Der Zusammenhang zwischen patellofemoraler Instabilität und Torsionsfehlstellungen des Femurs wurde 1977 erstmals beschrieben [1]. Femorale Osteotomien zur Adressierung dieser Fehlstellungen bei patellofemoraler Instabilität fanden jedoch erst Jahre später Eingang in die Literatur. Erste Veröffentlichungen zu diesem Thema stammen von 1995 bzw. 1996 als Meister u. James [2] bzw. Delgado et al. [3] sich zu Therapieoptionen bei „miserably aligned extremities“ bzw. dem sog. „Torsional-malalignment-Syndrome“ äußerten. Eine kürzlich veröffentlichte Arbeit beschreibt 11 Fälle mit außenrotierender distaler (suprakondylärer) Femurosteotomie (DFO) zur Patellastabilisierung und -entlastung [4]. In dieser jüngsten Arbeit werden Techniken zu derotierenden Osteotomien an Femur und Tibia bei patellofemoralem Schmerz und patellofemoraler Instabilität beschrieben.

Der folgende Artikel soll primär Osteotomien am Femur bei patellofemoraler Instabilität und Schmerz auf dem Boden einer femoralen Achsen- und/oder Torsionsfehlstellungen beleuchten. Explizit soll dieses bis dato wenig bearbeitete Feld dargestellt werden, und nicht die seit Jahrzehnten bekannten diversen Osteotomien der Tuberositas tibiae. Ebenso wenig möchten wir den Fokus auf das sog. „inwardly pointing knee“ richten, eine primär durch übermäßige tibiale Außendrehung und übermäßige tibiale Valgusstellung bedingte seltene und komplexe Entität, die jedoch ebenfalls zu patellofemoralen Schmerzen und Subluxation führen kann [5].

Biomechanik

Die biomechanischen Grundlagen einer patellofemoralen Instabilität oder patellofemoraler Schmerzen bei femoraler Torsionsfehlstellung werden folgendermaßen interpretiert: erhöhte femorale Antetorsionswinkel von >20° können zu einer Subluxations- bzw. sogar einer Luxationstendenz der Patella nach lateral führen. Biomechanische Simulationen des Kniegelenks zeigen entsprechend eine Druckerhöhung im lateralen und eine Druckerniedrigung im medialen Patellofemoralgelenk bei vermehrter Antetorsion [6, 7, 8]. Aus diesen Ergebnissen wurde die derotierende suprakondyläre Osteotomie mit Außendrehung des distalen Fragments entwickelt, um die Trochlea wieder unter der Patella zu zentrieren [9].

Ebenso kann eine X-Bein-Stellung durch Veränderung der Muskelvektoren die Lateralisierungstendenz der Patella verstärken, erneut mit der Auswirkung einer Druckerhöhung im lateralen und einer Druckerniedrigung im medialen Patellofemoralgelenk [7]. Entsprechend wird die Patella als Kraftüberträger in der Frontalebene durch eine varisierende DFO besser zwischen den Muskelvektor des Quadrizeps in seiner Verlängerung auf die Tuberositas tibiae gerückt [10]. Es gibt jedoch keine klaren Angaben darüber, ab welchem Winkel die Valgusfehlstellung einer Korrektur bedarf. Bei Patellainstabilität erachten wir eine Valgusfehlstellung von ≥5° als Indikator für eine varisierende DFO.

Um die hier genannten Begriffe eines Genu valgum und einer gesteigerten femoralen Antetorsion zu verstehen, muss primär Klarheit hinsichtlich der Definition und Diagnostik dieser Fehlstellungen, in der frontalen und in der axialen Ebene bestehen.

Bildgebung

Die Ganzbeinstandaufnahme im a.-p.-Strahlengang ist die Grundlage für die Beurteilung der Beingeometrie. Als Hauptkriterium für die korrekte Einstellung des Beines gilt, unabhängig von der Stellung des Fußes, eine zentriert zwischen den Kondylen stehende nach ventral ausgerichtete Patella. Bei Patellainstabilität wie auch bei femoraler Torsionsfehlstellung ist die Kniescheibe jedoch keine verlässliche Referenz für die Ausrichtung des gesamten Beins. In diesen Fällen müssen die Kondylen parallel zur radiologischen Aufnahmeebene positioniert werden.

Die Analyse der Beingeometrie wird anhand der Bestimmung der mechanischen Beinachse (Mikulicz-Linie) und der Gelenkwinkel vorgenommen. Die mechanische Beinachse ist die Verbindungslinie vom Hüftkopfmittelpunkt zum Zentrum des oberen Sprunggelenks. Eine physiologische Beinachse liegt vor, wenn diese Verbindungslinie geringfügig medial des Kniegelenkzentrums liegt [11]. Die Lage der mechanischen Beinachse auf der Tangente an das Tibiaplateau kann vom medialen (0%) zum lateralen Rand (100%) des Tibiaplateaus durch den Abstand zum Kniegelenkzentrum in Millimetern angegeben oder in Prozent gemessen werden (Abb. 1). Die mechanischen Gelenkwinkel werden durch die mechanischen Achse des Femurs und eine Tangente an die distalen Femurkondylen bzw. die mechanische Achse der Tibia und eine Tangente an das Tibiaplateau bestimmt. Daraus ergeben sich übereinkunftsgemäß der mechanische laterale distale Femurwinkel (LDFW) und der mechanische mediale proximale Tibiawinkel (MPTW) als Referenzen für die Beurteilung der Fehlstellungen der einzelnen Knochen in der Frontalebene. Der mLDFW hat dabei einen Normwert von 88° mit einer Streuung von 85–90° ([12], Abb. 1).

Abb. 1
figure 1

Kniegelenk mit femoraler Valgusfehlstellung (LDFW=84°; MPTW=88°) und Schnittpunkt der mechanischen Achse mit dem Tibiaplateau bei 70% des Querdurchmessers von medial nach lateral

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Das etablierteste Messverfahren zur Bestimmung eines Drehfehlers in einem Röhrenknochen stellt die CT-Torsionswinkelmessung dar. Dazu werden axiale CT-Aufnahmen des proximalen und distalen Femurs in Gelenkhöhe angefertigt. Die Untersuchung wird in Neutralstellung der unteren Extremität durchgeführt. Um die Schenkelhalsachse möglichst genau und reproduzierbar festzulegen, sind Aufnahmen mit einer relativ großen Schichtdicke (Empfehlung: 10 mm) erforderlich.

Der femorale Antetorsions- (AT-)Winkel wird zwischen der Achse des Schenkelhalses und einer Tangente an die Hinterkante der Femurkondylen gemessen.

Dazu wird die Schicht ausgewählt, bei der die Femurkondylen mit dem größten Durchmesser zur Darstellung kommen (Abb. 2 a).

Abb. 2
figure 2

a Axialer CT-Schnitt des Kniegelenks mit dem größten Durchmesser der Femurkondylen. Die Tangente an die Rückfläche der Kondylen und die Horizontale schließen den distalen Anteil des femoralen Torsionswinkels ein. b Axialer CT-Schnitt des Hüftgelenks mit Hüftkopf und Schenkelhals auf einem Bild. Die Gerade durch Hüftkopf und Schenkelhals und die Horizontalen schließen den proximalen Anteil des femoralen Torsionswinkels ein. c Detaillierte Darstellung, wie aus zwei axialen CT-Schichten des Hüftgelenks durch Bildaddition und -analyse der Torsionswinkel des proximalen Femurs bestimmt werden kann

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Die Festlegung der Schenkelhalsachse hingegen ist etwas komplizierter. Hier werden zwei unterschiedliche Methoden vorgeschlagen, die zum Ziel haben, möglichst repräsentativ die Achse des Schenkelhalses zu erfassen:

  • Messung auf einer Schicht: Die Schicht auf der sowohl der Hüftkopf als auch die Basis des Schenkelhalses angeschnitten sind, wird verwendet, um annähernd die Achse des Schenkelhalses festzulegen (Abb. 2 b).

  • Messung auf mehreren Schichten: Zwei CT-Schichten, die einerseits den Hüftkopfmittelpunkt und andererseits die Basis des Schenkelhalses als Ellipse zeigen, werden an einem Befundungsmonitor addiert (Abb. 2 c). Der Hüftkopfmittelpunkt wird mittels einer Kreisschablone konstruiert. Der Mittelpunkt des Femurkopfes und der Mittelpunkt der Ellipse werden zu einer Geraden verbunden und der Winkel, den diese Gerade zur Horizontalen bildet, wird als AT-Winkel des proximalen Femurs festgelegt.

Der AT-Winkel des Femurs errechnet sich prinzipiell aus einer Addition der beiden gemessenen Werte des proximalen und distalen Femurs. Steht der Femurkopf im Vergleich zum Schenkelhals weiter ventral bekommt dieser proximale Zahlenwert ein positives Vorzeichen, steht der Femurkopf weiter dorsal, bekommt dieser proximale Zahlenwerte ein negatives Vorzeichen. Steht die dazugehörige laterale dorsale Kondyle weiter ventral als die mediale Kondyle, bekommt auch dieser distale Zahlenwert ein positives Vorzeichen. Steht die laterale dorsale Kondyle weiter dorsal als die mediale, bekommt dieser distale Zahlenwerte entsprechend ein negatives Vorzeichen. Ergibt die Addition des proximalen und distalen Zahlenwertes ein positives Vorzeichen, spricht man von einer femoralen Antetorsion, ein negatives Vorzeichen bedeutet eine femorale Retroversion.

Die Tab. 1 zeigt verschiedene Studien, in denen Referenzpopulationen zur Etablierung von AT-Normwerten des Femurs untersucht wurden. Die divergierenden Ergebnisse sind im Wesentlichen auf unterschiedliche Messmethoden und das unterschiedliche Alter der Probanden und Patienten zurückzuführen. Der Antetorsionswinkel nimmt von >30° im Säuglingsalter auf die angegebenen Normwerte im Erwachsenenalter ab.

Tab. 1 Literaturübersicht zu Normwerten des AT-Winkels [19]
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Die klinische Bedeutung dieser Angaben ist für uns folgende: eine femorale Antetorsion von 10–20° erscheint normal. Eine femorale Antetorsion von >20° gilt als pathologisch. Der Zielwert bei einer derotierenden Osteotomie ist ein AT-Winkel von 15° [20].

Behandlungsindikation

Eine femorale Osteotomie für die Behandlung der patellofemoralen Instabilität sollte bei einem positiven Apprehension-Zeichen bei >30° Flexion und gleichzeitig einer femoralen Antetorsion von >20° in Betracht gezogen werden. Oftmals sind diese Konstellationen mit einer Valgusfehlstellung kombiniert. Wichtig ist es zu betonen, dass einer Osteotomie auch bei der genannten Konstellation ein nicht erfolgreicher konservativer Behandlungsversuch vorausgegangen sein sollte und es ausreichende Gründe gibt, dass die Problematik mit einer MPFL-Plastik (mediales patellofemorales Ligament) alleine oder einem Tuberositasversatz nicht zu beherrschen ist. Entsprechend sollen keine tibialen Torsionsfehlstellungen vorliegen. Als Kontraindikation für distale femorale Osteotomien werden offene Epiphysenfugen oder ein Infekt angesehen.

Varisierende distale femorale Osteotomie

Wir plädieren bei einer DFO (sei es varisierend oder valgisierend) ebenso zu einer biplanaren Osteotomie, wie sich dies seit der Renaissance der Open-wedge- (OW-)HTO (hohe tibiale Umstellungsosteotomie) etabliert hat. Mit Hilfe des biplanaren Knochensägeschnitts kann die Verkippung des distalen Fragments in Flexions- oder Extensionsrichtung kontrolliert bzw. weitgehend verhindert werden. Ebenso können damit die bei einer zusätzlichen OW-Osteotomie einhergehenden Vorteile der schnellen knöchernen Konsolidierung in diesem Abschnitt der Osteotomie genutzt werden.

Nach Markieren der Osteotomieebene mit zwei parallelen bis an die mediale Kortikalis reichenden Kischner-Drähten erfolgt die Knochendurchtrennung mit der oszillierenden Säge unter Belassung eines ca. 5 mm breiten medialen Scharniers. Das biplanare Element in der Frontalebene hat dabei eine Länge von ca. 3–4 cm und eine Dicke an der Basis von ca. 1,0–1,5 cm. Zur Schonung des MCL-Ursprungs und des medialen Scharniers sollte die Sägeosteotomie proximal der Kirschner-Drähte durchgeführt werden. Die Osteotomie wird durch spezielle Meißel, sog. Osteotome, komplettiert und aufgespreizt. Beim definitiven Öffnen der Osteotomie mit einem Spreizer muss dieser so platziert werden, dass genug Platz für die korrekte Lage der Osteosyntheseplatte bleibt. Abb. 3 zeigt den intraoperativen Verlauf einer biplanaren OW-DFO einhergehend mit einer distalen femoralen Außenrotation.

Abb. 3
figure 3

Von links nach rechts: 1. Markierung der Osteotomie mit 2 parallelen Kirschner-Drähten absteigend von lateral nach medial durch die Metaphyse des distalen Femurs. Das Scharnier liegt ca. 1 cm proximal des Epikcondylus medialis. Distal ist eine Schanz-Schraube zur Torsionskontrolle auszumachen. 2. Langsames Komplettieren der Osteotomie mit in diesem Fall vier sog. Osteotomen. 3. Aufspreizen der Osteotomie, so dass die neue mechanische Achse des Beins auf der Rasterplatte durch das Zentrum des Kniegelenks verläuft und gleichzeitig Derotation. 4. Bildwandlerkontrolle der Platten- und Schraubenlage distal. Man erkennt den unvermeidbaren leichten Versatz der dorsalen Kortikalis bei einer Korrektur in 2 Ebenen. 5. Bildwandlerkontrolle der Platten- und Schraubenlage proximal. Zusätzlich erkennt man hier den Versatz am ventralen Femur bedingt durch die biplanare Fenmurostotomie in Varus- und außenrotierende Richtung

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Eine kombinierte varisierende und außenrotierende DFO bringt es mit sich, dass das Osteotomiescharnier nicht mehr intakt sein kann. Entsprechend fallen diese Patienten im Rahmen der Belastungssteigerung ab der 4. bis 6. postoperativen Woche oft mit Schmerzen am medialen „Scharnier“ auf. Dies wird durch Mikrobewegungen dieser komplett durchtrennten und der Plattenlage fernsten Region der Osteotomie erklärt. Die Abb. 4 zeigt den postoperativen Verlauf derselben Patientin. Man sieht in der Kontrolle nach 12 Wochen eine überschießende mediale Kallusbildung, nachdem 6 Wochen postoperativ die beschriebenen Schmerzen an dieser Stelle angegeben wurden.

Abb. 4
figure 4

Postoperative Verlaufsbilder im a.-p.- und seitlichen Strahlengang, links unmittelbar postoperativ, rechts 12 Wochen später mit sichtbarer Kallusbildung am medialen Scharnier

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Ähnlich ist das Vorgehen bei der varisierenden Closed-wedge- (CW-)Osteotomie von medial. Hier müssen lediglich proximal und distal des Osteotomiekeils jeweils zwei Kirschner-Drähte gesetzt werden, die damit insgesamt den zu entnehmenden Keil einschließen.

Derotierende DFO

Wir möchten hier neu das Konzept der biplanaren DFO bei reiner Rotationsosteotomie vorstellen. Abb. 5 zeigt dieses Vorgehen schematisch.

Abb. 5
figure 5

Schematische Darstellung der biplanaren derotierenden DFO in seitlicher Richtung (links) und axialer Richtung (rechts). Von oben nach unten: primäre Osteotomie, Aussägen des sog. Drehkeils, Entfernen des Drehkeils, Schließen der Osteotomie. Auch im Schema sieht man auf den Bildern der untersten Reihe den Versatz am ventralen und dorsalen Femur

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Dabei wird das distale Femur primär so osteotomiert, wie dies schon bei einer rein varisierenden DFO gezeigt wurde. Zusätzlich muss ein kleiner Keil aus der ventralen Osteotomie entnommen werden (Abb. 5 Abb. 6). Dieser Keil verjüngt sich von lateral nach medial hin, wie auch von distal nach proximal.

Ziel einer derotierenden DFO bei patellofemoraler Instabilität ist ein AT-Winkel von 15°

Bei allen diesen derotierenden Operationen ist es unabdingbar, vor Beginn der Osteotomie das angestrebte Ausmaß der Korrektur mit 2 Schanz-Schrauben distal und proximal der Osteotomie zu markieren. Das heißt, dass die Schanz-Schrauben so eingebracht werden müssen, dass sie von axial gesehen den geplanten Korrekturwinkel einschließen (Abb. 6 a). Am Ende der Korrektur sollen die Schanz-Schrauben dann von kaudal gesehen in einer Ebene liegen, von lateral gesehen horizontal sein (Abb. 6 f). Ziel einer derotierenden DFO bei patellofemoraler Instabilität oder Schmerz wegen gesteigerter femoraler Antetorsion ist ein AT-Winkel von 15°.

Abb. 6
figure 6

a Blick von kaudal (Antetorsion  30°), Markierung des Korrekturziels von 15° durch zwei 15° gegeneinander verdrehte Schanz-Schrauben proximal und distal der Osteotomieebene. Letztere wird durch die beiden dünneren Osteotomiedrähte markiert. b Primär ventrale Osteotomie mit der oszillierenden Säge. c Anschließend axiale Osteotomie, ebenfalls mit der oszillierenden Säge, kranial der Osteotomiedrähte. Damit wird ein gefährliches Abgleiten des Sägeblattes Richtung Epiphyse verhindert. d Aussägen des Drehkeils. 15° Korrektur in der Axialebene entspricht ca. einer Keilhöhe von 5 mm. e Entfernen des Drehkeils mit einem kleinen Gewindedraht. f Mit Hilfe der beiden Schanz-Schrauben Außendrehung des distalen Fragments um 15° und damit Schließen der Osteotomie. Die Schanz-Schrauben sind dadurch wieder in einer Ebene. g Temporäre Fixation der korrigierten Stellung mit einer Großfragmentzugschraube von ventral nach dorsal durch das proximale und distale Fragment. h Anlage der Platte. Die Pinzette zeigt die Spitze des ventralen biplanaren Keils des distalen Fragments bündig mit dem proximalen Fragment abschließend. i Die intraoperative Bildwandlerkontrolle zeigt die korrekte Plattenlage und den typischen dorsalen Versatz der Kortikalis bei einer derotierenden Osteotomie

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Dabei muss v. a. bei rein derotierenden Operationen allein die Platzierung der Schanz-Schrauben sehr vorsichtig vorgenommen werden, um den späteren Plattensitz nicht einzuschränken bzw. zu erschweren. Zusätzlich muss klar sein, wie dies aus der Schemazeichnung (Abb. 5) und dem Röntgenbild in Abb. 6 i hervorgeht, dass es zu keiner vollständigen Überlappung des Knochenschafts ventral und dorsal kommen kann, weil das distale Femur an dieser Stelle nicht mehr rund ist. Abb. 7 zeigt das Ergebnis unmittelbar postoperativ sowie 2 Monate später im a.-p.-Strahlengang. Die Osteotomie ist komplett durchbaut und zeigt an der Spitze des biplanaren Anteils die typische erwähnte Konturunregelmäßigkeit.

Abb. 7
figure 7

Röntgenkontrolle nach CW-DFO, 2 Tage postoperativ a.-p. sowie 6 Wochen postoperativ in 2 Ebenen. Nach 6 Wochen ist die Osteotomie nahezu vollständig durchbaut

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Ergebnisse

Wie schon eingangs erwähnt zeigt die Erstbeschreibung der distalen Femurosteotomie bei Torsionsfehlstellungen 1996 durch Delgado et al. [3] über einen Zeitraum von 7 Jahren Follow-up eine signifikante Verbesserung des Gangbildes sowie einen Rückgang des vorderen Knieschmerzes. Eine genaue Achsen- und Torsionsanalyse wurde jedoch nicht durchgeführt. Eine weitere Studie über eine ähnlich der von Cooke et al. [5] beschriebenen „Inwardly-pointing-knee-Patientengruppe“ beschrieb femorale und tibiale Kombinationseingriffe bei „miserable malalignement syndrome“ [21]. Bei 14 Patienten wurden an 27 Extremitäten außenrotierende Femurosteotomien und innenrotierende Tibiaosteotomien durchgeführt. Auch hier beschreiben die Autoren subjektiv gute Ergebnisse bei gleichzeitiger Verminderung der retropatellären Beschwerden sowie Widerherstellung der patellofemoralen Stabilität postoperativ. Die jüngste Arbeit beschreibt 11 femorale außendrehende DFO aus einer Gesamtgruppe von 24 Patienten mit 32 Osteotomien, die jedoch in der Mehrzahl zusätzlich varisiert oder valgisiert wurden [4]. In nahezu allen Patienten konnte die patellofemorale Stabilität wiederhergestellt und subjektiv eine signifikante Beschwerdeerleichterung erreicht werden.

Keine der vorliegenden Arbeiten fokussiert ein Genu valgum oder eine gesteigerte femorale Antetorsion als Hauptursachen der hier beschriebenen Beschwerden. In unserem eigenen Kollektiv überblicken wir augenblicklich 10 Patienten mit patellofemoraler Instabilität und lateralen patellofemoralen Schmerzen auf dem Boden eines Genu valgum und/oder einer pathologisch gesteigerten femoralen Antetorsion über einen Zeitraum von 3 Jahren. Wir führten 3 varisierende, 4 außenrotierende und 2 kombinierte femorale Osteotomien in den angegebenen Techniken durch. Alle Eingriffe wurden mit einer Rekonstruktion des medialen patellofemoralen Ligaments (MPFL) kombiniert. Wir konnten bei allen 10 Patienten die Hauptbeschwerden „Instabilitätsgefühl“ und „Schmerz“ erfolgreich behandeln. Alle Patienten beklagten jedoch ein Missempfinden im Bereich der winkelstabilen Osteosyntheseplatte am lateralen distalen Femur.

Fazit für die Praxis

  • Patellofemorale Instabilität und Schmerzen können durch eine femorale Achsen- und/oder Torsionsfehlstellung verursacht werden.

  • Wir erachten eine Valgusfehlstellung von >5° bzw. eine Antetorsionsfehlstellung von >20° als ein Indikationskriterium für eine varisierende bzw. derotierende femorale Osteotomie.

  • Wir empfehlen die Osteotomien immer durch eingebrachte Schanz-Schrauben zu kontrollieren.

  • Wir empfehlen biplanare femorale Osteotomien und beschreiben die operativen Prozeduren bzw. deren Besonderheiten im Detail.

  • Gemäß unserer Erfahrung müssen diese Osteotomien in der Praxis beim Erwachsenen stets mit einer Rekonstruktion des medialen Patellahalteapparats (MPFL) kombiniert werden.