鄧永蘭,張苡榕,唐春霄,王萍,楊琳,

1.遵義醫(yī)科大學(xué)珠海校區(qū)，珠海 519041；2.六盤水市人民醫(yī)院，六盤水 553001 3.中國科學(xué)院人機(jī)智能協(xié)同系統(tǒng)重點實驗室，深圳 518055

靶向肌肉神經(jīng)分布重建（Targeted Muscle Reinnervation,TMR）技術(shù)已成為臨床上廣泛運用的外科術(shù)式，該技術(shù)是將已截斷的外周神經(jīng)重新定向轉(zhuǎn)移（或種植）到肢體殘存的肌肉（或神經(jīng)）中，重建肢體的運動或感覺功能，幫助殘疾人實現(xiàn)對假肢的精確直覺控制。2007 年美國芝加哥康復(fù)研究院首次報道基于TMR 技術(shù)的臨床應(yīng)用案例，受試者是一位雙上肢高位（經(jīng)肩關(guān)節(jié)）截肢的男性患者[1,2]；2016 年我國學(xué)者也報道了，利用TMR 技術(shù)為一名肘部以上截肢男性患者實現(xiàn)操控多自由度肌電假肢[3]。研究者們將TMR 與表面肌電信號（Surface Electromyography，sEMG)相結(jié)合，為殘疾人精準(zhǔn)直覺的控制肌電假肢提供了一種可行有效的操控模式，結(jié)合TMR 技術(shù)，提升殘疾人對多功能上肢和動力型神經(jīng)假腿的控制效果。在殘疾人體表獲取肌電信號易受電極、皮膚組織差異等因素的影響，從而不能精準(zhǔn)識別患者的運動意圖，且在肌電假肢并行控制患者肢體多關(guān)節(jié)同步運動意圖識別與肢體適配性等問題逐步深入研究。同時，TMR 技術(shù)已作為一種預(yù)防神經(jīng)瘤發(fā)生，干預(yù)幻肢痛或解決術(shù)后神經(jīng)痛的臨床新方法[4]。本文將對TMR在臨床應(yīng)用效果和解決術(shù)后神經(jīng)瘤疼痛的應(yīng)用進(jìn)行概述。

1 肌電假肢控制現(xiàn)狀

人體在完成肢體運動時，大腦的運動皮層會產(chǎn)生相應(yīng)的神經(jīng)信號，產(chǎn)生的神經(jīng)信號通過脊髓傳遞給周圍神經(jīng)，周圍神經(jīng)再將神經(jīng)信號傳遞給相應(yīng)的肌纖維，引起肌纖維收縮，在周圍組織中產(chǎn)生細(xì)胞外電場，這種細(xì)胞外電場可在皮膚表面被測出，即肌電信號(Electromyography，EMG)。利用肌電信號與肢體動作之間特征分類，早在1959 年，德國研究人員就開發(fā)出世界上第一個EMG 控制假手，便使用體表電極記錄殘余肢體的EMG 信號來控制假肢的動作。截肢后，殘肢肌電信息的來源是有限的，隨著截肢程度的加劇，殘疾人希望佩戴假肢恢復(fù)的肢體動作類型也隨之增加。因此，針對假肢的多自由度控制，傳統(tǒng)的肌電控制方式有限，且與人體控制肢體的自然“直覺”習(xí)慣不符。尤其在高位截肢者中，受其自身可用肌肉部位及數(shù)量的限制，他們只能利用單一肌肉控制單一假肢動作，無法利用肌肉群活動控制假肢動作，這種模式被稱為雙環(huán)幅度控制[5,6]，其在肌電信號預(yù)測與假肢操控的應(yīng)用中具有局限性。研究者們?yōu)榱死糜邢薜募∪鈱崿F(xiàn)更多的假肢動作，他們在肌電假肢控制策略中增加了“模式”切換功能，采用肌肉對“同時收縮（co-contraction）”或附加“開關(guān)”來切換控制肢體不同部位的動作，但這種控制方式仍存在多種缺點，例如：訓(xùn)練過程長、動作笨拙、使用者精神壓力增加等問題，最終導(dǎo)致截肢患者對假肢的排斥率提高[7]。據(jù)統(tǒng)計，目前使用上述控制模式肌電假肢的殘疾人中，其假肢利用率不到50%[8]。TMR 為研究者們提供了最佳肌電采集域，當(dāng)在殘肢上使用通用的電極網(wǎng)格來記錄肌電信號時，模式識別控制同樣有效。當(dāng)沉重的假肢穿戴在殘疾人身體時，利用經(jīng)皮將假肢與截肢骨整合可能是一種具有臨床意義的試驗方法。

2 TMR 技術(shù)的解剖學(xué)依據(jù)

TMR 技術(shù)是為殘疾人直覺操控假肢而進(jìn)行的改造人體肌肉及神經(jīng)分布模式的手術(shù)方式，其重新建立肌肉（群）與支配神經(jīng)的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，修復(fù)截肢后殘余神經(jīng)（傳出纖維）與目標(biāo)肌肉（肌電）之間的傳導(dǎo)通路[9]。目標(biāo)肌肉的原始支配神經(jīng)所產(chǎn)生的信號可能會干擾新的目標(biāo)神經(jīng)信號的傳遞和分析，而重新與肌肉建立支配關(guān)系的目標(biāo)神經(jīng)由于運動終板未能及時完全修復(fù)，使得肌電信號衰減，導(dǎo)致體表肌電信號采集與識別困難，因此TMR 手術(shù)需首先離斷目標(biāo)肌肉原始的支配神經(jīng)，重新建立神經(jīng)支配關(guān)系的肌肉或肌群必須僅應(yīng)答移植神經(jīng)產(chǎn)生EMG 信號。另一方面神經(jīng)離斷后種植于目標(biāo)肌肉期間神經(jīng)遠(yuǎn)端會經(jīng)歷Wllerian’s 變性，靶向肌肉的原有支配神經(jīng)被完全切除，而新植入的神經(jīng)在與目標(biāo)肌肉建立新支配連接之前會形成一個空白期，在此期間目標(biāo)肌肉處于一種去神經(jīng)營養(yǎng)以及失神經(jīng)支配狀態(tài)，導(dǎo)致靶向肌肉運動終板減弱，導(dǎo)致周圍神經(jīng)肌肉功能障礙，再神經(jīng)支配的肌肉往往難以完全恢復(fù)到原來的功能狀態(tài)[10,11]。但相關(guān)研究表明提供足量神經(jīng)纖維對失神經(jīng)肌肉進(jìn)行重建可明顯促進(jìn)肌肉功能恢復(fù)。通過建立大鼠模型，將脊髓運動神經(jīng)元起源的運動軸突移植到靶向肌肉發(fā)現(xiàn)，靶向肌肉的功能幾乎得到完全修復(fù)，神經(jīng)-運動單元群的功能增加至116%，組織學(xué)功能增加至172%，重建神經(jīng)至少在2 年內(nèi)可發(fā)揮正常支配功能。供體神經(jīng)纖維越粗（即超神經(jīng)支配）越有利于去神經(jīng)支配的肌肉進(jìn)行神經(jīng)再支配后肌肉功能的恢復(fù)[12]，這可能是因為供體神經(jīng)可提供的運動終板數(shù)量對新的神經(jīng)-肌肉支配關(guān)系有巨大的影響。研究證明由脛神經(jīng)橫斷引起的小鼠后肢運動功能下降有所改善，原因是TMR 增加了脛骨神經(jīng)軸突數(shù)量和髓鞘厚度，進(jìn)而使前角運動神經(jīng)元的數(shù)量增加，最終大鼠脊髓內(nèi)膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶陽性細(xì)胞數(shù)量增多，突觸素免疫熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)，促進(jìn)了大鼠的神經(jīng)再生，證明了TMR 能夠使殘余神經(jīng)纖維重新與靶向肌肉連接，從而恢復(fù)受傷肢體的運動功能[13]。在TMR 臨床病例研究中發(fā)現(xiàn)，將含有數(shù)千個運動神經(jīng)元的臂叢神經(jīng)（直徑8-10mm）種植到靶向肌肉中，增加了神經(jīng)與肌肉聯(lián)結(jié)與支配的概率，神經(jīng)入肌點縮短了神經(jīng)再生的距離，促進(jìn)神經(jīng)與靶向肌肉之間的功能聯(lián)接[14]。

3 靶向肌肉重建技術(shù)的應(yīng)用

上肢功能對殘疾人日常活動能力的影響非常重要，截肢患者缺失正中神經(jīng)、橈神經(jīng)、尺神經(jīng)等臂叢神經(jīng)分支及肱橈肌、肱二頭肌、肱三頭肌等肌群，上肢感受器及效應(yīng)器對運動信號的反饋環(huán)路被破壞，采用TMR 技術(shù)將臂叢神經(jīng)近端與肱二頭肌、肱肌和肱三頭肌等肌肉進(jìn)行識別[15,16]。臂叢神經(jīng)轉(zhuǎn)移（種植）到目標(biāo)肌肉中，利用目標(biāo)肌肉創(chuàng)建新的“生物放大器”恢復(fù)神經(jīng)信號與肌電信號的聯(lián)系，增強(qiáng)中樞傳遞到臂叢神經(jīng)的原始信號用以更好的控制假肢運動[17]。隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展，TMR 不僅可以恢復(fù)運動功能，而且可以通過重建感覺神經(jīng)的解剖結(jié)構(gòu)將感覺神經(jīng)纖維覆蓋在目標(biāo)肌肉上，從而可以作為截肢的手臂和手指的感覺通路的直接入口，并且感覺反饋的重建可以幫助截肢者感受假肢的狀態(tài)，有利于實現(xiàn)術(shù)后假體的感覺反饋功能[18]。另外截肢程度的不同對TMR 手術(shù)方式的選擇也十分重要。肘關(guān)節(jié)以上截肢患者已喪失正中神經(jīng)、尺神經(jīng)及橈神經(jīng)的遠(yuǎn)端支配功能，僅存的肱二頭肌和肱三頭肌可以實現(xiàn)肘、腕、手部的伸展和屈曲功能；肩關(guān)節(jié)截肢患者喪失臂叢神經(jīng)支配，可將神經(jīng)殘端移植至胸大肌區(qū)域，恢復(fù)臂叢神經(jīng)的部分功能；而胸大肌損傷患者，可通過移植其他部位肌肉作為供體種植目標(biāo)神經(jīng)[19]。如何盡快實現(xiàn)植入神經(jīng)和目標(biāo)肌肉的功能連接，縮短恢復(fù)周期是TMR 手術(shù)成功的關(guān)鍵點，而恢復(fù)的關(guān)鍵在于強(qiáng)化靶向肌肉，以便利用體表電極采集到有效的肌電信號。不同運動神經(jīng)元各自控制大量肌肉纖維，實施TMR 手術(shù)后，大腦到靶向肌肉的定向路徑需要重建，適當(dāng)?shù)目祻?fù)訓(xùn)練可以緩解周圍神經(jīng)損傷后出現(xiàn)的神經(jīng)再生與肌肉功能障礙，因此術(shù)后需通過康復(fù)訓(xùn)練加強(qiáng)大腦對靶向肌肉運動的支配，從而建立精確的動作（腦信號）意圖與肌電信號的特征關(guān)系。此外，Michael 等對大鼠進(jìn)行試驗，通過每天對肌肉進(jìn)行刺激（600Hz/h,5d/W)，第16 天，發(fā)現(xiàn)通過適當(dāng)?shù)碾姶碳つＪ剑窠?jīng)支配的肌肉被重新激活[20]。2008 年，研究者對多位TMR 受試者進(jìn)行盒塊測試和晾衣夾測試，他們在操控假肢的精確度提升了2-6 倍，通過TMR 技術(shù)與新的假肢控制策略相結(jié)合，受試者能夠同時進(jìn)行手和肘關(guān)節(jié)的并行操控，且在多關(guān)節(jié)運動之間無需進(jìn)行模式切換[21]。

近幾年，下肢動力型假肢已逐步商業(yè)化，該類型假肢的控制依賴于其中的機(jī)械傳感器、儀表矯形器或外部遙控器[22]。然而，人體下肢代謝能量較高，且存在坐姿、不對稱步態(tài)、斜坡步行等復(fù)雜問題，不同行走模式均需要不同的控制序列，而目前的假肢難以直觀完成多種模式的轉(zhuǎn)換。利用EMG 信號作為改善動力型下肢控制能力的方法仍在研究中，通過采集來自大腿肌肉殘存的肌電信號作為控制源，可與機(jī)械傳感器數(shù)據(jù)相結(jié)合，創(chuàng)建一個準(zhǔn)確反饋的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)行走模式到感覺認(rèn)知的過渡[23,24]。為進(jìn)一步改進(jìn)控制系統(tǒng)，TMR 手術(shù)還可能重建本體感覺反饋，本體感覺對于截肢患者在假肢運動方向及速度的控制意義重大。

4 TMR 與假肢控制的效果

傳統(tǒng)肌電假肢在高位截肢患者中控制能力較差，如，經(jīng)橈動脈截肢的患者肌電假肢可以通過收縮手腕屈肌和伸肌來有序控制腕部及手部活動，但是經(jīng)肘關(guān)節(jié)截肢患者僅能依賴肱二頭肌與肱三頭肌控制肘關(guān)節(jié)及以下假肢的運動功能，而且只能通過不斷切換運動模式達(dá)到活動肢體的傳統(tǒng)肌電控制，該方式的弊端是造成動作笨拙、緩慢、繁瑣，難以滿足截肢者日常活動需要。截肢者通過TMR 手術(shù)重新建立神經(jīng)-肌肉支配聯(lián)系，能更自然的使用肌電信號來控制假肢活動，此外，TMR 術(shù)后，可在殘疾人肢體殘端采集到四組獨立的肌電信號，從而實現(xiàn)肘部和手部的并行控制，殘肢產(chǎn)生的肌電信號可以為假肢多自由度控制提供充足的信號源[25]。當(dāng)患者想象肘部屈曲動作時，大腦皮層給出一系列神經(jīng)沖動并在脊髓前角換元后將運動信息傳至由臂叢神經(jīng)支配的肱二頭肌及肱三頭肌，誘發(fā)肌肉收縮可完成肘部屈曲，通過表面電極采集到的肌電信號，產(chǎn)生手部抓握動作[26]。然而，隨著假肢的反復(fù)穿戴，表面肌電電極往往產(chǎn)生微動，皮膚溫度與汗液引起的阻抗變化會導(dǎo)致肌電信號質(zhì)量的變化[27,28]，因此，利用基于sEMG（表面肌電信號）、肌肉協(xié)同理論和意識識別的智能假肢控制策略[29]，可以構(gòu)建一個“前饋—反饋”的控制框架，提高假肢系統(tǒng)的適配性和魯棒性，進(jìn)而完善的“手-肘”一體化假肢的人機(jī)交互控制。采用遞歸卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RCNN)感知肌電假體的控制策略在實時控制中能夠準(zhǔn)確地感知假肢位置的變化[30]，在利用運動肌電信號來控制仿生假肢的應(yīng)用中為截肢者的肌電假肢植入了傳感器獲取殘疾人的運動感知[31]。通過肌電圖分析出目標(biāo)肌肉在獲得神經(jīng)重新支配后被激活的EMG 信號[32]。利用基于EMG 的模式識別，識別肌肉運動特征，提取歸類用于訓(xùn)練動作分類器[33,34]，利用機(jī)器學(xué)習(xí)，分類器解碼EMG 數(shù)據(jù)確定殘疾人試圖執(zhí)行的動作類型[35]。因此，模式識別可以幫助殘疾人通過運動意圖完成假肢多自由度的直覺控制。

Yao 等[36]研究表明移植神經(jīng)術(shù)后1 個月左右通過fMRI 可觀察到幻肢同側(cè)皮質(zhì)區(qū)功能活躍，TMR 術(shù)后10～15 周，靶向肌肉出現(xiàn)小幅度收縮。隨后，可通過開展康復(fù)訓(xùn)練來強(qiáng)化靶向肌肉的收縮功能，在前期康復(fù)訓(xùn)練基礎(chǔ)上增加肌肉收縮時間及收縮次數(shù)，由平移運動轉(zhuǎn)變?yōu)榱α坑?xùn)練，同時可對殘留肱骨和肩胛骨施加阻力以增強(qiáng)肩部肌肉運動功能[37]。一般情況下，患者在TMR 術(shù)后3～5 個月，當(dāng)靶向肌肉完成簡單協(xié)調(diào)運動時，可暫停程序化動作訓(xùn)練，轉(zhuǎn)為訓(xùn)練離散復(fù)雜的肌肉動作，將原有肢體的動作納入靶向肌肉康復(fù)訓(xùn)練，如肘關(guān)節(jié)屈曲與伸展，手掌張開與閉合，并盡力將肌肉收縮運動最大化，但肌肉收縮是有選擇的，應(yīng)避免過度勞累導(dǎo)致的肌肉協(xié)同收縮，采用信號分離方法有利于增強(qiáng)獨立肌電控制功能，因此需經(jīng)常調(diào)整電極增益及肌電閾值[2]。在對肌電假肢的常規(guī)控制過程中，需要不受干擾的EMG 信號[38]，要提高基于模式識別控制系統(tǒng)的工作效率及準(zhǔn)確度，使其不被相鄰肌肉的EMG 信號串?dāng)_。同時，為了防止神經(jīng)纖維重新支配相鄰的肌節(jié)，TMR 術(shù)中可利用植入脂肪瓣形成瘢痕組織來建立物理屏障[1]，分割不同的肌區(qū)獲取相對獨立的肌電信號采集域。

5 TMR 與幻肢痛

據(jù)統(tǒng)計，超過71%的創(chuàng)傷性截肢患者受損或切除的神經(jīng)斷端會形成神經(jīng)瘤，出現(xiàn)神經(jīng)瘤的患者常伴有劇烈疼痛，這種疼痛感是因為神經(jīng)瘤內(nèi)神經(jīng)纖維再生不協(xié)調(diào)而引起過度興奮，當(dāng)患者殘肢與假肢反復(fù)接觸、過度磨損時更易造成肢體運動功能下降[39]。術(shù)后的神經(jīng)性疼痛可能會導(dǎo)致患者的慢性殘疾。所以，解決潛在的術(shù)后疼痛并發(fā)癥顯得尤其重要。臨床上對治療神經(jīng)瘤的方法尚未達(dá)成統(tǒng)一，常見手段包括口服神經(jīng)類藥物、局麻或射頻消融等治療，以及牽引神經(jīng)切除術(shù)、神經(jīng)封堵術(shù)或神經(jīng)殘端埋入周圍肌肉組織等手術(shù)方法[40]。將神經(jīng)瘤切除和移位到其他位置，通常是將其埋在骨或肌肉中，避免復(fù)發(fā)性神經(jīng)瘤是近幾十年治療癥狀性神經(jīng)瘤的手術(shù)方法。

TMR 技術(shù)是基于為切斷的軸突提供一個末端器官（效應(yīng)器），直接使神經(jīng)愈合從而治療神經(jīng)疼痛，所以TMR 技術(shù)能夠用來治療截肢部位和其他術(shù)后部位的神經(jīng)瘤疼痛[41]。Jennifer等人在研究的病例中發(fā)現(xiàn)，在對患者實施TMR 手術(shù)后，其脊髓神經(jīng)移位后成功重新支配了殘存的胸肌，并在大腦控制下引起收縮[42],患者產(chǎn)生了幻肢感（不是幻肢痛）、功能限制和情緒抑郁，且幻肢痛消失，證明在急性創(chuàng)傷環(huán)境中，可以考慮TMR 技術(shù)，以防止神經(jīng)瘤疼痛，并為患者將來佩戴肌電假肢做準(zhǔn)備。Souza 等[43]研究發(fā)現(xiàn)16 名接受了TMR 的神經(jīng)瘤患者中有15 名疼痛感完全消除，1 名患者疼痛癥狀有顯著改善。Pet 等[44]也證實截肢后立即實施TMR 的患者中未伴發(fā)神經(jīng)瘤疼痛者占92%，延遲實施TMR 的并發(fā)神經(jīng)瘤患者約87%疼痛癥狀消失。以上研究數(shù)據(jù)表明，TMR 技術(shù)可降低神經(jīng)瘤發(fā)生率，治療神經(jīng)瘤疼痛，原因可能是TMR 技術(shù)顯著減少了有髓神經(jīng)纖維，并增加神經(jīng)束直徑，達(dá)到了改變神經(jīng)瘤組織學(xué)特性，且神經(jīng)軸突在靶向肌肉內(nèi)再生時重新產(chǎn)生效應(yīng)器，利于神經(jīng)有序再生進(jìn)入靶向肌肉，避免神經(jīng)生長發(fā)生紊亂，使傳入神經(jīng)傳導(dǎo)功能得到改善[45]。因此，在截肢人群中，TMR 在治療和預(yù)防慢性幻肢痛和殘肢痛是成功的[46]；在非截肢人群中，研究者們正在逐步拓展TMR 在治療創(chuàng)傷、壓迫或手術(shù)引起的慢性神經(jīng)瘤疼痛方面的應(yīng)用。

6 結(jié)論

綜上所述，TMR 是一種用于改善上、下肢截肢者對假肢控制的外科技術(shù)，為殘疾人精準(zhǔn)直覺操控先進(jìn)的多自由度假肢系統(tǒng)提供了一個優(yōu)越的神經(jīng)機(jī)器接口，尤其在高水平肢體截肢患者中顯示出了功能上優(yōu)越性。隨著神經(jīng)再生方法、功能康復(fù)水平和信號處理技術(shù)的進(jìn)步，TMR 技術(shù)將為上肢和下肢截肢患者帶來更好的生活質(zhì)量和功能預(yù)后，且在治療截肢患者既往的神經(jīng)瘤和幻肢疼痛方面也已逐步發(fā)揮效果，同時也可以預(yù)防截肢后神經(jīng)瘤和初次截肢時幻肢痛的發(fā)生。