Effects of thoracolombosacral orthosis on gait and respiratory mechanics: a combined gait analysis and OEP study

Thoracolumbosacral orthoses (TLSOs) are commonly prescribed to stabilize the spine, correct posture, and reduce mechanical pain in patients with spinal deformities or neuromuscular disorders. However, these devices may modify trunk biomechanics and respiratory mechanics, potentially influencing both gait and ventilation. Understanding these effects is crucial to optimize orthotic design and clinical application. This thesis aimed to evaluate the biomechanical and respiratory impact of a semi-rigid TLSO (Enovis model) in adult patients with spinal or postural disorders. The investigation combined quantitative gait analysis and optoelectronic plethysmography (OEP) to compare locomotor and ventilatory performance with and without the orthosis. The experimental protocol was conducted at the Niguarda NLAB Research Center (Milan, Italy) on eleven patients aged 45–86 years. Each participant underwent gait analysis using a BTS Smart-DX 400 motion capture system with 22 reflective markers and four embedded force plates, followed by an OEP protocol with 89 thoraco-abdominal markers. Data were processed using DIAMOV and MATLAB to compute gait symmetry indices, spatio-temporal parameters, respiratory volumes, and thoraco-abdominal phase angles. Statistical comparisons between the two conditions were performed using the Wilcoxon signed-rank test, and subjective comfort was assessed through an 8-item Likert questionnaire. Results showed no significant alterations in gait symmetry, step length, or mean walking speed with the TLSO, although cadence increased slightly (p = 0.04), suggesting improved rhythmic organization. OEP revealed significant reductions in abdominal expansion (p = 0.005) and inspiratory capacity (p = 0.042), with decreased minute ventilation (p = 0.007) and increased rib cage contribution (p = 0.007). Despite these mechanical restrictions, overall ventilatory efficiency and vital capacity remained within physiological limits. The questionnaire indicated good overall tolerability, with mild axillary discomfort due to shoulder straps. In conclusion, the TLSO modifies respiratory mechanics by restricting abdominal movement and promoting a more thoracic breathing pattern, but does not induce clinically relevant ventilatory impairment. Gait symmetry and locomotor stability are preserved, demonstrating that the orthosis provides effective postural support while maintaining functional mobility and respiratory adequacy. These findings support the therapeutic use of semi-rigid TLSOs in rehabilitation, while highlighting areas for ergonomic improvement to enhance patient comfort and compliance.

I busti toraco-lombo-sacrali (TLSO) sono comunemente prescritti per stabilizzare la colonna vertebrale, correggere la postura e ridurre il dolore meccanico in pazienti affetti da deformità spinali o disturbi neuromuscolari. Tuttavia, questi dispositivi possono modificare la biomeccanica del tronco e la meccanica respiratoria, influenzando potenzialmente la deambulazione e la ventilazione. Comprendere tali effetti è fondamentale per ottimizzare il design dell’ortesi e la sua applicazione clinica. L’obiettivo di questa tesi è stato valutare l’impatto biomeccanico e respiratorio di un TLSO semi-rigido (modello Enovis) in pazienti adulti con patologie spinali o posturali. Lo studio ha combinato l’analisi del cammino (gait analysis) e la pletismografia optoelettronica (OEP) per confrontare le prestazioni locomotorie e ventilatorie nelle condizioni con e senza corsetto. Il protocollo sperimentale è stato condotto presso il Niguarda NLAB Research Center (Milano, Italia) su undici pazienti di età compresa tra 45 e 86 anni. Ogni partecipante ha eseguito una gait analysis con sistema di motion capture BTS Smart-DX 400, dotato di 22 marker riflettenti e quattro piattaforme di forza integrate, seguita da una sessione OEP con 89 marker toraco-addominali. I dati sono stati elaborati mediante i software DIAMOV e MATLAB per calcolare indici di simmetria del passo, parametri spazio-temporali, volumi respiratori e angoli di fase toraco-addominali. Il confronto statistico tra le due condizioni è stato effettuato con il test non parametrico di Wilcoxon per campioni appaiati, mentre la tollerabilità soggettiva è stata valutata tramite un questionario Likert a 8 voci. I risultati non hanno mostrato alterazioni significative nella simmetria del passo, nella lunghezza del passo o nella velocità media di cammino con il TLSO, sebbene la cadenza sia aumentata leggermente (p = 0.04), suggerendo un miglioramento dell’organizzazione ritmica. L’analisi OEP ha evidenziato una riduzione significativa dell’espansione addominale (p = 0.005) e della capacità inspiratoria (p = 0.042), insieme a una diminuzione della ventilazione minuto (p = 0.007) e a un aumento della componente toracica della respirazione (p = 0.007). Nonostante tali modifiche meccaniche, la capacità vitale e l’efficienza ventilatoria complessiva sono rimaste entro i limiti fisiologici. Il questionario ha indicato una buona tollerabilità generale, con un lieve disagio nella regione ascellare dovuto alle bretelle del corsetto. In conclusione, il TLSO modifica la meccanica respiratoria limitando l’espansione addominale e promuovendo un pattern respiratorio più toracico, senza però determinare una compromissione ventilatoria clinicamente rilevante. La simmetria e la stabilità del cammino risultano preservate, dimostrando che l’ortesi fornisce un efficace supporto posturale mantenendo una buona mobilità funzionale e un’adeguata funzione respiratoria. Questi risultati supportano l’utilizzo terapeutico dei TLSO semi-rigidi nei programmi di riabilitazione, evidenziando al contempo la necessità di ottimizzazioni ergonomiche per migliorare comfort e compliance del paziente.