Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Dreidimensionale Ultraschallmessung zur Bewegungsanalyse beim Pferd auf dem Laufband

Emmerich, Marion

The objective of the present study was to adopt a 3D-ultrasound measuring system used in human motion analysis for its use in horses and to evaluate measurement data obtained from horses walking or trotting on a treadmill. Reliability of measurement data and comparisons of their means between days for each horse were considered to be the main criteria to judge the usefulness of this measuring system for gait analysis in horses. The measuring device CMS 70 P (Zebris medical Co., Tübingen, Germany) is based upon time measurements of sent and received ultrasound pulses. Four emitting markers are fixed at the leg of the horse. The pulses are transferred to a three-microphone ultrasound receiver and by triangulation threedimensional position of each marker can be obtained in realtime. Measurement frequencies of ultrasound pulses were 25 Hz, 35 Hz, 40 Hz, and 45 Hz in this study.  On each limb six angles were defined between the connections of markers and between these connections and the three spatial planes. Minimum, maximum and range of motion was calculated for each angle during motion cycle. Angles on the fore limbs were: angle of the radius to the frontal plane, angles of the carpal and fetlock joint, angles of the metacarpus and the toe axis to the sagittal plane and angle of the toe axis to the ground. On the hind limbs angles were: angle of the tibia to the frontal plane, angles of the tarsal and fetlock joint and angles of the metatarsus and the toe axis to the sagittal plane and angle of the toe axis to the ground.  Nine sound German Warmblood geldings at an age of 5 years were used in this study. Mean height at the withers was 1.64 m (± 2.9 cm) and mean weight was 567 kg (± 26.9 kg). The horses had been trained to walk, trot and canter on a treadmill for over one year for the purposes of different studies. In the present study gait analysis was performed for each limb both at the walk (1.5 m/s) and the trot (3.0 m/s). Each group of three horses was tested several times a day and repeated measurements were taken on three consecutive days. Thus the total number of strides analyzed was 14906. Angle-stride diagrams were developed for the overall means and their 1s up to 3s range by the measurement data of each angle separately for each limb both at the walk and the trot at a frequency of 25 Hz. At the walk stride length was 1.78 m and relative stance phase was 62%. Stride length of the trot was 2.13 m and relative stance phase was 53.3%.  Effects of gait, fore or hind limbs, right or left body side, of the horse itself, of day and frequency of measurement are significant on measurement data with single exceptions. But LS-means by gait, fore or hind limbs and right or left side reveal that very small changes in angles from less than 2° up to 5° are responsible for the significance of these effects because of the large amount of analyzed data.  Reproducibility of measurement data for each angle on both fore and hind limbs and both at the walk and the trot at four different frequencies was estimated based on variance component estimation. Reproducibility for any measurement of a single horse at any day (W1) was estimated as well as the maximum reproducibility that can be achieved by repeated measurements of different horses (W2).  At a frequency of 25 Hz or 35 Hz reproducibility of the maximum and minimum values for any measurement of a single horse at any day achieves values higher than 80% and more than 70% at higher frequencies and at the trot, both on fore and hind limbs. Maximum reproducibility is between 88% and 99% at both gaits at a frequency of 25 Hz or 35 Hz. Reproducibilty of the range of motion is 10% (walk) up to 20% (trot) less than reproducibility of the maximum and minimum values. Reproducibilities of the range of motion of the fetlock joints as well as of minimum, maximum and range of motion of the carpal/tarsal joint are generally less as reproducibilities of other angle values.  Effects of angle values, fore or hind limbs and measurement frequency are significant on both reproducibility W1 and W2. Influence of gait has no significance on W2 whereas influence of right or left side has no significance on reproducibility at all. LS-means by measurement frequency reveal that changes from 40 Hz to 45 Hz are responsible for the significance of this effect. It causes loss of reproducibility of 6%, whereas changes from 25 Hz to 35 Hz and to 40 Hz just reduce reproducibility by 1% up to 3%.  For measurement frequencies up to 40 Hz the ultrasound motion analysis system has a good up to excellent reliability and it provides threedimensional realtime recordings of a horses motion cycle running on a treadmill for the objective judgement of gait irregularities.  

Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, eine dreidimensionale ultraschallbasierte Messtechnik zur Bewegungsanalyse aus der Humanmedizin auf die Erfordernisse einer Anwendung beim Pferd anzupassen, und die beim Pferd auf dem Laufband gemessenen Daten hinsichtlich ihrer Aussagekraft zu evaluieren. Als ein wesentliches Beurteilungskriterium für die Einsatzfähigkeit beim Pferd wurden die Reproduzierbarkeit (Präzision) der Messdaten und der Vergleich von Tagesmittelwerten für das einzelne Pferd herangezogen.  Das hier verwendete Messgerät CMS 70 P (Fa. Zebris Medizintechnik GmbH, Tübingen) arbeitet mit dem Prinzip der Laufzeitbestimmung von Ultraschallimpulsen. Bis zu vier Sender werden an der Gliedmaße befestigt, deren Impulse zeitgleich von drei definiert angeordneten Mikrophonen erfasst. werden. Über Triangulation wird somit die Position jedes Senders im dreidimensionalen Raum in Echtzeit ermittelt. In dieser Untersuchung wurden die Ultraschallimpulse mit Frequenzen von 25 Hz, 35 Hz, 40 Hz und 45 Hz zur Messung verwendet.  Über die Verbindungen der Sender untereinander und in Bezug zu den drei Raumebenen wurden an jeder Gliedmaße sechs Winkel definiert, deren Minima, Maxima und Bewegungsweiten im Verlauf innerhalb des Bewegungszyklus gemessen wurden. An den Vordergliedmaßen wurden der Winkel des Radius zur Frontalebene als Mass für den Raumgriff, die Winkelungen im Karpal- sowie im Fesselgelenk und die lateralen Auslenkungen des Metacarpus und der Zehenachse sowie der Winkel der Zehenachse zum Boden gemessen. An den Hintergliedmaßen erfolgte analog die Bestimmung des Winkels der Tibia zur Frontalebene, des Tarsal- und Fesselgelenkes sowie die der lateralen Auslenkungen und der Zehenachse zum Boden.  Für die Messungen wurden neun Warmblutwallache im Alter von 5 Jahren (Stockmaß: 1,64 m ± 2,9 cm, Gewicht: 567 kg ± 26,9 kg) vom Institut für Tierzucht und Tierverhalten, Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft in Mariensee zur Verfügung gestellt. Alle Pferde waren frei von Bewegungseinschränkungen, Lahmheiten und Fehlstellungen der Gliedmaße und waren bereits an die Bewegung auf dem Laufband gewöhnt. Es wurden sowohl die Bewegungen auf dem Laufband im Schritt (1,5 m/s) als auch im Trab (3,0 m/s) an allen vier Gliedmaßen erfasst. Jeweils drei Pferde wurden an einem Tag mehrfach gemessen mit Wiederholungsmessungen an drei aufeinanderfolgenden Tagen. Insgesamt wurden auf diese Weise 14906 Einzelschritte erfasst, die als Datenmaterial zur Auswertung dienten. Die Messergebnisse der einzelnen Winkel an Vorder- und Hintergliedmaßen im Schritt und im Trab für den Gesamtdurchschnitt bei 25 Hz wurden als Mittelwertskurven mit ihren 1s-, 2s- und 3s-Bereichen dargestellt. Die kinematischen Parameter der Schrittlänge und des Anteils der Stützbeinphase am Bewegungszyklus (RSP) liegen im Schritt bei 1,78 m / 62% RSP und im Trab bei 2,13 m / 53,3% RSP.  Die Effekte der Gangart, des Gliedmaßenpaares, der Körperseite sowie der Messfrequenz, des Messtages, des Pferdes und des Messzyklus besitzen mit einzelnen Ausnahmen eine signifikante Bedeutung für die Winkelmerkmale. Die LS-Mittelwerte nach Gangart, Gliedmaßenpaar und Körperseite zeigen jedoch, dass aufgrund des großen Datenmaterials geringe Winkeländerungen von weniger als 2° bis zu 5° den Einfluss bereits signifikant erscheinen lassen.  Basierend auf einer Varianzkomponentenschätzung wurden die Wiederholbarkeiten der Messergebnisse für die einzelnen Winkelmerkmale bei den verschiedenen Messfrequenzen für Vorder- und Hintergliedmaßen im Schritt und im Trab geschätzt. Zum einen wurde die Wiederholbarkeit der Messergebnisse gemäß einer Praxissituation für ein beliebiges Pferd an einem beliebigen Tag in einem beliebigen Messzyklus (W1) bestimmt und zum anderen die maximal erreichbare Wiederholbarkeit mit Mehrfachmessungen verschiedener Pferde gemäß der in dieser Studie erfolgten Datenerhebung (W2).  Für die Minima und die Maxima der untersuchten Winkel beträgt W1 bei 25 Hz und 35 Hz mehr als 80% und bei höheren Messfrequenzen und im Trab mehr als 70% für beide Gliedmaßenpaare. Die maximal erreichbare Wiederholbarkeit (W2) liegt bei 25 Hz und 35 Hz in beiden Gangarten zwischen 88% und 99%. Die Weite eines Winkels läßt sich um 10% (Schritt) bis um 20% (Trab) schlechter reproduzieren als die jeweiligen Minima und Maxima. Im Vergleich der Winkel untereinander weisen die Weite des Fesselgelenkes sowie Minimum, Maximum und Weite des Winkels von Karpus/Tarsus geringere Wiederholbarkeiten als die übrigen Winkelmerkmale auf.  Der Einfluss der Winkelmerkmale, des Gliedmaßenpaares sowie der Messfrequenz sind für beide Wiederholbarkeiten signifikant. Für W2 zeigt der Einfluss der Gangart keine Signifikanz, während sich der Einfluss der Körperseite für keine der beiden geschätzten Wiederholbarkeiten signifikant zeigt. Die LS-Mittelwerte der Wiederholbarkeiten zeigen, dass die Signifikanz des Einflusses der Messfrequenz in einem Absinken der Wiederholbarkeiten mit dem Wechsel auf 45 Hz von etwa 6% begründet liegt. Der Effekt der Steigerung von 25 Hz auf 35 Hz und auf 40 Hz liegt mit 1% bis 3% deutlich darunter.  Mit Messfrequenzen bis zu 40 Hz bietet das verwendete Ultraschallsystem zur Bewegungsanalyse mit guter bis exzellenter Präzision die Möglichkeit, den Bewegungsablauf des Pferdes auf dem Laufband in Echtzeit dreidimensional zu erfassen und Gangunregelmäßigkeiten objektiv zu beurteilen.  

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Emmerich, Marion: Dreidimensionale Ultraschallmessung zur Bewegungsanalyse beim Pferd auf dem Laufband. Hannover 2002. Tierärztliche Hochschule.

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