ประสาทส่วนต่อประสานและข้อมูลป้อนกลับทางประสาทสัมผัส

ประสาทส่วนต่อประสานและข้อมูลป้อนกลับทางประสาทสัมผัสเกี่ยวข้องกับการเชื่อมโยงสองทางระหว่างแขนขาเทียมที่ใช้พลังงานกับระบบประสาทของผู้ใช้ เส้นทางขาออกจะอ่านความตั้งใจ—จากการทำงานของกล้ามเนื้อที่เหลืออยู่, เส้นประสาทที่ถูกผ่าตัดเปลี่ยนเส้นทาง, หรือโดยตรงจากเส้นประสาทส่วนปลาย—และเปลี่ยนให้เป็นคำสั่งของอุปกรณ์ เส้นทางขาเข้าจะปิดวงจรโดยการส่งข้อมูลการสัมผัส, แรง, หรือตำแหน่งกลับไปยังผู้ใช้ เพื่อให้แขนขาไม่เพียงแต่ถูกควบคุมเท่านั้น แต่ยังรู้สึกได้ด้วย สิ่งเหล่านี้ร่วมกันกำหนดเป้าหมายของแขนขาเทียมแบบสองทิศทางที่ใช้งานง่าย

Definition

ประสาทส่วนต่อประสานสำหรับแขนขาเทียมคือระบบที่ส่งคำสั่งการเคลื่อนไหวจากระบบประสาทหรือระบบกล้ามเนื้อของผู้ใช้ไปยังอุปกรณ์ และในการออกแบบแบบสองทิศทาง จะส่งสัญญาณประสาทสัมผัสกลับไปยังผู้ใช้ ทำให้สามารถควบคุมและรับรู้แขนขาเทียมได้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมส่วนต่อประสานคำสั่ง (efferent) และข้อมูลป้อนกลับ (afferent) ที่ใช้กับแขนขาเทียมที่ใช้พลังงาน: การควบคุมด้วยไฟฟ้าของกล้ามเนื้อ, การสร้างเส้นประสาทกล้ามเนื้อเป้าหมายใหม่, ส่วนต่อประสานเส้นประสาทส่วนปลาย, และวิธีการฟื้นฟูความรู้สึกสัมผัสและตำแหน่งของร่างกาย โดยเน้นที่หลักการและผลการวิจัย ไม่ใช่เทคนิคการผ่าตัดหรือการปรับอุปกรณ์ เป็นข้อมูลอ้างอิงเพื่อการศึกษาและไม่มีคำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• ความตั้งใจในการเคลื่อนไหวถูกดึงออกมาได้อย่างไร—จากกล้ามเนื้อ, เส้นประสาทที่ถูกย้าย, หรือเส้นประสาทส่วนปลาย?
• การสร้างเส้นประสาทกล้ามเนื้อเป้าหมายใหม่คืออะไร และเหตุใดจึงช่วยปรับปรุงการควบคุม?
• จะส่งคืนการสัมผัสและการรับรู้ตำแหน่งของร่างกายไปยังผู้ใช้แขนขาเทียมได้อย่างไร?
• แขนขาเทียม 'สองทิศทาง' หมายความว่าอย่างไร?

Key concepts

• เส้นทาง Efferent (คำสั่ง) เทียบกับ Afferent (ข้อมูลป้อนกลับ)
• การควบคุมด้วยไฟฟ้าของกล้ามเนื้อที่ผิวหนังและในกล้ามเนื้อ
• การสร้างเส้นประสาทกล้ามเนื้อเป้าหมายใหม่
• ส่วนต่อประสานเส้นประสาทส่วนปลาย (อิเล็กโทรดแบบปลอกและแบบฝังในเส้นประสาท)
• การกระตุ้นเส้นประสาทเพื่อความรู้สึกสัมผัส
• แขนขาเทียมแบบสองทิศทาง (วงปิด)
• การรวมเข้ากับร่างกายและการควบคุมที่ใช้งานง่าย

Mechanisms

ในด้านคำสั่ง, อิเล็กโทรดที่ผิวหนังหรือในกล้ามเนื้อจะบันทึกกิจกรรมทางไฟฟ้าของกล้ามเนื้อจากกล้ามเนื้อที่เหลืออยู่ ซึ่งตัวถอดรหัสจะแปลงเป็นการเคลื่อนไหวของแขนขาเทียม การสร้างเส้นประสาทกล้ามเนื้อเป้าหมายใหม่เป็นการผ่าตัดย้ายเส้นประสาทที่เคยทำหน้าที่ในแขนขาที่หายไปไปยังกล้ามเนื้อสำรอง สร้างตำแหน่งควบคุมใหม่ที่มีความหมายทางสรีรวิทยาซึ่งให้สัญญาณไฟฟ้าของกล้ามเนื้อที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นสำหรับแขนที่มีหลายฟังก์ชัน [kuiken-2009]; สัญญาณที่ถอดรหัสเดียวกันนี้ได้ขับเคลื่อนขาเทียมที่ใช้พลังงานในผู้ป่วยที่ถูกตัดแขนขาที่มีการย้ายเส้นประสาท [hargrove-2013] ในด้านข้อมูลป้อนกลับ, การกระตุ้นด้วยไฟฟ้าผ่านอิเล็กโทรดเส้นประสาทส่วนปลายสามารถกระตุ้นความรู้สึกสัมผัสเฉพาะที่ซึ่งอ้างอิงถึงมือที่หายไป ให้การรับรู้ที่ปรับระดับได้และคงที่เมื่อเวลาผ่านไป [tan-2014] และเมื่อเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์บนมือเทียมแบบเรียลไทม์ จะปิดวงจรสำหรับการควบคุมแบบสองทิศทาง [raspopovic-2014] การทบทวนวรรณกรรมได้รวบรวมรูปแบบข้อมูลป้อนกลับ—การกระตุ้นด้วยไฟฟ้าทางผิวหนัง, การสั่นสะเทือน, การกระตุ้นด้วยกลไก, และการกระตุ้นเส้นประสาทโดยตรง—ที่ใช้เพื่อวัตถุประสงค์นี้ [schofield-2014]

Clinical relevance

การฟื้นฟูการควบคุมและการรับรู้ที่ใช้งานง่ายกำลังถูกศึกษาเพื่อทำให้แขนขาเทียมใช้งานง่ายขึ้น, ลดความต้องการทางปัญญา, และรวมเข้ากับภาพลักษณ์ร่างกายของผู้ใช้ได้ง่ายขึ้น รายงานการวิจัยอธิบายการควบคุมหลายฟังก์ชันที่เป็นธรรมชาติมากขึ้นหลังจากการสร้างเส้นประสาทใหม่ [kuiken-2009] และการฟื้นฟูการรับรู้การสัมผัสผ่านการกระตุ้นเส้นประสาท [tan-2014][raspopovic-2014] บทความนี้อธิบายแนวคิดและสรุปผลการวิจัย; ไม่ใช่คำแนะนำทางการผ่าตัดหรือทางคลินิก และเทคนิคที่อธิบายนั้นมีความเฉพาะทางและส่วนใหญ่ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัย

Evidence & guidelines

หลักฐานส่วนใหญ่ประกอบด้วยการศึกษาขนาดเล็กที่มีความเฉพาะทางสูงและชุดกรณีศึกษาที่แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้และการพิสูจน์แนวคิด [kuiken-2009][tan-2014][raspopovic-2014][hargrove-2013] ซึ่งสังเคราะห์โดยการทบทวนวรรณกรรมเชิงบรรยายเกี่ยวกับวิธีการให้ข้อมูลป้อนกลับ [schofield-2014] แนวทางปฏิบัติหลายอย่าง—โดยเฉพาะอย่างยิ่งส่วนต่อประสานเส้นประสาทส่วนปลายโดยตรงและระบบสองทิศทางเต็มรูปแบบ—ยังคงอยู่ในขั้นตอนการวิจัยมากกว่าการดูแลตามปกติ และไม่มีแนวทางปฏิบัติมาตรฐานการดูแลที่ครอบคลุมสำหรับสิ่งเหล่านี้

History

การควบคุมด้วยไฟฟ้าของกล้ามเนื้อถูกนำมาใช้ในแขนขาเทียมมาตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 20 แต่เป็นเวลานานที่ให้คำสั่งที่จำกัดและไม่ใช้งานง่าย และไม่มีการส่งคืนความรู้สึก การสร้างเส้นประสาทกล้ามเนื้อเป้าหมายใหม่ในช่วงปี 2000 ได้ขยายการควบคุมแขนที่มีหลายฟังก์ชันที่ใช้งานง่าย [kuiken-2009] ในช่วงปี 2010 การกระตุ้นเส้นประสาทส่วนปลายเริ่มฟื้นฟูการสัมผัสที่ปรับระดับได้และคงที่ [tan-2014] และถูกรวมเข้ากับเซ็นเซอร์ของแขนขาเทียมเพื่อสร้างมือสองทิศทางแบบเรียลไทม์ [raspopovic-2014] ซึ่งเปลี่ยนสาขาจากระบบควบคุมทางเดียวไปสู่ส่วนต่อประสานแบบวงปิด

Debates

ส่วนต่อประสานแบบไม่รุกรานเทียบกับแบบรุกราน

การควบคุมด้วยไฟฟ้าของกล้ามเนื้อที่ผิวหนังและข้อมูลป้อนกลับที่ใช้ผิวหนังเป็นแบบไม่รุกรานและมีความเสี่ยงต่ำ แต่ให้สัญญาณที่หยาบกว่า ในขณะที่ส่วนต่อประสานเส้นประสาทและกล้ามเนื้อที่ฝังไว้ให้การควบคุมและความรู้สึกที่เลือกได้และเป็นธรรมชาติมากขึ้น โดยมีค่าใช้จ่ายในการผ่าตัดและความกังวลเกี่ยวกับความเสถียรในระยะยาว

ข้อมูลป้อนกลับทางประสาทสัมผัสที่เพิ่มเข้ามาช่วยปรับปรุงการทำงานในโลกแห่งความเป็นจริงหรือไม่?

ความรู้สึกที่ฟื้นฟูสามารถเพิ่มการรวมเข้ากับร่างกายและการทำงานของงานบางอย่างในการศึกษา แต่การสร้างประโยชน์ในการทำงานที่ยั่งยืนและสามารถนำไปใช้ได้จริงในการใช้งานประจำวันนั้นยังคงอยู่ระหว่างการพิสูจน์

Seminal works

• kuiken-2009
• tan-2014
• raspopovic-2014

Frequently asked questions

การสร้างเส้นประสาทกล้ามเนื้อเป้าหมายใหม่คืออะไร?

เป็นการผ่าตัดที่ย้ายเส้นประสาทที่เคยควบคุมแขนขาที่ถูกตัดไปยังกล้ามเนื้อที่เหลืออยู่ เมื่อผู้ใช้คิดที่จะขยับแขนขาที่หายไป กล้ามเนื้อเหล่านั้นจะหดตัว ทำให้เกิดสัญญาณไฟฟ้าที่แขนขาเทียมที่ควบคุมด้วยไฟฟ้าของกล้ามเนื้อสามารถอ่านได้เพื่อการควบคุมที่ใช้งานง่ายยิ่งขึ้น

มือเทียมสามารถทำให้ผู้ใช้รู้สึกสัมผัสได้หรือไม่?

แขนขาเทียมที่ใช้ในการวิจัยได้ฟื้นฟูความรู้สึกสัมผัสโดยการกระตุ้นเส้นประสาทส่วนปลายของผู้ใช้ด้วยไฟฟ้าในรูปแบบที่เชื่อมโยงกับเซ็นเซอร์บนมือ ระบบสองทิศทางเหล่านี้ส่วนใหญ่ยังคงเป็นการทดลองมากกว่าที่จะเป็นอุปกรณ์ทางคลินิกมาตรฐาน