマンドを取得する。[3] [4]記録された信号は電気信号にデコードされ、補助装置または電動義肢に入力される。[3]従来の筋電義肢は、切断された手足の残骸からの表面EMG信号を利用する。[5]たとえば、患者は肩の筋肉を曲げてEMG信号を発生させ、その信号を使用して義肢に「肘を曲げる」コマンドを送信することができる。 しかし、これらの方法にはすべて欠点がある。慢性インプラントは、異物に対する組織の免疫反応により神経信号が劣化するため、一定期間で機能しなくなる。[3] EEGとfMRIでは、直接電極インプラントほど強い信号が得られない。[4]従来の筋電義肢は複数の制御信号を同時に提供することができないため、一度に1つの動作しか実行できません。[5]また、ユーザーは下腕の機能（手の開閉など）を制御するために、通常は下腕の機能に関係しない筋肉（肩など）を使用する必要があるため、使用方法が不自然です。[5]これらの問題の解決策には、まったく異なる神経インターフェースの概念が含まれる可能性があります。
利点
標的再神経支配にはインプラントは不要です。したがって、慢性脳インプラント技術のような組織異物反応の問題はありません。標的筋肉は、移植された残存神経によって生成される神経信号の自然な増幅器として機能します。これは、より弱い信号を使用する EEG や fMRI などの技術よりも優れています。標的再神経支配では、複数の独立した EMG 信号を生成できるため、義肢の複数の機能を同時に制御できます。[ 1]たとえば、患者は、肘と手を同時に制御しながら、比較的優雅にボールを投げるなどの動作を実行できます。[6]また、EMG 信号は、通常は腕や手首の機能に関与しない筋肉によって生成されなければならない従来の筋電義肢とは異なり、移植された残存肢神経によって生成されるため、患者にとって制御は直感的です。[1]また、電動手首、肘など、既存の市販の筋電義肢を使用できます。[1]標的再神経支配のために特別な義肢を開発する必要はありません。神経移植により、標的再神経支配は感覚フィードバックも提供できるが、これは前述の他の形態の義肢では達成できなかった。[1]
方法
標的筋肉の再神経支配
標的筋肉の再神経支配の目的は、複数の神経を標的筋肉の別々の領域に移植し、筋肉領域から複数の独立した信号を記録し、EMG信号を使用して、複数の制御信号を処理できるほど高度な電動義肢を制御することです。[1]
手術手順
筋肉領域に複数の神経を移植する必要がある理由は、過剰な量の運動ニューロンを筋肉に移植する過剰神経再支配によって筋線維の再支配が増加し、麻痺した筋肉の回復が改善されるという仮説から生まれました。[1]この仮説はラットの骨格筋でテストされ、その結果、過剰神経再支配を受けた筋肉はより多くの筋肉量と筋力を回復し、より多くの運動単位が形成されたことが示されました。[7]
最初の手術患者は両肩関節離断切断者であった。[6]両腕は肩甲骨のみを残して完全に切断された。胸筋は肩に近く、切断された腕から分離しているため生物学的に機能しないため、ターゲットとして選択された。[6]胸筋は、最初に胸筋を支配する元の神経を切断することによって神経除去された。[6]元の神経の近位端は、胸筋への再神経支配を防ぐため結紮された。[6]次に、残存腕神経（腕神経叢）が胸筋に移植された。[6]筋皮神経は大胸筋の鎖骨頭に移植され、正中神経は大胸筋の上部胸骨に移植され、橈骨神経は大胸筋の下部胸骨頭に移植された。[1]小胸筋は大胸筋の下から胸壁の外側に移され、その EMG 信号が大胸筋の信号に干渉しないようにし、また 4 番目の筋肉ターゲットにもなりました。[6]次に尺骨神経を移動した小胸筋に移しました。[6]筋皮神経、正中神経、橈骨神経、尺骨神経 (腕神経叢) を元の胸筋神経束の遠位端と筋肉自体に縫い付けました。 [6]最適な EMG 信号を得るために電極をできるだけ筋肉に近づけるために、胸筋上の皮下脂肪を除去しました。[ 1]
術後トレーニング
手術の約3か月後、患者は幻肢を曲げようとしたときに胸筋に最初のけいれんが起こりました。[1]手術の5か月後、患者はさまざまな動きを試みることにより、大胸筋の4つの領域を収縮させることができました。[1]たとえば、患者が肘を曲げようとしたとき、鎖骨の下の筋肉領域が強く収縮しました。[1]筋皮神経は上腕二頭筋を支配しているため、これは筋皮神経移行が成功したことを示していました。[1]その後すぐに、患者はトレーニングセッションとテストセッションを受けました。トレーニングセッション中、患者は直立姿勢で座り、27の正常な動作（肩の内転/外転、手の開閉、肘の屈曲/伸展など）をそれぞれビデオで見せられました。[8]各デモンストレーションの後、患者は中程度の力を加えて2.5秒間保持し、10回その動作を真似しました。[8]患者は各試行の後に5秒間の休憩を与えられた。[8]テストセッション中、患者は27の動作をランダムな順序で5セット実行した。[8]最初に動作のビデオを見せられ、次に2秒後に同じ動作の繰り返しビデオを同時に追うように求められた。[8]
EMGの記録と処理
患者がトレーニングやテストセッション中に動作を試みている間に、 BioSemi Active IIシステム（オランダ、アムステルダムのBioSemi社製）と127チャンネル電極アレイを使用して単極EMG信号を記録しました。[8]胸筋のEMGを記録するために115個の電極が使用され、三角筋、広背筋、棘上筋、上部僧帽筋、中部僧帽筋、下部僧帽筋のそれぞれから2個の電極が記録に使用されました。[8]電極は互いに15mmの距離を置いて配置されました。[8]体の動きによって生じるアーティファクトを除去するために、EMG信号は5 Hzに設定された5次バターワースハイパスフィルタで事前にフィルタリングされました。[8]
EMG信号の主な汚染物質はECGアーティファクトでした。[9] ECGノイズを除去するために、筋肉が弛緩しているときに記録されたECG複合体を平均化することによってECGテンプレートが作成されました。[9]各ECG複合体間の時間を使用して、代表的なスパイク間隔を計算しました。[9] ECGスパイクの検出は、EMGとECGテンプレートの相関関係から計算されました。[9]しきい値を超える信号が可能性のあるECGスパイクとしてマークされるようにしきい値が設定されました。[9]次に、可能性のあるスパイクのスパイク間隔を以前に計算された代表的なスパイク間隔と比較し、可能性のあるスパイクをECGアーティファクトとして受け入れるかどうかを判断しました。[9]
EMG信号を処理するもう一つの重要なタスクは、他の筋肉からのクロストークを除去することです。 [10]まず、最も強いEMG、つまり最も少ないクロストークが得られるように、電極の位置と電極間の距離を経験的に決定します。 [ 10]バックグラウンドノイズや他の筋肉からのクロストークよりも高いしきい値を設定することも、クロストークの除去に役立ちます。[10]筋肉のサイズが小さく、皮下脂肪が多いと、クロストークが生じやすくなります。[ 10]皮下脂肪が3mm未満の最小レベルでは、直径2～3cmの領域でのクロストークは最小限になると予想されます。[10]
補綴部品
手術後、患者の右側には手術前の身体動力義肢が装着され、左側にはグリファー端末装置、電動手首回転装置、ボストンデジタルアーム、LTI-コリアー肩関節からなる実験的な筋電義肢が装着された。[1]成功した神経移行から、筋皮神経、正中神経、橈骨神経の3つの最も強いEMG信号が選択された。[6]正中神経によって再支配された筋肉の収縮から生じるEMGは、手を閉じる動きを制御するために使用され、筋皮神経からのEMGは肘の曲げを制御するために使用され、橈骨神経からのEMGは手首の回転と屈曲を制御するために使用された。[6]
これら 2 つの義肢の性能は、ボックス アンド ブロック テストと比較されました。このテストでは、患者は 2 分間、1 インチの立方体を短い壁を越えて 1 つのボックスから別のボックスへ移動させました。[6]結果は、移動したブロックの総数によって定量化されました。[6]端末デバイス (「手」)、肘、手首の回転装置をテストするために、患者は洗濯ばさみテストを受けました。このテストでは、患者は水平バーから洗濯ばさみを拾い、回転させてから、より高い垂直バーに置くように求められました。[6] 3 つの洗濯ばさみを動かすのにかかった時間を記録しました。両方のテストを 3 回繰り返しました。[6]定量化された結果では、筋電義肢はボックス アンド ブロック テストで 246% 優れたパフォーマンス (2.46 倍多くのブロックを移動) を示し、洗濯ばさみテストでは 26.3% 優れたパフォーマンス (洗濯ばさみの移動に 26.3% 少ない時間) を示しました。[6]
実験的な6モーター義肢も製作された。従来の筋電義肢と比較した標的再神経支配の最も顕著な特徴は、複数の信号を提供して複数の機能を同時に制御できることである。現在の筋電義肢はそのまま使用することもできるが、従来の筋電制御を目的として設計されている。そのため、市販されている義肢は、電動端末装置（多くの場合フック）、手首の回転、電動肘のみである。[6]標的再神経支配によって提供される複数の信号を最大限に活用するために、TouchEMAS肩、上腕骨回転子、手首の屈曲/伸展機能を備えた開閉可能な手という追加の動力部品を備えた実験的な義肢が製作された。肘と手の機能は4つの神経転送信号によって駆動され、上腕骨の回転は広背筋と三角筋からのEMGによって駆動された。この6モーター義肢により、患者は複数の関節を同時に制御し、物を拾ったり帽子をかぶったりするなど、他の義肢ではできなかった新しい作業を実行することができるようになった。[6]
標的感覚再神経支配
発見
標的感覚再神経支配は偶然に発見された。手術後、胸部にアルコール消毒液をかけられている間、患者は小指に触られるような感覚を訴えた。この現象は、手術中に皮下脂肪が除去されたため胸部の皮膚の神経支配が失われていたためだと説明される。そのため、求心性神経線維が胸筋を通じて再生し、筋肉上の皮膚に神経支配が戻った。[2]それ以来、胸筋の領域は、患者が感じた触覚の説明に従って腕と手の各部位にマッピングされている。[6]胸筋の特定の領域を触られた場合、患者は幻肢のどこを触られたように感じたかを説明する。 [6]たとえば、乳首の真上の領域を触られた場合、前腕が触られているように感じた。
手術手順
この発見を受けて、研究チームは感覚フィードバックの再神経支配を特に目的とした神経移植手術の実施に着手した。標的筋肉の近くまたは上にある皮膚片の神経支配を除去し、求心性神経線維が皮膚を再神経支配できるようにした。[2]上腕骨頸部 で左腕を切断した女性患者の症例では、鎖骨上感覚神経を切断し、再生と再神経支配を防ぐために近位端を結紮し、遠位端を尺骨神経に端側接合した。[2]肋間上腕皮神経も同じ方法で治療し、遠位端を正中神経に接合した。[2]
この技術は「転移感覚」と呼ばれており、圧力感知などの有用な感覚フィードバックを提供し、患者が発揮する力の量を判断するのに役立つ可能性がある。[2]
評価と結果
手術後、患者は個々の指の感覚が最も顕著な胸部領域を特定するよう求められ、それらは図にマッピングされました。[2]感覚再神経支配の特性が定量化されました。軽い触覚は、Semmes-Weinstein [1]モノフィラメント（感覚測定機器）で決定された閾値によって定量化されました。[2] Neurotipニューロメーターを使用して、標的の筋肉（胸部）全体に分布する20箇所の鋭さと鈍さの感覚を測定しました。[2]音叉を胸部のポイントに押し当てて、患者の振動感知能力を評価しました。[2] TSA II NeuroSensory Analyzerを使用して、胸部の2つのポイントの温度閾値を評価しました。[2]患者のもう一方の（正常な）胸筋、正常な腕と手が対照として使用されます。[2]
患者は、あらゆる皮膚感覚を知覚することができた。[2]しかし、通常の圧力感知ではなく、標的の胸部皮膚への接触に反応してチクチクする感覚を知覚した。[2]標的筋で軽い接触を感知できる最低閾値は 0.4 g であったのに対し、対照胸部筋の軽い接触閾値は 0.16 g であった。閾値はほとんどの点で 4 g 未満であったのに対し、対照胸部では対応する場所で 0.4 g の閾値であった。[2]対照胸部では閾値がはるかに低く、したがって感度が高かった。患者は段階的に増加する圧力を識別できた。[2]テスト圧力が増加するにつれて、チクチクする感覚が増した。[2]患者は温度知覚も示した。冷たさ知覚の平均閾値は、標的筋では 29.1 °C、対照胸部筋では 29.9 °C であった。[2]温かさの平均閾値は、標的筋では35.2℃、対照胸筋では34.7℃でした。[2]患者は、鋭い刺激と鈍い刺激を識別し、検査のために選択された20点のうち19点で振動を感知することができました。[2]患者が知覚した上記の感覚はすべて、幻肢で発生したと患者は説明しました。[2]
リスクと合併症
驚異的な成功には、一定のリスクと失敗が伴う。手術の一般的なリスクには、標準的な手術のリスクに加えて、標的筋の永久麻痺、幻肢痛の再発、痛みを伴う神経腫の発生などがある。[2]
最初の患者では、尺骨神経の移植は成功しませんでした。[1]筋肉領域は予想どおりに神経再支配されず、代わりに血管供給の鬱血が原因で、運動後に青みがかった色に変わりました。[1]
前述の左腕切断の女性の場合、幻肢痛は手術後に再発した。[2]程度は軽く、4週間以内に解消したが、将来の他の患者でも解消するかどうかは不明であるため、依然として重大なリスクがあった。[2] さらに、重度の神経損傷が手術中まで検出されなかったため、患者の手術は成功しなかった。[6]
移植された神経が永久に生存するかどうかについても推測の域を出ない。
今後の研究開発
研究チームは現在、経上腕切断（肘より上の切断）患者を対象とした治験に移行しており、経橈骨切断における正中神経移行により親指の制御が可能になる可能性があると期待している。[1]これまでの患者はすべて上肢切断患者であったため、研究チームは最終的には下肢切断患者にも移行したいと考えている。[1]
神経をさらに分割して、より独立した信号を提供することで、より多くの機能を同時に制御し、義肢の制御においてより多くの自由度を得ることができるようになる。[1]これにより、前述の6モーターの実験用義肢など、より多くの自由度を備えたより洗練された義肢の製造も促進される可能性がある。[1]
標的再神経支配では、埋め込み型電極を利用して標的筋肉からのより局所的な信号を記録することも可能であり、これによりクロストークをさらに軽減することができる。[1]
再神経支配された標的筋肉からの感覚フィードバックを実際の義肢に移すには、または、腕の感覚フィードバックが本来の物理的位置から得られるように、受け取った外部刺激に応じて再神経支配された標的筋肉に適切な刺激を与えることができる義肢を構築するには、まだ多くの作業が必要です。
2016年から、ジョンズ・ホプキンス大学の応用物理学研究所は、標的筋再神経支配とチタンポートの骨結合の両方を受けた患者と協力して、DARPAの資金提供を受けたモジュラー義肢の設計をテストし、完成させ始めました[11]
参考文献
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- ^ abc Polikov VS、Tresco PA、Reichert WM。慢性的に埋め込まれた神経電極に対する脳組織の反応。J Neurosci Methods。2005年10月15日;148(1):1-18。
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- ^ abcdef Zhou P、Lowery M、Weir R、Kuiken T. 標的筋再神経支配によって開発された筋電義肢制御信号からの ECG アーティファクトの除去。Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2005;5:5276-9。
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- ^ 「チタンインプラントが義手の操作性を新たなレベルに引き上げる」2016年1月12日。