Functional and biomechanical evalutation of lumbar spinal stenosis patients during forward flexion and lateral bending using muscoloskeletal modeling

Lumbar spinal stenosis (LSS) is a frequent degenerative condition present among older adults, caused by the progressive narrowing of the spinal canal and foramina that compresses the nerve roots and leads to pain, weakness, and reduced mobility. This study aimed to investigate the biomechanical and functional alter ations occurring in LSS patients during forward flexion and lateral bending through patient-specific musculoskeletal modeling. The study was carried out on 121 patients recruited from the University Hospital of Basel. Each participant underwent EOS radiographic imaging to measure spinal alignment and performed standardized movements recorded through 72 reflective markers and a 10-camera motion capture setup. The collected data were implemented in the AnyBody Modeling System to create individualized models capable of estimating vertebral loads, muscle activity, and joint moments. Compared with age-matched healthy individuals, patients with LSS displayed a smaller trunk and segmental range of motion and showed higher compression and shear loads throughout the lumbar region. The most affected segments, particularly L3–L4, revealed a relationship between stenosis severity, spondylolisthesis, and reduced segmental mobility. Patient-reported disability and kinesiophobia were also correlated with lower trunk, pelvic, and segmental mobility, emphasizing the interaction between psychological and biomechanical factors. During lateral bending, population-level symmetry was largely preserved, yet participants with severe right-sided foraminal stenosis exhibited a measurable reduction in ipsilateral motion and a compensatory increase in axial rotation, suggesting an adaptive strategy to mitigate pain or neural compression. In summary, LSS alters both spinal kinematics and loading patterns during every day movements. Integrating motion analysis, radiographic alignment, and musculoskeletal modeling provides a more complete picture of these functional impairments and may support the development of targeted rehabilitation and surgical interventions.

La stenosi spinale lombare (SSL) è una patologia degenerativa tipica nell’età avanzata, caratterizzata dal progressivo restringimento del canale spinale, che comprime le radici nervose e provoca dolore, debolezza e conseguentemente una riduzione della mobilità. In questo progetto sono state analizzate le alterazioni biomeccaniche e funzionali che si manifestano nei pazienti con SSL durante la flessione in avanti e laterale del tronco, utilizzando modelli muscoloscheletrici personalizzati. Lo studio è stato condotto su 121 pazienti reclutati dall’Ospedale di Basilea. Ogni partecipante è stato sottoposto a radiografie EOS per la valutazione dell’allineamento spinale e ha eseguito movimenti standardizzati registrati tramite 72 marker riflettenti e un sistema di motion capture a 10 telecamere. I dati acquisiti sono stati successivamente integrati nell’AnyBody Modeling System per generare modelli pazienti-specifici, capaci di calcolare i carichi vertebrali, l’attività muscolare e i momenti articolari tramite la dinamica inverse. Rispetto a soggetti sani della stessa età, i pazienti con SSL hanno mostrato una riduzione dell’ampiezza di movimento sia del tronco sia dei segmenti lombari, accompagnata da carichi compressivi e di taglio più elevati lungo tutta la regione lombare. In uno dei segmenti più colpiti dalla patologia, L3–L4, è stata evidenziata un’associazione tra severità della stenosi, presenza di spondilolistesi e ridotta mobilità segmentale. Anche la disabilità e i sintomi percepiti dai pazienti e i livelli di kinesiofobia, ottenuti tramite questionari, sono risultati correlati a una minore mobilità del tronco, del bacino e dei segmenti vertebrali, sottolineando l’interazione tra fattori psicologici e adattamenti biomeccanici. In flessione laterale, la simmetria del movimento è risultata nel complesso preservata; tuttavia, nei pazienti con stenosi foraminale destra severa si è osservata una riduzione del movimento verso il lato affetto, accompagnata da un aumento compensatorio della rotazione assiale. In conclusione, la SSL modifica sia la cinematica spinale sia la distribuzione dei carichi durante movimenti quo tidiani. L’integrazione dei dati del movimento e parametri radiografici di allineamento spinale alla modellazione muscoloscheletrica permette di ottenere una comprensione più completa delle limitazioni funzionali associate alla patologia e può contribuire allo sviluppo di interventi riabilitativi migliori