Itt írjon a(z) MuvegtagSzenzor-ról/ről...

A művégtagok jelenlegi szenzoros működési mechanizmusai

1. Bevezetés

A végtag-amputáció három fő működési zavart okoz. Ezek közül kettő azonnal jelentkezik, és az amputáció közvetlen következményei: a motoros funkció elvesztése az amputációs szint alatt és a végtagból származó érző visszacsatolás elvesztése. Az amputáció harmadik, közvetlenebb diszfunkcionális következménye az, amit fantomérzetnek neveznek. Ez előfordulhat nem sokkal az amputáció után vagy különböző késleltetett időkben. Ezzel a problémával küzdő betegek még "érezhetik" az elvesztett végtagot (Hoffer, 2007).

2. Végtagokba ültetett elektródák általános ismertetése

Az elektromos stimulációs rendszer beültethető, többcsatornás, többkamrás határfelületi struktúrákat alkalmaz, nevezetesen az idegmandzsettákat. A beültetett idegmandzsetták olyan elektródákat tartalmaznak, amelyek a jelgenerátor által keltett elektromos jeleket továbbítják az idegekhez, és bizonyos neuronokat stimulálnak, hogy szenzoros jeleket küldjenek az agykéreg felé, ami érzékszervi érzéseket hoz létre. Ilyen jelek közvetlenül a jelgenerátorból származhatnak vagy közvetve a prosztetikus végtagokban található szenzorokból (Hoffer, 2007).

3. Fantomfájdalom

3.1. Általános leírás: okok, kezelések

A legtöbb amputáción átesett beteg fantom fájdalmat (PLP) észlel az amputált testtájon. A sokszor élénk és zavaró fájdalom okai még nem teljesen tisztázottak, de úgy vélik, hogy számos folyamat felelős ezért. A fantom fájdalom gyakran egy-két nappal az amputáció után már mutatkozik és utána évekig eltarthat. Számos elemzés ismertette, hogy a fantom fájdalom gyógyítása nehéz és a legtöbb gyógyítási forma nem képes sem időszakosan vagy véglegesen csökkenteni a fájdalmat. Az analgetikumok általában nem hatottak az ilyen fájdalom ellen, az antidepresszáns gyógyszerek csökkenttették a fájdalomérzetet, de súlyos mellékhatásaik voltak, amelyek korlátozták alkalmazhatóságukat. Jelenleg nincsenek elfogadott gyógyszerek, amelyek a fantomfájdalmat biztonságosan és hatékonyan kezelik nemkívánatos mellékhatások nélkül. Egy másik megközelítés, a szimpatikus beidegzés blokkolása vagy eltávolítása a fájdalom ideiglenes csökkentésére, azonban a hatások attól függnek, hogy az amputálás után milyen gyorsan végezzük el az eljárást (Hoffer, 2007).

Ez okból kifolyólag a fantom fájdalom állandó probléma az amputáción átesett betegeknél szerte a világon, ezért nagy az igény a sikeres beavatkozásokra, amelyek javítják a betegek állapotát. A perifériás beidegzés az agykéreg ezen régiójában található idegsejtek elvesztése után és különösen az amputált végtaghoz társuló primer szenzoros kéregben nagymértékben növeli azoknak a szinaptikus bemeneteknek a receptivitását, amelyek a végtagban maradt szenzoros idegekből származnak, de szétváltak a szenzoros végtestektől. Azzal a feltételezéssel, hogy a fantom fájdalom szorosan összefügg az amputált végtag mozgatásának átszervezésével a kortexben, azt feltételezhetjük, hogy ez a rosszul alkalmazkodott plaszticitás módosítása segítséget nyújthat a fantom fájdalom csökkentésében. Valójában a pszichológiai kezelések és az intenzív észlelési , valamint a fizikai edzések kimutatták, hogy növelik a stimulált testrész agykérgi reprezentációját az emberekben (Dietrich és mtsai, 2011).

Köztudott, hogy az idegrendszeri elektromos stimuláció hatásos lehet bizonyos típusú perifériás fájdalom enyhítésére. A mai napig alkalmazott két fő megközelítés a transzkután elektromos idegingerlés (TENS) és a dorsalis oszlop stimulációja (DCS) a gerincvelőben. A terápiák hatásmechanizmusa magában foglalja a nagy átmérőjű szenzoros szálak stimulálását a végtagokban (TENS) vagy a gerincvelőben (DCS) (Hoffer, 2007).

Egy kísérletben, egy kéthetes tréning során megtanították a betegeknek megkülönböztetni az elektromos stimulusokat a csonkon, amelyek a fantom fájdalom csökkenéséhez vezetettek. Továbbá azok az alanyok, akik Sauerbuch protézist viseltek, kevesebb fantom fájdalomról számoltak be, mint azok, akik esztétikai protézist viseltek. Ráadásul az állandó protézis viselése negatív hatással volt a fantom fájdalomra és a kortikális átszervezés mértékére. A jelen tanulmány egy kéthetes tréninget vizsgált, amelynél myoelektromos kéz protézist használtak, ami szomatoszenzoros visszacsatolást adott a szoros fogóerőről (Dietrich és mtsai, 2011).

3.2. Kísérlet ismertetése

A kísérletben 8 alany vett részt. A résztvevők egy átfogó pszichológiai értékelést tartalmazó alapszintű mérésen vettek részt. A következő két hetes várakozási idő után a betegek egy 10 napot magában foglaló tréningen sajátították el a protézis használatát. Minden tréning 3,5 óra volt 20 perces szünetekkel. A fájdalmat mérték közvetlenül a tréning előtt, a tréning után és 6 hónappal a komplett tréning végeztével. A résztvevők egy mechanikai szenzorokkal rendelkező protézist használtak. A protézis érzékelte a fogás erősségét, amely a könyökhajlatban észlelődött a mutató ujj és a hüvelykujj között (a protézis ujjai) (Dietrich és mtsai, 2011).

Az első óra előtti napon a betegek és a tréner megbeszélték a személyes célokat, amiket a betegek szeretnének megvalósítani a tréning végeztével, mint a kemény és puha tárgyak megkülönböztetése, például a kerti munkához vagy a konyhai tevékenységekhez (Dietrich és mtsai, 2011).

3.3. Eredmények, értékelés

A tréning elvégzése után az alanyok arról számoltak be, hogy azokat a céljaikat, amiket a tréning előtt kitűztek, sikeresen elérték. Az órák után az összes beteg kevesebb fantom fájdalmat észlelt. A kísérlet előtt öt beteg tapasztalt folyamatos fantom fájdalmat, ezért négy pontot jelöltek ki, amiket a gyakorlatok során rendszeresen mértek. A fájdalom a tréning alatt lecsökkent. Annak érdekében, hogy leteszteljék, valóban a tréning következtében történt-e, összehasonlították az előtte lévő két hetes várakozási időszakkal (Dietrich és mtsai, 2011).

Hat hónappal a kísérlet után, amikor a betegek már nem viselték az újfajta protézist, alacsony tendenciát mutatott a fantom fájdalom gyakorisága és egyik betegnél sem tért vissza jelentős mértékben (Dietrich és mtsai, 2011).

A viszonylag kicsi minta lehetővé tette a PLP statisztikai kimutatását, azonban szükséges egy nagyobb betegszámmal elvégzett kísérlet is. Összegezve a fantom fájdalom erőteljesebb csökkenését várják a protézis mindennapos használatával. Az eredmények azt mutatják, hogy a myoelektromos protézis szenzoros visszacsatolást biztosítva a fogóerővel kapcsolatban előnyös lehet annak érdekében, hogy kevesebb vizuális irányítást kelljen használni a protézis során. A szomatoszenzoros visszacsatolást a kísérletben elvégzett protézissel lehetővé teheti egy minőségibb, hosszú távú, mindennapos protézis viselését. Ezen kívül segíthet csökkenteni az aránytalan méretet az amputált és nem amputált testrészek között az által, hogy jobban tudja használni a beteg az amputált testrészét is (Dietrich és mtsai, 2011).

4. A protézisek fejlődése az évtizedek során

Kevesebb, mint egy évtizede aligha gondolta volna valaki, hogy próbálkozni fognak a közvetlen kapcsolat kiépítésére az agy és a mesterséges készülékek között, mint például számítógépek és robot végtagok, amelyek készségesen működnek és egy új területet hoznak létre az idegtudományon belül. Multidiszciplináris területként jött létre, aminek az alapja az agy-készülék közötti kapcsolat (BMIs) lett és egy csodálatos átalakuláson ment keresztül az első, 1999-es tapasztalati bemutatások óta, amelyen bemutatták, hogy a kérgi idegeket együtt, közvetlenül tudták irányítani. Azóta a folyamatos kutatásoknak köszönhetően robbanásszerűen nőtt az érdeklődés az agy-készülék közötti kapcsolatok iránt a tudományos közösségben és a közéletben egyaránt. Ennek az érdeklődésnek köszönhetően jelentős lehetőség nyílt a fogyatékkal élők számára a mozgató működés helyre állításában. Valójában az agy és az eszközök közötti kapcsolatok lehetőségét elsősorban a mozgásban korlátozott betegeknek - úgy mint izomsorvadásban szenvedők (ALS), gerincvelő sérültek, stroke-ot elszenvedők, agyi bénulásban szenvedők - célzottan jött létre. Amint a technológia előrelép és az agy támadólagos fellépése csökken, a BMIs lehetőséget fog biztosítani az amputáción átesett betegek számára is. Mindemellett ez a robbanásszerű folyamat irreális elvárásokat támaszt e tudományág felé, annak ellenére, hogy még csak gyerekcipőben jár. Így az elérhetetlen vágy, hogy a hátrányos helyzetű betegeknek segíthessenek, megvalósulni látszik a jelenlegi és jövőbeli gondosan kalibrált elemzések által, azonban számos elemzés mutatja, hogy a bíztató teljesítmények ellenére továbbra is több probléma egyértelműen kizárja a BMI-t a klinikumi alkalmazásból. Valójában eddig ezeket a készülékeket csak állatokon tesztelték, így - a nagy lelkesedés ellenére - egyes esetekben nem teljesen tisztázott a hatékonyságuk. A klinikai alkalmazások előtt szeretnének még több kísérletet elvégezni, hogy a BMI biztonságos és eredményes rehabilitációs eszköz lehessen a jövőben (Lebedev és Nicolelis, 2006).

4.1. Kéz

4.1.1. A kéz protézisek innovációja

4.1.1.1. Kísérleti leírás

A periférikus tapintó és proprioceptív jelek hozzájárulnak a normális végtag működéséhez. A protézis megfelelő idegi működéséhez és a művégtag természetes, a testhez tartozó érzéséhez különböző szenzorok felszerelését kell biztosítani, amelyek létrehozzák a többrétű csatornákat a szenzoros érzékeléshez az alany agya felé. A legtöbb aktuális BMI modell a szenzoros érzékelés mellett vizuális visszacsatolással működik. John Chapinnal együttműködve kezdték el felfedezni a lehetőségeket a szenzoros kézbesítéssel kapcsolatban, fejleszteni a mozgatókar működését, az agyon keresztüli szomatoszenzoros érzékelést a koritkális régiókban. Korábbi tanulmányok azt mutatják, hogy a majmok érzékelik a mikrostimulációs mintákat és használni tudják, hogy irányítsák a válaszadáshoz a művégtagjukat. Egy mostani, több évet is átfogó kísérletben bebizonyosodott, hogy a majmok meg tudnak tanulni mozdulatokat, amelyeket vibrációs stimulációval bocsájtottak a karjukba (1.ábra).

robot.jpg
1.ábra
A majom mesterséges robot karral tapintja és fogja meg a tárgyakat

Ebből kifolyólag a vibrációs stimuláció helyett mikrostimulációs mintákat helyeztek a szomatoszenzoros kortexben a behelyezett elektródákba. A majmok ezek után is képesek voltak érzékelni a kortex által kibocsátott mikrostimulációs utasításokat és a vártnál jobban működött, felülmúlták a vibrációs szenzoros kísérleti eredményeket. Ezek az eredmények felvetik a lehetőségét, hogy a kortikális mikrostimuláció egy használható útja lehet a BMI-nek a művégtagoknál és lehet, hogy közreműködik egy új idegi protézisgeneráció létrehozásában (Lebedev és Nicolelis, 2006).

4.1.1.2. Összefoglaló, észrevételek

Az ideg protézisek fejlesztése a következő 10-20 évben valószínűleg tartalmazni fog egy teljesen beültethető rendszert, ami széleskörűen továbbítja a rajta átfolyó elektromos jeleket, amik több ezer idegtől származnak. A BMI képes lesz a térbeli, és időbeli mozgás jellegzetességeit megfejteni, váltakoztatni a mozdulatlanságot és a mozgékonyságot, továbbá felismeri az akaratlagos mozgásokat is. Hasznosítani fogja a magasabb rendű összetett parancsokat, amelyek a kortikális és a szubkortikális idegi régióból származnak és meg fogja tudni különböztetni az alacsonyabb rendű automatikus mozgásoktól, reflexektől (Lebedev és Nicolelis, 2006).

4.1.2. Direkt idegi szenzoros visszacsatolás (perifériás idegrendszer)

Általánosan elismert, hogy a modern művégtag használatának elfogadása jelentősen javulna, ha egy olyan protézis lenne feltalálva, amely lehetővé tenné a tapintás érzékelését és a könyök mozgását. A fantom fájdalmat, ami több mint 80%-át érinti az amputáltaknak, sok esetben javítja a szenzoros gyakorlás. Különböző szenzoros feedback rendszereket próbáltak, beleértve a teljes ideg stimulációt, de egyik sem lett széles körben klinikailag elfogadva, mert nem nyújtottak lényeges változást. Úgy vélik, hogy ez a probléma megoldható egy közvetlen neurális ingerlés hatására a perifériás idegcsonkokban. Ez egy olyan lehetőséget nyújt a visszacsatoló rendszeren keresztül, hogy az eredeti érző útvonalon át a kar hiányzó részével kapcsolatban áll, így mozgatni tudja a hiányzó könyököt, csuklót vagy ujjakat. A tanulmány célja, hogy demonstrálja a szenzoros feedbacket az ízület mozgatásáról és a markolási erőről (Dhillon és Horch, 2006).

4.1.2.1. Eljárás: elektróda beültetése, tréning

Longitudinális intrafaszcikuláris elektródákat (LIFEs) ültettek 6 férfi könyöknél vagy könyök alatt amputált felkarjába hosszú távra. Az elektródák külsőleg egy számítógéphez lettek kapcsolva. A középső idegbe lettek beültetve az elektródák éppen a motoros idegek elágazási pontja fölé, amiket wolfram tűkkel vittek be. Referencia elektródok is el lettek helyezve az idegrostokon kívül, de ugyanolyan funkcióval, elektromos tulajdonsággal rendelkeztek (Dhillon és Horch, 2006).

Érző visszajelző csatornákat állapítottak meg a rövid időtartamú pulzálások által. Ezek az elektródák használhatóak a nyomásérzékelő vagy tapintó receptorok azonosítására, valamint meghatározzák az érzékelés küszöbértékét és felső határértékét. Amikor ezekkel a paraméterekkel elkészültek, a pszichofizikális teszt készen állt arra, hogy kapcsolatot létesítsen az ingerlés és az érzékelés intenzitása között. Minden tesztalanyban volt egy vagy több érzékelésre képes elektróda. Az alanyokat arra kérték, hogy végezzenek egy mozdulatot a hiányos végtaggal, mialatt az idegek stimulusa által keltett hangokat hallották egy hangosbeszélőn keresztül. Felkarba épített elektródák általi jeleket egy laptop rögzítette és ezeket az idegi aktivitásokat társították az adott kar mozgási minőségéhez. A számítógépen az egér pozíciója mutatta a mozgás intenzitását (Dhillon és Horch, 2006).

A számítógép általi tréning 7 napig tartott. A protézis hüvelykujjában található erő érzékelők és a könyökben található helyzetérzékelők szolgáltatták az információt (Dhillon és Horch, 2006).

4.1.2.2. Eredmények

Mindhárom alany változást észlelt az eltelt egy hét után mind a nyomás, mind a tapintás érzékelésében, amelyet a grafikon is alátámaszt (2.ábra). Ugyanez elmondható a könyök helyzetérzékeléséről és a markoló erő szabályozásáról (Dhillon és Horch, 2006).

halgatoi.jpg
2.ábra
A sértetlen könyök és a művégtagon található könyök pozíciójának összemérése a kísérlet 1. napján (pontozott vonal) és 4. napján (teljes vonal)

4.1.3. Direkt kortikális stimuláció (központi idegrendszer)

4.1.3.1. Kísérlet menete

4.1.3.2. Eredmények

4.2. Láb

Irodalomjegyzék

  1. Collins, K. L.; Guterstam, A.; Cronin, J.; Olson, D. J.; Ehrsson, H. H.; Ojemann, G. J. (2017): Ownership of an Artificial Limb Induced by Electrical Brain Stimulation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 114: (1) 166-171
  2. Dhillon, G. S.; Horch, K. W. (2006): Direct Neural Sensory Feedback and Control of a Prosthetic Arm. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering 13: (4) 468-472 DOI: 10.1109/TNSRE.2005.856072
  3. Dietrich, C.; Walter-Walsh, K.; Preißler, S.; Hofmann, G. O.; Witte, O. W.; Miltner, W. H. R.; Weiss, T. (2011): Sensory Feedback Prothesis Reduces Phantom Limb Pain: Proof of a Principle. Neuroscience Letters 507: (2012) 97-100
  4. Lebedev, M. A.; Nicolelis, M. A. L. (2006): Brain-machine Interfaces: Past, Present and Future. TRENDS in Neurosciences 29: (9) 536-546 DOI: 10.1016/j.tins.2006.07.004

Hivatkozott szabadalmak

  1. Hoffer, J. A. (2007): Electrical Stimulation System and Methods for Threating Phantom Limb Pain and for Providing Sensory Feedback to an Amputee for a Prosthetic Limb. online megjelent cikk; United States Patent Patent No.: US 7,302,296 B1
  2. Sabolich, J. A.; Ortega, G. M.; Schwabe, G. B. (2002): System and Method for Providing a Sense of Feel in a Prosthetic or Sensroy Impaired Limb. online megjelent cikk; United States Patrent Patent No.: US 6,500,210 B1

Ábrák

MuvegtagSzenzor (last edited 2018-05-10 19:50:15 by BEKCY0)