Academic literature on the topic 'Imaging of primary bone tumors'

Identification, staging, and treatment of bone sarcomas rely on both clinical and imaging evaluations. Although conventional radiography remains the primary imaging modality for characterizing bone tumors, bone scintigraphy, computed tomography, magnetic resonance imaging, and positron emission tomography can each add information for staging and treatment planning.

Central chondroid bone tumours are one of the most common primary bone tumours. Benign central chondroid tumours are termed enchondromas and its malignant counterpart are called chondrosarcomas. Enchondromas are frequently observed on routine imaging. Similarly, chondrosarcomas are the second most common primary bone tumour after osteosarcoma. Imaging is crucial in the diagnosis of central chondroid tumours and in the differentiation of enchondromas from chondrosarcomas. Furthermore, imaging plays a vital role in the staging of chondrosarcomas. In this thesis, the published scientific literature on the role of imaging in the diagnosis of benign chondroid tumours and chondrosarcomas and the role of imaging in the staging of chondrosarcomas is reviewed and summarised. Furthermore, the contribution of the authors’ published work is highlighted in the thesis. The first two articles are review articles which discuss the clinical and imaging features of benign and malignant chondrogenic tumours and the significance of imaging in the diagnosis of these tumours. The third article is an original article which investigates the theory of the pathogenesis of enchondromas. It is widely believed that enchondromas arise from cartilage islands which are displaced from the growth plate during the process of skeletal maturation. However, this theory is unproven, and the origin of this theory was forgotten prior to the authors’ study. Based on the incidental prevalence of enchondromas of the knee in the adult population of 2.9%, the study assesses the prevalence of cartilage islands/enchondromas in skeletally immature patients. In this study, no cartilage islands/enchondromas in skeletally immature patients were identified. The study therefore shows the rarity of enchondromas in skeletally immature individuals which is in contrast to the adult population. Furthermore, in view of the absence of cartilage islands in this study, the study raises doubts about the validity of the unproven theory. Lastly, the very origin of this theory is rediscovered in this thesis which has been forgotten in modern medicine. The fourth article is an original article which evaluates the role of diffusion-weighted MRI (DWI) in the diagnosis of central cartilage tumours. Prior to the authors’ study the role of DWI in the diagnosis of central cartilage tumours was uncertain. The authors’ study demonstrates that DWI cannot be used to differentiate between enchondromas and chondrosarcomas and that DWI does not aid in the distinction of low-grade chondroid tumours from high-grade chondrosarcomas. This is a finding which was not known prior to the study. The fifth article is an original article which assesses the utility of conventional MRI in the differentiation of low-grade from high-grade chondrosarcomas of long bone. Prior to the authors’ study the role of conventional MRI in the differentiation of low- grade from high-grade chondrosarcomas of long bone was unknown. The authors’ study shows that bone expansion, active periostitis, soft tissue mass and tumour length can be used to differentiate high-grade from low-grade chondral lesions of long bone on conventional MRI. Furthermore, the presence of these four MRI features shows a diagnostic accuracy of 95.6%. These findings were not known prior to the study and have significantly furthered the knowledge about the role of conventional MRI in the grading of chondrosarcoma of long bone. The sixth article is an original article which evaluates the role of bone scintigraphy and Computed Tomography of the chest in the staging of chondrosarcoma of bone. Whilst guidelines regarding the staging of bone sarcomas state that bone scintigraphy should be performed to assess for the presence of skeletal metastases and that Computed Tomography (CT) of the chest should be performed to evaluate for possible pulmonary metastases, there has been no research on the utility of bone scintigraphy in chondrosarcoma of bone and on the role of CT-chest in the staging of chondrosarcomas. Furthermore, the prevalence of skeletal and pulmonary metastases of chondrosarcoma at presentation was unknown prior to this study. The authors’ study demonstrated no skeletal metastases on bone scintigraphy in chondrosarcoma of bone at presentation. In contrast, pulmonary metastases were observed in approximately 5% of all patients with chondrosarcoma at presentation on CT-chest. The finding therefore demonstrates the rarity of skeletal metastases in chondrosarcoma of bone at presentation which is in contrast to osteosarcoma and Ewing sarcoma. The study therefore concludes that there is little role for skeletal scintigraphy in the surgical staging of chondrosarcoma. In contrast, the study shows that there is a role for CT-chest in the staging of chondrosarcoma. These above described findings are important new findings and represent a significant contribution to the knowledge base regarding metastatic behaviour of chondrosarcomas at presentation and regarding the staging of chondrosarcoma of bone. In summary, the authors’ publications have significantly enhanced and furthered the understanding of the pathogenesis of enchondromas, the role of functional MRI in the differentiation of enchondromas from chondrosarcomas, the utility of MRI in the grading of chondrosarcomas and the role of skeletal scintigraphy in the staging of chondrosarcomas.

La modélisation tridimensionnelle est devenue plus accessible et plus rapide en orthopédie et en particulier en chirurgie de l’épaule. L’analyse morphométrique qui en est issue est utilisée pour permettre une meilleure compréhension de l’omarthrose. L’objectif global de cette thèse était de valider l’application d’un logiciel de segmentation automatisée tridimensionnelle dans les étapes de prise en charge du patient. Huit études ont permis de valider les mesures automatiques calculées par le logiciel, d’améliorer la classification des omarthroses primaires puis de décrire la géométrie 3D normale et pathologique de l’épaule. Des seuils numériques précis ont pu être établis entre les différents types. Le logiciel a permis de développer et valider l’utilisation d’un angle (RSA-angle) permettant de mieux positionner l’implant glénoïdien dans les prothèses inversées d’épaule. L’utilisation des mobilités simulées en 3D démontrait l’intérêt du logiciel dans la compréhension des conflits osseux après prothèse et des faiblesses de design d’implant. Enfin, le positionnement de l’implant glénoïdien en peropératoire avec un guide patient-spécifique imprimé en 3D correspondait fidèlement à sa planification préopératoire, cependant, la planification à elle seule améliorait déjà considérablement ce positionnement. Ce travail de thèse a permis de valider les performances et l’utilisation d’un logiciel de segmentation tridimensionnel et de planification préopératoire. Son application se retrouve dans plusieurs étapes de la prise en charge d’un patient atteint d’omarthrose et devrait progressivement s’intégrer dans la pratique quotidienne des chirurgiens<br>Three-dimensional modelling has become more accessible and faster in orthopedics and especially in shoulder surgery. The subsequent morphometric analysis is used to provide a better understanding of shoulder arthritis.The overall objective of this Thesis was to validate the use of a 3D-automated segmentation software in the various steps of patients management.Eight studies allowed validating the automatic measurements calculated by the software, improving the classification of primary shoulder arthritis and then describing the normal and pathological 3D geometry of the shoulder. Accurate numerical thresholds could be established between the different types. The software developed and validated the use of an angle (RSAangle) to better position the glenoid implant in reverse shoulder arthroplasty. The use of simulated range of motion in 3D demonstrated the software’s interest in understanding bone impingements after prosthesis and implant design weaknesses.Finally, the positioning of the glenoid implant intraoperatively with a patient specific guide printed in 3D corresponded faithfully to its preoperative planning. However, planning alone already greatly improved this positioning. This Thesis made it possible to validate the performance and use of a software of three-dimensional segmentation and pre-operative planning. Its application is found in several steps of the management of a patient with shoulder arthritis and should gradually be integrated into the daily practice of surgeons

Η θεραπεία των καλοήθων οστικών όγκων εξαρτάται από την ανατομική εντόπιση, τα συμπτώματα, τη φυσική ιστορία του όγκου και τη θνησιμότητα της θεραπείας η οποία στις περισσότερες περιπτώσεις περιλαμβάνει ή την εκτομή ή την απόξεση αν και όχι σπάνια είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθεί μία ευρύτερη εξαίρεση, χρησιμοποιώντας τις ίδιες αρχές όπως στους κακοήθεις οστικούς όγκους. Οι νεότερες διαδερμικές μέθοδοι, με κυριότερο εκπρόσωπο τη διαδερμική θερμοκαυτηρίαση (RFA) έρχονται να δώσουν τη λύση, εξασφαλίζοντας την πλήρη καταστροφή του όγκου αλλά και τη διατήρηση της λειτουργικής κινητικότητας του ασθενούς. Η παρούσα μελέτη εξέτασε την αποτελεσματικότητα και την ασφάλεια της εν λόγω θεραπευτικής μεθόδου στην αντιμετώπιση κατά κύριο λόγο των οστεοειδών οστεωμάτων αλλά και άλλων καλοήθων οστικών όγκων, όπως τα χονδροβλαστώματα και τα οστεοβλαστώματα. Επίσης, μελετήθηκαν τα απεικονιστικά πρότυπα των όγκων πριν και μετά RFA και έγινε συσχέτιση των απεικονιστικών αποτελεσμάτων με άλλες παραμέτρους των υπό μελέτη οστικών όγκων. ΥΛΙΚΟ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ Από τον Δεκέμβριο του 2003 έως και τον Δεκέμβριο του 2009 συνολικά 33 ασθενείς με συνολικά 33 καλοήθεις οστικούς όγκους υποβλήθηκαν σε διαδερμική θερμοκαυτηρίαση με ραδιοσυχνότητες (κατόπιν ενυπόγραφης πληροφορημένης συναίνεσης). Από τους 33 καλοήθεις όγκους, οι 29 ήταν οστεοειδή οστεώματα, οι τρεις χονδροβλαστώματα και ο ένας οστεοβλάστωμα. Από τους 33 ασθενείς, οι 23 ήταν άντρες και οι 10 γυναίκες (♂/♀: ~2/1), ηλικίας από 11 έως 39 ετών (μέση ηλικία : 22,5 έτη). Η διάμετρος των οστεοειδών οστεωμάτων κυμαίνονταν από 4 έως 12 χιλ. (μέση τιμή:7 χιλ.), των χονδροβλαστωμάτων από 26 έως 32 χιλ. (μέση τιμή:29 χιλ.) και του οστεοβλαστώματος 32 χιλ. Συνολικά 27 (82%) όγκοι εντοπίζονταν στα κάτω άκρα, τέσσερις (12%) στα άνω άκρα και δύο (6%) στην σπονδυλική στήλη. Οι έντεκα (33%) από τις 33 βλάβες είχαν ενδαρθρική εντόπιση. Η διάγνωση των οστεοειδών οστεωμάτων στηρίχθηκε αποκλειστικά σε ακτινολογικά και κλινικά κριτήρια, ενώ για τα χονδροβαλστώματα και το οστεοβλάστωμα πραγματοποιήθηκε βιοψία. Σε όλους τους όγκους η θερμοκαυτηρίαση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ενός άκαμπτου RF ηλεκτροδίου σε σχήμα «ράβδου» εκτός από δύο περιπτώσεις χονδροβλαστωμάτων της μηριαίας κεφαλής όπου χρησιμοποίηθηκε εκπτυσσόμενο RF ηλεκτρόδιο δίκην «ομπρέλας». Καταγράφηκαν και μελετήθηκαν τα ποσοστά επιτυχίας, οι υποτροπές, οι επιπλοκές καθώς και τα αποτελέσματα της στατιστικής ανάλυσης. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η μέθοδος ήταν τεχνικά επιτυχής και στους 33 όγκους (100%). Υποτροπή των συμπτωμάτων παρουσιάστηκε σε τρεις περιπτώσεις (9%, 3/33) οστεοειδών οστεωμάτων (ένα ενδαρθρικό στο σπογγώδες οστό και δύο εξω-αρθρικά στην φλοιώδη μοίρα), αντίστοιχα στους δύο, έξι και τέσσερις μήνες μετά την «θερμοκαυτηρίαση» (μέση τιμή : 4 μήνες). Η μη σωστή τοποθέτηση του RF ηλεκτροδίου μέσα στον όγκο και ο τραυματισμός του αρθρικού χόνδρου ήταν οι λόγοι αποτυχίας της μεθόδου. Ο ένας ασθενής υπεβλήθη σε δεύτερο επιτυχή «θερμοκαυτηριασμό» (εξω-αθρικό, φλοιώδες οστεοειδές οστέωμα), ο δεύτερος ακολούθησε τη χειρουργική οδό (εξω-αθρικό, φλοιώδες οστεοειδές οστέωμα) και ο τρίτος συνέχισε τη φαρμακευτική αγωγή (ενδαρθρικό, σπογγώδες οστεοειδές οστέωμα). Έτσι, τα ποσοστά κλινικής επιτυχίας μετά την 1η RF συνεδρία ανέρχονται στο 91% (30/33) και συνολικά μετά και την 2η RF συνεδρία ανέρχονται τελικά στο 94% (31/33). Η περίοδος κλινικής παρακολούθησης κυμάνθηκε συνολικά για όλους τους όγκους από 6 έως 70 μήνες (μέση τιμή follow-up : 28 μήνες). Στις επιπλοκές περιλαμβάνονται μία περίπτωση θερμικής δερματικής κάκωσης 1ου βαθμού (ελάσσονα επιπλοκή), μία περίπτωση ιατρογενούς- εκφυλιστικής οστεοαρθρίτιδας (3η υποτροπή) και μία περίπτωση σηπτικής αρθρίτιδας της αριστερής κατά γόνυ αρθρώσεως με σχηματισμό δερματικού συριγγίου δύο μήνες μετά RFA που αντιμετωπίστηκε χειρουργικά. Για τις 25 (86%, 25/29) συνολικά περιπτώσεις οστεοειδών οστεωμάτων με διαθέσιμο CT follow-up πριν και μετά τη θερμοκαυτηρίαση (6, 12 και 24 μήνες), πραγματοποιήθηκε στατιστική συσχέτιση πολλαπλών μεταβλητών και προέκυψαν τα κάτωθι συμπεράσματα (Kendall’s t-test): 1) Η ελάχιστη ή και μηδαμινή «οστεοποίηση» της «φωλεάς» δεν υποδεικνύει απαραίτητα την κλινική αποτυχία (P=0.14). 2) Η ανίχνευση εσωτερικής «οστεοποίησης» της «φωλεάς» παρουσίασε έντονη θετική συσχέτιση με την μεγάλη (≥12 μήνες) διάρκεια του CT follow-up (P=0.014). 3) Το μεγάλο μέγεθος των οστεοειδών οστεωμάτων (>7 χιλ.) συσχετίζεται έντονα αρνητικά με την φλοιώδη (P=0.001), την εξωαρθρική (P=0.003) και την διαφυσιακή εντόπιση (P=0.001). 4) Επίσης και το μεγάλο (≥ 7χιλ.) μέγεθος (P=0.086), δηλαδή και το μεγάλο μέγεθος τείνει να συσχετίζεται με την «ωριμότητα» του όγκου (παρουσία εσωτερικών αποτιτανώσεων προ RFA) . Στοιχεία εσωτερικής «οστεοποίησης» (μετά RFA) ανεδείχθησαν ήδη με την συμπλήρωση των 12 μηνών από την θερμοκαυτηρίαση για δύο χονδροβλαστώματα ενώ το τρίτο εμφάνισε σχεδόν πλήρη «οστεοποίηση» στους 48 μήνες απεικονιστικού follow-up. Απ’ την άλλη, δεν παρατηρήθηκε αλλαγή στην απεικόνιση του οστεοβλαστώματος της κερκίδας στο εξάμηνο ακτινολογικό follow-up. Μέχρι σήμερα όλα τα περιστατικά των χονδροβλαστωμάτων και του οστεοβλαστώματος παραμένουν –από κλινικής απόψεως- ελεύθερα άλγους ή κινητικής δυσχέρειας. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Η διαδερμική θερμοκαυτηρίαση με ραδιοσυχνότητες (RF Ablation) είναι μία ελάχιστα επεμβατική θεραπευτική επιλογή για τους ασθενείς με οστεοειδή οστεώματα, η οποία παρέχει άμεση ανακούφιση από το άλγος με χαμηλά ποσοστά επιπλοκών και υποτροπών. Η RF θερμοκαυτηρίαση θεωρείται πλέον ως η θεραπεία εκλογής για τα οστεοειδή οστεώματα του περιφερικού σκελετού και της πυέλου αλλά και για τις χειρουργικές υποτροπές. Μειώνει την ενδονοσοκομειακή νοσηλεία και τη διάρκεια της επαναφοράς και αποκατάστασης του ασθενούς. Η οστική βιοψία πριν την RF θεραπεία δεν είναι απαραίτητη εφ’ όσον η διάγνωση μπορεί με ασφάλεια να βασιστεί στα κλινικά και απεικονιστικά ευρήματα. Η αξιολόγηση της κλινικής πορείας και όχι η απεικόνιση είναι το καλύτερο κριτήριο για να γίνει διάκριση μεταξύ των ασθενών με καλή ή όχι κιλινική έκβαση. Η καταγραφή και η συσχέτιση παραμέτρων, όπως το μέγεθος, η θέση και η παρουσία εσωτερικών αποτιτανώσεων των οστεοειδών οστεωμάτων δύναται να βοηθήσουν στην κατανόηση της παθογένεσής τους. Η μέθοδος, σε επιλεγμένες περιπτώσεις (θέση-μέγεθος) και υπό κατάλληλες συνθήκες (πολλαπλές «αλληλοεπικαλυπτόμενες» RF συνεδρείες μικρότερης «ενεργού» ακτίνας), μπορεί να εφαρμοστεί επιτυχώς και σε άλλους καλοήθεις οστικούς όγκους όπως τα χονδροβλαστώματα και τα οστεοβλαστώματα.<br>Treatment of benign primary bone tumors depends on the anatomical location, symptoms, the natural history of the tumor and the morbidity of treatment and in most cases involves either simple excision or curettage although occasionally it is necessary to perform a complete excision using the same principles as for malignant tumors. CT-guided radiofrequency ablation (RFA), has emerged as minimally invasive alternative to destroy the tumor, overcome surgical difficulties and potential hazards and preserve the functional ability of the patient. The present study demonstrates the healing effect of RFA and evaluates its efficacy and safety in the treatment of osteoid osteomas, chondroblastomas and osteoblastomas. Additionally, this series compare the imaging pattern of the bone tumors prior and post RFA and correlate the results with other selected tumor parameters. MATERIAL AND METHODS From December 2003 to December 2009 a total number of 33 patients (23 male, 10 female, 11-39 years, mean: 22, 5 years) with 33 benign bone tumors were treated with RFA. Informed consent and institutional board approval were obtained. The tumors consisted of 29 osteoid osteomas, three biopsy-proved chondroblastomas and one biopsy-proved osteoblastoma. The mean maximum diameter was 7mm (range: 4-12 mm) for osteoid osteomas, 29 mm for chondroblastomas (range: 26-32 mm) and 32mm for the osteoblastoma. Lesions were located in the limbs (n: 27, 82%), the upper arm (n: 4, 12%) and two in the spine (n: 2, 6%). Intra-articular location was detected in 11(33%) tumors. Diagnosis of osteoid osteomas was base on imaging and clinical criteria. Ablation was performed using a straight rigid RF electrode in 31 tumors while a multi-tined expandable RF electrode was used in two cases of femoral chondroblastomas. Primary success rate, total secondary success rate, recurrences, complications, follow-up and statistical analysis results were assessed. RESULTS Technical success was achieved in 33 patients (33/33, 100%). Recurrence occurred in three osteoid osteomas (3/33, 9%); one intra-articular medullar lesion and two extra-articular cortical lesions at two, six and four months post RFA respectively (mean: 4 months). Failure was attributed to inadequate RF electrode positioning in the cortical lesions whilst articular damage was the main reason for pain relapse in the third intra-articular case. Primary success rate was 91% and total secondary success rate was 94%. Mean clinical follow-up period was 28 months (range: 6-70 months) for all lesions. Complications comprised of one mild thermal skin injury, one hip joint degenerative arthritis (third intra-articular failure case) and a case of septic arthritis with bony changes and cutaneous fistula, due to wound infection, which required surgical debridement. Statistical analysis of bone tumor parameters regarding 25 cases of osteoid osteomaswith available CT-follow-up, like complete, partial or absent ossification of the treated nidus, patient age and sex, tumor size and location, pre-existing calcifications, clinical outcome and CT follow-up, reached the following results (Kendall’s t-test): 1) Absence and/or minimal of post RFA ossification does not necessarily indicate clinical failure (P=0.14). 2) Detection of post RFA ossification showed an intense positive correlation with a long-lasting CT follow-up (≥ 12 months) (P= 0.014). 3) The “big” size of osteoid osteomas (>7mm) showed an intense negative correlation with the cortical (P=0.001), extra-articular (P= 0.003) and diaphyseal location (P=0.001). 4) Also, the “big” size of osteoid osteomas (>7mm) tends to correlate with the presence of calcifications (prior RFA), which represents a “maturity” marker of the tumor (P= 0.086). All three cases of chondroblastomas showed signs of internal ossification post RFA on regular imaging follow-up while the osteoblastoma did not show any imaging changes on the 6-month follow-up. On the other hand, the osteoblastoma and the remaining three cases of chondroblastomas presented an excellent post RFA clinical course without any signs of relapse. CONCLUSIONS Percutaneous RFA is a minimally invasive therapeutic option for osteoid osteomas which provides immediate pain relief and low rates of complications and recurrences. It is considered as the treatment of choice for appendicular and pelvic osteoid osteomas and for surgical recurrences as well. Biopsy is not mandatory provided that the diagnosis can be safely based on clinical and imaging grounds. The determination of an adverse clinical outcome should be based on clinical evaluation and not on the imaging pattern. The study and correlation of tumor parameters like size, location and pre-existing calcifications of osteoid osteomas can help in understanding their pathogenesis. The present study also suggests that RFA, when correctly performed, should be included in the treatment algorithm of selected cases of other benign bone tumors like chondroblastomas and osteoblastomas.

The mechanical properties of cancellous bone are determined from a combination of bone quantity (volume), the material properties of the mineralized tissue, and microarchitecture. Bone remodeling is the primary process through which bone mass and structure are altered in the adult skeleton. Bone remodeling involves the coordinated activity of osteoclast and osteoblast cells, which resorb and then form bone at an isolated location on the cancellous bone surface. Because bone resorption precedes formation, each bone remodeling event in cancellous bone is associated with a temporary void on the bone surface known as a remodeling cavity. It has been proposed that remodeling cavities can act as stress risers, modifying stress distributions in cancellous bone and potentially impairing bone strength, stiffness and other mechanical properties. While high resolution finite element modeling supports the idea that remodeling cavities have the potential to modify mechanical properties at the micro-scale (in individual trabeculae) [1] and at the apparent level (entire cancellous bone specimens)[2, 3], the experiments required to confirm these findings are limited because a repeatable method of quantifying the number and size (length width and depth) of remodeling cavities in entire cancellous bone specimens has not yet been demonstrated.