探讨股骨远端骨巨细胞瘤（giant cell tumor，GCT）人工假体置换的疗效，总结分析影响人工假体失败和术后功能的因素。
回顾性分析2002年1月至2015年5月全国7家骨肿瘤治疗中心收治的采用人工假体置换的42例股骨远端GCT患者资料，男24例，女18例，年龄20~69岁，平均（38.53±12.87）岁。原发患者28例，复发患者14例，其中复发1次者11例，2次者3例。通过三维有限元模型分析不同髓针偏倚角度对骨壁形变的影响。比较患者年龄、性别、职业、假体类型、等因素对假体松动的相关性。步态分析假体偏置角度对下肢关节的生物力学影响。统计分析肿瘤原发或复发、假体服役状态、手术截骨长度对关节功能的影响。
随访时间20~158个月，平均68.7个月。假体3年生存率83.33%、5年生存率57.14%。假体松动18例，占42.8%（18/42）。术后初次随访X线片示假体髓针与髓腔的力线矢状位偏倚>3°者19例。瘤段截骨长度与假体松动明显相关（OR=0.132，P=0.003），假体髓针力线偏移角度与假体松动明显相关（OR=25.000，P=0.000）。截骨长度>12 cm及假体髓针力线偏移>3°会导致假体更易松动；患者年龄、性别、职业、假体类型等与假体松动无相关性（P>0.05）。步态分析显示不恰当的假体偏置角度可明显改变假体所受关节力。术后美国骨肿瘤学会评分系统（musculoskeletal tumor society 93，MSTS 93）功能评分平均（25.43±4.256）分，优33例、良7例、差2例。原发患者膝关节屈伸功能好于复发患者，且复发1次者功能好于复发2次者（P=0.003）；假体未松动及翻修者的膝关节屈伸功能优于松动者（P=0.001）；截骨长度<12 cm者肢体膝关节屈伸功能优于截骨长度>12 cm者（P=0.002）。
假体松动与髓针和髓腔的不匹配、截骨长度、假体旋转能力、假体植入位置及角度因素相关，假体的功能主要受手术次数、假体服役状态、截骨长度及医源性低位髌骨等因素影响。
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骨巨细胞瘤（giant cell tumor，GCT）是常见的原发性骨肿瘤，欧美国家GCT发病率约占全部骨骼肌肉系统肿瘤的10%，而中国约占14%~16%[1]。80%的GCT发生于长骨末端，膝关节周围占75%，发病年龄多在20~40岁[2,3,4]。目前膝关节周围（股骨远端、胫骨近端）GCT的治疗以刮除植骨术为主，但GCT的局部生物学行为使其具有侵袭性，复发率高达15%~45%[5,6,7,8]。瘤段整块切除可使复发率明显降低，根据骨巨细胞瘤协作组（Giant Cell Tumor of China，GTOC）评分系统，评分≥9分者建议行瘤段切除人工关节置换术[9,10]。
由于GCT患者生存期长，此类患者需要将假体服役时间延长，而如何延长假体使用寿命是目前临床面临的难题。通常股骨远端GCT患者行假体置换时所需截骨长度短，无需切除过多的软组织，但目前尚无针对GCT患者设计的假体，临床上为了满足假体安装，不得以加长截骨长度。而人工关节置换术后疗效与哪些因素相关，尚缺乏深入研究[11]。
目前人工肿瘤膝关节置换术假体的植入操作（定位、扩髓等）主要依赖于医生的经验，假体植入位置和方向具有较大的不确定性。植入位置和植入方向的偏离使假体受力方向改变，从而导致内固定物失效。目前针对术后假体失效原因分析也较少涉及到假体偏置位置的定量分析。
本研究回顾性分析国内7个骨肿瘤治疗中心的42例股骨远端GCT行人工关节置换的患者资料，旨在：①通过对GCT单部位、多中心、大样本资料复习，分析股骨远端GCT行人工关节置换后的临床疗效；②通过对失效假体进行体外计算机辅助的力学研究和力线分析等多种研究方法，探索假体失败的深层次原因；③分析影响人工关节置换术后功能的因素，为提高GCT患者假体使用寿命、改善肢体功能提供理论依据。
纳入标准：①确诊为原发或复发的股骨远端GCT患者；②Campanacci III期，伴软组织包块；③刮除植骨术后多次复发；④病理骨折伴有畸形；⑤恶变的GCT；⑥接受股骨远端假体置换术；⑦随访完整，随访时间>20个月；⑧多中心回顾性研究。
排除标准：①因出现全身系统性疾病无法耐受手术或手术部位软组织条件差不宜行关节置换术者；②GTOC评分>9分而未行假体置换者；③假体断裂者。
收集2002年1月至2015年5月在西京医院、天津医院、济南军区总医院、南京军区总医院、浙医二院、河北医科大学第三医院、内蒙古医科大学附属第二医院共7家骨肿瘤治疗中心收治的股骨远端GCT的病例资料共计80例。根据纳入排除标准，最终纳入42例，男24例，女18例，年龄20~69岁，平均（38.53±12.87）岁；原发者28例（67%，28/42），复发患者14例（33%，14/42），其中复发1次者11例，复发2次者3例。无病理骨折者21例，存在骨折但无移位者18例，骨折伴移位者3例。
利用翻修取出的假体行体外模拟实验。通过在Vivo关节模拟机（AMTI公司，美国，西安交通大学机械工程学院机械制造系统工程实验室提供）上模拟旋转铰链型全膝关节假体服役期间行走步态并测量其内外旋角度变化，得出旋转铰链膝的旋转功能曲线图和标准的ISO14243-3假体旋转曲线图比较，以验证其是否具有足够的内外旋能力。
和西安交通大学机械工程学院机械制造系统工程实验室合作，取异体股骨段（西京医院骨科骨库提供）与翻修取出的假体在髓内行骨水泥固定，进行激光扫描，以点云数据形式导入Geomagic软件（Geomagic公司，美国）进行编辑处理，建立3D数学有限元模型，模型中在股骨顶部施加压力，压力大小相当于人的4倍体重（2 600 N）的情况下，然后改变压力施加的方向，指向4个方向，分别给3°和6°的偏置角度（图1），计算假体髓针横断面4个方向理论偏倚角度对松质骨的应变结果，分析得出假体髓针允许的偏倚自由度。
按时间点随访股骨远端GCT行假体置换的患者，对于假体松动的患者动态对比松动前和松动后的X线片，观察假体对于髓腔位置的变化，测量松动前后矢状位X片股骨与假体力线初始偏倚角度，分析松动原因。
与西安交通大学机械工程学院机械制造系统工程实验室合作，使用步态分析仪（Anybody公司，美国，西安交通大学机械工程学院机械制造系统工程实验室提供）对随访患者的步态信号进行采集，建立基于力的动力学模型（force-dependent kinamatics，FDK）分析[12]，通过FDK模型改变假体不同的偏置角度（偏外6°、偏外4°、偏外2°、居中、偏内2°、偏内4°、偏内6°），计算患者所受关节力的极差比，分析骨肿瘤全膝关节置换假体偏置角度对患者下肢关节的生物力学影响。
根据随访患者的膝关节屈伸功能及行走功能受限者，结合影像学检查分析假体功能欠佳的原因。对低位髌骨导致的膝关节功能受限者，测量膝关节Blackburne-Peel指数（BPI，通过髌骨关节面的长度除以髌骨关节面软骨远端到胫骨平台水平的距离，正常值的范围为0.54~1.06），BPI<0.54即可以诊断为低位髌骨[13]。分析低位髌骨原因。
随访主要内容包括临床观察患者行走步态，X线片观察假体相对于髓腔位置有无变化，假体有无松动，有无假体周围骨折及骨吸收，手术部位有无疼痛、肿胀，关节屈伸功能等。术后患者每3个月随访一次，术后3年以后每6个月随访一次，术后5年以后每年复查一次。
根据影像学观察肿瘤有无复发、假体有无松动等。采用美国骨肿瘤学会评分系统（Musculoskeletal Tumor Society 93，MSTS 93）对患者术后功能进行评价。该评分系统共分6项：包括肢体有无疼痛、术后功能整体评价、接受程度、行走时支具使用情况、行走功能及步态，其中每项评分满分为5分，共30分，分为优、良、可、差四个等级。
应用SPSS19.0（SPSS公司，美国）统计学软件包进行数据统计学分析，计数资料包括假体生存率、随访率、初次发病率、复发率，以百分数（%）表示，计量资料包括肢体功能评分、髓针对髓腔壁的形变，以（
±s）表示。
不同年龄、性别、职业、假体类型、截骨长度、股骨与假体力线初始偏倚角度组间计数资料的比较应用χ2检验，肢体功能分析计量资料采用方差分析，两组间比较采用t检验。截骨长度、股骨假体力线初始偏倚角度与假体松动的相关性采用秩相关检验。检验水准α值取双侧0.05。
本组42例随访时间为20~158个月，平均68.7个月。未发现假体置换术后肿瘤局部复发或远处转移。随访获得的假体3年生存率为83.33%、5年生存率为57.14%。假体失败率为52.38%（22/42），术后主要并发症见表1。
42例股骨远端GCT行人工关节置换不同随访时间的并发症分布情况
42例股骨远端GCT行人工关节置换不同随访时间的并发症分布情况
| 随访时间 | 假体松动（例） | 周围骨折（例） | 感染（例） | 生存率(%) |
|---|---|---|---|---|
| 0~3年 | 5 | - | 2 | 83.33 |
| 3~5年 | 9 | 1 | 1 | 57.14 |
| 5年以上 | 4 | 1 | 1 | 42.86 |
本组共3例进行了翻修假体体外模拟膝关节功能环境试验。翻修假体取出后大体观察见与聚乙烯衬垫接触面磨损明显（图2）。假体体外模拟膝关节功能环境的结果提示与标准的ISO14243-3旋转曲线比较，显示旋转铰链型肿瘤全膝关节假体负重情况下的曲线基本为直线，说明假体近乎没有旋转能力（图3）。
翻修假体在体外模拟体内的固定模型，基于有限元数学模型假体柄的计算机分析研究，在髓针4个方向改变髓针偏倚3°和6°两个角度，两个角度的改变对髓腔壁产生的形变分别为（0.590±0.001）mm和（1.163±0.002）mm，即增加髓针的偏倚角度，可使髓腔骨壁所受的形变明显增大，差异有统计学意义（t=409.5，P=0.000），说明偏倚角度越大骨壁形变越大，即假体松动的几率增加。
本组随访的病例共18例，均进行了松动前和松动后的影像学对照研究，观察发现13例假体柄和髓腔存在冠状位或矢状位匹配不满意，5例假体安装位置存在内、外旋。说明假体的自我修正过程会导致假体松动，而匹配满意者的假体使用寿命明显延长（图4）。
对影响股骨假体松动的多种相关因素进行分析，假体是否松动与患者性别、年龄、职业及假体的类型无明显相关（P>0.05，表2）。而瘤段的截骨长度与假体松动明显相关（χ2=8.968，P=0.0027），截骨长度>12 cm者较截骨长度<12 cm者假体更容易松动。假体松动与假体力线偏移角度明显相关（χ2=18.45，P=0.000），研究表明在矢状位，假体力线偏移角度>3°的患者的假体较假体力线偏移角度<3°的患者的假体更容易松动。
GCT患者人工关节置换术后相关因素与假体松动关系（例）
GCT患者人工关节置换术后相关因素与假体松动关系（例）
| 组别 | 性别（男/女） | 职业（体力劳动/其他） | 年龄（<30岁/30~40岁/>40岁） | 假体类型（铰链式/轴心式） | 截骨长度（<12 cm/>12 cm） | 矢状位假体力线偏移角度（>3°/<3°） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 松动 | 10/8 | 14/4 | 4/9/5 | 13/5 | 6/12 | 15/3 |
| 未松动 | 14/10 | 18/6 | 3/11/10 | 19/5 | 19/5 | 4/20 |
| χ2值 | 0.032 | 0.041 | 1.184 | 0.272 | 8.968 | 18.452 |
| P值 | 0.863 | 0.831 | 0.547 | 0.604 | 0.003 | 0.000 |
本组共对16例股骨下端肿瘤型假体患者术后1年进行步态分析，当改变肿瘤膝关节假体在冠状面内的偏置角度后，健侧髋、膝关节力极差比均<5%，患侧下肢髋关节的极差比为17.62%±9.7%，膝关节98.18%±23.2%，极差比平均值均>5%；当改变肿瘤膝关节假体在矢状面的偏置角度后，双侧髋、膝关节力极差比<5%。这一结果表明，改变假体冠状面的偏置角度时，置换侧关节力增幅明显（图5）。
本组42例中共7例膝关节屈曲<90°，下蹲功能受限，其中2例出现行走功能受限并伴有疼痛。结合病史及影像学分析，7例患者中3例为肿瘤复发2次后行股骨假体置换的患者，2例为肿瘤复发1次后行股骨假体置换的患者，假体置换前均行刮除植骨内固定术。另2例患者因术后出现低位髌骨并发症（BPI=0.48），从而发生髌骨撞击导致疼痛行走功能受限（图6）。
随访的42例MSTS93功能评分平均为（25.43±4.256）分，总体良好。方差分析结果显示功能评分受初次人工关节置换时肿瘤为原发或复发及复发次数影响（F=9.006，P=0.003），即原发患者的功能好于复发者，复发1次的功能好于复发2次者；功能评分受假体服役状态影响（F=10.993，P=0.001），即假体未松动及翻修者的功能好于松动者；功能评分与截骨长度相关（F=4.212，P=0.0021），即截骨长度<12 cm者肢体功能好于截骨长度>12 cm者（表3）。
42例股骨远端GCT行人工关节置换各种相关因素对肢体功能的影响（
±s，分）
42例股骨远端GCT行人工关节置换各种相关因素对肢体功能的影响（±s，分）
| 项目 | 肢体功能得分 | 统计值 | |
|---|---|---|---|
| 肿瘤原发或复发 | F=9.006,P=0.003 | ||
| 原发 | 26.75±2.375 | ||
| 复发1次 | 22.34±7.537 | ||
| 复发2次 | 21.86±4.047 | ||
| 假体服役状态 | F=10.993,P=0.001 | ||
| 未松动 | 27.83±2.827 | ||
| 翻修 | 23.43±5.874 | ||
| 松动 | 21.52±5.167 | ||
| 截骨长度 | F=4.212,P=0.002 | ||
| <12cm | 27.53±4.872 | ||
| >12cm | 25.53±4.872 | ||
股骨远端GCT的治疗主要以病变刮除植骨或骨水泥填塞为主，但由于肿瘤的侵袭性生物学特点，常伴随着肿瘤的高复发率[6,7,8]，本研究收集的42例患者中有14例为复发患者，复发率高达33%，与文献报道一致。肿瘤复发病灶一般均在原肿瘤边界进一步破坏，造成肿瘤范围扩大，多数患者因此失去再次保肢机会，不得不面临瘤段切除人工假体置换的选择。以往选择假体置换每个单中心的标准并不一致，而GTOC在一年前给出了统一的标准，即GTOC评分>9分的患者可选择行人工关节置换，故本研究入选的病例GTOC评分均>9分，因此研究结果更具有临床指导意义。由于GCT患者可长期无瘤生存，故临床上需要深入研究分析影响假体置换疗效的因素，以提高假体服役时间。
关于股骨远端GCT人工关节置换的疗效，经查阅国内外文献，目前尚无多中心、大样本的研究报道。本研究收集全国七家骨肿瘤中心的股骨远端GCT病例资料，经严格筛选入组42例行股骨远端人工假体置换的病例，回顾性研究分析导致假体失败的原因。假体失败的主要原因是假体松动、假体周围骨折以及感染等，本研究42例随访的病人，其中假体失败的第一原因是假体松动（42.8%，18/42），其次为感染（9.5%，4/42）。Capanna等[14]通过对278例肿瘤假体生存率的研究，得出肿瘤膝关节假体的5年存活率仅68.7%，其中主要为假体松动导致的失败，本研究组病例的假体5年存活率为57.1%，低于国外文献报道。松动作为假体失败的主要原因，是多方面综合因素决定的[15,16,17,18,19,20,21]。本研究综合分析多种因素是否影响假体松动，结果显示患者年龄、性别、职业及假体类型与假体松动均无相关性（P>0.05），而截骨长度（χ2=8.968，P=0.003）和假体髓针力线偏移角度（χ2=18.45，P=0.000）与假体松松明显相关，是假体松动的主要相关原因，分析原因主要为截骨长度越长，假体力臂增长，所受旋转剪切力越大，增加假体松动的几率。故术者应在确保肿瘤安全边界的情况下尽可能减少截骨长度，如若能设计专门针对GCT患者的假体将能解决临床上GCT患者行假体置换的部分困境。
本研究组通过与西安交通大学机械工程学院机械制造系统工程实验室合作，基于有限元数学模型假体柄的计算机分析研究，得出结论假体髓针的偏倚角度越大假体松动的几率就越高。随访术后假体松动的患者，从影像学看，矢状位假体髓针不能很好的适应股骨的生理曲度，股骨矢状位中近端弧度大，髓内针如果没有弧度，形成明显偏离角，导致术后股骨与假体矢状位力线对线不良，本研究证明这是假体松动的重要因素。另外，从随访的影像学看到，由于安装假体的旋转角度不满意，加之体外实验证实假体的旋转能力差，导致膝关节活动时大部分的旋转力加持在股骨假体的髓针上，是导致假体松动的另一重要原因，因此需要术者手术时注意假体的安装位置及假体设计者进一步改善假体的旋转功能。
我们通过步态分析建立FDK模型，计算人工膝关节假体置换术后病人的假体在不同偏置程度时的关节力，定量分析假体正位/侧位偏置程度对关节力的改变。结果显示假体偏置角度越大假体所受的关节力极差比越大，在冠状位偏置角度对假体所受关节力影响更大，16例患者改变假体冠状位偏置角度所得关节力极差比统计显示患侧下肢髋关节的极差比为17.62%±9.7%，患侧下肢膝关节的极差比为98.18%± 23.2%，极差比均值均大于5%，可认为假体冠状面偏置角度对患侧下肢关节力具有明显影响，可允许范围为±2°，而假体所受关节力越大则越易导致假体松动。所以步态分析从生物力学的角度研究假体偏置和患者术后活动对假体受力情况的影响[22,23,24]，有助于了解假体偏置角度和术后活动对术后关节的生物力学定量影响以及患者完成术后活动过程中的运动学/动力学特征，为外科医生术中安装假体和患者术后活动提供个性化指导，对提高假体的服役性能和术后患者的生活质量具有重要意义。
关节功能为评价人工假体置换疗效的另一重要指标，本研究病例组中有7例患者出现膝关节屈伸功能受限（16.6%，7/42），从MSTS 93评分统计结果显示关节功能与手术次数、假体是否松动、是否翻修及截骨长度有关，手术次数增加导致软组织粘连加重影响关节功能。在本组病例中低位髌骨是导致膝关节功能受限的另一重要原因，通过测量BPI值，BPI<0.54为假性低位髌骨，为胫骨平台线抬高所致，此种情况多为医源性所致，而胫骨平台线抬高多为胫骨平台截骨量不够导致，这要求术者手术是胫骨平台截骨量应大致等于假体平台加聚乙烯垫的高度，从而避免医源性的低位髌骨。
本研究存在不足之处在于回顾性研究数据来源于病历、影像和随访资料，存在一定片面性，病例样本量较少，可能对统计结果造成一定影响，电话随访存在一定的主观性误差。
