การผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าเทียมโดยใช้คอมพิวเตอร์นำร่อง

การผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าเทียมโดยใช้คอมพิวเตอร์นำร่อง
Computer-Assisted Navigation in Total Knee Arthroplasty

นพ. สาธิต เที่ยงวิทยาพร
ภาควิชาออร์โธปิดิกส์
คณะแพทยศาสตร์วชิรพยาบาล มหาวิทยาลัยนวมินทราธิราช

การผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าเทียม (Total Knee Arthroplasty; TKA) เป็นการผ่าตัดเพื่อรักษาผู้ป่วยที่มีข้อเข่าเสื่อมในระยะสุดท้ายที่ไม่สามารถ ประสบความสำเร็จได้โดยวิธีการรักษาอื่นแล้ว โดยแพทย์จะนำผิวกระดูกอ่อน (cartilage) ที่เสื่อมสภาพแล้วออก หลังจากนั้นจะนำข้อเข่าเทียมซึ่งทำมาจากโลหะ และโพลีเอททิลีน (polyethylene) ที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อรักษาข้อเข่าเสื่อมโดยเฉพาะมาใส่แทนที่ แล้วยึดด้วยซีเมนต์พิเศษ ร่วมกับการจัดแกนขา (alignment) ให้ถูกต้อง ทำให้ภายหลังจากการผ่าตัดผู้ป่วยจะสามารถเคลื่อนไหวข้อเข่า ได้เป็นธรรมชาติและเดินลงน้ำหนักได้โดยปราศจากความเจ็บปวด

การผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าเทียมในปัจจุบันได้มีการนำเอาเทคโนโลยีของคอมพิวเตอร์มาช่วยผ่าตัด (Computer-Assisted Surgery-Total Knee Arthroplasty; CAS-TKA) เพื่อหวังผลในแง่การวางตำแหน่งข้อเทียมได้แม่นยำขึ้น, ลดปริมาณการเสียเลือดจากการผ่าตัด รวมทั้งลดโอกาสเกิด fat embolism ลง แต่ก็มีข้อถกเถียงกันในเรื่องของเวลาที่ใช้ในการผ่าตัด (operative time) ที่นานขึ้น, ค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้น และจำเป็นต้องอาศัยการเรียนรู้ของแพทย์ (learning curve)

History of Computer-Assisted Surgery

การผ่าตัดโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยผ่าตัดเริ่มมีการใช้ครั้งแรกในการผ่าตัดทางสมอง(Neurosurgery) เมื่อปี ค.ศ. 19801 หลังจากนั้นในราว ค.ศ. 1990 จึงมีการใช้ในการผ่าตัดทางศัลยกรรมกระดูกและข้อ (Orthopedics Surgery)2 โดยเริ่มจากการผ่าตัดกระดูกสันหลัง (spine surgery) หลังจากนั้นจึงค่อยเริ่มใช้ในการผ่าตัดข้อสะโพก (hip surgery) และข้อเข่า (knee surgery) ตามลำดับ โดยในยุคเริ่มต้นนั้นเป็นการผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าเทียมโดยใช้หุ่นยนต์ช่วยผ่าตัด (Robotic-assisted TKA) แต่เนื่องจากความใหญ่โตและซับซ้อนของหุ่นยนต์ช่วยผ่าตัดทำให้ไม่ได้รับความนิยม จนกระทั่งในช่วง 10 ปีหลังที่ผ่านมาการใช้คอมพิวเตอร์ช่วยผ่าในรูปแบบของคอมพิวเตอร์นำร่อง (Computer-Navigated TKA) ที่มีขนาดและความซับซ้อนน้อยลงรวมถึงแพทย์มีส่วนร่วมในการผ่าตัดมากขึ้นจึงกลับมาได้รับความสนใจอีกครั้ง

The Rationale for Computer-Assisted Total Knee Arthroplasty

การผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าเทียมด้วยวิธีมาตรฐานดั้งเดิม (Standard Total Knee Arthroplasty) เป็นการผ่าตัดที่ทำกันมานานกว่า 30-40 ปี โดยที่ผลของการผ่าตัดก็ดีเป็นที่น่าพอใจ มีอัตราความสำเร็จ 90-95% ที่ 10-15 ปี3-5 อย่างไรก็ตามสาเหตุหลักที่ทำให้อายุการใช้งานของข้อเข่าเทียมสั้นลงคือความผิดพลาดจากการวางตำแหน่งข้อเทียม (alignment errors and malposition of implants) โดย Fehring และคณะ6 พบว่าการวางตำแหน่งข้อเทียมผิดพลาดที่ทำให้แกนขา (alignment) ผิดไปจากปกติมากกว่า 3 องศา จะมีผลทำให้ข้อเทียมหลุดหลวม (loosening) ถึง 24% ภายใน 3 ปี และแพทย์ที่ใช้เครื่องมือปกติ (conventional instrument, mechanical alignment system) ในการทำผ่าตัดมีอัตราความผิดพลาดที่ทำให้แกนขาผิดไปจากปกติมากกว่า 3 องศาถึง 10%7 ดังนั้นจึงมีความพยายามในการเพิ่มความสำเร็จและลดความผิดพลาดของการผ่าตัดโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยผ่าตัด8-13 นอกจากนี้แล้วเนื่องจากไม่จำเป็นต้องเจาะโพรงกระดูกต้นขาเพื่อใส่เครื่องมือช่วยตัดเหมือนการผ่าตัดแบบมาตรฐานจึงลดปริมาณการเสียเลือด14 รวมทั้งลดโอกาสเกิด fat embolism ลง15-16

Classification and Characteristics of Computer-Assisted Total Knee Arthroplasty

Picard et al.17 แบ่ง classification ของ CAS-TKA ตามความมากน้อยในการมีส่วนร่วมผ่าตัดของแพทย์ออกเป็น แบบที่แพทย์มีส่วนร่วมในการผ่าตัดน้อย (Active system), ปานกลาง (Semiactive system) และมาก (Passive system) แล้วแบ่งตามวิธีการนำข้อมูลภาพ (Image) เข้ามาใช้ ออกเป็นแบบต้องมีข้อมูลภาพก่อนทำผ่าตัด (Pre-operative image; CT scan ), แบบต้องมีข้อมูลภาพระหว่างที่ทำผ่าตัด(Intra-operative image; Fluoroscopy) และ แบบที่ไม่ต้องมีข้อมูลภาพเลยแต่อาศัยจากข้อมูลที่รวบรวมไว้เป็นจำนวนมากใน software ของคอมพิวเตอร์(Image-Free) ทำให้เกิดระบบขึ้นทั้งหมด 9 ระบบ (3×3) ดังตารางที่ 1 โดยแบบที่นิยมใช้กันอยู่ในปัจจุบัน คือ Passive system ร่วมกับ Image-Free หรือ “Image-Free Navigation system” (Computer-Navigated TKA) นั่นเอง

Technical Steps of Computer-Assisted Total Knee Arthroplasty

ถึงแม้ว่าเทคนิคของ CAS-TKA จะดูซับซ้อน ทั้งนี้เนื่องมาจากเป็นการผ่าตัดวิธีใหม่ซึ่งจำเป็นต้องอาศัยการเรียนรู้ของแพทย์ (learning curve) พอสมควร อย่างไรก็ตามขั้นตอนหลักในการผ่าตัดสามารถแบ่งออกเป็น 4 ขั้นด้วยกัน18 คือ

1. Data (Image) acquisition คือการนำข้อมูลภาพเข้ามาใช้ ซึ่งมีอยู่ 3 วิธี
1.1 Pre-operative image โดยได้จากการทำ CT scan เข่าผู้ป่วยก่อนทำผ่าตัด
1.2 Intra-operative image โดยได้จากการทำ Fluoroscope เข่าผู้ป่วยขณะทำผ่าตัด
1.3 Image-Free โดยอาศัยข้อมูลภาพที่เก็บรวบรวมข้อมูลไว้เป็นจำนวนมากใน software ของคอมพิวเตอร์

2. Registration หมายถึงการเชื่อมโยงข้อมูลภาพกับตำแหน่งทางกายวิภาคจริงของผู้ป่วยขณะทำ ผ่าตัดให้ตรงกัน ในกรณีเป็นแบบ Image-Free Navigation คอมพิวเตอร์จะกำหนดให้ แพทย์เลือกตำแหน่งบนกระดูกของผู้ป่วยหลายๆตำแหน่งให้ตรงกับที่คอมพิวเตอร์ ต้องการ หลังจากนั้น คอมพิวเตอร์จะนำข้อมูลที่ได้ไปประมวลกับข้อมูลภาพที่เก็บ รวบรวมไว้เป็นจำนวนมากใน software แล้วสร้างเป็นภาพขึ้นมา

3. Tracking หมายถึงการเชื่อมโยงตำแหน่งทางกายวิภาคจริงของผู้ป่วยขณะทำผ่าตัด กับเครื่องมือที่ใช้ในการทำผ่าตัด (เช่น guides, saw, jigs) แบบ real-time โดยอาศัย Tracker ซึ่งมี 2 แบบคือ
3.1 Optical Tracking System ใช้ Infrared light ซึ่งเป็นแบบที่มีผู้นิยมใช้แพร่หลายกว่า แต่มีข้อเสียคือห้ามมีการบังแสง infrared ในขณะทำผ่าตัดจะทำให้การเชื่อมโยงหยุดชะงักได้ (ภาพที่ 1)
3.2 Electromagnetic Tracking System ใช้ Electromagnetic field ที่ปล่อยจาก Emitter มีข้อดีคือไม่มีปัญหาของการบังแสงในขณะทำผ่าตัด แต่มีปัญหาหารบกวนสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากวัสดุพวก ferromagnetic (ภาพที่ 2)

ภาพที่ 1 Optical Tracking Systems แสง infrared ที่ส่งออกมาจะเชื่อมโยงตำแหน่งทางกายวิภาคจริง ของผู้ป่วยขณะทำผ่าตัดกับเครื่องมือที่ใช้ผ่าตัดแบบ real-time โดยอาศัย Tracker ที่ติดอยู่บนกระดูก femur และ tibia สร้างภาพให้เห็นที่จอ monitor

ภาพที่ 2 Electromagnetic Tracking Systemsสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งมาจาก Emitterเชื่อมโยงตำแหน่งทางกายวิภาคจริงของผู้ป่วยขณะทำผ่าตัดกับเครื่องมือที่ใช้ผ่าตัดแบบ real-time โดยอาศัย Tracker ที่ติดอยู่บนกระดูก femur และ tibia สร้างภาพให้เห็นที่จอ monitor

4. Intraoperative measurement and feedback หมายถึงคอมพิวเตอร์เปิดโอกาสให้แพทย์ลองกำหนดแนวตัดบนกระดูกของผู้ป่วยขณะทำผ่าตัดและปรับแก้เพื่อให้ได้ความหนาของกระดูก, มุมองศา (Valgus-Varus) รวมถึงมุมก้มเงย (Flexion-Extension) ที่ถูกต้องก่อนที่จะตัดกระดูกจริง (ภาพที่ 3)

ภาพที่ 3 ภาพที่ได้จากจอมอนิเตอร์แสดงแนวตัดบนกระดูกของผู้ป่วยขณะทำผ่าตัดซึ่งสามารถปรับแก้เพื่อให้ได้ความหนาของกระดูก, มุมองศา (Valgus-Varus) รวมถึงมุมก้มเงย (Flexion-Extension) ที่ถูกต้องก่อนที่จะตัดกระดูกจริง

Clinical Results of Computer-Assisted Total Knee Arthroplasty

ความนิยมในการผ่าตัด CAS-TKA ทั่วโลกได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วง 2-3 ปีที่ผ่านมา แต่การเปลี่ยนแปลงการผ่าตัดจาก standard technique มาเป็น CAS ไม่ได้ง่ายสำหรับแพทย์ส่วนใหญ่ การเสียเวลาในการผ่าตัดและต้องมี learning curve ทำให้แพทย์ส่วนใหญ่ล้มเลิกการผ่าตัดวิธีนี้ ในงานประชุม American Academy of Orthopaedic Surgeons 2007 มีการนำเสนอผลงาน (free paper ) ที่เป็น prospective, randomized study เรื่อง “Alignment and orientation of total knee components with and without navigation support” โดย Young-Hoo Kim19 สรุปว่าไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญของการใช้หรือไม่ใช้ navigation ในเรื่องของ post-operative limb alignment, position of components, pain scores, range of motion, blood loss, KSS scores และ functional scores แต่การใช้ navigation เพิ่ม operative time อย่างมีนัยสำคัญ ขณะที่ published paper ส่วนใหญ่ก่อนหน้านี้สรุปว่าการใช้ navigation เพิ่ม accuracy ของ bone cut โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน frontal alignment, ลด “outlier”8-13, ลด blood loss14 และ ลดโอกาสเกิด fat embolism15-16

Experience of Computer-Assisted Total Knee Arthroplasty in Bangkok Metropolitan Administration Medical College and Vajira Hospital

การผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าเทียมโดยใช้คอมพิวเตอร์นำร่อง ที่วิทยาลัยแพทยศาสตร์กรุงเทพมหานครและวชิรพยาบาล เริ่มต้นตั้งแต่ปลายปี พ.ศ. 2549 ถึง พฤษภาคม 2550 ทำผ่าตัดในผู้ป่วยไปแล้ว 71 เข่า โดยเป็นการผ่าตัดข้อเข่าเทียมแบบเนื้อเยื่อบาดเจ็บน้อยร่วมกับการใช้คอมพิวเตอร์นำร่อง (Minimally Invasive Surgery-Computer Assisted Total Knee Arthroplasty; MIS-CAS-TKA) ด้วย Electromagnetic Navigation พบว่า ขนาดแผลผ่าตัดเฉลี่ย 8.5 เซนติเมตร, การวางตำแหน่งข้อเทียมผิดพลาดที่ทำให้แกนขาผิดไปจากปกติมากกว่า 3 องศา (alignment> 3 degree from mechanical axis) 3.3%, เสียเลือดจาก drain เฉลี่ย 355 ซีซี (180-560 ซีซี), ผู้ป่วยลุกเดินวันแรกหลังผ่าตัด 98%, ระยะเวลาในการผ่าตัดนานขึ้นเฉลี่ย 15 นาทีจากขั้นตอนของการผ่าตัดวิธีใหม่ที่มากขึ้น, ไม่พบว่ามีภาวะแทรกซ้อนร้ายแรงหลังผ่าตัด ส่วนรายละเอียดของผลการศึกษาอื่นอยู่ในระหว่างรวบรวมข้อมูลเพื่อตีพิมพ์ต่อไป

หมายเหตุ:
* อ้างอิงจากแนวทางการให้การดูแลผู้ป่วยผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าเทียมวิธีมาตรฐานดั้งเดิมในโรงพยาบาลวชิรพยาบาล
**อ้างอิงจากประสบการณ์ของผู้เขียนที่ทำผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าเทียมผู้ป่วยในโรงพยาบาลวชิรพยาบาล

ภาพที่ 4 แสดงขนาดของแผลผ่าตัดและภาพเอกซเรย์หลังผ่าตัดของผู้ป่วยภายหลังการผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าเทียมแบบเนื้อเยื่อบาดเจ็บน้อยโดยใช้คอมพิวเตอร์นำร่อง (MIS-CAS-TKA) ที่วิทยาลัยแพทยศาสตร์กรุงเทพมหานครและวชิรพยาบาล

Conclusion

การผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าเทียมโดยใช้คอมพิวเตอร์นำร่องเป็นนวัตกรรมทางการแพทย์ เมื่อผสานกับการผ่าตัดข้อเข่าเทียมแบบเนื่อเยื่อบาดเจ็บน้อย เกิดเป็นการผ่าตัดข้อเข่าเทียมแบบเนื่อเยื่อบาดเจ็บน้อยโดยใช้คอมพิวเตอร์นำร่อง (Minimally Invasive Surgery-Computer Assisted Total Knee Arthroplasty; MIS-CAS-TKA) ทำให้เกิดพัฒนาการทางการผ่าตัดข้อเข่าเทียมที่เป็นความก้าวหน้าในทางการแพทย์สาขาออร์โธปิดิกส์อีกมิติหนึ่ง ส่งผลให้เกิดความเปลี่ยนแปลงที่ดีต่อผู้ป่วยอย่างเด่นชัดในปัจจุบัน ในอนาคตเมื่อการพัฒนาด้านเทคโนโลยีของคอมพิวเตอร์ที่ดีมากขึ้น จะทำให้ผลการผ่าตัดของแพทย์ดียิ่งขึ้นอีก จึงเป็นเรื่องที่เราต้องติดตามอย่างใกล้ชิดและคงหลีกพ้นเทคโนโลยีการทำผ่าตัดด้วยวิธีนี้ได้ยาก

References

1. Soni AH, Gudavalli MR, Herndon WA, et al. Application of passive robot and spine surgery. Presented at Eighth Annual Conference of IEEE/Engineer Biology and Medical Society, 1986, 1186-1191.

2. Picard F, Moody JE, DiGioia AM, et al. History of computer-Assisted orthopaedic surgery of hip and knee. In DiGioia AM, Jaramaz B, Picard R, Nolte PL (eds): Computer and Robotic Assisted Knee and Hip Surgery. Oxford, Oxford University Press, 2004, 1-22.

3. Hoffmann AA, Evanich JD, Ferguson RP, et al. Ten to 14 year clinical follow up of cementless Natural Knee system. Clin Orthop. 2001; 388:85-94.

4. Khaw FM, Kirk LM, Grgg PJ. Survival analysis of cemented press-fit condylar total knee arthroplasty. J Atthroplasty. 2001; 16:161-167.

5. Ritter MA, Berend ME, Meding JB, et al. Long-term follow up of anatomic graduated components posterior cruciate-retaining total knee arthroplasty. Clin Orthop. 2001; 388:51-57.

6. Fehring TK, Odum S, Griffin WL, Mason JB, Naduad M. Early failures in total knee arthroplasty. Clin Orthop. 2001; 392:315-318.

7. Bargren JH, Blaha JD, Freeman MA. Alingnment in Total Knee Arthroplasty: Correlate biomechanical and clinical observations. Clin Orthop. 1985, 173:178-183.

8. Oberst M, Bersch,C, Wurstlin S, Holz U. CT analysis of leg alignment after conventional vs navigated knee prosthesis implantation, Initial results of a controlled, prospective and randomized study. Unfallchirurg. 2003; 106:941-948.

9. Saragaglia D, Picard F, Chussard C, Montbarbon E, Leitner F, Clinquin P. Computer–assisted knee arthroplasty: comparison with a conventional procedure. Rev Chir Orthop Reparatrice appar Mot. 2001; 87:18-28.

10. Haaker RG, Stockheim M, Kamp M, Proff G, Britenfelder J, Ottersbach A. Computer–assisted navigation increases precision of component placement in total knee arthroplasty. Clin Orthop. 2005; 433:152-159.

11. Anderson KC, Buehler KC, Markel DC. Computer–assisted navigation total knee arthroplasty: comparison with a conventional method. Atthroplasty. 2005; 20:132-138.

12. Bolognesi M, Hofmann A. Computer navigation versus standard instrumentation for total knee arthroplasty: A single surgeon experience. Clin Orthop. 2005; 440:162-169.

13. Zorman D, Etuin P, Jennart H, Scipioni D, Devos S. Computer–assisted total knee arthroplasty: comparative results in a preliminary series of 72 cases. Acta Orthop Bleg. 2005; 71:696-702.

14. Dillon J, McConnel J. Blood loss following total knee arthroplasty: Computer–assisted versus standard techniques. Presented at 2007 AAOS Annual Meeting. 2007. 444.

15. Hall TM, Callaghan JJ. Fat embolism precipitated by reaming of the femoral canal during a revision total knee replacement: a case report. J Bone Joint Surg Am.1994; 76:899-903.

16. Janes GC, Church S, Scadden J, Gupta RR. Embolic phenomena during computer–assisted and conventional total knee arthroplasty. Presented at 2007 AAOS Annual Meeting. 2007. 444.

17. Picard F, Moody JE, DiGioia AM III, et al. Clinical classification of CAOS systems. In DiGioia AM, Jaramaz B, Picard R, Nolte PL (eds): Computer and Robotic Assisted Knee and Hip Surgery. Oxford, Oxford University Press, 2004, 43-48.

18. DiGioia AM III. Surgical navigation and robotics for adult reconstruction and trauma. Instructional Course Lecture, American Academy of Orthopaedic Surgeons. 2002.

19. Kim YH, Kim JS, Kim DY. Alignment and orientation of total knee components with and without navigation support. Presented at 2007 AAOS Annual Meeting. 2007. 444.