Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Selected clinical studies on canine joint function and morphology using computerized gait analysis and diagnostic imaging

Galindo-Zamora, Vladimir

To date, combined functional and morphological investigation methods are not routinely used for diagnosis and follow up of orthopedic diseases. Thus, the main goal of this thesis was to use a combination of advanced diagnostic methods to study three common disorders of the locomotion in dogs. Computerized gait analysis and diagnostic imaging were used to gather objective information about the outcome of patients which had undergone a hind limb amputation (i.e. to investigate how the dog adapted to the new locomotory status), and the outcome of patients suffering from unilateral medial coronoid process disease after being treated by partial coronoidectomy, performed arthroscopy. Furthermore, this thesis aimed at determining the usefulness of high-field magnetic resonance in the diagnosis of joint lesions associated with a cranial cruciate ligament rupture in dogs by looking at the agreement between images obtained with a state-of-the-art 3 T MR Scan and the actual surgical findings. For the first part of the thesis (manuscript I) 12 patients of different breeds, sex and ages, in which a hind limb amputation was scheduled, were included. Kinetic (forces) and kinematic (movement) gait analysis was performed one to three days before the amputation, as well as 10, 30, 90 and 120 days after surgery. Kinetic data showed that 10 days after amputation there was redistribution of the load to all remaining limbs, this weight bearing shift being more important towards the forelimbs. The recorded kinetic data showed no remarkable changes during the remaining examination time points, indicating that 10 days after amputation patients had already established their new locomotory pattern. Kinematic data showed significant differences between sessions in the mean angle progression curves of almost all joint angles; however, the ranges of motion of the analyzed joints were very similar before and 10 days after amputation and remained constant in the subsequent sessions. No changes in the signal intensity of the cranial and caudal cruciate ligaments or the lateral and medial menisci were found on the MR evaluation of the contralateral stifle. Besides, no evidence of cartilage damage or osteoarthritis was seen. Finally, owners evaluated the results of the amputation very positively, both during and at the end of the study. It was concluded that dogs have a quick adaptation to the new locomotory situation after a hind limb amputation, and that the adaptation process begins even before the amputation is performed. This happens without evidence of morphologic changes in the stifle joint, and with a very positive evaluation from the owner. In the second study (manuscript II), 14 dogs with forelimb lameness confirmed to be caused by unilateral medial coronoid process disease were included. Kinetic analysis of both forelimbs, along with kinematic analysis and goniometry were made before and 60, 120 and 180 days after partial coronoidectomy performed by arthroscopy. Additionally, radiography and computed tomography of both elbows were carried out before and 180 days after the procedure. A non-significant (p=0.1093) increase in the loads applied by the affected limb was seen. When comparing healthy vs. affected side, there were highly significant differences in the mean loading forces in all sessions. The symmetry index improved, with significant differences between sessions (p=0.0190). However, kinematic parameters showed no significant differences, neither between sessions nor when comparing healthy vs. affected side within sessions. Goniometry showed no significant differences between sessions, but some significant differences were found when comparing healthy vs. affected side within sessions. There was no correlation between osteophytosis and degree of lameness, neither before (rs=-0.07683; p=0.7940) nor after arthroscopy (rs=0.2700; p=0.3505). It was concluded that only the kinetic parameters improved after arthroscopy, without full restoration of function. The kinematic parameters showed no improvement. Furthermore, osteoarthritis and goniometric measurements in the affected joint worsened. Finally, the functional parameters did not correlate with the morphologic findings. This is clinically relevant, since the results of this part of the thesis showed that the arthroscopic management of medial coronoid process disease by partial coronoidectomy only led to a partial recovery of limb function. In the third study (manuscript III), 21 client-owned dogs were included to assess the diagnostic accuracy of a short-duration magnetic resonance protocol, using a 3 Tesla magnetic resonance scan, in dogs affected by naturally occurring cranial cruciate ligament rupture with regard to the evaluation of cranial and caudal cruciate ligament rupture, meniscal and cartilage damage, as well as the degree of osteoarthritis. Osteoarthritis scoring was also performed using digital radiographic images. One veterinarian with experience in the assessment of magnetic resonance imaging of joint disease evaluated all images, and the results were compared with the actual surgical findings observed during arthrotomy. The evaluator correctly identified all cranial cruciate ligaments as ruptured. With one exception, all caudal cruciate ligaments were correctly identified as non-ruptured. High sensitivities and specificities were obtained when diagnosing meniscal rupture. Additional lesions could be observed, both in the cranial and caudal cruciate ligaments and in the menisci; however, their clinical significance is yet to be determined. There was a clear agreement between the MR and radiographic findings with regard to the parameters cartilage damage and degree of osteoarthritis. MR imaging was not superior to radiography for the assessment of osteoarthritis. It was concluded that the presence of cruciate ligament damage, meniscal rupture and degree of osteoarthritis could be properly assessed on the magnetic resonance images. However, in the case of meniscal evaluation, some margin for misdiagnosis is still present. The results of this thesis show that the combination of diagnostic tests for evaluating morphological and/or functional parameters leads to an improvement of the diagnosis process and/or understanding of the outcome in patients suffering from orthopedic disease.

Bis zum heutigen Tage werden funktionelle und morphologische Untersuchungsmethoden nicht routinemäßig zur Diagnose und Verlaufsuntersuchung orthopädischer Erkrankungen miteinander kombiniert. Folglich war das Hauptziel dieser Arbeit, eine Kombination verschiedener diagnostischer Methoden zur Untersuchung von drei häufigen Erkrankungen des Bewegungsapparates des Hundes einzusetzen. Zum einen wurden computergestützte Ganganalyse und digitale Bildgebungsverfahren verwendet, um objektive Informationen über den klinischen Verlauf nach Amputation einer Hintergliedmaße (wie Gewöhnung des Hundes an die neue Fortbewegungsart zu gewinnen), bzw. nach arthroskopischer subtotaler Koronoidektomie bei Hunden mit unilateraler Koronoiderkrankung zu erfassen. Zum anderen Ziele diese Arbeit darauf ab, den Nutzen eines Hochfeld-MRT in der Diagnostik von Gelenksveränderungen zu untersuchen, die mit einem cranialen Kreuzbandriss beim Hund einhergehen, indem die Übereinstimmung zwischen den Befunden nach 3 T magnetresonanztomographischer (MRT) Untersuchung und den tatsächlichen Veränderungen, die in der OP zu finden sind, überprüft wurden. Im ersten Teil dieser Arbeit (Manuskript I) wurden 12 Patienten verschiedener Rassen, Geschlechts und Alters, bei denen eine Hintergliedmaßenamputation geplant war, aufgenommen. Die kinetischen Daten zeigten, dass 10 Tage nach Amputation das Gewicht auf alle verbleibenden drei Gliedmaßen umverteilt war, wobei die Verschiebung der Belastung deutlich in Richtung der Vordergliedmaßen ging. Die gemessenen kinetischen Daten wiesen keine bemerkenswerten Veränderungen während den übrigen Messzeitpunkten auf, was zeigt, dass bereits 10 Tage nach Amputation die Patienten ihren neuen Fortbewegungsmodus angenommen haben. Die kinematischen Daten wiesen signifikante Unterschiede im Kurvenverlauf der Mittelwerte der Winkel nahezu aller Gelenke zwischen den Sitzungen auf; jedoch blieb der Bewegungsumfang (range of motion, ROM) der untersuchten Gelenke vor und nach der Amputation sehr ähnlich und auch in den auf die Amputation folgenden Sitzungen konstant. Im kontralateralen Kniegelenk konnten keine Veränderungen der Signalintensität des cranialen bzw. caudalen Kreuzbandes oder des lateralen/bzw. medialen Meniskus in den MR-Bildern festgestellt werden. Obendrein waren keine Anzeichen von Knorpelveränderungen oder Arthrose zu sehen. Darüber hinaus bewerteten die Besitzer das Ergebnis der Amputation sowohl während als auch zum Abschluss der Studie sehr positiv. Schlussfolgernd lässt sich feststellen, dass Hunde sich schnell an die neue Fortbewegungssituation nach Amputation einer Hintergliedmaße gewöhnen, und dass der Adaptationsprozess bereits beginnt, bevor die Amputation durchgeführt wird. Dieses erfolgt ohne Anzeichen morphologischer Veränderungen in dem verbleibenden Kniegelenk und unter sehr positiver Bewertung durch die Patientenbesitzer. In die zweite Studie (Manuskript II) wurden 14 Hunde mit Vorderbeinlahmheit auf Grund einer nachgewiesenermaßen unilateralen Koronoiderkrankung aufgenommen. Die kinetische und kinematische Analyse beider Vorderbeine sowie die Goniometrie wurden sowohl vor als auch 60, 120 und 180 Tage nach der partiellen Koronoidektomie mittels Arthroskopie durchgeführt. Vor und 180 Tage nach Arthroskopie wurden außerdem Röntgen- und computertomographische Aufnahmen beider Ellbogengelenke angefertigt. Ein nicht signifikanter Anstieg (p=0,1093) der Belastung der betroffenen Gliedmaße wurde festgestellt. Beim Vergleich der gesunden mit der erkrankten Seite traten hoch signifikante Unterschiede in den durchschnittlichen vertikalen Kräften in allen Sitzungen auf. Wie die signifikanten Unterschiede (p=0,0190) des Symmetrie-Indexes zeigten, verbesserte sich die Symmetrie zwischen den Sitzungen. Die kinematischen Parameter hingegen wiesen weder zwischen den einzelnen Sitzungen noch beim Vergleich der gesunden mit der erkrankten Seite innerhalb einer Sitzung signifikante Unterschiede auf. Die Goniometrie wies keine signifikanten Unterschiede zwischen den Sitzungen auf, allerdings konnten signifikante Unterschiede beim Vergleich der kranken mit der gesunden Seite innerhalb einer Sitzung nachgewiesen werden. Zwischen Osteophytose und dem Lahmheitsgrad bestand weder vor (rs=-0.07683; p=0.7940) noch nach Arthroskopie (rs=0.2700; p=0.3505) eine Korrelation. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich ausschließlich die kinetischen Parameter nach Arthroskopie verbesserten, ohne dass die vollständige Funktion wiederhergestellt wurde. Die kinematischen Parameter zeigten keine Verbesserung. Zudem verschlechterten sich die Goniometrie-Messungen und die Arthrose des betroffenen Gelenkes. Die funktionellen Parameter korrelierten nicht mit den morphologischen Befunden. Dies ist von klinischer Bedeutung, da diese Studie deutlich macht, dass die arthroskopische subtotale Koronoidektomie zur Behandlung von Koronoiderkrankungen lediglich zu einer teilweisen Wiederherstellung der Gliedmaßenfunktion führt. In die dritte Studie (Manuskript III) wurden 21 Hunde mit spontaner Kreuzbandruptur aufgenommen, um die diagnostische Genauigkeit eines MRT-Protokolls mit kurzer Untersuchungsdauer im 3 T Magnetresonanztomographen in Bezug auf die Beurteilung des Ligamentum cruciatum craniale/ bzw. caudale, der Menisken, des Gelenkknorpels, sowie des Arthrosegrades zu untersuchen. Die Bewertung der Arthrose wurde zusätzlich an digitalen Röntgenaufnahmen durchgeführt. Ein Tierarzt mit Erfahrung in der Beurteilung von MRT-Bildern von Gelenkserkrankungen bewertete sämtliche Aufnahmen und die Ergebnisse wurden mit den intraoperativen Befunden der Arthrotomie verglichen. Der Gutachter identifizierte alle cranialen Kreuzbänder korrekt als gerissen. Mit einer Ausnahme wurden alle caudalen Kreuzbänder richtigerweise als nicht rupturiert identifiziert. In der Beurteilung von Meniskusrissen wurde eine hohe Sensitivität und Spezifität erreicht. Zusätzlich konnten Läsionen, deren klinische Bedeutung noch nicht bekannt ist, sowohl im cranialen bzw. caudalen Kreuzband als auch in den Menisken entdeckt werden. In Bezug auf Knorpelschäden und den Grad der Arthrose konnte eine klare Übereinstimmung zwischen den MR- und röntgenologischen Befunden nachgewiesen werden. Für die Bewertung der Arthrose waren die MR-Bilder den Röntgenaufnahmen nicht überlegen. Abschließend lässt sich sagen, dass Kreuzbandschäden, Meniskusrisse und der Grad der Arthrose in den MR-Bildern richtig bewertet werden können. Im Falle der Beurteilung der Menisken ist jedoch ein gewisser Spielraum für eine Fehldiagnose immer noch vorhanden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Kombination diagnostischer Tests, welche die morphologischen und/oder funktionellen Parameter bewerten, zu einer Verbesserung der Diagnostik bei Patienten mit orthopädischen Erkrankungen führt.

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Galindo-Zamora, Vladimir: Selected clinical studies on canine joint function and morphology using computerized gait analysis and diagnostic imaging. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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