Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Jalal Abdelhadi

 

Computerized gait analysis of dogs during normal gait and with induced forelimb lameness

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-102653

title (ger.)

Computergestützte Ganganalyse von Hunden während des physiologischen Ganges und mit induzierter Vordergliedmaßelahmheit

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/abdelhadij_ss13.pdf

abstract (deutsch)

Obwohl Abweichungen vom physiologischen Gangbild mehr oder weniger offensichtlich sind wenn Tiere lahmen, wurden die zugrundeliegenden Mechanismen zur Kompensation des teilweisen Verlustes der Funktion einer Vorderextremität und insbesondere die Umverteilung der Last zwischen den übrigen Extremitäten sowie die Veränderungen in der axialen Kinematik bisher noch nicht detailliert untersucht. Ziel dieser Arbeit war, die Veränderungen ausgewählter kinetischer und kinematischer Parameter in Anpassung an eine Vorderbeinlahmheit am Beispiel des Beagles zu untersuchen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen in der Zukunft die Lahmheitsdiagnostik und v. a. die Behandlung von orthopädischen Patienten unterstützen und genauere Aussagen über die veränderte Belastungssituation im Bewegungsapparat der Patienten und insbesondere deren Folgen für chronische Erkrankung erlauben.

Mit Hilfe der computergestützten Ganganalyse, d.h. mittels eines instrumentierten Laufbandes und eines Infrarot-Bewegungsanalysesystems, wurden ausgewählte kinetische und kinematische Gangparameter untersucht, um so objektive Aussagen z.B. über die Umverteilung des Körpergewichtes und damit der Belastung der einzelnen Gliedmaßen sowie über die Anpassungen in den zeitlichen Gangparametern und den Bewegungen von Kopf, Hals-, Brust- und Lendenwirbelsäule zu erhalten. Um die Variabilität aufgrund von Unterschieden in Rasse, Alter, Geschwindigkeit oder Ursache und Grad der Lahmheit zu reduzieren, wurden erwachsene Hunde der gleichen Rasse – dem Beagle – untersucht und bei diesen eine mittelgradige Lahmheit der Vordergliedmaße induziert. Damit war ein direkter Vergleich der lokomotorischen Parameter vor und nach Induktion der reversiblen Lahmheit unter den gleichen experimentellen Bedingungen und bei den gleichen Individuen möglich. Der Fokus dieser Arbeit lag dabei auf dem Vergleich 1) der vertikalen und der kraniokaudalen Bodenreaktionskräfte (GRF), um so Aussagen über die Verteilung des Körpergewichtes sowie die Umverteilung der Funktion der Extremitäten bei der Beschleunigung des Körpermasseschwerpunktes zu treffen, 2) der Fußfallmuster für eine genauere Analyse der Veränderungen der Bodenkontaktzeiten, sowie 3) der Kinematik des axialen Systems anhand der Bewegungen der einzelnen Abschnitte in der sagittalen und horizontalen Ebene. Darüber hinaus ermöglichte die Untersuchung von Schritt und Trab einen Vergleich der Kompensationsmechanismen zwischen diesen beiden symmetrischen Gangarten.

Verglichen mit dem physiologischen Gang war beim lahmenden Hund in Schritt und Trab die vertikale Bodenreaktionskraft (maximale Kraft, mittlere Kraft, Impuls) im betroffenen Bein reduziert und signifikant erhöht im kontralateralen Vorderbein. Bezüglich der Hinterextremitäten zeigten sich keine Veränderungen in der ipsilateralen Extremität, aber eine signifikante Erhöhung aller Parameter im kontralateralen Bein. Während des gemeinsamen Bodenkontaktes des betroffenen diagonalen Beinpaares produzierten die Hunde eine (positive) Nettobeschleunigung durch eine Reduktion der Bremskraft im Vorderbein und eine Erhöhung der Beschleunigungskraft im kontralateralen Hinterbein. Diese Nettobeschleunigung des Körpers führt zu einem Moment um die Nickachse des Tieres und damit zu einer Erhöhung des Nickwinkels und Entlastung der Vordergliedmaße. In der zweiten Hälfte des Schrittzyklus führt dann die erzeugte (negative) Nettobeschleunigung aufgrund erhöhter Bremskräfte beider diagonaler Gliedmaßen sowie einer reduzierten Beschleunigungskraft des Hinterbeines im Trab zur Erhaltung der über den Schrittzyklus konstanten Fortbewegungsgeschwindigkeit und der Neigungsstabilität des Körpers. Übereinstimmend mit diesen Beobachtungen erhöhen Hunde mit Vorderbeinlahmheit die Dauer der gemeinsamen Stützphase beider kontralateraler Extremitäten im Schritt und verlängern damit den Zeitraum, in dem Kräfte auf den Boden ausgeübt werden können. Bezüglich der Veränderungen der axialen Kinematik zeigen sich signifikante Veränderungen in den Bewegungen in der sagittalen Ebene in allen Abschnitten, aber insbesondere von Kopf und Hals. Beispielsweise verringert sich die Amplitude der Kopf- und Halsbewegungen während der Stemmphase der lahmenden Gliedmaße und erhöht sich während der Stemmphase der gesunden Gliedmaße. Diese Unterschiede waren ausgeprägter im Schritt als im Trab. Die vorläufige Auswertung der ersten Ergebnisse lassen deutliche Unterschiede in den beobachteten Bewegungsveränderungen entlang der Körperachse vermuten, die auf einen unterschiedlichen Einfluss der Lahmheit auf die einzelnen Wirbelsäulenregionen schließen lassen.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Kompensation eines teilweisen Verlustes der Funktion einer Vordergliedmaße ein gut integrierter und komplexer Prozess ist, der sowohl zeitlich-räumliche als auch dynamische Parameter betrifft. Dabei treten u.a. Veränderungen der vertikalen und der kraniokaudalen Bodenreaktionskräfte und der zeitlichen Gangparameter aller Extremitäten sowie der Bewegungsumfänge der zentralen Körperachse auf. In Kombination erlauben diese Mechanismen die Entlastung des betroffenen Vorderbeines.

 

abstract (englisch)

Although alterations in the gait may be visually recognizable in lame animals, the underlying compensatory mechanisms and specifically the redistribution of loading among the limbs as well as adaptations in the axial kinematics have not been studied in detail yet. Therefore, this project was designed to determine changes in selected kinetic and kinematic parameters in adaptation to a moderate forelimb lameness in Beagles. This information may facilitate the diagnosis and the treatment of orthopedic patients in the future.

In this study, adult Beagles, and thus dogs comparable in breed, size, and age, were trained to walk and trot on a treadmill and temporal gait parameters, vertical and craniocaudal GRF as well as kinematic data of the head and spine were collected before and after lameness was induced in the forelimb. Compared to the sound condition, vertical force was decreased in the affected forelimb and increased in the contralateral forelimb during both walking and trotting. While no changes were observed in the ipsilateral hindlimb, vertical force was significantly increased in the contralateral hindlimb independent from gait. When the lame diagonal limb pair was on the ground, a net-propulsive force was produced due to a reduced braking force of the affected forelimb and an increased propulsive force in the contralateral hindlimb during both walking and trotting. This results in a nose-up pitching moment and thus a temporary unloading of the affected forelimb. To regain pitch stability and ensure steady speed per locomotor cycle, a net-braking force was produced when the sound diagonal limbs were in stance by exerting greater braking forces in both limbs during walking and additionally reducing the propulsive force in the hindlimb during trotting. Consistent with these observations, dogs maximize their double support phases when walking by increasing the relative stance duration in the contralateral limbs. The observed changes in head and neck kinematics, such as a decreased vertical displacement when the lame limb is in stance and an increased displacement when the sound limb is on the ground, are consistent with the temporal unloading of the affected limb. The comparison among the spinal segments shows that the changes in the ROM were greater for the neck than the head and, in general, the effects of lameness on the motions of the spinal segments varied substantially along the axial system.

In summary, the results of this work suggest that the compensatory mechanisms to lameness are well-integrated processes affecting both spatiotemporal and dynamic parameters. That is, compensation of forelimb lameness in dogs affects, among other things, the vertical and the fore-aft components of the GRF, temporal gait parameters such as relative stance durations and the ROM of the spine. These strategies taken together facilitate the decrease of loading in the affected limb and allow the animal to maintain foreword velocity and pitch stability of the body. The short- and long-term effects on the musculoskeletal system need further investigation for a more realistic estimate of the outcome of orthopedic patients from the various existing therapeutic and rehabilitative approaches.

 

keywords

Lahmheit, Kinetische, Körpermasseschwerpunkte, lameness, kinetic, center of body mass

kb

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