Dissertation

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

Katja Wachs

Kinematische Analyse von 3D-rekonstruierten Bewegungen der Lendenwirbelsäule und des Beckens beim Beagle in Schritt und Trab

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-106994

title (engl.)

Kinematic analysis of 3D-reconstructed pelvic displacements and lumbar intervertebral joint movements occurring during walking and trotting in Beagles

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wachsk_ss15.pdf

Video URL

Video 1: Beckenbewegung Schritt, L1 festgestellt, Ansicht l_l, Hund #1#9DB4 http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wachsk_ss15-video1.avi

Video 2: Beckenbewegung im Trab, L1 festgestellt, Ansicht l_l, Hund #1#B283 http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wachsk_ss15-video2.avi

Video 3: detaillierte Bewegungen lumbosakraler Übergang_Becken, Schritt, L4 fixiert, Hund #2#859E

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wachsk_ss15-video3.avi

Video 4: detaillierte Bewegungen lumbosakraler Übergang_Becken, Trab, L4 fixiert, Hund #2#EFB8

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wachsk_ss15-video4.avi

Video 5: High-Speed-Röntgenvideo, 3D-Knochenmarionette, Bewegungsanimation im Schritt, Hund #3

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wachsk_ss15-video5a.avi ; http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wachsk_ss15-video5b.avi

Video 6: High-Speed-Röntgenvideo, 3D-Knochenmarionette, Bewegungsanimation im Trab, Hund #3

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wachsk_ss15-video6a.avi ; http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wachsk_ss15-video6b.avi

abstract (deutsch)

Als allgemein anerkannt gilt, dass die Fortbewegung eines Säugetieres aus einem komplexen Zusammenspiel von Gliedmaßen- und Rumpfbewegungen besteht und die zusammengesetzten Bewegungen der einzelnen Wirbelgelenke zur Gesamtbewegung der Wirbelsäule und somit auch zum Bewegungsumfang des Beckens beitragen. Im Vergleich zu den zahlreichen Studien, welche die Kinematik und Kinetik der Gliedmaßenbewegungen sowie die Aktivierung einzelner Muskeln der Gliedmaßen während der Fortbewegung untersuchten, sind die Bewegungen des Rumpfes, insbesondere die Bewegungen der einzelnen Wirbelgelenke und des Beckens, bisher zu gering untersucht.

Ziel dieser Arbeit war es daher, in einem in vivo Verfahren die dreidimensionalen (3D) -Bewegungen, welche während der Fortbewegung in symmetrischen Gangarten bei Hunden im Becken und zwischen den Lendenwirbeln auftreten, mit einem nicht-invasiven Verfahren aufzuzeichnen und kinematisch zu analysieren. Hierfür wurde in dieser Arbeit das „Scientific Rotoscoping“, ein markerloses Verfahren innerhalb der X-ray Reconstruction of Moving Morphology (XROMM) Methode angewandt.

Mittels digitaler, biplanarer Hochgeschwindigkeits-Röntgenvideographie wurden die Zwischenwirbelbewegungen der Lendenwirbelsäule und die Bewegungen des Beckens von drei Hunden der Rasse Beagle angefertigt, während diese sich in den Gangarten Schritt und Trab auf einem Laufband fortbewegten. Aus CT-Datensätzen dieser Hunde wurden 3D-Knochenmodelle rekonstruiert und diese zu einer beweglichen Knochenmarionette mittels virtueller Gelenke (virtual joints) und integrierter Bewegungsmessung (AKS) verbunden. Durch eine schrittweise Anpassung der digitalen Knochenmarionette an die Bewegungen der knöchernen Strukturen in den Röntgenvideos konnten detaillierte Animationen der stattfindenden Bewegungen erstellt und gleichzeitig die 3D-Bewegungen innerhalb der virtuellen Gelenke gemessen werden. Eine synchrone Aufzeichnung der Auf- und Abfußzeitpunkte mit Standardlicht-Hochgeschwindigkeitskameras ermöglichte es, die Daten der kinematischen Bewegungs-analyse mit den für die Fortbewegung relevanten Zeitpunkten funktionell zu interpretieren. Diese Arbeit liefert somit erstmalig eine detaillierte Übersicht der während symmetrischer Gangarten stattfindenden 3D-Rotationsbewegungen des Beckens und der Zwischenwirbelbewegungen der Lendenwirbelsäule von Hunden.

Die maximalen Auslenkungen der Beckenbewegungen waren in beiden Gangarten annähernd mit den Auf- und Abfußzeitpunkten bzw. den Mitten der Stemm- bzw. Schwungphasen assoziiert. Die dabei auftretenten monophasischen (Horizontal- und Transversalebene) und biphasischen (Sagittalebene) Bewegungsmuster konnten auch in den letzten beiden Wirbelgelenken (VRZ S1/L7 bis L7/L6) beobachtet werden, was eine Übertragung der Gliedmaßenbewegung auf das Becken und auf die letzten beiden Wirbelgelenke bestätigt.

Zum Teil konnten während des Trabes biphasische Bewegungsmuster in den ersten cranialen Wirbelgelenken der Lendenwirbelsäule in der Sagittalebene beobachtet werden. Während des Schrittes konnten in diesem Bereich monophasische Bewegungsmuster in der Horizontalebene beobachtet werden. Dies lässt einen Einfluss der Vordergliedmaßenbewegung auf den cranialen Bereich der Lendenwirbelsäule erkennen. Der Bewegungsumfang innerhalb einzelner weiter cranial gelegener Wirbelgelenke (ab VRZ L6/L5) lag mitunter unterhalb der Messgrenze von 1,5°.

Der generelle geringe Bewegungsumfang der einzelnen Wirbelgelenke, insbesondere im cranialen Bereich der Lendenwirbelsäule bestätigen die Annahme einer primär stabilisierenden Funktion der epaxialen Rückenmuskulatur gegen die Kräfte, welche während der Fortbewegung von den Gliedmaßen auf den Rumpf übertragen werden.

Die Ergebnisse dieser Arbeit stimmen mit den Bewegungsmustern und kinematischen Analysen vorangeganger Studien, die während symmetrischer Gangarten an einzelnen Wirbelgelenken und dem Becken von Pferden, drei carnivoren Säugetieren (inkl. Hunden) und auch dem Zweifingerfaultier durchgeführt wurden, überein. Inwiefern es sich bei den hier beobachteten Bewegungsmustern um für die während der Lokomotion von Hunden allgemein gültige Befunde handelt, sollte in zukünftigen Studien geprüft werden und vor allem bei der Untersuchung einer Rasse mit eher unproportioniertem Körperbau liegen.

abstract (englisch)

It is generally accepted that mammalian locomotion is characterized by a complex interaction between limb and back movements and that small intervertebral movements additively result in whole spine movements and pelvic displacements, (i. e. in the sagittal body plane during asymmetrical gaits). In comparison to the large amount of studies that investigated kinematics and kinetics of limb movements, as well as recordings of muscle activities of several limb muscles during locomotion, our knowledge of the axial system is surprisingly small, especially regarding pelvic and intervertebral movements.

It was hence the aim of this study to quantify and analyze in vivo three-dimensional (3D) lumbar intervertebral and pelvic movements occurring during locomotion utilizing symmetrical gaits in dogs with a non-invasive method. For this, we used ‘Scientific Rotoscoping’, a non-invasive method in the X-ray reconstruction of moving morphology (XROMM). By using a digital high-speed, high-resolution system, we recorded biplanar x-ray videos of the movements of the lumbar spine and pelvis of three Beagles while walking and trotting on a horizontal treadmill. By using CT-scans of each dog, 3D bones were reconstructed and aligned by using ‘virtual joints’ with integrated measurement coordinate systems (ACS) to a digital marionette. Step by step alignment of the digital marionette to the movements of the bony structures seen in the x-ray videos allowed a detailed animation of the occurring joint movements and simultaneous measurement of 3D joint kinematics. Synchronous to the x-ray-video-recordings, two standard-light high-speed video cameras recorded the foot placements used by each dog during locomotion, allowing analysis of joint kinematics in relation to the footfall events. For the first time, we quantified 3D intervertebral movements of the lumbar spine and associated pelvic displacements of dogs using symmetrical gaits and provided novel, non-invasive, in vivo data for their motion patterns.

In both gaits, maximal displacements of the pelvis were mostly associated with the touch down and lift off events and the middle of stance and swing phases of the hind limbs. The highest occurring motions were observed in the pelvis (VRZ Pelvis) and the last presacral intervertebral joints (VRZ S1/L7 – L7/L6). The motion patterns in the transversal and horizontal body plane were monophasic, while movements in the sagittal body plane were biphasic. This confirms the transmission of the limb movements to the pelvis and the last presacral intervertebral joints. Range of motion patterns within single more cranial positioned intervertebral joints (from VRZ L6/L5) were occasionally very small, and therefore often below the measurement limit of 1.5°.

To some extent in the cranial-most intervertebral joints, monophasic motion patterns were observed in the horizontal body plane during walking. In the same region, biphasic motion patterns could be observed in the sagittal body plane during trotting. This demonstrates the influence of front leg movements to the cranial part of the lumbar spine. In general, occurring motions of single intervertebral joints and also of the pelvis were small. This agrees with the hypothesized stabilizing function of epaxial muscles against forces transmitted during locomotion from the limbs to the back.

Our results are mainly in accordance with previous kinematic data of intervertebral and pelvic movements in horses, some carnivore species, including dogs, and two-toed sloth when utilizing symmetrical gaits. Whether the data collected in this study are representative for general locomotor patterns used by dogs during symmetrical gaits remains to be tested in future studies. Such studies should also focus on breeds with disproportional body size and build.

keywords

Canis lupus familiaris; Lokomotion; vertebral column; canine; locomotion; spine

kb

39.378