Surgical treatment of spinal deformities associated with neurological deficits using 3D modeling technologies

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: Progressive spinal cord compression in spinal deformities leads to neurological deficit, creating a high risk of patient disability. Modern 3D modeling technologies allow for the production of individual implants and the creation of full-size models of the spine and spinal cord, which radically improves the approach to treating patients with severe spinal deformities. These technologies are especially effective in congenital anomalies, tumors, and post-traumatic defects, providing a better spatial representation of the pathology and the possibility of personalized surgical treatment of neurologically complicated spinal deformities.

CLINICAL CASES DESCRIPTION: The results of two patients with kyphoscoliotic deformities of the spine combined with spinal cord compression using custom metal structures and 3D modelling capabilities are presented. Clinical examples show the choice of surgical tactics in the treatment of progressive kyphoscoliotic deformities leading to spinal cord compression. Methods of spinal cord decompression and surgical planning using individual full-size 3D models of the spine and spinal cord are presented, as well as the possibility and effectiveness of using individual plates to fix spinal deformities.

CONCLUSION: Surgical treatment resulted in stable fixation of the deformity and regression of the neurological deficit, helping to prevent disability and restore functional activity.

About the authors

Alexander A. Kuleshov

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: cito-spine@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9526-8274
SPIN-code: 7052-0220

MD, Dr. Sci. (Medicine)

Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Anton G. Nazarenko

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: nazarenkoag@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0003-1314-2887
SPIN-code: 1402-5186

MD, Dr. Sci. (Medicine), professor of RAS

Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Marchel S. Vetrile

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: vetrilams@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0001-6689-5220
SPIN-code: 9690-5117

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Sergey N. Makarov

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: moscow.makarov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0406-1997
SPIN-code: 2767-2429

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Igor M. Militsa

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Author for correspondence.
Email: igor.milica@mail.ru
ORCID iD: 0009-0005-9832-316X
SPIN-code: 4015-8113

MD

Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Igor N. Lisyansky

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: lisigornik@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-2479-4381
SPIN-code: 9845-1251

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow

References

  1. Goel SA, Neshar AM, Chhabra HS. A rare case of surgically managed multiple congenital thoraco-lumbar and lumbar block vertebrae with kypho-scoliosis and adjacent segment disease with myelopathy in a young female. Journal of Clinical Orthopaedics and Trauma. 2020;11(2):291–294. doi: 10.1016/j.jcot.2019.04.017
  2. Matee S, Ayaz SB, Bashir U. Progressive thoracic kyphoscoliosis leading to paraplegia in a child with neurofibromatosis type- 1. Journal of the College of Physicians and Surgeons Pakistan. 2021;31(1):98–100. doi: 10.29271/jcpsp.2021.01.98
  3. Katiyar P, Boddapati V, Coury J, et al. Three-Dimensional Printing Applications in Pediatric Spinal Surgery: A Systematic Review. Global spine journal. 2024;14(2):718–730. doi: 10.1177/21925682231182341
  4. Senkoylu A, Daldal I, Cetinkaya M. 3D printing and spine surgery. Journal of orthopaedic surgery (Hong Kong). 2020;28(2):2309499020927081. doi: 10.1177/2309499020927081
  5. Singh K, Samartzis D, An HS. Neurofibromatosis type I with severe dystrophic kyphoscoliosis and its operative management via a simultaneous anterior-posterior approach: A case report and review of the literature. Spine Journal. 2005;5(4):461–466. doi: 10.1016/j.spinee.2004.09.015
  6. Sugimoto Y, Ito Y, Tanaka M, et al. Cervical cord injury in patients with ankylosed spines: progressive paraplegia in two patients after posterior fusion without decompression. Spine. 2009;34(23):E861–3. doi: 10.1097/BRS.0b013e3181bb89fc
  7. Maxwell AKE. Spinal cord traction producing an ascending, reversible, neurological deficit. Case report. Verhandlungen der Anatomischen Gesellschaft. 1967;(115):49–69.
  8. Ransohoff J, et al. Spinal Cord Traction Producing an Ascending, Reversible, Neurological Deficit. Case Reports. 1969;(31):459–461.
  9. Breig A, Braxton V. Biomechanics of the central nervous system: some basic normal and pathologic phenomena. Almqvist & Wiksell; 1960. 183 р.
  10. Dommisse G. THE Vascular OF Zone THE Surgery CORD* in Spinal. JBJS. 1974;56(2).
  11. Ahlgren BD, Herkowitz HN. A modified posterolateral approach to the thoracic spine. Journal of spinal disorders. 1995;8(1):69–75.
  12. Lonstein JE, Winter RB, Moe JH, et al. Neurologic deficits secondary to spinal deformity: A review of the literature and report of 43 cases. Spine. 1980;5(4):331–355. doi: 10.1097/00007632-198007000-00007
  13. Ménard DV. Étude pratique sur le mal de Pott. Paris: Masson; 1900.
  14. Winter RB, Moe JH, Wang JF. Congenital kyphosis: its natural history and treatment as observed in a study of one hundred and thirty patients. JBJS. 1973;55(2):223–274.
  15. Barber JB, Epps CH. Antero-lateral transposition of the spinal cord for paraparesis due to congenital scoliosis. Journal of the National Medical Association. 1968;60(3):169–172.
  16. Cantore GP, Ciappetta P, Costanzo G, Raco A, Salvati M. Neurological deficits secondary to spinal deformities: Their treatment and results in 13 patients. European Neurology. 1989;29(4):181–185. doi: 10.1159/000116407
  17. Shenouda EF, Nelson IW, Nelson RJ. Anterior transvertebral transposition of the spinal cord for the relief of paraplegia associated with congenital cervicothoracic kyphoscoliosis: Technical note. Journal of Neurosurgery: Spine. 2006;5(4):374–379. doi: 10.3171/spi.2006.5.4.374
  18. Pennington Z, Ahmed AK, Goodwin CR, Westbroek EM, Sciubba DM. The Use of Sacral Osteotomy in the Correction of Spinal Deformity: Technical Report and Systematic Review of the Literature. World Neurosurgery. 2019;(130):285–292. doi: 10.1016/j.wneu.2019.07.083
  19. Bourghli A, Abduljawad SM, Boissiere L, Obeid I. Thoracolumbar kyphoscoliotic deformity with neurological impairment secondary to a butterfly vertebra in an adult. Spine Deformity. 2020;8(4):819–827. doi: 10.1007/s43390-020-00050-3
  20. Delecrin J, et al. Various mechanisms of spinal cord injury during scoliosis surgery. 1994. Р. 13–14.
  21. Kawahara N, Tomita K, Baba H, et al. Closing-opening wedge osteotomy to correct angular kyphotic deformity by a single posterior approach. Spine. 2001;26(4):391–402. doi: 10.1097/00007632-200102150-00016
  22. Shimode M, Kojima T, Sowa K. Spinal wedge osteotomy by a single posterior approach for correction of severe and rigid kyphosis or kyphoscoliosis. Spine. 2002;27(20):2260–2267. doi: 10.1097/00007632-200210150-00015
  23. Shono Y, Abumi K, Kaneda K. One-stage posterior hemivertebra resection and correction using segmental posterior instrumentation. Spine. 2001;26(7):752–757. doi: 10.1097/00007632-200104010-00011
  24. Kleinberg S, Kaplan A. Scoliosis complicated by paraplegia. JBJS. 1952;34-А(1):162–7.
  25. Mironov SP, Vetrile ST, Nacvlishvili ZG, et al. Ocenka osobennostej spinal’nogo krovoobrashcheniya, mikrocirkulyacii v obolochkah spinnogo mozga i nejrovegetativnoj regulyacii pri skolioze. Hirurgiya pozvonochnika. 2006;(3):38–48. (In Russ.). EDN: IBWQQB
  26. Ul’rih EV, Mushkin AYu, Rubin AV. Vrozhdennye deformacii pozvonochnikau detej: prognoz epidemiologii i taktika vedeniya. Hirurgiya pozvonochnika. 2009;(2):55–61. (In Russ.). EDN: KTYEZR
  27. Senderek J, Bergmann C, Weber S, et al. Mutation of the SBF2 gene, encoding a novel member of the myotubularin family, in Charcot–Marie–Tooth neuropathy type 4B2/11p15. Human molecular genetics. 2003;12(3):349–356. doi: 10.1093/hmg/ddg030
  28. Kotani Y, Abumi K, Ito M, Minami A. Improved accuracy of computer-assisted cervical pedicle screw insertion. Journal of neurosurgery. 2003;99(Suppl 3):257–263. doi: 10.3171/spi.2003.99.3.0257
  29. Novikov VV, Vasyura AS, Lebedeva MN, Mikhaylovskiy MV, Sadovoy MA. Surgical management of neurologically complicated kyphoscoliosis using transposition of the spinal cord: Case report. International Journal of Surgery Case Reports. 2016;27:13–17. doi: 10.1016/j.ijscr.2016.07.037
  30. Saito M. Anterolateral decompression for thoracic myelopathy due to severe kyphosis using the costotransversectomy approach. Rinsho Seikei Geka. 1997;32:523–530.
  31. Shah MS, Akbary K, Patel PM, Nene AM. Management of Proximal Thoracic Kyphoscoliosis with Early Myelopathy in a Young Adult with Neurofibromatosis Type 1: A Case Report and Review of Literature. Journal of orthopaedic case reports. 2020;10(4):8–12. doi: 10.13107/jocr.2020.v10.i04.1778
  32. Smith JS, Fu KM, Urban P, Shaffrey CI. Neurological symptoms and deficits in adults with scoliosis who present to a surgical clinic: Incidence and association with the choice of operative versus nonoperative management. Journal of Neurosurgery: Spine. 2008;9(4):326–331. doi: 10.3171/SPI.2008.9.10.326
  33. Yaman O, Dalbayrak S. Kyphosis and review of the literature. Turkish Neurosurgery. 2014;24(4):455–465.
  34. Zhang Z, Wang H, Liu C. Compressive myelopathy in severe angular kyphosis: a series of ten patients. European Spine Journal. 2016;25(6):1897–1903. doi: 10.1007/s00586-015-4051-6
  35. Zhang Z, Wang H, Zheng W. Compressive Myelopathy in Congenital Kyphosis of the Upper Thoracic Spine. Clinical Spine Surgery. 2017;30(8):E1098–E1103. doi: 10.1097/BSD.0000000000000350
  36. Saifi C, Laratta JL, Petridis P, et al. Vertebral Column Resection for Rigid Spinal Deformity. Global Spine Journal. 2017;7(3):280–290. doi: 10.1177/2192568217699203
  37. Auerbach JD, Lenke LG, Bridwell KH, et al. Major complications and comparison between 3-column osteotomy techniques in 105 consecutive spinal deformity procedures. Spine. 2012;37(14):1198–1210. doi: 10.1097/BRS.0b013e31824fffde
  38. Lenke LG, Newton PO, Sucato DJ, et al. Complications after 147 consecutive vertebral column resections for severe pediatric spinal deformity: a multicenter analysis. Spine. 2013;38(2):119–132. doi: 10.1097/BRS.0b013e318269fab1
  39. Wilcox B, Mobbs RJ, Wu AM, Phan K. Systematic review of 3D printing in spinal surgery: the current state of play. Journal of Spine Surgery. 2017;3(3):433–443. doi: 10.21037/jss.2017.09.01

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Computed tomography (a), magnetic resonance imaging (b) and radiograph (c) of the cervicothoracic spine. CT and MRI data revealed stenosis of the C4–Th4 spinal canal with MR signs of myelopathy. According to CT and radiography of the spine, the picture of the congenital anomaly of the spine is as follows: posterolateral wedge-shaped accessory hemivertebra C7, local angular kyphosis at the level of the C6–7 vertebra with the presence of a bone block of the bodies and posterior elements of the Th1–3 vertebrae and a posterolateral wedge-shaped hemivertebra Th4–Th5.

Download (216KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Postural radiographs after the second stage of the operation. The thoracic and cervical rods are connected by a biaxial “domino” connector.

Download (108KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Stage of designing an individual model and plate for ventral fixation.

Download (116KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Custom 3D spine model (a) and custom anterior spine fixation plate (b).

Download (160KB)
Indexing metadata
6. Fig. 4. Custom 3D spine model (a) and custom anterior spine fixation plate (b).

Download (154KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Postural radiography of the spine at two years of age.

Download (45KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Postural radiography of the spine at the time of admission to hospital

Download (94KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Magnetic resonance imaging of the thoracic spine at the apex of the deformity.

Download (109KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Individual anatomical model with the possibility of dividing the model into two parts in the sagittal plane using neodymium magnets for visualization of the spinal cord (colored red) and bone structures of the spine (colored yellow).

Download (179KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Computer tomography of the spine on the third day after surgery. Axial projection at the apex of the deformity (Th8 level). The arrow indicates the decompression zone: the resected pedicle of the Th8 vertebral arch with the costotransverse joint and the head of the rib.

Download (60KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».