Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Erstellung eines dreidimensionalen Computermodells der kaninen Beckengliedmaße inklusive Kreuzbändern zur Simulation von Bewegung

Die Ganganalyse ist die Basis bei der tierärztlichen Lahmheitsuntersuchung. Häufig werden als Ursprung von Schmerzen und damit einhergehenden Lahmheiten Probleme der Beckengliedmaße und speziell des Kniegelenkes mit den Kreuzbändern erkannt. In dieser Dissertation wurde ein dreidimensionales Computermodell der rechten kaninen Beckengliedmaße eines 30 kg Labrador Retrievers erstellt. Das muskuloskeletale Modell basiert auf CT-Daten und beinhaltet die Knochen, die Weichteilumrisse, die Gelenke, 24 Muskeln sowie die erstmalig mit einer open-source Software in ein kanines Modell integrierten Kreuzbänder. Anschließend wurde die Simulation eines Bewegungszyklus in der Gangart Schritt auf der Basis von fluoroskopischen Bewegungsdaten und dreidimensionalen Bodenreaktionskräften entwickelt. Bei dem verwendeten Programm zur Modellerstellung handelt es sich um das open-source Programm NMSBuilder. Die Kreuzbänder wurden nach der Fertigstellung des Modells in NMSBuilder durch direkte Veränderung des Quellcodes im Modell ergänzt. Mit dem open-source Programm OpenSim wurden die für die vorgegebene Bewegung notwendigen Drehmomente und Kräfte berechnet sowie die Bewegung inklusive der berechneten Muskelaktivitäten visualisiert. Die Bewegungssimulation wird durch die zeitabhängige Vorgabe der Gelenkwinkel und der externen Kräfte definiert. Es wurden Berechnungen der Gelenkdrehmomente und der Gelenkkräfte im Hüft-, Knie- und Sprunggelenk durchgeführt. Zudem wurden Kräfte und Aktivierungen von 24 Muskeln in Abhängigkeit von der Bewegungsphase berechnet. Dabei ergaben sich auch Daten zur Belastung der Kreuzbänder, deren Auswertung ein Schwerpunkt dieser Arbeit ist. Die Modellvalidierung zeigte gute Übereinstimmungen der berechneten Muskelaktivierungen mit experimentell ermittelten Elektromyographie-Daten anderer Arbeiten. Auch in der Sensitivitätsanalyse reagierte das Modell auf Änderungen der Eingangsdaten mit plausiblen Modifikationen der Ergebnisse. Die Kreuzbänder zeigen plausible Ergebnisse, obwohl die Eigenschaften der Kreuzbänder weitestgehend vom Menschen übernommen werden mussten und nur kleine Anpassungen vorgenommen wurden. Dieses Modell bildet die Grundlage für eine präoperative Planung von therapeutischen Eingriffen nach einem Kreuzbandriss, kann aber auch zur weiteren Ganganalyse verwendet werden. Verschiedene Erweiterungen wie zum Beispiel weitere Gelenkbänder, Menisken und Knorpeloberflächen können dafür ergänzt werden.

Gait analysis forms the basis of the veterinarian’s lameness examination. In many cases the pain and therewith the lameness is caused by problems of the pelvic limb. Especially pathologic conditions in the knee joint and thereof in the cruciate ligaments are detected. In this dissertation a three-dimensional computer model of a right canine pelvic limb of a 30 kg Labrador Retriever was developed. The musculoskeletal model was based on CT data and contains the bones, the soft tissue outlines, the joints, 24 muscles and cruciate ligaments which were integrated for the first time with open-source software. Afterwards the simulation of a gait cycle in the walking pace was developed, based on fluoroscopic gait data and three-dimensional ground reaction forces. The software used for modeling is the open-source software NMSBuilder. The cruciate ligaments were added to the model by directly changing the source-code after finishing the model in NMSBuilder. With the open-source program OpenSim the required torques and forces were calculated for the given motion. The motion was visualized including the calculated muscle activations. The motion simulation is defined by the time dependent specification of the joint angles and the external forces. Calculations of the joint torques and joint forces of the hip, knee and ankle joint were executed. Furthermore forces and activations of 24 muscles were calculated depending on the gait cycle. In this process data of the load of the cruciate ligaments were produced whose evaluation is a key aspect of this dissertation. The model validation resulted in good congruency of the calculated muscle activations with experimental data of electromyography of other studies. The sensitivity analysis showed that the model reacts to changes in input data with plausible modifications in the results. The cruciate ligaments show plausible results as well, even though the properties were mostly adopted from the human ligaments and only small adaptations were conducted. This model forms the basis for preoperative planning of therapeutic surgical intervention after rupture of the cruciate ligament. In addition utilization for gait analysis is possible. Further expansions for example of further joint ligaments, menisci or chondral surfaces can be complemented.

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