3D-Planung und Sonderanfertigung patientenspezifischer Glenoidimplantate in der Schulterendoprothetik

Es ist bekannt, dass im Langzeitverlauf anatomischer Endoprothesen mit zementierten Polyethylen-Glenoiden Lockerungszeichen sehr häufig auftreten (24 % bis 87 %) [3] [9] [19], was im Verlauf zu vorzeitigen Revisionen in bis zu 10 % der Fälle führen kann [11] [23] [36] [41] [44]. Als Ursachen werden u. a. Knochenverluste durch exzessives Fräsen und Fehlplatzierungen der Glenoidkomponente identifiziert [42].

Auch bei der inversen Prothese spielen Fehlplatzierungen eine große Rolle, denn das sogenannte „Scapular-Notching“ – ein ganz charakteristisches Problem dieser Prothesenform – wird häufig genau dadurch verursacht. Es entsteht vor allem durch eine falsche (zu hohe) Positionierung der Glenoidkomponente, wodurch die Humeruskomponente mit dem Skapulapfeiler in Konflikt gerät [39]. Neben der korrekten Position ist auch eine primär hochstabile Fixierung der Glenoidkomponente entscheidend für das funktionelle Ergebnis [39]. Insbesondere bei der inversen Schulterprothese kann die Primärstabilität der Basisplatte durch variierende

Glenoidgeometrien sowie eine eingeschränkte Knochenqualität signifikant beeinflusst werden [39]. Deshalb trägt eine 12 sorgfältige präoperative Planung maßgeblich dazu bei, Komplikationen zu vermeiden (Abb. 1 und 2).

Herkömmliche zweidimensionale Bildgebungsverfahren bieten bei der Bewertung knöcherner Verluste, insbesondere bei ausgeprägten Glenoiddeformitäten, keine hinreichende Präzision [18] [27]. Intraoperativ können eine eingeschränkte Sicht auf das Glenoid und das Fehlen eindeutiger anatomischer Bezugspunkte die Implantation der Komponenten derart schwierig machen, dass diese quasi „blind“ durchgeführt wird [18] [39]. Unter anspruchsvollen Operationsbedingungen oder bei einer horizontalen Ausrichtung des unteren Glenoidrandes besteht zudem die Gefahr, dass die untere Schraube fehlerhaft positioniert wird und der Knochen nach untenhin nicht ausreichend fixiert wird. Natürlich kann dieses Problem auch bei anderen Schrauben auftreten. Hohe Scherkräftean der Schnittstelle zwischen Glenoidkomponente und Knochen können bei

insuffizienter initialer Fixierung zu frühzeitigem Implantatversagen führen [7][16]. Schließlich schädigen fehlplatzierte Schrauben auch umliegendes Weichteilgewebe, der Nervus axillaris (untere Schraube) oder der Nervus suprascapularis (obere Schraube), Blutgefäße und die Rotatorenmanschettenmuskulatur befinden sich in unmittelbarer Nähe [39].

Um die Genauigkeit bei Planung und Implantation zu verbessern, wurden in den vergangenen 20 Jahren etliche Systeme zur Computernavigation, zu virtueller 3D-Planung und patientenspezifischer Instrumentierung (PSI) entwickelt. Mittlerweile hat sich dadurch die Implantationsgenauigkeit für Schulterprothesen enorm erhöht [22] [38], und eine präoperative 3D-Planung gilt heute als „state of the art“. Das gilt sowohl für elektive Implantationen, vor allem aber gilt es für Revisionsoperationen.

Traditionell wurden präoperativ Röntgenaufnahmen, Computertomografien (CT) oder MRT angefertigt, um die Orientierung von Glenoid und Humerus im Vorfeld der OP zu prüfen und die Implantationsstrategie inklusive der Implantatwahl anzupassen. Die Implantation selbst erfolgt in der Regel mit Standardinstrumenten des Herstellers. Für anatomische Prothesen ist vor allem die Bestimmung des Zentrums des Glenoids entscheidend. Bei starkem exzentrischem Verschleiß der Gelenkfläche, wie er beispielsweise bei einem Walch-B2- oder B3-Glenoid auftritt [1], wird die knöcherne Morphologie am besten mittels CT der gesamten Skapula erfasst, da somit genaue Referenzpunkte für die Geometrieberechnung und Festlegung der Skapulaachsen zur Verfügung stehen. Falls ein korrekturbedürftiger Defekt vorliegt, kann dieser unter Zuhilfenahme des resezierten Humeruskopfes bei Implantaten mit „Full-metal“-Glenoid knöchern autogen augmentiert werden (Abb. 3) oder mit metallisch/PE augmentierten Implantatkomponenten ausgeglichen werden. Bei der Implantation inverser Schulterprothesen (RSA) gilt für die Ausrichtung der Glenoidkomponente grundsätzlich das gleiche Prinzip. Die Befestigung der Basisplatte erfolgt aber in der Regel mittels eines zentralen Zapfens und mehrerer Schrauben. Dafür stehen meist herstellerspezifische, spezielle Instrumente zur Verfügung. Die operative Technik sowie die empfohlene Positionierung der Schrauben sind in der Literatur umfassend beschrieben und gelten ebenfalls als standardisiert [6] [7] [17] [20] [29].

Eine intraoperative Navigation, die auf Basis einer 3D-Planung erfolgt, kann die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit während der Implantation zusätzlich erhöhen. Was in der Hüft- und Knieendoprothetik heute bereits anerkannt ist, wurde von Kircher et al. vor nahezu 15 Jahren auch

für die Platzierung anatomischer Glenoidkomponenten belegt: In einer kleinen Patientengruppe konnte gezeigt werden, dass die intraoperative Navigation ungeachtet der technischen Herausforderungen die Präzision der Implantation deutlich erhöhte. Allerdings wurde dies mit einer erheblichen Verlängerung der Operationsdauer um 31 Minuten erkauft [21]. Auch für inverse Prothesen konnte eine Metaanalyse aus dem Jahr 2023 an 667 Implantationen die Überlegenheit einer intraoperativen Navigation bei der Komponentenplatzierung belegen, allerdings stellten die Autoren auch hier eine signifikant erhöhte Implantationszeit (+ 12 Minuten) fest [38].

Neben der höheren Präzision wirken sich die 3D-Planung und Navigation vor allem auf die Auswahl des Implantats aus. In einer Studie von Werner et al. wurden zunächst anhand von 2D-CT-Schnittbildern und MRT-Aufnahmen die Indikation und Implantatwahl bei Patienten mit Omarthrose durch mehrere Schulterchirurgen festgelegt. Nachdem die Chirurgen die gleichen Fälle mit Bilddaten aus einer präoperativen 3D-Planung erhielten, änderten sie in 14 % der Fälle ihre Indikation und wechselten ihr zuvor geplantes Verfahren [42]. Es wird daher angenommen, dass das verbesserte Verständnis der Glenoidmorphologie in 3D entscheidend dazu beiträgt, dass augmentierte Basisplatten signifikant häufiger bevorzugt werden, wenn eine präoperative 3D-Planung vorliegt [32] [38]. Obwohl Präzision und Reproduzierbarkeit in der Schulterendoprothetik durch eine 3D-Planung verbessert werden, ist bislang nicht geklärt, welche Auswirkungen diese Fortschritte tatsächlich auf die Haltbarkeit und das funktionelle Ergebnis von Schulterprothesen im Langzeitverlauf haben. Somit müssen die praktische Bedeutung und der effektive Nutzen der Planung auf das langfristige Behandlungsergebnis noch sorgfältig evaluiert werden.

Mit zunehmender Anzahl implantierter Schulterendoprothesen steigt konsekutiv auch die Häufigkeit von Revisionsoperationen, und das Management komplexer 14 Glenoiddefekte wird immer anspruchsvoller [24]. Neben der Revisionschirurgie führen angeborene Fehlbildungen, chronische Schulterinstabilitäten, Autoimmunerkrankungen oder auch Komplikationen bei der Frakturversorgung zu Deformitäten am Glenoid [34]. Zwar existieren für schwere Glenoiddefekte derzeit mehrere Klassifikationssysteme, doch gelten deren Quantifizierung sowie deren Behandlung als umstritten und sind Gegenstand aktueller Diskussionen [12] [15] [37].

Bei milden bis moderaten Defekten bei primärer Arthrose, etwa bei Walch B2-oder B3-Glenoidmorphologie [1], zeigen konventionelle Techniken mit exzentrischem Fräsen am Glenoid und der Verwendung knöchern oder metallisch augmentierter Basisplatten (BIO-RSA = bony increased offset, MIO-RSA = metallic increased offset) günstige und überaus befriedigende klinische Ergebnisse im mittelfristigen Verlauf [4] [25] (Abb. 4).

Im Gegensatz dazu bleibt aber die Behandlung schwerer zentraler sowie peripherer Glenoiddefekte, insbesondere bei Revisionsoperationen, herausfordernd. Falls der knöcherne Defekt eine stabile Verankerung der Basisplatte gar nicht mehr zulässt, kann im Zweifel auch eine Hemiendoprothese mit einer knöchernen Glenoidaugmentation kombiniert werden. Leider sind die Ergebnisse bei diesem Verfahren recht variabel und mit einem hohen Anteil persistierender postoperativer Schulterschmerzen assoziiert [24].

Vor der Einführung patientenspezifischer Implantate standen zur Behandlung von Knochendefekten am Glenoid ausschließlich exzentrisches Fräsen („Reaming“) sowie knöcherne Augmentationen mithilfe konventioneller Basisplatten zur Verfügung [14].

Dank der konsequenten Weiterentwicklung in der 3D-CT-Bildgebung und additiver Fertigung (metallischer 3D-Druck) lassen sich Glenoidkomponenten mittlerweile genau auf den jeweiligen Knochendefekt abstimmen [5] (Abb. 5). Dies stellt insbesondere bei ausgeprägtem exzentrischem Glenoidverlust mit Aufbrauch der zirkulär umschließenden und stützenden Kortikalis („non-contained“ Defekte) eine vielversprechende Lösung dar, weil Standardimplantate bei diesen erheblichen Knochendefekten häufig keine zuverlässige Fixation und Stabilität mehr bieten können.

Obwohl die aktuelle Evidenzlage in der Literatur noch sehr begrenzt ist, zeigen patientenspezifisch angefertigte Glenoidkomponenten vielversprechende Ergebnisse mit durchaus guter Funktion und vor allem einer stabilen Fixation mit niedrigen Komplikationsraten [2] [14] [28] [30] [31]. Bei individuell angefertigten Glenoidkomponenten handelt es sich um Implantate, die anhand der Vorlage des jeweiligen Knochendefektes im präoperativen Vorfeld hergestellt werden. Die Planung erfolgt in der Regel gemeinsam durch einen Techniker und den Operateur anhand einer Dünnschicht-CT, wobei die Gelenklinie teilweise auch mithilfe eines statistischen Shape-Modeling-Konzepts rekonstruiert werden kann [33]. Bei einliegender Endoprothese ist im Revisionsfall aber immer mit Strahlenartefakten zu rechnen, die mitunter die korrekte 3D-Rekonstruktion erschweren oder gar verhindern können. Die individuell gedruckte Glenoidkomponente besteht dann aus einer Basisplatte, die in der Regel eine Standardglenosphäre aufnehmen kann und eine metallische Netzstruktur enthält, die den rückwärtigen Knochendefekt auffüllt. Sie wird meist zusammen mit Positionierungs- und Bohrschablonen ausgeliefert, die intraoperativ die Platzierung erleichtern (Abb. 6).

Vorteile einer individuell gedruckten Prothese sind:

1. Maximierung der Kontaktfläche von Implantat zu Knochen,
2. Optimierung der Schraubenposition abhängig von Knochendichte und maximaler Schraubenlänge dank präoperativer 3D-Planung,
3. eine präzise Rekonstruktion der nativen Gelenklinie auf Basis statistischer Formmodelle sowie
4. Vermeidung des Risikos der Graftresorption, die vor allem bei komplexen Allograft-Rekonstruktionen auftreten kann.

Da diese Technik noch sehr neu ist, müssen klinische und radiologische Verläufe kritisch evaluiert werden, um zu beurteilen, ob die Prothese wirklich hält, was sie verspricht. Aktuelle Untersuchungen verfügen derzeit nur über geringe Fallzahlen. Es stellt sich die Frage, ob patientenspezifische Implantate der konventionellen Methode unter Augmentation des Defektes mit knöchernen Allografts/Autografts überlegen sind. Eine Metaanalyse von Gruber et al., die vier Studien mit insgesamt 46 Schultern einschloss, konnte nun zeigen, dass die Komplikationsrate bei individuell angefertigtem Glenoidimplantat bei knapp 11 % lag. Verglichen mit den in der Literatur beschriebenen konventionellen Augmentationstechniken (Allograft) weist diese Methode eine in etwa nur halb so hohe Komplikationsrate auf [14]. In einer aktuellen Arbeit von Sholtis et al. (n = 26), die strukturelle Allografts zur Re-konstruktion verwendeten, lag die Komplikationsrate bei 27 % und die Revisionsrate bei 19 % [35]. Rashid et al. [31] verwendeten hingegen individuell gedruckte Glenoide und beobachteten eine Komplikationsrate von 9,3 %, während Michelin et al. [26] und Debeer et al. [8] bei analogem Verfahren von deutlich höheren Raten von 29,1 % bzw. 20 % berichteten. Im Gegensatz dazu meldeten sowohl Bodendorfer et al. [2] als auch Ortmaier et al. [28] in ihren jeweiligen Serien mit gedruckten, individuellen Glenoiden gar keine Komplikationen, wobei deren Fallzahlen doch sehr begrenzt waren.

Insgesamt müssen aber postoperative Ergebnisse in der Revisionschirurgie mit Vorsicht interpretiert werden, da die Fallzahlen noch begrenzt und die Konfidenzintervalle recht breit sind, was auf eine erhebliche Variabilität der prä- und postoperativen Werte hinweist. Darüber hinaus müssen mehrere Einflussfaktoren berücksichtigt werden – insbesondere bei Revisionsfällen. Darunter fallen die Anzahl vorausgegangener Operationen, der Typ des Glenoiddefekts, das Ausmaß des humeralen Knochenverlusts, die Integrität der Rotatorenmanschette sowie weitere Komorbiditäten der Patienten. Diese Faktoren beeinflussen die klinischen Ergebnisse und die Komplikationsraten erheblich und schränken die Aussagekraft direkter Vergleiche zwischen primären und Revisionsoperationen deutlich ein. Obwohl individuelle Implantate zahlreiche Vorteile bieten, sind sie mit erheblichen Kosten verbunden und stellen hohe Anforderungen an das gesamte operative Team. Das Drucken von Operationsschablonen im eigenen Haus kann gegenüber externen Anbietern deutlich Kosten sparen [43]. Unklar ist aber, ob eine krankenhausinterne Herstellung eines patientenspezifischen Instrumentariums in Deutschland eine belastbare behördliche Genehmigung findet.

Fazit

Die präoperative 3D-Planung bietet in der Schulterendoprothetik wesentliche Vorteile im Hinblick auf Indikationsstellung, Implantatwahl und intraoperativer Präzision bei der Platzierung der Implantate. Mittlerweile zählt die präoperative 3D-Planung auch in elektiven Fällen zum Standardrepertoire und wird daher von nahezu allen Herstellern angeboten. Im Revisionsfall stellen individuell gedruckte Implantate eine praktikable Option dar, um hochkomplexe Knochendefekte ohne zusätzliches Allograft auszugleichen. Derzeit ist der Herstellungsprozess für 3D-gedruckte Implantate aber noch sehr zeitaufwendig und vor allem teuer. Für Notfälle ist dieses Verfahren aufgrund langer Vorlaufzeiten daher kaum geeignet. Um die bisher sehr vielversprechenden Ergebnisse zu validieren, werden prospektive Untersuchungen mit größeren Patientenkohorten, längeren Nachbeobachtungszeiten und direkten Vergleichen mit etablierten Rekonstruktionstechniken benötigt, die auch hinsichtlich ihrer Komplexität vergleichbar sind. Es ist zu erwarten, dass die fortschreitende Verfügbarkeit und verbesserte Qualität additiver Fertigungsverfahren für Implantate die Entwicklung einer „Individual-Endoprothetik“ in der Schulterchirurgie zunehmend befördern werden.