Accuracy of 3D printed spine models for pre-surgical planning of complex adolescent idiopathic scoliosis (AIS) in spinal surgeries: a case series - 21/06/23

Doi : 10.1016/j.stlm.2023.100117 
Abir Dutta a, b, Menaka Singh a, Kathryn Kumar a, Aida Ribera Navarro a, Rodney Santiago c, Ruchi Pathak Kaul a, Sanganagouda Patil b, Deepak M Kalaskar a, b,
a UCL Institute of Orthopaedic & Musculoskeletal Science, Division of Surgery & Interventional Science, University College London, Royal National Orthopaedic Hospital, Stanmore, HA7 4LP, London, United Kingdom 
b Royal National Orthopaedic Hospital NHS Trust, Spinal Surgery Unit, Stanmore, HA7 4LP, London, United Kingdom 
c Department of Radiology, Royal National Orthopaedic Hospital, Stanmore, United Kingdom 

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Highlights

Surgical planning for Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is very complex.
3D printed model provides an excellent opportunity for surgical planning.
Accuracy of 3D printed model for complex for AIS planning is not reported before.
Case series, evaluates accuracy of 3D printed models for varying spinal deformities indicated by Cobb's angle (as the 40° to 95°)
Accuracy of surgical model is dependent on Imaging, post processing parameters & 3D printing technology.

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Abstract

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a noticeable spinal deformity in both adult and adolescent population. In majority of the cases, the gold standard of treatment is surgical intervention. Technological advancements in medical imaging and 3D printing have revolutionised the surgical planning and intraoperative decision making for surgeons in spinal surgery. However, its applicability for planning complex spinal surgeries is poorly documented with human subjects. The objective of this study is to evaluate the accuracy of 3D printed models for complex spinal deformities based on Cobb angles between 40° to 95°.This is a retrospective cohort study where, five CT scans of the patients with AIS were segmented and 3D printed for evaluating the accuracy. Consideration was given to the Inter-patient and acquisition apparatus variability of the CT-scan dataset to understand the effect on trueness and accuracy of the developed CAD models. The developed anatomical models were re-scanned for analysing quantitative surface deviation to assess the accuracy of 3D printed spinal models. Results show that the average of the root mean square error (RMSE) between the 3DP models and virtual models developed using CT scan of mean surface deviations for the five 3d printed models was found to be 0.5±0.07 mm. Based on the RMSE, it can be concluded that 3D printing based workflow is accurate enough to be used for presurgical planning for complex adolescent spinal deformities. Image acquisition and post processing parameters, type of 3D printing technology plays key role in acquiring required accuracy for surgical applications.

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Graphical abstract




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Keywords : Adolescent idiopathic scoliosis, 3D Printing, 3D Reconstruction, Surgical planning, Additive manufacturing


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