Impact of spinal sagittal alignment and trunk mass distribution on spine biomechanics in adult spinal deformity

High mechanical complication rates after adult spinal deformity (ASD) surgical correction suggest that current sagittal alignment restoration does not always ensure optimal spinal balance. What is currently disregarded in ASD preoperative planning is the interpersonal variability in the body shape. Therefore, the aim of this study was to evaluate the relative effects of spinal sagittal alignment and body mass distribution on location of trunk centre of mass (CoM) and intervertebral loads. An established musculoskeletal model of the spine was used. Sagittal alignments of 754 patients were obtained from ESSG clinical data. Trunk mass distributions were assessed in healthy adult male volunteers (10 normal weight and 9 with obesity) by Khalifa and Calgary University. Inverse dynamic simulations in static upright-posture and during 30° dynamic forward flexion were performed for each combination of sagittal alignment and trunk mass distribution profile. Spinal segmental joint reaction forces were analysed. A factorial analysis with generalized linear models elucidated relative effects of alignment vs. body shape. In upright posture, trunk mass distribution strongly influenced compressive loads in the upper thorax (14-98%) and lumbar region (42-57%) for normal-weight subjects, while in the obese population, the mass effect was concentrated in the thoracic levels (24-98%). Shear forces were more affected by mass distribution during dynamic forward flexion (0.2-91% normal-weight, 0.2-92% with-obesity) compared to static simulations (0-45%, 0.2-41%). The present study demonstrated the considerable impact of trunk mass distribution on model-predicted spinal loads, highlighting the significance of body shape in biomechanical and clinical evaluation of ASD. Patient body shape should be considered in surgical planning for determining the amount of correction needed to maintain the trunk CoM over the pelvis and to avoid overloading of spinal segments prone to complications. Future research should evaluate body shapes in patients with ASD and implement coronal misalignment in MSK models.

L’elevata incidenza di complicanze meccaniche dopo correzione chirurgica di deformità spinale negli adulti (ASD) suggerisce che il ripristino dell’allineamento sagittale non garantisca sempre un ottimale equilibrio spinale. Attualmente, nella pianificazione preoperatoria è trascurata la variabilità interpersonale della morfologia corporea. Pertanto, l’obiettivo di questo studio era valutare gli effetti relativi dell’allineamento sagittale della colonna vertebrale e della distribuzione della massa corporea sulla posizione del centro di massa (CoM) del tronco e sui carichi intervertebrali. È stato utilizzato un modello muscoloscheletrico della colonna vertebrale già validato. Gli allineamenti sagittali di 754 pazienti sono stati ottenuti dai dati clinici forniti dall’ESSG. Le distribuzioni di massa del tronco sono state valutate in volontari maschi adulti sani (10 normopeso e 9 obesi) dall’Università di Khalifa e Calgary. Sono state eseguite simulazioni di dinamica inversa in posizione eretta e durante una flessione dinamica in avanti di 30° per ciascuna combinazione di allineamento sagittale e profilo di distribuzione della massa del tronco. Sono state analizzate le forze di reazione articolare segmentali. Un’analisi fattoriale con modelli lineari generalizzati ha chiarito gli effetti relativi dell’allineamento rispetto alla forma del corpo. In posizione eretta, la distribuzione della massa del tronco ha fortemente influenzato i carichi di compressione nella parte superiore del torace (14-98%) e nella regione lombare (42-57%) per i soggetti normopeso, mentre nella popolazione obesa, l’effetto della massa si è concentrato ai livelli toracici (24-98%). Le forze di taglio sono risultate maggiormente influenzate dalla distribuzione della massa durante la flessione dinamica (0,2-91% normopeso, 0,2-92% obesi) rispetto alle simulazioni statiche (0-45%, 0,2-41%). Lo studio ha dimostrato il significativo impatto della distribuzione della massa del tronco sui carichi spinali, evidenziando l’importanza della morfologia del corpo nella valutazione biomeccanica e clinica dell’ASD. La forma del corpo del paziente dovrebbe essere considerata nella pianificazione chirurgica per determinare la correzione necessaria a mantenere il CoM del tronco sopra il bacino e per evitare il sovraccarico dei segmenti spinali soggetti a complicanze. Le ricerche future dovrebbero valutare le forme del corpo nei pazienti con ASD e implementare il disallineamento coronale in modelli muscoloscheletrici.