Hintergrund

Die Implantation einer Knieendoprothese zählt heute zu den Routineoperationen, sie bleibt jedoch immer noch ein anspruchsvoller Eingriff. Gleichzeitig steigen auch die Ansprüche der Patienten, denn sie werden nicht nur immer älter, sie sind auch länger aktiv. Mit einer totalen Knieendoprothese (TEP) kann eine starke Verbesserung der Funktion des Gelenks sowie eine Linderung der Schmerzen und somit eine höhere Lebensqualität der Patienten erreicht werden [7, 15, 49]. Dennoch klagen 20–30 % der Patienten nach einer TEP über Schmerzen und mit der Zeit über Einschränkungen in der Funktion [2, 7, 20, 24, 57]. Innerhalb der ersten 10 Jahre nach der Erstimplantation müssen sich bis zu 10 % der Patienten wegen Versagens der Prothese einer Revision unterziehen [13, 44, 50]. Verantwortlich dafür sind in Deutschland v. a. Lockerungen (23,9 %), Infektionen (14,5 %) und Bandinstabilitäten (8,5 %) [17]. Bei der unikondylären Kniearthroplastik (UKA) sind die Versagensraten höher als bei der TEP und bereits in der Frühphase zu erkennen [17].

Eine stark von der neutralen mechanischen Achse abweichende Beinachse ist eine wichtige Ursache für lockerungsbedingte Revisionen [40]. In Studien wurde aufgezeigt, dass bereits eine Achsenabweichung von ±3° in der koronaren Ebene das Risiko eines Versagens der Prothese erhöhen kann [37, 40, 44]. Trotz der Verwendung von intra- oder extramedullären Ausrichtungsstäben treten schätzungsweise bei mindestens 10 % der konventionellen TEP (konv-TEP), und zwar auch bei jenen, die von erfahrenen Chirurgen durchgeführt werden, signifikante Abweichungen in der postoperativen mechanischen Achse von mehr als 3° auf [64]. Eine Fehlstellung der unteren Extremität verändert die Kräfteverteilung über das Knie und fördert dadurch die Abnutzung der Prothese und Instabilitäten [6].

Eine optimale Beinachse wird durch die ideale Positionierung der Prothesenkomponenten erreicht

Eine optimale Beinachse wird durch die ideale Positionierung der Prothesenkomponenten, respektive eine exakte knöcherne Resektion und eine präzise Balancierung der Weichteile erreicht [40, 44]. Um die Präzision der Positionierung der Prothesenkomponenten und der mechanischen Ausrichtung der unteren Extremität zu erhöhen, wurde die computerassistierte Navigation in den späten 1990er Jahren, gefolgt von der Robotik Anfang 2000, eingeführt [36].

Es gibt nach wie vor widersprüchliche Daten hinsichtlich der Frage, ob der zunehmende Einsatz von navigations- und roboterassistierter Chirurgie zu einer Verbesserung der Überlebensrate, der klinischen Ergebnisse oder der Patientenzufriedenheit führt. Das Ziel dieses Artikels ist es, die computerassistierte Chirurgie vorzustellen, zu bewerten und die unterschiedlichen Ergebnisse zu diskutieren.

Computerassistierte orthopädische Chirurgie

Es gibt 3 Arten von computerassistierter Chirurgie: Die Navigation unterstützt den Chirurgen bei der präoperativen Planung, der chirurgischen Simulation oder der intraoperativen Führung. Die einzelnen Operationsschritte liegen in der Hand des Chirurgen, weshalb das System passiv genannt wird. Vor der Operation wird eine Computertomographie (CT) und eine dreidimensionale (3-D) Computerplanung des Knies angefertigt [63]. Intraoperativ werden Sensoren an das Femur und an die Tibia fixiert und von einer an einen Computer gekoppelten stereotaktischen Infrarotkamera erkannt (Abb. 1). Anatomische Orientierungspunkte werden darauf von einem Pointer abgefahren, der von der Kamera erkannt wird, so dass der Computer die Knochensegmente und das Kniegelenk in 3‑D im Raum rekonstruieren kann. Die Operation wird dann unter Visualisierung des rekonstruierten Gelenks auf dem Bildschirm durchgeführt. Der Chirurg führt die Knochenschnitte mit der Säge selbst durch, wobei Instrumente verwendet werden, die es dem Chirurgen ermöglichen, jederzeit die korrekte Durchführung der Operation zu überprüfen.

Abb. 1
figure 1

Die Position der an Femur und Tibia fixierten Sensoren wird durch eine stereotaktische Kamera registriert. Dies ermöglicht die Lokalisation des Femurs und der Tibia im Raum. (Mit freundlicher Genehmigung Dr. Nanne Kort, CortoClinics, Schijndel/NL)

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Die Robotik wird in aktive und semiaktive Systeme unterteilt [58]. Beide benötigen eine ausführliche präoperative Planung und intraoperative Navigation.

Beim semiaktiven System bewegt der Chirurg selbst die Säge oder Fräse, die an einem artikulierten Arm befestigt ist, wobei er in seiner Bewegungsfreiheit entsprechend den präoperativ festgelegten Grenzen eingeschränkt wird (Abb. 2). Das System stoppt die Bewegungen des Chirurgen, wenn der vorher festgelegte Weg überschritten wird.

Abb. 2
figure 2

Semiaktives Robotersystem Mako® (Stryker Corporation, Kalamazoo, Michigan, USA). Links unten befindet sich die Steuerzentrale mit dem artikulierten Arm, der die Fräse oder Säge trägt. Der Chirurg wird somit in seiner Bewegungsfreiheit entsprechend den präoperativ festgelegten Grenzen eingeschränkt. (Mit freundlicher Genehmigung Dr. Nanne Kort, CortoClinics, Schijndel/NL)

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Beim aktiven System führt ein artikulierter Arm alleine unter visueller Kontrolle des Chirurgen die Knochenschnitte selbstständig durch.

Computerassistierte vs. konventionelle Technik

Alignement und Positionierung der Prothesenkomponenten

Navigation

Gemäß mehreren Studien erfolgt bei der nav-TEP eine präzisere Annäherung der postoperativen Beinachse an die neutrale mechanische Achse [42, 43]. Die Mehrheit der Autoren ist sich darin einig, dass die Streubreite um die neutrale, mechanische Achse mit der Navigation kleiner wird [4, 8]. In der Metaanalyse von Bauwens et al. [4] wurde aufgezeigt, dass trotz einer gleichen, gemittelten postoperativen Beinachse in beiden Gruppen dank der Navigation 25 % weniger Knie eine Abweichung der neutralen mechanischen Achse von 3° bzw. 2° aufwiesen.

Allgemein wird die Ausrichtung und die Positionierung der Prothesenkomponenten mittels nav-TEP präziser, da Winkelabweichungen vom präoperativ geplanten Ziel und der Anteil der Ausreißer verringert werden. Divergenzen ergaben sich v. a. bei den einzelnen Komponenten und Ebenen [43, 65]. Gemäß der Metaanalyse von Mason et al. [42] wurden Abweichungen von ±2° bzw. ±3° in allen Ebenen signifikant reduziert, mit Ausnahme der tibialen Neigung (Slope). Andere Autoren stellten hingegen fest, dass der tibiale Slope näher bei den gewünschten 5° lag [65]. Die Präzision der koronaren und sagittalen Ausrichtung der femoralen Komponente wurde mit der Navigation erhöht, jedoch nicht jene der tibialen [43]. Im Gegensatz dazu berichteten Tandogan et al. [65], dass die Navigation die Genauigkeit der Rotationsausrichtung der tibialen Komponente verbessern kann und dass die Rotationsausrichtung beider Komponenten in beiden Gruppen gleich war.

Robotik

Marchand et al. [41] führten eine Serie von 330 rob-TEP durch, wobei 129 Knie einen schweren Varus und 7 einen schweren Valgus aufwiesen, alle mit Abweichungen von > 7°. Im Endergebnis konnten dank der Robotik 64 % der schweren Varusknie, alle nichtschweren Varusknie und alle Valgusknie in die neutrale Position korrigiert werden. Diese Feststellung wird auch von anderen Autoren bestätigt [60, 68]. Zudem gab es in der rob-TEP-Gruppe keine Ausreißer (> ±3°) in der Beinachse [61].

Eine randomisierte kontrollierte Studie von Kim et al. [34] mit 1516 Patienten über 65 Jahre und einer mittleren Verlaufszeit von 13 Jahren konnte nachweisen, dass der femorotibiale Winkel, die Positionierung der femoralen und tibialen Komponente in der koronalen und sagittalen Ebene in beiden Gruppen identisch waren.

Lee et al. [38] fanden hingegen in randomisierten kontrollierten Studien keinen signifikanten Unterschied bezüglich Ausreißern der Beinachse sowie der Femur- und Tibiakomponenten in der koronalen Ebene.

Gemäß einigen Studien konnte mit der rob-TEP erfolgversprechend eine verbesserte Spalt- und Weichteilbalancierung erreicht werden [27, 60, 61].

Klinische Ergebnisse und PROMs

Navigation

Obwohl die Ausrichtung der Beinachse und die Positionierung der Prothesenkomponente insgesamt verbessert wurde, scheint sich dies in den Ergebnissen zur Funktion und in der individuellen Wahrnehmung der Patienten (PROMs) nicht widerzuspiegeln.

In einer Gruppe von 60 Patienten, die sich einer bilateralen Knie-TEP unterziehen mussten, wurde ein Knie konventionell und das andere navigiert operiert [21]. Auch nach 8 Jahren wurde keine Verbesserung der klinischen Ergebnisse erzielt. Angewendet wurden der Hospital for Special Surgery Score (HSS), der Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index (WOMAC), der Short form-36 sowie der International Knee Society Score (IKS). Eine Autorengruppe um Panjwani et al. [53] hat in einer Metaanalyse aus (18 qualitativen Studien) mit 3060 Knien die funktionellen Ergebnissen wie der „range of motion“ (ROM), der Knee Society Score (KSS), der WOMAC ermittelt. In den Verlaufskontrollen bis 5 Jahre gab es keinen Unterschied zwischen den beiden Gruppen, zwischen 5 und 8 Jahren konnten sie jedoch eine signifikante Verbesserung des WOMAC und des Function Score des KSS in der nav-TEP-Gruppe identifizieren [51]. Weitere Autoren kamen ebenfalls zum Schluss, dass beide Techniken auch noch nach 10 bis 12 Jahren gleiche Ergebnisse liefern [8, 14, 33, 38, 46, 55].

Robotik

Yang et al. [68] beobachteten in einer retrospektiven Studie mit 113 Knien bis 10 Jahre postoperativ keinen Unterschied zwischen den beiden Gruppen hinsichtlich WOMAC, ROM, HSS, der Schmerzintensität sowie der Komplikationen. Weitere Studien zeigen das gleiche Resultat [60, 61]; so Kim et al. [34], die in einer randomisierten kontrollierten Studie mit 1516 Patienten unter 65 Jahren nach einer mittleren Verlaufszeit von 13 Jahren ebenfalls keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf KSS, WOMAC und ROM feststellten.

Peri- und intraoperative Ergebnisse

Navigation

Der Großteil der Studien berichtet über eine signifikant verlängerte Operationszeit, wobei diese mit steigender Erfahrung auf 6–18 min sinkt [4, 12, 14, 21, 46, 55].

In einer retrospektiven Studie mit 878 TEP kam es bei 2,3 % der Knie intraoperativ zu Lockerungen des Referenzstabes, Brüchen des Femurs und Ausfällen des Informatiksystems, die intraoperativ einen Wechsel zur konventionellen Technik erforderten [49]. Das Auftreten von postoperativen thrombembolischen Ereignissen und Protheseninfektionen ist bei beiden Verfahren gleich zu bewerten [1, 46]. Die Navigation führt anscheinend zu weniger Hämoglobinabfällen [21].

Robotik

Die Operationszeit ist auch bei der rob-TEP deutlich verlängert (25 min; [61]). Bezüglich Komplikationen gab es keinen Unterschied zwischen den beiden Gruppen [20, 37, 38], und in der rob-TEP-Gruppe war der intra- und postoperative Blutverlust geringer (ca. 250 ml; [29, 60, 61]). Mit roboterassistierter Technik operierte Patienten konnten bis zu einem Tag früher aus dem Spital entlassen werden und benötigten weniger Rehabilitationsaufenthalte [18, 27]. Inwiefern hier ein gewisser Placeboeffekt vorliegt, ist zu diskutieren.

Überlebensraten

Navigation

In einer Studie von Robert et al. [55], die auf dem New Zealand Joint Registry (NZJR) basiert, war bei 19,221 TEP mit einer mittleren Nachbeobachtungszeit von 4,5 bzw. 12 Jahren die Gesamtrevisionsrate wie auch jene bei Patienten unter 65 Jahren in beiden Gruppen ähnlich [8, 33]. In einer weiteren populationsbasierten Studie mussten sich unter 65-Jährige 1,8 % weniger Revisionen unterziehen [1]. In ähnlicher Weise reduzierte die Navigation gemäß einer prospektiven Studie, die auf australischen Registerdaten von 44,573 TEP basierte, auch noch 9 Jahre postoperativ, die Gesamtrevisionsrate und die Revisionsrate wegen Lockerung bei den unter 65-Jährigen [62].

Robotik

Kim et al. [34] verzeichneten in einer randomisierten kontrollierten Studie mit 1516 Patienten unter 65 Jahren bei einer Nachbeobachtungszeit von 15 Jahren in beiden Gruppen eine Überlebensrate von 98 %.

Computerassistierte Chirurgie vs. konventionelle Technik in der UKA

Navigation

Es gibt wenig vergleichende Studien zwischen der nav-UKA und der konv-UKA. Auch hier wird die genauere postoperative Ausrichtung der mechanischen Achse und der Prothesenkomponenten bei der nav-UKA hervorgehoben [23, 31] sowie auf eine Reduktion der Anzahl Ausreißer in der mechanischen Achse und in aller Ebenen der Komponentenausrichtung hingewiesen [56]. Dies war auch der Fall in der Studie von Song et al. [59], die 9 Jahre postoperativ eine optimalere koronare, jedoch nicht sagittale Ausrichtung der Komponenten, weniger Ausreißer, bessere klinische Ergebnisse (HSS, WOMAC, Schmerzen) und 10-Jahres-Überlebensrate der Prothese beobachtete.

Robotik

Die meisten Studien zu UKA hatten den Vergleich zwischen Robotik und konventioneller Technik zum Gegenstand. Die Mehrheit der Studien belegte, dass mit der Robotik eine signifikant verbesserte postoperative Ausrichtung des Beins und eine idealere Komponentenpositionierung erreicht wurden und dass weniger Abweichungen der präoperativen Planung auftraten [3, 5, 9, 11, 19, 22, 31, 39, 48, 66].

Mit der rob-UKA betrugen die Abweichungen der Beinachse postoperativ 0,2°–0,9°, wobei sich über 87 % der Knie innerhalb von ±2° befanden. In Bezug auf dieses Kriterium lassen sich bei der konv-UKA Werte von 2,7–2,8° und 40–60 % nachweisen [11, 31, 39].

In einer randomisierten kontrollierten Studie von Bell et al. [5] war der Anteil der Patienten mit einer Komponentenpositionierung innerhalb von 2° der Zielposition in der Gruppe mit rob-UKA signifikant größer als in der Gruppe mit konv-UKA, und zwar in allen Ebenen der femoralen Komponente und in der sagittalen und axialen Ebene der Tibiakomponente [5].

Bei den rob-UKA wurde eine geringere Resektionsbreite des Tibiaplateaus festgestellt sowie eine bessere Restitution der Höhe der Gelenklinie und des Slopes beobachtet [19, 39, 54].

Die Operationszeit war bei der roboterassistierten UKA im Durchschnitt länger

Die Operationszeit war auch bei der rob-UKA im Durchschnitt länger [11, 67, 69], jedoch konnte die Hospitalisationsdauer verkürzt werden [30].

Eine multizentrische Studie wies nach, dass nach 5,7 Jahren die Überlebensrate bei 97 % lag. Patienten, die sich keiner Revision unterziehen mussten, waren zu diesem Zeitpunkt zu 91 % entweder sehr zufrieden oder zufrieden mit ihrer Kniefunktion [35, 53]. Weitere Studien eruierten nach 2 Jahren eine Überlebensrate von über 95 % mit der rob-UKA und zwischen 89 % und 96,3 % mit der konv.-UKA [3, 16, 45]. In den funktionellen und patientenbezogenen Ergebnismessungen wurde hinsichtlich WOMAC, OKS und KSS kein signifikanter Unterschied bis 2 Jahren postoperativ beschrieben [11, 16, 52, 67, 69].

Die Robotik bietet dem Chirurgen mit geringeren Fallzahlen die Möglichkeit, diese mangelnde Erfahrung dank der Robotik wettzumachen [25, 26]. Auch bei ihnen wurde eine präzisere Position der Komponenten und günstige Lernkurve bezüglich der Operationszeit beobachtet [25, 28].

Computerassistierte Navigation vs. Robotik in der Knieendoprothetik

Es findet sich nur eine Studie, die Vergleiche zwischen der nav-TEP und der rob-TEP anstellt. Clark et al. [10] fanden heraus, dass die Robotik eine der neutralen mechanischen Achse um 0,5° nähere postoperative Beinachse erreicht und eine kürzere Operationszeit sowie einen kürzeren Krankenhausaufenthalt (0,6 Tage) erfordert [10].

Diskussion

Die Navigation erlaubt es dem Chirurgen, synchron eine Rückmeldung zu einzelnen Operationsschritten zu erhalten, so dass er das Operationsergebnis optimieren und intraoperative Fehler verringern kann. Die heutigen Systeme nehmen dem Chirurgen die Planung nicht ab. Bei Zuhilfenahme der Robotik übernimmt jedoch der Roboter zusätzlich gewisse Schritte der Ausführung (Säge oder Fräse) und bietet so zusätzliche Präzision und auch eine gewisse Sicherheit, kein Gewebe zu verletzen.

Es ist allgemein anerkannt, dass die Verwendung der computerassistierten Navigation im Vergleich zur konventionellen Technik sowohl hinsichtlich der TEP wie der UKA eine präzisere und reproduzierbare Wiederherstellung der mechanischen Achse und der Positionierung der Prothesenkomponenten ermöglicht. Mit der Robotik wird theoretisch zusätzlich zur präziseren Achsenausrichtung und Positionierung der Prothesenkomponenten die unabsichtliche Verletzung von Weichteilgewebe vermindert [27, 32]. Dies wird insbesondere durch die Limitation des Bewegungswegs der Säge und durch die planbare Prothesenposition erreicht. Chirurgen, die in der unikondylären Prothetik über weniger Erfahrung und Fallzahlen verfügen, könnten von der Robotik profitieren.

Eine fundamentale Frage bleibt offen: Beeinflussen die bessere Ausrichtung der mechanischen Beinachse und der Prothesenkomponenten sowie die Methode die funktionellen und patientenbezogenen Ergebnismessungen oder die Überlebenszeit der Prothese? Aktuell fehlen in dieser Hinsicht schlüssige Nachweise, insbesondere auch hinsichtlich der Robotik, die praktisch nur von kurzfristigen Studien abgedeckt wird. Es muss festgehalten werden, dass sich zum einen etliche Studien nur auf eine kleine Anzahl Patienten abstützen, die zudem bei der Anwendung der Robotik sicher streng selektioniert wurden, und zum anderen die postoperativen Messungen zu heterogen sind. Zudem sind die Anwender meist erfahrene Kniechirurgen. Es braucht deshalb weitere Studien von besserer Qualität zum Nachweis der Unterschiede zwischen konventioneller und computerassistierter Endoprothetik in Bezug auf die langfristigen funktionellen und patientenbezogenen Ergebnismessungen, die Überlebensdauer der Prothese und die Kosteneffektivität.

Wegen der beachtlichen Anschaffungs- und Unterhaltskosten, insbesondere für die Robotik, der zu erwartenden Weiterentwicklung des Robotersystems, der unbefriedigenden Studienqualität sowie der ausstehenden Langzeitergebnisse, kann man aktuell keine Empfehlung zur flächendeckenden Einführung geben. Auch spielt bei der UKA das Fallvolumen für die Rentabilität eine große Rolle [47]. Ein bildgestütztes Navigationssystem bietet dem Chirurgen schon heute eine gute Unterstützung bei der Planung und Durchführung der einzelnen Operationsschritte.

Fazit für die Praxis

  • Computerassistierte Navigation und Robotik führen zu einer präziseren Ausrichtung der mechanischen Beinachse und der Prothesenkomponenten mit weniger Ausreißern.

  • Die Robotik schützt zusätzlich vor ungewollten Knochen- und Weichteilverletzungen.

  • Die kurz- und mittelfristigen klinischen Ergebnismessungen in der Funktion und die Resultate der PROMs sind kontrovers und zeigen kaum Unterschiede zur konventionellen Technik.

  • Es resultiert keine oder nur eine geringe Verlängerung der Überlebensrate der Prothesen.

  • Beachtliche Anschaffungs- und Unterhaltskosten, insbesondere bei der Robotik, höhere Strahlenexposition durch die präoperative CT-Bildgebung, längere Planungszeiten, Verlängerung der intra- und perioperativen Zeitdauer und ein möglicher Ausfall des Systems limitieren die Anwendung der computerassistierten Systeme.

  • Eine solide Erfahrung in der konventionellen Endoprothetik ist Bedingung, um Ausführungsfehler zu erkennen und ggf. einzugreifen.

  • Es sind weitere Studien zu Langzeitergebnissen und verschiedenen Alignementstrategien erforderlich.