Dissertation

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

Matthias Ludwig

Computergestützte Craniometrie beim Pferd unter Berücksichtigung altersabhängiger Lageverschiebungen

osteologischer Landmarks

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107417

title (engl.)

Computer-aided craniometry in horses with regard to age-related shifts of osteological landmarks

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/ludwigm_ws15.pdf

abstract (deutsch)

Wachstumsbedingte Lageveränderungen osteologischer Marken (Points of Interest, POIs) außen und innen am Hirnschädel (Cranium) vom Pferd sind durch Abstands-Messungen unzureichend erfasst, denn Streckenmaße allein geben keine Auskunft über die Richtungen, in der eine Marke (im Raum) verlagert wird. Ziel der Arbeit war es deshalb, solche Wachstumsrichtungen mittels geometrischer Analysen auf der Basis von Winkelmessungen zu beschreiben, und zwar in Anlehnung an ein – in ähnlicher Form – aus dem Schrifttum bekanntes Prinzip. Die wesentliche Weiterentwicklung jenes Modells bestand in der vorliegenden Dissertation in der Erfassung der X-, Y- und Z-Koordinaten der POIs. Die Datenerhebung erfolgte mit einem computergestützten Koordinatenmessgerät, dem Faro® Fusion Messarm. Untersucht wurden Schädelhälften (n = 30) von Warmblutpferden unbekannten Geschlechts aus dem Bestand des Anatomischen Instituts der Tierärztlichen Hochschule Hannover. Es wurden keine Pferde speziell für diese Studie euthanasiert. Das Alter der Pferde wurde anhand der Zähne geschätzt; es wurden 4 Altersgruppen gebildet: AG1i = 6 Wochen (n = 2); AG1m = 2-3,5 Jahre (n = 8); AG2 = 7-9 Jahre (n = 10); AG3 = 13-23 Jahre (n = 10).

 

Außen und innen an der Calvaria wurden Markierungen an ausgewählten POIs (Points of Interest) angebracht. Jeweils drei POIs wurden in ein geometrisches Verhältnis zueinander gesetzt, indem aus den Strecken zwischen ihnen ein Dreieck im Raum gebildet wurde. Die Werte der 96 Innenwinkel der 32 Dreiecke wurden berechnet und die 4 Altersgruppen entsprechend miteinander verglichen. Die Veränderungen der Winkelmaße resultierten in Änderungen der Form der Dreiecke in proportionaler oder disproportionaler Weise. Die Daten ermöglichten jedoch keine Aussagen über das metrische Ausmaß der Verlagerungen in den drei Hauptrichtungen des Raumes. Stets wurden die größten Veränderungen der Winkelmaße im Altersgruppenvergleich AG1i versus AG1m, also zwischen den jüngsten (6 Wochen) und den nächstälteren Schädeln (2 Jahre) angetroffen. Allgemein zeigten die Winkel von Dreiecken innen im Cranium in den Altersgruppenvergleichen geringere Unterschiede als Dreiecke außen. Hierbei wies die rostrale Abteilung des Cavum cranii stärkere Veränderungen auf als dessen caudale Abteilung. In der großen rostralen Abteilung des Cavum cranii war die Breitenzunahme größer als die Längen- und Höhenzunahme, d.h. das Wachstum verlief disproportional. Die caudale Abteilung des Cavum cranii dagegen vergrößerte sich nahezu proportional. Der POI auf dem Arcus zygomaticus verlagerte sich nach latero-rostro-dorsal, jedoch wies ein POI an der Orbita – im Grenzbereich zwischen Cranium und Facies – eine noch stärkere Lateralverlagerung auf. In Vergleichen zwischen den Altersgruppen AG1m und AG2 bzw. AG3 blieben die gebildeten Dreiecke in Größe und Form nahezu konstant. Geringgradige Wechsel von Zunahmen und Abnahmen der Winkelmaße desselben Dreiecks in verschiedenen Altersgruppen (als Dynamik der Winkelveränderungen bezeichnet) beruhten auf individuellen Unterschieden der Schädelform und -größe (bedingt durch die Streuung der Werte innerhalb der Altersgruppen); auch die poröse oder brüchige Knochensubstanz trug an einigen Stellen des Schädels (aufgrund der dadurch bedingten Differenzen der berechneten Werte) zu diesen Schwankungen bei. In der Gesamtbeurteilung erwies sich der Übergangsbereich zwischen Cranium und Facies als eine chronobiologisch, d.h. wachstumsbedingt, relativ stark veränderliche Region. Dagegen war der Grenzbereich zwischen rostraler und caudaler Abteilung des Cavum cranii (knöchernes Hirnzelt) interindividuell stark variabel. Die in dieser Pilotstudie gewählte Methodik und das geometrische Modell ermöglichten die Erhebung höchst genauer und reproduzierbarer Werte, und auch intrinsische Fehler, die in anderen Studien durch perspektivische Verzerrungen zustande gekommen waren, wurden vermieden. Jedoch erwies sich die gewählte Methodik als sehr komplex und deshalb noch nicht im Detail ausgereift.

abstract (englisch)

Age-related shifts of osteological landmarks (Points of Interest, POIs) in horses may appear insufficiently evaluated when only the distances between the POIs are measured, because changes in distance alone cannot provide any information on the direction of a shift of a POI within a 3-dimensional space. The aim of this study was, therefore, to describe the directions of such shifts by means of a geometrical analysis based on the measurements of angles. A similar concept, described in the literature, was further elaborated and modified in this dissertation by determining the X-, Y- and Z-coordinates of the POIs. Data acquisition was performed with the computer-aided, 3-dimensional measuring device Faro® Fusion Arm. Thirty halves of longitudinally cut skulls of unknown gender were examined. The specimens were taken from the collection of the Anatomical Institute of the University of Veterinary Medicine Hannover. No horses were sacrificed especially for the purpose of this study. The age of the horses was estimated by their dental status, and the specimens were assigned to 4 age groups: AG1i = 6 weeks (n = 2); AG1m = 2-3.5 years (n = 8); AG2 = 7-9 years (n = 10); AG3 = 13-23 years (n = 10).

 

Marks were placed on POIs at the outside and at the inside of the Calvaria. Sets of three POIs were put in a geometrical relationship by using the distances between them to form a triangle (32 of these triangles contained 96 inside angles). The values of the 96 inside angles of these 32 triangles were calculated and compared between the four age groups. Changes in the values of the angles resulted in changes in the shapes of the triangles in either a proportional or a disproportional way. The detection of such geometrical changes allowed both, documentation of the age-related changes in the positions of the POIs, and determination of the direction in which the shifts had occurred. However, the data were not appropriate to provide information about the metrical extent of these shifts in the three main directions in space. An index, created with the values of the inside angles and the lengths of the sides of the triangles was introduced in this study. However, it proved to be of no specific value.

 

The greatest changes in the values of the angles always occurred when comparing age groups AG1i and AG1m, i.e. in the skulls of the horses aged 6 weeks and those aged 2-3.5 years. Angles located inside the cranial cavity differed less between the age groups than angles located at the outside. Inside the cranial cavity, the rostral part of the Cavum cranii underwent greater changes than its caudal part. In the rostral part of the Cavum cranii the increase in width was greater than the increase in length or height – indicating that this part of the Cranium had grown disproportionally. In contrast, the size of the caudal part of the Cavum cranii increased almost proportionally. A POI on the Arcus zygomaticus (on its most caudal and most dorsal edge) shifted its position in the latero-rostro-dorsal direction. However, a POI at the Orbita – at the border region between Cranium and Facies – experienced an even greater change in position in the lateral direction.

 

On comparing the age groups AG1m, AG2 and AG3, the sizes and shapes of the defined triangles appeared almost identical. In some triangles, an increase in angle size was followed by a small decrease, or vice versa (sometimes even followed by another switch over). This phenomenon (referred to as the so-called dynamics of changes of angles) was due to individual differences in the shapes and sizes of the skulls (indicated by a certain variability of the values within the age groups). Furthermore, the bony structure of the POIs in some locations of the skull was slightly brittle or crumbly, causing differences in the measured values and contributing to such dynamics.

 

In conclusion, the transitional region between Cranium and Facies proved to be subject to relatively strong chronobiological, i.e. growth-related changes. In contrast, the transitional region between the rostral and the caudal part of the Cavum cranii (Tentorium cerebelli osseum) was characterised by strong individual variability. The method and the geometrical model applied in this pilot study allowed the acquisition of highly accurate and reproducible data. Additionally, intrinsic errors due to perspective distortions, which had occurred in other studies, were avoided. However, the applied method is very complex with regard to a large scale of different geometrical parameters and therefore not yet elaborated in all details.

keywords

Craniometrie, Pferd, Verlagerungen; Craniometry, horse, shifts

kb

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