Dreidimensionale Ultraschallmessung zur Bewegungsanalyse beim Pferd auf dem Laufband

Volltext

(1)Aus dem Institut für Tierzucht und Vererbungsforschung der Tierärztlichen Hochschule Hannover. Dreidimensionale Ultraschallmessung zur Bewegungsanalyse beim Pferd auf dem Laufband. INAUGURAL - DISSERTATION zur Erlangung des Grades einer DOKTORIN DER VETERINÄRMEDIZIN (Dr. med. vet.) durch die Tierärztliche Hochschule Hannover. Vorgelegt von Marion Emmerich aus Berlin. Hannover 2002.

(2) Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. O. Distl. 1. Gutachter: Prof. Dr. O. Distl 2. Gutachter: Prof. Dr. H. Hackbarth. Tag der mündlichen Prüfung: 30.05.2002.

(3) Für. Lucy.

(4) Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS. Seite. 1 EINLEITUNG. 1. 2 LITERATUR. 3. 2.1 Kinetische Messmethoden. 3. 2.1.1 Messprinzipien. 3. 2.1.2 Überblick über verschiedene kinetische Untersuchungen. 4. 2.2 Kinematische Messmethoden. 9. 2.2.1 Prinzipien der Bewegungserfassung. 9. 2.2.2 Aufnahmefrequenz. 10. 2.2.3 Markerpositionen. 12. 2.2.4 Laufband. 14. 2.2.5 Überblick über Ergebnisse kinematischer Untersuchungen. 16. 2.3 Ultraschallsystem zur Bewegungsanalyse. 19. 2.3.1 Prinzip der Bewegungserfassung. 19. 2.3.2 Messaufbau in der Humanmedizin. 20. 2.3.3 Software-Einstellungen in der Humanmedizin. 22. 2.3.4 Anwendungsbereiche. 24. 3 MATERIAL UND METHODEN. 26. 3.1 Material. 26. 3.1.1 Probandengut. 26. 3.1.2 Datenmaterial. 27. 3.2 Methodik der Messungen. 29. 3.2.1 Voruntersuchung. 29. 3.2.2 Vorbereitung. 29. 3.2.3 Vorversuche (Klinik für Pferde der Tierärztlichen Hochschule Hannover). 31.

(5) Inhaltsverzeichnis. 3.2.4 Ablauf der statistisch ausgewerteten Messungen (FAL, Mariensee). 33. 3.2.5 Messaufbau für die Lokomotionsanalyse beim Pferd. 34. 3.2.6 Winkelparameter für die Lokomotionsanalyse beim Pferd. 36. 3.3 Methodik der Auswertung. 48. 3.3.1 Aufbereitung der Messdaten zur statistischen Auswertung. 48. 3.3.2 Statistische Methoden. 50. 4 ERGEBNISSE. 62. 4.1 Ergebnisse der deskriptiven Statistik. 62. 4.1.1 Durchschnittswerte der erhobenen Messdaten. 62. 4.1.2 Vergleich der Einzeldaten mit dem Gesamtdurchschnitt. 69. 4.1.3 Graphische Darstellung des Verlaufes der definierten Winkel innerhalb eines Schrittes im Bewegungsablauf 4.2 Analyse systematischer Effekte auf die Winkel. 70 89. 4.2.1 Signifikanz der systematischen Effekte für die gemessenen Werte (Modell 1) 4.2.2 Least-Square Mittelwerte (LSM) für die Winkelmerkmale. 89 96. 4.2.3 Varianzanalyse der geschätzten Wiederholbarkeiten (Modell 3). 101. 4.2.4 Wiederholbarkeit der Messergebnisse (Präzision). 103. 4.2.5 Least-Square Mittelwerte (LSM) für die Wiederholbarkeiten unter Berücksichtigung der zufälligen Einflussfaktoren (Modell 3). 113. 5 DISKUSSION. 117. 5.1 Methode der eigenen Untersuchung. 117. 5.1.1 Laufband. 117. 5.1.2 Senderpositionen und Winkeldefinitionen. 118. 5.2 Messergebnisse. 120. 5.2.1 Winkelmessungen. 120. 5.2.2 Einflussfaktoren. 126. 5.3 Methode der ultraschallgestützten Bewegungsanalyse. 128. 5.3.1 Präzision. 128.

(6) Inhaltsverzeichnis 5.3.2 Anwendbarkeit beim Pferd. 133. 6 ZUSAMMENFASSUNG. 136. 7 LITERATURVERZEICHNIS. 142. 8 ABBILDUNGS- UND TABELLENVERZEICHNIS. 155. 9 ANHANG. 160.

(7) Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen A bis C. Messzyklus (einzelne Messung). BP. Beinpaar. BW. Bewegungsweite eines Gelenkes. FG. Freiheitsgrad. Gldm.. Gliedmaße. H. Hintergliedmaße. HL. Gliedmaße hinten links. HR. Gliedmaße hinten rechts. k.A.. keine Angaben. lat.. lateral. LSM. Least-Square Mittelwert (Erwartungswert). Mc. Metacarpus. MSR. Mittlere Abweichungsquadrate. MSE. Mittlerer Restfehler. Mt. Metatarsus. R. Range, maximale Spannweite zwischen Messergebnissen. R². Bestimmtheitsmaß für den Anteil der modellerklärten Varianz. RSP. relative Stützbeinphase. S. Gangart Schritt. s. Standardabweichung. SD. Schrittdauer. SE. Standardfehler. SL. Schrittlänge. V. Vordergliedmaße. VL. Gliedmaße vorne links. VR. Gliedmaße vorne rechts. WM. Winkelmerkmal Mittelwert. ZA. Zehenachse.

(8) Begriffsbestimmungen. Messfrequenz. Anzahl der Ultraschallimpulse pro Sekunde (25-45 Hz) auch: Untersuchungsfrequenz. Messzyklus. Einzelmessung jeder Gliedmaße, bestehend aus 9-13 Schritten. Schritt. Bewegungsablauf einer Gliedmaße bestehend aus Vorführ- bzw. Schwungphase und Stützbeinphase. Winkel. Winkelmerkmal. über die Senderpositionen definierte sechs Winkel: -. Zehenachse zum Boden. -. Fesselgelenk. -. Zehenachse lateral. -. Metacarpus bzw. Metatarsus lateral. -. Karpus bzw. Tarsus. -. Radius bzw. Tibia zur Frontalebene. Minimum, Maximum und Spannweite jedes der sechs Winkel, daher 18 ausgewertete Winkelmerkmale. Winkelgröße. Messwert (Ausprägung) für die 18 Winkelmerkmale.

(9) Einleitung 1 EINLEITUNG Ein voll funktionsfähiger Bewegungsapparat, der einen ungestörten, freien Bewegungsablauf. ermöglicht,. ist. unabdingbare. Voraussetzung. für. einen. erfolgreichen Einsatz des Pferdes im Turnier- und Freizeitsport. Die Beurteilung von Bewegungsabläufen des Pferdes und die Diagnose von Lahmheiten zählen daher zu den wichtigsten Aufgaben von in der Pferdepraxis tätigen Tierärzten, wobei die klinische Lahmheitsuntersuchung den zentralen Ansatz für die Diagnose und die Verlaufskontrolle der eingeleiteten Therapiemaßnahmen darstellt. Doch auch der erfahrene Untersucher stößt bei der subjektiven Beurteilung der Bewegungsabläufe an seine Grenzen, da das menschliche Auge nur etwa 10 Einzelbilder pro Sekunde erfassen kann, und leichte Veränderungen im Gangbild, aus denen sich erst eine Lahmheit entwickeln kann, zunächst verborgen bleiben. Obwohl bereits seit etwa 250 Jahren Versuche unternommen wurden, den Bewegungsablauf und die Fußfolgen der einzelnen Gangarten beim Pferd objektiv zu erfassen, gelang es erst mit dem technischen Fortschritt der letzten 30 Jahre, die Grenzen der traditionellen Untersuchungsmethoden zu überschreiten und neben einer qualitativen auch eine quantitative Beurteilung der Bewegung vorzunehmen. Eine wichtige Grundlage für die Erforschung der Kinematik stellte die Entwicklung eines Laufbandes für Pferde im Jahr 1983 in Schweden dar, das durch die Kontrolle der Vorführgeschwindigkeit und konstante Bodenbeschaffenheit vergleichbare Untersuchungen ermöglicht. In der Humanmedizin wird seit 1979 ein Bewegungsanalysesystem basierend auf dem Prinzip der dreidimensionalen Ultraschallmessung für orthopädische und sportmedizinische Fragestellungen eingesetzt. Mit Hilfe dieser Technik wird eine fundierte Lokomotionsanalyse unter vertretbarem finanziellem, personellem und Versuchsaufbau bedingtem Aufwand ermöglicht. Deshalb sollte das auf diesem Prinzip beruhende Messgerät CMS 70 P der Firma Zebris Medizintechnik GmbH, Tübingen, für die vorliegende Untersuchung auf seine. -1-.

(10) Einleitung Einsatzfähigkeit bei der Bewegungsanalyse beim Pferd getestet werden. Die vorliegende Studie hatte demnach folgende Ziele: Das. für. die. Humanmedizin. entwickelte. Ultraschall-Messsystem. für. die. Bewegungsanalyse sollte an die Erfordernisse einer Anwendung beim Pferd angepasst werden. Anschließend sollten die beim Pferd gemessenen Daten hinsichtlich. ihrer. Beurteilungskriterium. Aussagekraft für. die. evaluiert. werden.. Einsatzfähigkeit. Als. beim. ein Pferd. wesentliches wurde. die. Reproduzierbarkeit (Präzision) der Messdaten unter realistischen Untersuchungsbedingungen herangezogen. Sollte sich für die erfassten Daten eine genügend hohe Präzision ergeben, sollten daraufhin Winkelverlaufskurven für den Bewegungsablauf bestimmter Abschnitte der Vorder- und Hintergliedmaßen für Warmblutpferde erstellt werden.. -2-.

(11) Literatur 2 LITERATUR. Definition der Arbeitsbereiche in der Lokomotionsanalyse Die Bewegungslehre oder KINESIOLOGIE umfasst die Teilgebiete Kinetik, welche sich mit den auf einen Körper einwirkenden und eine Bewegung verursachenden Kräften beschäftigt, und Kinematik (DALIN u. JEFFCOTT 1985), die den Bewegungsablauf deskriptiv als einen in Zeit und Raum veränderbaren Vorgang erfasst und seine Parameter untersucht (z.B. Schrittlänge, Zeitdauer der einzelnen Bewegungsphasen oder Winkel-Zeit-Diagramme der Gelenke).. 2.1 Kinetische Messmethoden. 2.1.1 Messprinzipien Eine direkte Messung der auf den Körper, die Gliedmaßen oder ausgewählte Gliedmaßenabschnitte. wirkenden. Kräfte. erfolgt. auf. der. Basis. folgender. physikalischer Prinzipien: Zum einen wird der piezoelektrische Effekt genutzt, welcher die Eigenschaft von Quarzkristallen bezeichnet, unter Belastung eine messbare elektrische Spannung durch Veränderung der Kristallstruktur aufzubauen. Zum anderen finden Dehnungsmessstreifen Verwendung, wobei die Veränderung des elektrischen Widerstandes gemessen wird, die aufgrund mechanischer Kräfte an einem dünnen Draht auftritt. Ebenfalls piezoelektrische Accelerometer erlauben über die Beschleunigungsmessung einer internen definierten Masse eine indirekte Bestimmung der einwirkenden Kraft gemäß Kraft = Masse x Beschleunigung (Newtonsche Bewegungsgleichung). Um das Ausmaß und die Verteilung der während der Stützbeinphase vom Auffußen. -3-.

(12) Literatur über das Abrollen bis zum Abheben zwischen Gliedmaße und Boden wirkenden Kräfte zu messen, kommen Kraftmessplatten oder Kraftmessschuhe in Form von präparierten Hufeisen zum Einsatz.. 2.1.2 Überblick über verschiedene kinetische Untersuchungen Eine Kraft, die in einem dreidimensionalen Raum wirkt, entsteht als Resultierende aus einzelnen Kraftkomponenten, die in die drei Raumrichtungen wirken. Bezogen auf die Pferdegliedmaße lassen sich demnach vertikale bzw. Stauchungskräfte, longitudinale bzw. Horizontalkräfte (in Bewegungsrichtung parallel zum Boden) und transversale Kräfte (quer zur Bewegungsrichtung parallel zum Boden) unterscheiden. Je nach interner Anordnung der Quarzkristalle können mit verschiedenen Systemen in kinetischen Versuchsanordnungen entweder die resultierende Kraft oder einzelne Komponenten. ausgewertet. werden.. Bedingt. durch. den. erforderlichen. Untersuchungsaufwand wird ein kinetischer Versuchsaufbau überwiegend für Fragestellungen im Rahmen der Grundlagenforschung zum besseren Verständnis der Belastungsverhältnisse gewählt, die unter verschiedenen Bedingungen an der fußenden Pferdegliedmaße herrschen. Aufgrund der geringen Auftrittsfläche von ca. 0,5 m² erfordert eine in eine Vorführbahn eingelassene Kraftmessplatte 2-3 Versuchsdurchläufe für einen verwertbaren “Abdruck” (SCHAMHARDT et al. 1993), eingelassen in eine Trabrennbahn zur Untersuchung der Fußung eines Trabrennpferdes vor dem Sulky waren sogar 20 Versuche nötig (QUDDUS et al. 1978). Die Weiterentwicklung in die KaegiDruckmessstraße mit einer 4 m langen Messzone (AUER u. BUTLER 1985; HUSKAMP et al. 1990) ermöglicht immerhin die Erfassung von 6-8 Fußungen und somit einen Seitenvergleich der vertikalen Druckverteilung, welcher unter klinischen Aspekten Hinweise auf lahmheitsbedingte Minder- bzw. kompensatorische Mehrbelastung einzelner Gliedmaßen bietet. Gleichwohl muss auch hier das Pferd in konstanter Geschwindigkeit auf gerader Linie geführt werden. Auftritte am seitlichen Rand der Messzone sind nicht auswertbar (CLAYTON 1996).. -4-.

(13) Literatur. Mit der Entwicklung von Kraftmessschuhen sollte eine Druckmessung aller vier Gliedmaßen über mehrere Schrittzyklen in verschiedenen Gangarten auch auf unterschiedlichen Bodenbelägen (FREDERICK u. HENDERSON 1970; RATZLAFF et al. 1985) erreicht werden. Diese Hufeisen haben jedoch ein erhebliches Eigengewicht (2.300 g bei HJERTÈN u. DREVEMO 1987) oder berücksichtigen wie das Kaegi-System nur die vertikale Kraftkomponente (BALCH et al. 1991; RATZLAFF et al. 1993). Der von ROEPSTORFF u. DREVEMO 1993 entwickelte Kraftmessschuh zeigt bei einem Gewicht von max. 300 g auch longitudinale und transversale Kräfte auf, allerdings nur während der planen Fußungsphase, Kraftmessungen während des Abrollens sind nicht möglich (CLAYTON 1996). Über die Verwendung dieser Hufeisen bei Pferden auf dem Laufband (HJERTÈN u. DREVEMO 1987; BALCH et al. 1991; ROEPSTORFF et al. 1994) hinaus ist ein System in Erprobung, mit dem die kontrollierten Messbedingungen auf dem Laufband mit den Vorteilen der Messplattentechnik verbunden werden können (WEISHAUPT et al. 1996). Hierbei wurden 16 piezoelektrische Kraftaufnehmer auf der Stützschiene des Laufbandes unter dem Laufbandgurt montiert, die Auswertung erfordert jedoch zusätzlichen Aufwand: Die Korrelation zwischen den erfassten (vertikalen) Kräften und der Lokalisation der Fußungen der vier Hufe auf dem Laufband wird über eine Eichtabelle nach aufgebrachtem Referenzdruck bestimmt, und die Kräfte je Fußung werden nach Lösung eines Gleichungssystems für die 16 Kraftaufnehmer errechnet. Mit Hilfe implantierter Dehnungsmessstreifen untersuchten RIEMERSMA et al. (1988) für die Hintergliedmaße und JANSEN et al. (1993) für die Vordergliedmaße im Schritt den Zusammenhang zwischen den intern auftretenden Belastungen der Beugesehnen und den über eine Kraftmessplatte gemessenen externen Kräften. Sie fanden eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse beider Methoden, ebenso wie RIEMERSMA et al. (1996) in Versuchen mit unterschiedlichen Beschlägen an der Vordergliedmaße von Ponys im Schritt. Gerade diese speziellen Untersuchungen -5-.

(14) Literatur sind wegen der invasiven Eingriffe und der post mortem erfolgenden “Eichung” der Sehnen. mit. definierten. Gewichten. ausschließlich. der. Grundlagenforschung. vorbehalten und dienen dem besseren Verständnis von Belastungsverteilungen auf die. inneren. Strukturen. der. Gliedmaße. und. damit. von. Krankheits-. und. Verletzungsdispositionen. Kombinationsmessungen mit Kraftmessplatten und Erfassung dreidimensionaler kinematischer Daten mit Filmaufnahmen bzw. einem optoelektronischen System (CLAYTON et al. 1998, 2000; COLBORNE et al. 1998; LANOVAZ et al. 1999) ermöglichen. sogar. eine. mathematische. Berechnung. der. einzelnen. Gelenkdrehmomente und damit die exakte Bestimmung der auftretenden Belastung in den betrachteten Gelenken der Vordergliedmaße (inverse Dynamik, v.d. BOGERT u. SCHAMHARDT 1993, v.d. BOGERT 1998). Als Ergänzung zu den direkt kraftmessenden Methoden werden auch die Daten der Accelerometrie genutzt, um im Messprotokoll den exakten Zeitpunkt der Auffußung zu bestimmen (JANSEN et al. 1993; SCHAMHARDT u. MERKENS 1994), während die alleinige Verwendung dieser Technik am Huf über Stauchungskräfte bzw. deren Dämpfung (BURN et al. 1997 bzw. BENOIT et al. 1993) Aufschluss gibt. Zur Bewegungsanalyse des Pferdes sollte ein Accelerometer möglichst nahe am Schwerpunkt des Körpers bzw. des untersuchten Gliedmaßensegmentes angebracht werden (BARREY, 1999). Mit Positionierung am caudalen Ende des Sternums in der Medianen des Rumpfes können bereits leichte Bewegungsasymmetrien festgestellt werden, und somit ist dies die einzige kinetische Messmethode, die auch während der Schwungphase Daten erheben kann, und ohne erheblichen Aufwand ambulant eingesetzt werden kann (BARREY 1997, 1999). Daraus entwickelte FALATURI (2001) eine Methode zur Bewegungsanalyse und Lahmheitsbeurteilung, indem er den zeitlichen Verlauf der Beschleunigungswerte von vier jeweils an den Röhrbeinen befestigten Beschleunigungsaufnehmern erfasste und über einen Computer graphisch darstellte (Computerkinematographie). Einige Autoren geben in Ergänzung zu den ausgewerteten Kräfteverhältnissen. -6-.

(15) Literatur weitere Kenngrößen des Bewegungsablaufes an, zu denen die Schrittdauer, die Schrittlänge und die Zeitdauer bzw. der prozentuale Anteil der Stützbeinphase zählen. Die weitgehend heterogene Struktur der Untersuchungen hinsichtlich des Datenmaterials, der betrachteten Gliedmaßen und der Versuchsbedingungen erschwert einen direkten Vergleich in tabellarischer Form, so dass nachfolgend die Ergebnisse einzelner Studien, die mit der vorliegenden Arbeit verglichen werden können, getrennt vorgestellt werden: KAI et al. (2000) kombinierten Druck- und Beschleunigungsmesselemente in einem Messinstrument, das sie zwischen Sohlenfläche des Hufes und darunter befestigtem Klebe-Hufschuh anbrachten. Sie untersuchten jeweils 10 Schritte der Vordergliedmaßen von fünf Pferden auf dem Laufband und ermittelten eine Schrittdauer von 1133 ms (±71,1 ms) im Schritt bei einer Geschwindigkeit von 1,7 m/s bzw. von 649 ms (±37,4 ms) im Trab bei einer Geschwindigkeit von 4,3 m/s. Die Stützphase betrug 65,6 % (±1,61 %) des gesamten Bewegungszyklus im Schritt bzw. 45 % (±1,91 %) im Trab. Auf der Basis von 20 Bewegungszyklen der Vorder- und Hintergliedmaßen von 30 Pferden, die im Schritt und im Trab geführt wurden, gibt FALATURI (2001) eine Schrittdauer von 1200 ms im Schritt bzw. von 722 ms im Trab an. Die relative Stützdauer pro Gliedmaße beträgt im Schritt: Vorne Rechts. 65,2 % (±5,13 %). Vorne Links. 65,9% (±4,55 %). Hinten Rechts. 58,7 % (±2,13 %). Hinten Links. 59,4 % (±2,68 %). Vorne Rechts. 43,9% (±9,85 %). Vorne Links. 44,5 % (±7,43 %). Hinten Rechts. 43,8 % (±5 %). Hinten Links. 45,2 % (±4,6 %).. Und im Trab:. Zur Berechnung der Gelenkdrehmomente und der wirkenden Energien an der (rechten) Vordergliedmaße während der Stützbeinphase im Trab ließ CLAYTON (1998) sechs Pferde mit einer Geschwindigkeit von durchschnittlich 3,38 m/s (±0,19 m/s) über eine Druckmessplatte führen und verfolgte neun Photodioden an der rechten Vordergliedmaße mit dem optoelektronischen Messsystem CODA-3 zur gleichzeitigen Erfassung kinematischer Daten. Es wurden pro Pferd vier erfolgreiche. -7-.

(16) Literatur Auftritte der rechten Vordergliedmaße auf die Druckmessplatte ausgewertet. Die relative Stützbeinphase wird hier mit 38 % (±1,5 %) angegeben. Für den Karpalwinkel beim Auffußen ermittelte sie 184°, während der Vollbelastung im Verlauf von 5-20 % der Stützbeinphase stieg der Winkel auf 186° an.. Die Gelenkdrehmomente und die wirkenden Energien an der (linken) Vordergliedmaße während der Schwungphase im Trab berechneten LANOVAZ et al. (1999). Sie werteten von fünf Pferden, die im Trab mit einer Geschwindigkeit von 3,03. m/s. (±0,16. m/s). geführt. wurden,. jeweils. drei. Schritte. der. linken. Vordergliedmaße aus. Sie ermittelten mit CODA-3 für das Fesselgelenk einen maximalen Beugungswinkel von 146,9° (±9,6°) und eine Bewegungsweite von 51,5° (±10,1°), für den Karpus einen maximalen Beugungswinkel von 109,7° (±5,9°) und eine Bewegungsweite von 73,9° (±7,8°). Diese Werte beziehen sich jeweils nur auf die Schwungphase. Eine weitere Kombination einer Druckmessplatte mit CODA-3 findet sich bei SCHAMHARDT und MERKENS (1994). Sie ließen 4 Pferde im Schritt und im Trab in individueller Geschwindigkeit führen und werteten jeweils fünf Schritte der rechten Vorder- bzw. Hintergliedmaße aus. Für den Schritt geben sie eine relative Stützdauer von 62 % an, eine entsprechende Angabe für den Trab fehlt. Gegen Ende der Stützbeinphase erfassten sie den maximalen Winkel zwischen Hufsohle und Boden und erhielten im Schritt für die Vordergliedmaße einen Winkel von 104,7° und an der Hintergliedmaße von 87,5° bzw. im Trab von 107,4° vorne und von 87,3° hinten. Der Fesselgelenkswinkel wurde während der Stützbeinphase in maximaler Extension und maximaler Flexion bestimmt und lag im Schritt an der Vordergliedmaße zwischen –43° (Extension) und 21,2° (Flexion), an der Hintergliedmaße zwischen –31,5° und 33,8°. Im Trab ergaben sich für die Vordergliedmaße Winkelwerte zwischen –56,3° und 22,6° und für die Hintergliedmaße Werte zwischen –48° und 39°. Abgesehen von den Beschleunigungsmessungen sollte der Einsatz anderer rein kinetischer Messmethoden an Patienten im Klinikbetrieb in Anbetracht des zeitlichen Bedarfes für eventuelle Wiederholungsmessungen, einer erforderlichen Eichung des -8-.

(17) Literatur Systems und des benötigten zusätzlichen Equipments gründlich abgewogen werden. Denn da nur die Stützbeinphase des Bewegungsablaufes untersucht werden kann, sind zur genaueren Bewertung der Messbefunde in ihrer zeitlichen und räumlichen Abfolge gleichzeitige Filmaufnahmen, und damit die Erhebung kinematischer Daten, sinnvoll.. 2.2 Kinematische Messmethoden. 2.2.1 Prinzipien der Bewegungserfassung Für die deskriptve Erfassung und bildliche Wiedergabe des Bewegungsablaufes finden verschiedene Techniken Verwendung: Mit der Hochfrequenz-Cinematographie (Hochfrequenz-Serienphotographie) können Momentaufnahmen mit einer Frequenz von bis zu 500 Bildern/sec. auf 16mm-Film erstellt werden. Moderne Hochfrequenz-Videokameras erlauben ebenfalls Aufnahmen mit 100 - 500 Bildern (= ”frames”) pro Sekunde sowie die anschließende digitale Filmbearbeitung über einen PC. Automatische optoelektronische Bewegungsanalysesysteme reduzieren die zu verarbeitende Datenmenge, indem nur bestimmte Punkte an der Gliedmaße von Infrarotkameras in ihrer Bewegung verfolgt werden, die zuvor mit Leuchtdioden als aktiven. bzw.. mit. Abschnitten. reflektierender. Folie. als. passiven. Markern. gekennzeichnet wurden. Die Auswertung der erfassten Daten im Anschluss an die Messung geschieht in Kombination mit erhältlicher Software, die eine Verfolgung der Markierungen über alle Einzelbilder, die Definition und Berechnung der zu untersuchenden Winkel und über die Zeiterfassung eine Berechnung einzelner Phasen des Bewegungszyklus ermöglicht.. -9-.

(18) Literatur. Direkte Winkelmessungen an einzelnen Gelenken ohne visuelle Abbildung des Bewegungsablaufes können mit Hilfe eines Elektrogoniometers vorgenommen werden. Hierzu werden das Scharnier dieses elektrischen Winkelmessers z.B. lateral am Fesselgelenk und seine beiden Schenkel am Mittelfuß und am Fesselbein fixiert. Ein im Scharnier eingebettetes Potentiometer ändert seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Winkelstellung der beiden Schenkel, so dass über die Veränderung der elektrischen Impulse der Gelenkwinkel erfasst werden kann. Auf die Funktionsweise des in der vorliegenden Studie verwendeten UltraschallSystems mit einer Messfrequenz von 50 Hz wird in einem gesonderten Abschnitt näher eingegangen (2.3). Für einen Vergleich kinematischer Studien untereinander und für eine vergleichende Bewertung. der. verschiedenen. Systeme. müssen. die. Versuchsbedingungen. insgesamt genauer betrachtet werden. Zu den wesentlichen Merkmalen eines kinematischen Versuchsaufbaus gehören die eingesetzte Aufnahmefrequenz, die Art der Markierung anatomischer Strukturen an der Gliedmaße sowie die Verwendung eines Laufbandes.. 2.2.2 Aufnahmefrequenz Die ideale Aufnahme- bzw. Bildfrequenz wird von der Dauer eines Signals und damit der Frequenz, dem Auftreten des Signals pro Sekunde, bestimmt. Im allgemeinen sollte die Aufnahmefrequenz mindestens doppelt so hoch sein wie die maximale Signalfrequenz (LINFORD 1994). Das bedeutet für eine angenommene Dauer von 10 ms für das “Signal” des Auffußens einer Vordergliedmaße im Schritt eine Signalfrequenz von 100 pro sec. (100 Hz), die Aufnahmefrequenz sollte demnach mindestens 200 Hz bzw. 200 Bilder pro sec. betragen. SCHAMHARDT u. MERKENS (1994) ermittelten beim Pferd eine Dauer von 9 ms vom ersten Bodenkontakt bis zur planen Fußung für die Vordergliedmaße im Schritt. Vergleichende Untersuchungen verschiedener Aufnahmefrequenzen von 25 Hz bzw.. - 10 -.

(19) Literatur 50 Hz in der Humanmedizin (WINTER 1982) und 60 Hz bzw. 1000 Hz bei Pferden im Trab (LINFORD 1994) kommen zu dem Ergebnis, dass die höheren Aufnahmefrequenzen einzig bei der Betrachtung der Fußung präzisere Ergebnisse liefern, für die Beurteilung des Bewegungsablaufes insgesamt und seiner einzelnen zeitlichen Abschnitte jedoch nicht erforderlich sind. Dementsprechend finden die kostspieligeren Hochfrequenz-Video bzw. 16mmFilmkameras vor allem bei den Untersuchungen Verwendung, die bei Kombination mit Kraftmessschuhen oder einer Kraftmessplatte die Stützphase im Trab (HJERTÉN u. DREVEMO 1994) oder den Effekt eines Standardbeschlages auf die Stützphase im Trab (ROEPSTORFF et al. 1999) betrachten. Die handelsüblichen Videokameras mit einer Bildfrequenz von 60 Hz (USA) bzw. 25 Hz (Europa) können bereits dazu verwendet. werden,. Winkelparameter. der. Gelenke. und. allgemeine. Gang-. chararakteristika z.B. im Schritt zu bestimmen (GALISTEO et al. 1996). Für präzisere Aussagen und die realistische Wiedergabe der Bewegung ist die kinematische Erfassung dreidimensionaler Daten wünschenswert (SCHAMHARDT et al. 1993). Unter Verwendung von Kamerasystemen sind hierzu jedoch mindestens zwei Kameras in frontaler und lateraler Positionierung zum Pferd nötig, deren zweidimensionale. Bildinformationen. per. Rechenalgorithmen. zu. einer. dreidimensionalen Darstellung zusammengefügt werden müssen (HERRING et al. 1992; DEGUERCE et al. 1996; POURCELOT et al. 1997). Optoelektronische Systeme bieten mit etwa 300 Hz von vorneherein eine höhere Aufnahmefrequenz und eine dreidimensionaler Datenerfassung bei gleichzeitiger Limitierung der erfassbaren Zeitdauer auf etwa 10 Sekunden. Eine wesentliche Voraussetzung für die Verwendung dieser Systeme ist die Durchführung der Messungen auf einem Laufband, da die Funktionsweise des Aussendens und Empfangens von Lichtsignalen nur in begrenztem „Blickfeld“ sicher möglich ist, und eine Verkabelung der am Pferd angebrachten Dioden mit dem Hauptgerät erforderlich ist, was zum Teil kritisch beurteilt wird (CLAYTON 1996; BARREY 1999). Der finanzielle Aufwand limitiert diese Systeme auf den Einsatz in der tiermedizinischen Forschung, wo sie z.B. für Untersuchungen über die kinematischen Zusammenhänge. zwischen. Schritt. und. - 11 -. Trab. (BACK. et. al.. 1996),. über.

(20) Literatur Trainingseinflüsse. auf. die. Bewegung. (SLOET. et. al.. 1996). oder. über. Geschwindigkeitseinflüsse auf Lahmheitserscheinungen (MAYR 1996) und deren Verifizierung durch einen erfahrenen klinischen Untersucher (PEHAM et al. 1999) genutzt werden.. 2.2.3 Markerpositionen Für die Durchführung von optoelektronischen Messungen sowie für die computergestützte Auswertung von Videoaufnahmen ist, wie oben erwähnt, die Markierung bestimmter Punkte an der zu untersuchenden Gliedmaße notwendig. Vor allem für Winkelmessungen und die daraus abgeleiteten Darstellungen müssen Punkte gewählt werden, die die Drehachse des jeweiligen Gelenkes repräsentieren, und somit während einer Winkeländerung im Gelenk ihre eigene Position beibehalten. Diese sogenannten “Instant Centres of Rotation” (ICR) wurden von COLAHAN et al. (1988) speziell für das vordere Fesselgelenk und von LEACH und DYSON (1988) für alle Gliedmaßengelenke bis auf das Hüft-, das Kron- und das Hufgelenk bestimmt und liegen für die Vordergliedmaße 1.. am Ansatz des lateralen Seitenbandes des Fesselgelenkes am Metacarpus,. 2.. im proximopalmaren Bereich des Os carpi ulnare des Karpalgelenkes und. 3.. am lateralen Epicondylus des Humerus, dem Ansatz des lateralen Seitenbandes des Ellbogengelenkes und. 4.. caudodistal der Pars caudalis des Tuberculum majus am Humerus für das Buggelenk.. Für die Hintergliedmaße liegen diese Gelenkdrehpunkte demzufolge 1.. am Ansatz des lateralen Seitenbandes des Fesselgelenkes am Metatarsus,. 2.. am Ansatz des lateralen Seitenbandes des Tarsalgelenkes am Talus und. 3.. im kaudalen Bereich des lateralen Epicondylus des Femur, dem Ansatz des lateralen Seitenbandes des Kniegelenkes.. Hierbei wird von einer planaren Bewegung der Gelenke ausgegangen, wie sie jedoch de facto kaum stattfindet (LEACH 1988), so dass die Bestimmung eines einzigen Punktes für die exakte Wiedergabe der Drehachse nicht möglich ist, sondern. - 12 -.

(21) Literatur Bereiche für eine sinnvolle Markerposition angegeben werden. Zusätzlich folgen die Markierungspunkte der Hautverschiebung über den gewählten Knochenpunkten in der Bewegung, woraus besonders beim Schulter-, Hüft- und Kniegelenk erhebliche Ungenauigkeiten resultieren. VAN WEEREN et al. (1992) entwickelten mathematische Korrekturmodelle für die Hautverschiebung über den ICRs beim holländischen Warmblut, womit dieser Effekt um 50 % - 80 % gemildert werden kann (CLAYTON 1991). Generell wird eine Korrektur nur für die Positionen proximal von Karpus bzw. Tarsus für erforderlich gehalten, da erst hier die Hautverschiebung deutliche Ausmaße annimmt (2 cm am distalen Ende der Tibia, bis zu 15 cm am Hüftgelenk), und die unkorrigierten Messergebnisse an den distalen Gliedmaßenabschnittten für eine vergleichende Betrachtung mehrerer Messungen am selben Pferd bzw. zwischen mehreren Pferden zur Gang- bzw. Lahmheitsbeurteilung absolut ausreichend sind (CLAYTON 1991; VAN WEEREN et al.1992; SCHAMHARDT et al. 1993). Die Wahl der Markerpositionen variiert je nach Untersuchungsziel: CLAYTON (1994) verglich die Zeitparameter des versammelten Trabes, des Arbeits-, mittleren und starken Trabes bzw. des versammelten Schritts, des Mittelschritts und des starken Schritts (1995) von Dressurpferden unter dem Reiter mit Hilfe von HochfrequenzVideoaufnahmen ohne eine Markierung vorzunehmen. Sobald jedoch Winkelgrößen bestimmt werden sollen, wird eine Markierung notwendig und orientiert sich zumeist an den ICR. HODSON et al. (2000) ergänzten bei ihrer Untersuchung des Bewegungsablaufes der Vordergliedmaße im Schritt noch Markierungen der Spina scapulae und distal des. Krongelenkes. und. der. lateralen. Hufwand,. um. die. entsprechenden. Gliedmaßenachsen definieren zu können, während BACK et al. (1993, 1995 a, b) die Achsenabschnitte jeweils proximal und distal der ICR markierten. Weitere. Ergänzungsmarkierungen. am. Kopf,. am. Os. frontale. medial. des. Augenwinkels (KEEGAN et al. 1997, 1998) oder am Processus zygomaticus des Os temporale (PEHAM et al. 1993), dienen bei Lahmheitsuntersuchungen zur Erfassung veränderter und asymmetrischer Kopfpendelbewegungen. Daraus wurde an der Veterinärmedizinischen Universität Wien ein Markierungssystem entwickelt, welches. - 13 -.

(22) Literatur von den ICR gänzlich abweicht und mit jeweils einer Markierung an Vorder- und Hinterhuf einer Seite, dem Processus zygomaticus, dem Widerrist und dem Tuber coxae derselben Seite (KÜBBER et al. 1994) bzw. dem Os sacrum und beiden Tuber coxae (UHLIR, 1996) die für die Beurteilung der Bewegungssymmetrie wesentlichen Lokalisationen berücksichtigt. AUDIGIÈ et al. (1998) weisen auf eine mögliche Beeinflussung kinematischer Messergebnisse durch asymmetrische Markerbefestigung auf der rechten bzw. linken Seite des Pferdes hin, wobei sie nur geringe Veränderungen in der Bewegungsweite der Gelenke („range of motion“) und lediglich eine Anhebung der Winkel-Zeit-Diagramme ohne generelle Formveränderungen der Kurve fanden. Bei der Beurteilung der absoluten Winkelwerte für maximale Flexion bzw. Extension stellten. sie. jedoch. einen. erheblichen. Einfluß. durch. asymmetrische. Markerbefestigung fest. Bei der Verwendung aktiver Marker (Leuchtdioden, Ultraschallsender) müssen Kabel an der Gliedmaße entlanggeführt werden, doch wird die mögliche Beeinträchtigung des Bewegungsablaufs für wesentlich geringer gehalten als z.B. beim Einsatz eines Elektrogoniometers (LEACH 1987). Des weiteren kann bei der Durchführung solcher Untersuchungen auf dem Laufband die nötige Gewöhnungsphase dazu genutzt werden, das Pferd mit dem kompletten Versuchsaufbau bekannt zu machen, um so Irritationen bei der späteren Messung zu vermeiden.. 2.2.4 Laufband Der Einsatz eines Laufbandes für die Bewegungsanalyse beim Pferd bietet den unbestrittenen Vorteil der Schaffung von standardisierbaren Untersuchungsbedingungen. Die ebene Oberfläche und die gewählte Geschwindigkeit bleiben bei Wiederholungsmessungen erhalten, auch wenn diese bei der Kontrolle eines Therapieerfolges bzgl. eines Beschlagwechsels oder einer Lahmheitsbehandlung erst im Abstand von mehreren Wochen erfolgen.. - 14 -.

(23) Literatur Zusätzlich ermöglicht die Bewegung des Pferdes auf der Stelle eine Beobachtung von verschiedenen Positionen aus, wobei sich eventuelle Anpassungen des Versuchsaufbaus sofort durchführen lassen, und auch die Beschränkung auf wenige auswertbare Schritte entfällt, wie sie auf einer Führstrecke durch das begrenzte Kamerafeld gegeben ist. Gleichwohl muss bei der Bewertung der erhobenen quantitativen Daten wie der Bewegungszyklusdauer und der Trittfrequenz, der Stützphasendauer oder des Rückführwinkels der Einfluss des Laufbandes auf die Bewegung beachtet werden. Beim. Vergleich. dieser. zeitlichen. Bewegungsparameter. während. eines. Belastungstests auf der Rennbahn gegenüber dem Laufband fanden BARREY et al. (1993) deutlich höhere Trittfrequenzen und im Schritt auch eine signifikant verkürzte Schrittlänge auf der Rennbahn, allerdings ließen sie die Pferde auf der Bahn reiten und führten den Test auf dem Laufband ohne Reiter durch (SLOET u. CLAYTON 1999). BUCHNER (1995) verglich die Trabbewegungen holländischer Warmblüter auf Asphalt, auf Gummiboden und auf dem Laufband, wobei er gegenüber dem Asphalt längere Bewegungszyklen auf Gummi und auf dem Laufband feststellte. Dieser Effekt ist demnach eher der Oberflächenqualität zuzuordnen, während eine Verlängerung der vorderen Stützbeinphase und eine Vergrößerung des Rückführwinkels für alle Gliedmaßen nur auf dem Laufband zu finden war. Bemerkenswert ist die Bewegungskonstanz der Pferde auf dem Laufband. Im Verlauf eines Gewöhnungsprogramms (an 5 Tagen 2x täglich je 5 Minuten Schritt und Trab auf dem Laufband) war das Bewegungsmuster im Trab bereits am Ende der dritten Trainingseinheit ausreichend konstant, und die intraindividuelle Variation in der Bewegungszyklusdauer war dort fast halb so groß wie auf Gummiboden oder Asphalt. Diese Bewegungskonstanz, die für jedes Pferd einen individuellen größtmöglichen Wert bei verschiedenen Geschwindigkeiten erreicht, nutzen PEHAM et al. (1998), um für jedes Pferd die individuelle optimale Laufbandgeschwindigkeit zu bestimmen, bevor kinematische Messungen durchgeführt werden. Im allgemeinen gilt diejenige Geschwindigkeit als geeignet, bei der das Pferd augenscheinlich bequem die. - 15 -.

(24) Literatur gewünschte Gangart einhalten kann. SEEHERMAN (1991) gibt Vorschläge zur zügigen, professionellen psychischen Gewöhnung von Pferden an die Bewegung auf dem Laufband, da ein ängstliches und unsicheres Pferd sich und die umgebenden Personen gefährdet und eine sinnvolle Auswertung und Beurteilung des Bewegungsablaufes verhindert. Er läßt die Pferde wiederholt über das ausgeschaltete Laufband führen, bis ein ruhiges Stehen auf dem Band möglich ist. Ohne das Laufband zu betreten werden die Pferde an die Geräuschkulisse. bei. angeschaltetem. Laufband. und. eventuell. vorhandenen. Ventilatoren gewöhnt. Die erste Gangphase auf dem Laufband erfolgt durch Anführen des Pferdes aus dem Stehen heraus, während das Band langsam auf Schrittgeschwindigkeit angefahren wird. Nach entsprechender psychischer und motorischer Gewöhnung der Pferde, die BACK et al. (1993) bereits mit drei Monate alten Fohlen erfolgreich gelang, bedeutet der Einsatz eines Laufbandes eine komfortable Basis für die Bewegungsanalyse, wenn bei der Auswertung beachtet wird, dass nur Untersuchungen, die ebenfalls mit gewöhnten Pferden auf dem Laufband erfolgten, direkt vergleichbar sind.. 2.2.5 Überblick über Ergebnisse kinematischer Untersuchungen In Tabelle 1 wird ein Überblick über die Ergebnisse verschiedener Studien mit unterschiedlichen kinematischen Messmethoden gezeigt. Es wurden die Ergebnisse für die Gangparameter dargestellt, die unabhängig vom speziellen Ziel der Untersuchung regelmäßig ermittelt worden sind. Auch die Struktur der kinematischen Studien hinsichtlich des Datenmaterials, der betrachteten Gliedmaßen und der Versuchsbedingungen ist überwiegend uneinheitlich, so dass nähere Angaben zum Versuchsaufbau der ausgewählten Untersuchungen in Tabelle 2 zusammengefasst wurden. Auf der Basis von Videoaufnahmen (25 Hz) von vier Kameras ermittelten DEGUEURCE et al. (1997) die Variabilität der einzelnen Gliedmaßengelenke von 14 Pferden, die im Trab bei etwa 3 m/s geführt wurden. Hierbei zeigten die Huf- und die Fesselgelenke beider Gliedmaßenpaare. - 16 -.

(25) Literatur höhere intra- und interindividuelle Variation als die proximalen Gelenke Karpus und Ellbogengelenk bzw. Tarsus, Knie- und Hüftgelenk. BACK et al. (1995 a, b) definierten die Standwinkel der Gelenke bei gleichmäßiger Belastung. aller. vier. Gliedmaßen. als. 0°. und. ermittelten. Minimal-. und. Maximalauslenkungen in Bezug auf diesen Standwinkel. Die übrigen Autoren untersuchten. jeweils. die. absoluten. Winkel,. so. dass. das. Merkmal. der. Bewegungsweite als einziges mit den Ergebnissen dieser Arbeit vergleichbares Kriterium in die Tabelle aufgenommen wurde. Tab. 1: Ergebnisse ausgewählter kinematischer Studien Kamera Autoren. Gldm./ BP. Gangcharakteristika SL (m). SD (s). RSP (%). FesselGelenk BW (°). Karpus/ Tarsus BW (°). V H. 2,4 s.o.. k.A. s.o.. k.A. s.o.. 79,9 91,6. 76,5 53,2. VR. 1,84 ±0,14. 1,09 ±0,06. k.A.. 84,3 (±6,1). 92,9 (±9,1). HR. s.o.. s.o.. s.o.. 105,2 (±11,2). 44,5 (±6,8). HODSON et al. (2000). V. 1,75 ±0,09. 1,27 ±0,08. 66,2 ±1,4. k.A.. k.A.. LINFORD (1994). VL. k.A.. KEEGAN et al. (1998). VR VL. DEGUEURCE et al. (1997) GALISTEO et al. (1996). HERRING et al. (1992). 43,9. k.A.. k.A.. 1,086. 0,731 ±0,162 0,704,8. 38,7. 95. 80,3. S: 2,21 T: 2,72. k.A. s.o.. k.A. s.o.. 50,3 ±8,3 52,1 ±10,2. k.A. s.o.. 1,09 ±0,06 s.o. 0,67 ±0,03 s.o.. 63,2 ±1,7 63,4 ±1,4 40,3 ±1,7 40,5 ±1,9. 60,2 ±1,4 71,8 ±9,0 80,6 ±7,1 85,0 ±7,7. 68,7 ±5,7 35,6 ±4,5 90,8 ±7,1 55,4 ±5,3. 1,13 ±0,03. 49,8 ±1,4. 58,3 ±3,6. 60,7 ±5,3. s.o.. 52,1 ±1,6. 66,1 ±7,0. 36,9 ±2,8. CODA-3 BACK et al. (1996). V H V H. SLOET et al. (1996). V H. S: 1,7 s.o. T: 2,7 s.o. 1,92 ±0,06 s.o.. BACK et al. (1995 a). V. k.A.. k.A.. 40,3. 79,3 ±5,7. 89,5 ±5,0. BACK et al. (1995 b). H. k.A.. k.A.. 40,6. 82,5 ±6,4. 53,3 ±5,2. - 17 -.

(26) Literatur Tab. 2: Untersuchungsbedingungen und Datenstruktur der ausgewählten Studien Autoren. Methode/ Anzahl Gliedmaße der MessFrequenz Pferde. DEGUEURCE Kameras, et al. (1997) 4x25 Hz GALISTEO et al. (1996). Kamera,. HODSON et al. (2000). Kamera,. LINFORD (1994). Kamera,. KEEGAN et al. (1998). Kameras,. HERRING et al. (1992). Kameras,. BACK et al.. CODA-3.. (1996). 300 Hz. SLOET et al.. CODA-3.. (1996). 300 Hz. BACK et al. (1995 a). CODA-3.. BACK et al. (1995 b). CODA-3.. S: T: k.A.:. 25 Hz 60 Hz 60 Hz 2x60 Hz 2x200 Hz. 300 Hz 300 Hz. 14 17. VR, VL HR,HL VR HR. Gangart Schrittzyklen Laufband Geschwindigkeit pro Gldm. T. 1. Nein. S. 6. Nein. ca. 3 m/s 1,68 m/s ±0,14 /s 1,39 m/s. 5. VR, VL. S. 4. Nein. 5. VL. T. 10. Ja. 3 m/s. 24. VR. T. 5. Ja. k.A.. 6. VL. S. 8. T. 8. 24 8. VL. S. HL. T. VL HL. Ja. ±0,07 m/s. 2 m/s (S) 4 m/s (T) 1,6 m/s (S). k.A.. Ja. S. k.A.. Ja. 1,7 m/s. 4 m/s (T). 24. VL. T. 10-15. Ja. 4 m/s. 24. HL. T. 9-15. Ja. 4 m/s. Schritt Trab keine Angaben. - 18 -.

(27) Literatur. 2.3 Ultraschallsystem zur Bewegungsanalyse 2.3.1 Prinzip der Bewegungserfassung Im Gegensatz zu den bildgebenden Verfahren in der medizinische Diagnostik nutzt die dreidimensionale Ultraschallmessung zur Bewegungsanalyse den Ultraschall rein physikalisch als akustisches Signal. Als Ultraschall werden Tonfrequenzen über 20.000 Hz bezeichnet, die damit oberhalb der menschlichen Hörgrenze liegen. Abbildung 1 zeigt die Messkomponenten des Ultraschallmesssystems CMS 70 P (Fa. Zebris Medizintechnik, Tübingen) zur Bewegungsanalyse beim Menschen. Vergleichbar den Leuchtdioden als aktiven Markern bei den optoelektronischen Systemen werden hierbei kleine Ultraschallsender an der Gliedmaße befestigt, die in einer Impulsfrequenz von 50 pro sec. Ultraschallsignale in einer Tonfrequenz von 40.000 Hz aussenden. Ein sogenannter Messaufnehmer umfaßt drei definiert angeordnete Mikrophone, welche die ausgesandten Signale wieder aufnehmen, sowie einen Referenzsender, der in festem Abstand zu den Mikrophonen installiert ist. Das computerverbundene Grundgerät misst die Zeitdauer vom Aussenden eines Signals bis zum Aufnehmen durch die drei Mikrophone und berechnet nach v = s / t (Geschwindigkeit = Weg pro Zeit), und demnach s=txv die Weglänge s als Entfernung des Senders von den Mikrophonen, wobei t = die gemessene Laufzeit und v = die Schallgeschwindigkeit ist. Die gleichzeitige Ermittlung von drei Weglängen entspricht der Bestimmung von drei Vektoren im dreidimensionalen Koordinatensystem des Messsystems, welches über die Anordnung der Mikrophone und des Referenzsenders definiert ist. Über diese Triangulation ist die Position des Senders im dreidimensionalen Raum eindeutig bestimmt und wird der zugehörigen PC-Software zur weiteren Auswertung übermittelt. Demzufolge können sämtliche Bewegungsabläufe, die mit den lateral angebrachten Sendern erfasst wurden, auf dem Monitor in beliebiger Ansicht, auch von vorne oder von oben betrachtet werden, da die exakte Position im Raum bereits bekannt ist.. - 19 -.

(28) Literatur. Abb.1: Messkomponenten des Ultraschallmesssystems CMS 70 P zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse (Fa. Zebris Medizintechnik, Tübingen). 2.3.2 Messaufbau in der Humanmedizin Bei der Ganganalyse des Menschen werden die Ultraschallsender mit einem Gewicht von ca. 3 g (Durchmesser 13 mm, Höhe 11 mm) mittels doppelseitig haftender Klebepunkte (Durchmesser 20 mm) an den gewünschten Positionen auf der Haut angebracht und die leichten Kabel (Durchmesser ca. 3 mm) mit Klettbändern am Bein fixiert. Sämtliche Senderkabel werden zum Kabeladapter geführt, den der Proband in einer Gürteltasche um die Hüfte trägt. Von dort aus besteht wiederum eine Kabelverbindung zum Grundgerät seitlich vom Laufband oder der gewählten Gehstrecke. Für eine erleichterte Auswertung wird die zusätzliche Anbringung von Fußkontaktschaltern empfohlen (Produktinformation CMS 70 P, Fa. Zebris), die unter Ferse und Ballen des Patienten geklebt werden. Somit kann die PC-Software durch die Informationen über den zeitlichen Verlauf von Fersenkontakt mit dem Boden, planer Fußungsphase und Ballenkontakt mit dem Boden automatisch eine Schritteinteilung vornehmen. Die Präsentation der erhobenen Daten erfolgt im sogenannten “Gait Report” (siehe Anhang), dem der beurteilende Arzt die Anzahl der Schritte, die Schrittlänge und die Trittfrequenz sowie die Minimal- und Maximalwerte der. - 20 -.

(29) Literatur einzelnen Winkel mit ihren Standardabweichungen und die über die Schrittanzahl gemittelten Winkel-Zeit-Diagramme für jeden Winkel entnehmen kann. Abbildung 2 verdeutlicht den Messaufbau des Ultraschallsystems in der Humanmedizin. Die Anbringung der Sender und die Ausrichtung des Messaufnehmerstativs sind so zu wählen, dass kein Sender in der Bewegung verdeckt wird und der Schall ungehindert die drei Mikrophone erreichen kann. Der ideale Abstand zwischen Messaufnehmer und Sendern liegt bei 0,7 - 1 m und darf maximal 2,5 m betragen (Produktinformation CMS 70 P, Fa. Zebris Medizintechink GmbH, Tübingen). Üblicherweise wird ein seitlich orientierter Versuchsaufbau gewählt mit lateraler Anbringung der Sender und der Messaufnehmerausrichtung parallel zur Laufrichtung des Probanden. Eine optische Darstellung und Begutachtung des Bewegungsablaufes von vorne oder hinten und von oben ist nach erfolgter Messung wegen der dreidimensionalen Erfassung der Raumpositionen ohne Umstellung des Messaufbaus und ohne erneuten Messdurchlauf am Computerbildschirm möglich.. Abb. 2: Messaufbau des Ultraschallsystems zur Bewegungsanalyse in der Humanmedizin. - 21 -.

(30) Literatur. 2.3.3 Software-Einstellungen in der Humanmedizin ®. Das im Lieferumfang des Messgerätes enthaltene Messprogramm WinGait zur Installation auf einem Laptop oder PC bietet als Standard sechs Winkelmessungen pro Bein basierend auf den Koordinaten der vier Sender am Oberschenkel, Knie, Sprunggelenk und Mittelfuß. Zur Berechnung dieser Winkel wird ein Vektor durch zwei Sender als ein Schenkel des Winkels definiert und seine Stellung zu einem zweiten Vektor oder zu einer Ebene bestimmt (Abb. 3). Neben dieser Standardeinstellung sind je nach Untersuchungsziel und Senderanordnung freie Winkeldefinitionen möglich, die vom jeweiligen Untersucher als eigene Messvorgaben eingegeben und gespeichert werden können. Die Anhebung des Oberschenkels (“Thigh”) ergibt sich beispielsweise aus dem Winkel des Vektors durch Oberschenkel- und Kniesender zur Frontalebene, während der Kniewinkel (“Knee”) zwischen diesem Vektor und einem zweiten, durch Knie- und Sprunggelenkssender definierten Vektor, gemessen wird. Durch die Kalibrierung zu Beginn der Messung werden alle Winkel im Stand auf 0° gesetzt, die erhaltenen Gradzahlen sind also nicht als absolute Werte, sondern als Gradänderung in Bezug auf die Standposition zu verstehen. Die Auslenkung in eine Richtung wird dann in positiven Winkelgraden angegeben, während die Auslenkung in die andere Richtung ein negatives Vorzeichen erhält. Die Zuordnung eines Vorzeichens zu einer Bewegungsrichtung erfolgt in WinGait® über die Option „Ch±“. Wird die Messung unter Verwendung eines Laufbandes durchgeführt, sollte die ® Ganggeschwindigkeit in WinGait unter “treadmill velocity” eingetragen werden, um die Berechnung von Schrittlänge und Trittfrequenz zu ermöglichen.. - 22 -.

(31) Literatur. Inclination angle: Thigh: Lat thigh: Knee: Lat shank: Ankle: Foot rot: Min/Max: Cal: Ch±: Co: View:. Winkel zwischen Messaufnehmer und Boden Winkel zwischen Oberschenkel und Frontalebene laterale Auslenkung des Oberschenkels bezogen auf Sagittalebene Kniewinkel zwischen Ober- und Unterschenkel in Sagittalebene laterale Auslenkung des Unterschenkels bezogen auf Sagittalebene Sprunggelenkswinkel zwischen Unterschenkel und Mittelfuß im Raum Winkel zwischen Mittelfuß und Sagittalebene (Rotation) Formatierung der systeminternen Winkelverlaufskurven (y-Achse) Kalibrierung des Standwinkels auf 0° Festlegung der Bewegungsrichtung ausgehend vom Standwinkel, welche als positiver bzw. negativer Winkel erfasst wird Farbe der Winkelverlaufskurven Ansicht des Winkelverlaufes von lateral (S), frontal (F) oder von oben (T). Abb. 3: Beispiel für die Standardparameter von WinGaitâ für die Lokomotionsanalyse beim Menschen. - 23 -.

(32) Literatur. 2.3.4 Anwendungsbereiche In der Humanmedizin hat sich die dreidimensionale Ultraschallmessung für folgende Indikationen bewährt (SEUSER et al. 1994): 1. Die Verlaufskontrolle einer Haltungs- und Bewegungsstörung während entsprechender Therapie 2. Die Früherkennung spezifischer Gelenkbelastungen beim Sport oder am Arbeitsplatz 3. Die Erlernung von Bewegungsformen oder Eliminierung von Fehlbewegungen 4. Die intraoperative Überwachung von z.B. Umstellungsosteotomien 5. Objektive Winkel-, Längen-, Abstands- und Oberflächenvermessungen 6. Die Verifizierung von Patientenangaben über Schmerzsymptomatik. In diesen weiten Rahmen fallen Einzelstudien von Flexionsbewegungen der Halswirbelsäule (VOGT u. BANZER 1995) bis zu unterschiedlichem Laufverhalten von Sportlern mit verschiedenen Trainingsschuhen (OBENS et al. 1996). Im Rahmen verschiedener Untersuchungen der Beweglichkeit der Halswirbelsäule mit dem Gerät CMS 70 P wird die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse mit TestRetest-Korrelationen von 0,78-0,82 (VOGT u. BANZER 1995) bzw. 0,84-0,96 (NATALIS u. KÖNIG 1999) angegeben. Die Korrelationskoeffizienten für die Intrarater-Retest-Reliabilität (drei Wiederholungsmessungen innerhalb einer Sitzung) lagen bei SCHREIBER et al. (2001) zwischen 0,78 und 0,93, während sie für die Interrater-Retest-Reliabilität (Mittelwerte von zwei Wiederholungsmessungen an zwei Tagen durch zwei Untersucher) zwischen 0,69 und 0,88 lagen. Bei keiner der genannten Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit der Messergebnisse mit dem Ultraschallsystem wichen die jeweiligen Mittelwerte für die einzelnen Sitzungen signifikant voneinander ab. Für den Einsatz am Pferd sind naturgemäß nur solche Anwendungen denkbar, die nicht die bewusste Mitarbeit des Patienten erfordern, wie z.B. die Verlaufskontrolle nach Beschlagwechsel oder Lahmheitsbehandlung oder die Früherkennung spezifischer Gelenkbelastungen bei leichten Fehlstellungen oder subklinischen Lahmheiten. Obwohl ein Versuch der Anwendbarkeit humanmedizinischer Goniometer mit auf. - 24 -.

(33) Literatur Ultraschall oder polarisiertem Licht basierender Messtechnik für die Lahmheitsuntersuchung beim Pferd wegen der schnellen Verfügbarkeit der gewonnenen Daten zur Auswertung und dem vergleichbar geringen Aufwand für eine dreidimensionale Bewegungsanalyse von LEACH (1987) für sinnvoll gehalten wurde, haben erst WITTE et al. (1995) ein Gerät der Firma Zebris (CMS 50) erstmalig am Pferd zur Bestimmung der Abstandsänderungen zwischen Huf und Schulter im Stand eingesetzt. In einer vorläufigen Studie untersuchte GIRARD (2000) die physikalischen Störfaktoren, die eine Messung mit dem Gerät CMS-HS (Fa. Zebris Medizintechink GmbH, Tübingen) beeinträchtigen können. Bei der Koordinatenbestimmung von sechs unbeweglichen Sendern wurde die Messgenauigkeit von Wind, Temperaturschwankungen und zu großem Abstand zwischen Sendern und Mikrophonen negativ beeinflusst.. - 25 -.

(34) Material und Methoden 3 MATERIAL UND METHODEN Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, eine auf Ultraschall basierende Messtechnik für die Lokomotionsanalyse auf die Erfordernisse einer Anwendung beim Pferd anzupassen, und die beim Pferd 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. Sollte sich für die erfassten Daten eine genügend hohe Präzision ergeben, sollten daraufhin Winkelverlaufskurven für den Bewegungsablauf bestimmter Abschnitte der Vorder- und Hintergliedmaßen für Warmblutpferde erstellt werden. 3.1 Material 3.1.1 Probandengut Die Vorversuche im ersten Versuchsabschnitt zur Befestigung der Sender an der Pferdegliedmaße sowie die Übersichtsmessungen der Bewegungsabläufe aller vier Extremitäten im Schritt wurden an einer sechsjährigen Oldenburger Stute aus dem Besitz der Klinik für Pferde der Tierärztlichen Hochschule Hannover durchgeführt. Die Stute entspricht mit einem Stockmaß von 1,71 m und einem Gewicht von 595 kg bei korrekter Gliedmaßenstellung und guter Bemuskelung dem Erscheinungsbild des deutschen Reitpferdes. Als Voraussetzung für die Wahl des Pferdes galt zudem, dass die unter 3.2 Methodik der Messungen beschriebene Lahmheitsuntersuchung keinen Hinweis auf eine Beeinträchtigung des Bewegungsapparates ergab. In einem zweiten Versuchsabschnitt wurden neun Warmblutwallache verschiedener Warmblutrassen im Alter von 5 Jahren und einem durchschnittlichen Stockmaß von 1,64 m ± 2,9 cm bei einem Durchschnittsgewicht von 567 kg ± 26,9 kg verwendet. Diese Pferde erfüllten ebenfalls die Forderungen nach korrekter Gliedmaßenstellung und ungestörtem Bewegungsablauf. Tabelle 3 gibt Auskunft über die Einzeldaten und die Abstammung der neun Wallache. Diese Pferdegruppe wurde von Prof. Dr. E. Kallweit vom Institut für Tierzucht und Tierverhalten, Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft in Mariensee, für diese Untersuchung zur Verfügung gestellt.. - 26 -.

(35) Material und Methoden Tab. 3: Einzeldaten und Abstammung der für die Untersuchung der Messpräzision verwendeten Pferde MessGruppe I. I. Mon/Jahr. maß. Fuchs. 2/96. 1,62 m. 560 kg. Hannover. Fuchs. 12/95. 1,62 m. 564 kg. Thüringen. Brauner. 4/96. 1,61 m. 512 kg. Thüringen. Dunkelfuchs. 5/96. 1,62 m. 550 kg. (1). Fuchs. 4/96. 1,68 m. 602 kg. Hannover. Rappe. 2/96. 1,69 m. 602 kg. Brauner. 1/96. 1,63 m. 576 kg. Fuchs. 3/96. 1,64 m. 586 kg. Brauner. 3/96. 1,68 m. 552 kg. Zuchtverband. Caesar. v. Cincinnati. Berlin-. M.v. Glimmer. Brandenburg. Earl. v. Espri M. v. World Cup I. Elliot. II. Domino. II. Filou. II. Lorbas. v. Eklat M. v. Glistan v. Donnerklang M. v. Lesoto v. Frederick M. v. Veston v. Lavauzelle AA M. v. Derrik v. Alabaster. Achat. M. v. Frühlingsbote v. Amerigo. III. Stock-. Abstammung. I. III. Geb.-. Name. Atlas. Vespucci xx. BerlinBrandenburg Hannover. Farbe. Gewicht. M. v. Espri III. Whisky. v. Wolkenstein M. v. Argentan. Hannover. (1): Deutsches Reitpferd. 3.1.2 Datenmaterial Zur statistischen Auswertung wurden die Messdaten der einheitlichen Pferdegruppe aus Mariensee verwendet. Die Struktur der Datenerhebung zeigt Tabelle 4. Jeweils drei Pferde wurden zu einer Messgruppe zusammengefasst, welche an jedem der drei aufeinanderfolgenden Tagen einer Woche gemessen wurde (jeweils Montag bis Mittwoch). Innerhalb der Messgruppe wurde jedes Pferd einmal als erster, als zweiter und als letzter Proband untersucht. Die Gruppen wurden in drei aufeinanderfolgenden Wochen gemessen.. - 27 -.

(36) Material und Methoden Tab. 4: Struktur der Datenerhebung zur statistischen Auswertung. MessGruppe. Anzahl der Pferde. Anzahl d. Messzyklen pro Pferd in jeweiliger Woche (mind. 3 pro Tag) Schritt, Messfrequenz I. Trab, Messfrequenz I. Schritt, Messfrequenz II. Trab, Messfrequenz II. gesamt. I. 3. 9 (25 Hz). 9 (25 Hz). 9 (45 Hz). 9 (45 Hz). 36. II. 3. 9 (25 Hz). 9 (25 Hz). 9 (40 Hz). 9 (40 Hz). 36. III. 3. 9 (25 Hz). 9 (25 Hz). 9 (35 Hz). 9 (35 Hz). 36. gesamt. 9. 27. 27. 27. 27. 108. An jedem der drei Messtage wurden für jede Gliedmaße jedes Pferdes pro Messgruppe mindestens drei Wiederholungsmessungen (= Messzyklen) in beiden Gangarten und mit zwei unterschiedlichen Messfrequenzen durchgeführt. Pro Messzyklus wurden 9-13 Einzelschritte erfasst. Somit standen pro Gliedmaße neun wiederholte Messungen mit mindestens drei Messzyklen pro Tag und drei Messwiederholungen. an. drei. aufeinanderfolgenden. Tagen. unter. gleichen. Bedingungen und pro Pferd insgesamt 36 Messungen als Datenmaterial zur Verfügung. Die Messungen wurden in der ersten Gruppe mit 25 Hz und 45 Hz durchgeführt, in der zweiten Gruppe mit 25 Hz und 40 Hz und in der dritten Gruppe mit 25 Hz und 35 Hz, um im Rahmen der Systemvoraussetzungen besser oder weniger gut geeignete Untersuchungsfrequenzen zu bestimmen. Die technische Kapazität der hier verwendeten Geräteversion (CMS 70 P, Fa. Zebris, Tübingen) war auf die Verwendung von vier Sendern beschränkt, so dass jedes Bein einzeln und nacheinander gemessen werden musste. Daher ergeben sich unterschiedliche Anzahlen für die in den Tabellen 36-38 (Anhang) dargestellten erfassten Schritte. Die Gesamtanzahl der erfassten Schritte pro Gliedmaße in den beiden Gangarten wird in Tabelle 5 dargestellt. Die auf diese Weise ermittelte Gesamtzahl der erfassten Schritte (14906) diente als Grundlage für die statistische Auswertung.. - 28 -.

(37) Material und Methoden Tab. 5: Gesamtanzahl der für diese Studie erfassten Schritte Schritt. Schrittanzahl. Trab. VR. VL. HR. HL. VR. VL. HR. HL. 1723. 1732. 1734. 1732. 1959. 1971. 2021. 2034. Summe. 3455. 3466. 3930. 4055. 3.2 Methodik der Messungen 3.2.1 Voruntersuchung Als Voraussetzung für die Auswahl der Pferde zur Entwicklung der Messmethode und zum Nachweis der Reproduzierbarkeit der Daten wurde eine klinische Lahmheitsuntersuchung durchgeführt. Diese bestand aus dem Vorführenlassen der Pferde im Schritt und Trab auf festem Boden, dem Longieren im Trab auf weichem Boden sowie den Beugeproben aller vier Gliedmaßen. Aufgrund dieser Voruntersuchung wurde die Stute aus dem Besitz der Klinik für Pferde der Tierärztlichen Hochschule Hannover als lahmheitsfrei beurteilt und für die Entwicklung der Basismessmethode herangezogen. Vor Beginn des zweiten Untersuchungsabschnittes wurden die neun Pferde aus Mariensee ebenfalls dieser Voruntersuchung unterzogen und als geeignet für die Messung ihrer Bewegungsabläufe befunden. 3.2.2 Vorbereitung Die Vorversuche wurden in der Klinik für Pferde der Tierärztlichen Hochschule Hannover unter Verwendung des dort vorhandenen Laufbandes (Mustang 2000, Fa. Kagra, Fahrwangen, Schweiz) vorbereitet und durchgeführt. In Anlehnung an die Vorgehensweise von BUCHNER (1995) zur motorischen Gewöhnung der Pferde an die Bewegung auf dem Laufband und die Ratschläge von SEEHERMAN (1991), die sich auch auf die psychische Gewöhnung der Pferde beziehen (vgl. Abschnitt 2.2.4), wurde die hierfür untersuchte Stute folgendermaßen. - 29 -.

(38) Material und Methoden auf die Messungen vorbereitet: Schritt 1: Zunächst wurde das Pferd am überdachten Laufbandstandort mit der neuen Umgebung und der bereits aufgebauten Messapparatur vertraut gemacht, indem es mit angelegtem Sicherheitsgurt mehrfach heran- und vorbeigeführt sowie über das ausgeschaltete Laufband hinweggeführt wurde. Sobald der veränderte Trittschall keine Aufregung mehr verursachte, wurde die Stute neben dem Laufband an die Betriebsgeräusche des Motors und den Anblick des sich bewegenden Untergrundes gewöhnt, um danach wiederum über das stehende Band geführt und auch darauf angehalten zu werden. Schritt 2: Dieses Vorgehen wurde ein zweites Mal am selben Tag wiederholt, bis ein angstfreies Folgen und ruhiges Stehen auf dem Band möglich war. Daraufhin wurden die Sicherheitsverbindungen geschlossen, bevor das Laufband nach dem Kommando “Schritt” stufenlos auf die Schrittgeschwindigkeit von 1,7 m/s angefahren und das Pferd entsprechend angeführt wurde. Nach einer ersten fünfminütigen Schrittphase wurde das Band nach dem Kommando “Halt” gestoppt und je nach Erfordernissen das Pferd entweder noch einmal vom Band heruntergeführt und von vorne begonnen oder auf einen erneuten Start vorbereitet. Die Kommandogebung hat sich als sehr hilfreich erwiesen, da das Pferd nicht vom unerwarteten Anfahren bzw. Anhalten des Laufbandes überrascht wurde, und kann sicherlich vor allem bei Reitpferden, die eine übliche Grundausbildung an der Longe erhalten haben, leicht genutzt werden. CAANITZ (1996) betont die gute Reaktionsbereitschaft von Pferden auf akustische Hilfengebung in der Freiheitsdressur und schlägt einen stärkeren Einsatz dieser Hilfen auch beim Reiten vor. In weniger als einer halben Stunde konnte die Stute so in ruhigem Schritt auf dem Laufband gehen, anhalten und wieder losgehen. Schritt 3: Vor der nächsten Trainingseinheit wurden die Ultraschallsender am Bein befestigt, was die Stute nur wenig irritierte, und nach einer Gewöhnungsrunde auf dem Platz konnte die Laufbandarbeit mit etwa fünf einzelnen Schrittphasen von jeweils fünf Minuten fortgesetzt werden. Schritt 4: Von nun an wurde auch das Messsystem angeschaltet, um die Schrittbewegung auf dem Bildschirm zu kontrollieren. Messungen, die zur Auswertung gelangten, wurden jedoch erst in einer weiteren Einheit nach einer. - 30 -.

(39) Material und Methoden einführenden Schrittphase von fünf Minuten vorgenommen. Sofern zwei Vorbereitungsschritte an einem Tag möglich sind, kann bereits am dritten Tag nach insgesamt mindestens 3 x 25 Minuten Schritt auf dem Laufband mit den Messungen zur Bewegungsanalyse begonnen werden. Eine Gewöhnungsphase der Probandengruppe aus dem Besitz des Institutes für Tierzucht und Tierverhalten in Mariensee, Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft, konnte entfallen, da diese Pferde bereits seit über einem Jahr Laufbanderfahrung hatten: Nach einer Eingewöhnung erhielt die Gruppe im Rahmen einer leistungsphysiologischen Untersuchung (HENNINGS 2001) von Januar bis Juli 2000 ein sich steigerndes Laufbandtraining an zwei Tagen pro Woche, welches ebenfalls unter ethologischen Gesichtspunkten ausgewertet wurde (STREIL 2001). Nach einer Laufbandpause, in der die Pferde zur reiterlichen Grundausbildung nach Warendorf verbracht wurden, begann im September 2000 eine weitere leistungsphysiologische Studie (HULKE 2001) mit regelmäßigem Laufbandtraining in allen drei Grundgangarten. Diese Studie wurde Mitte März 2001 mit einem abschließenden Leistungstest beendet, bevor die ersten hier beschriebenen Messungen am 26. März 2001 durchgeführt wurden.. 3.2.3 Vorversuche (Klinik für Pferde der Tierärztlichen Hochschule Hannover) Für die Befestigung der Sender an der Pferdegliedmaße war eine erste Ergänzung der Ausrüstung notwendig, da die mitgelieferten doppelseitigen Kleberinge die Rückseite der Sender nicht ausreichend auf dem Fell anhaften konnten. Auf eine Fixierung mit Klebeband direkt am Kabelansatz des Senders wurde verzichtet, um eine Beeinflussung der Senderbewegung durch Kabelzug zu vermeiden und nicht dadurch die Messergebnisse zu verfälschen. Eine Rasur der gewünschten Stellen und die Anwendung eines medizinischen Sprühklebers (Adhaesiv-Spray Hautkleberâ, Fa. WdT, Garbsen) brachte nur eine geringe Verbesserung, wohingegen mit der Trockenschur und der Unterklebung der Sender und der Kleberinge mit Abschnitten doppelseitigen Klebebandes (NOPI®) von ca. 4 x 4 cm sämtliche Messungen erfolgreich durchgeführt werden konnten. Die. korrekte. Positionierung. der. Ultraschallsender. - 31 -. an. den. gewünschten.

(40) Material und Methoden Lokalisationen wurde anhand von Röntgenaufnahmen von der mit den Sendern markierten Gliedmaße in zwei Ebenen bestätigt. Zur körpernahen Fixierung der Kabelstrecken kamen anstelle der vorgesehenen elastischen Klettbänder, die nach wenigen Schritten abrutschten, Streifen von Isolierband zum Einsatz, die auch während der Muskelbewegungen ihre Position beibehielten und die Kabel mit erforderlichem Spiel sicher fixierten (siehe auch Abb. 4 und 5 zu den Senderpositionen am Pferd und Abb. 6 zum Messaufbau beim Pferd). Der Kabeladapter, in den die einzelnen Senderkabel eingesteckt werden, konnte leicht seitlich am Sicherheits-Brustgurt des Laufbandes befestigt werden. Das Verbindungskabel von dort zum Hauptgerät wurde über die seitlichen Begrenzungen des Laufbandes hinweggeführt.. Abb. 4: Senderpositionen für Messungen an der Vordergliedmaße beim Pferd, systemanaloge Nummerierung der Ultraschallsender 1-5. - 32 -.

(41) Material und Methoden. Abb. 5: Senderpositionen für Messungen an der Hintergliedmaße beim Pferd, systemanaloge Nummerierung der Ultraschallsender 1-5. 3.2.4 Ablauf der statistisch ausgewerteten Messungen (FAL, Mariensee) Die aufgrund der Vorversuche in der Klinik für Pferde der Tierärztlichen Hochschule Hannover entwickelte Messmethode wurde zur Überprüfung der Reproduzierbarkeit auf die Messungen der Probandengruppe des Institutes für Tierzucht und Tierverhalten, FAL Mariensee, übertragen. Diese Untersuchungen fanden in Mariensee in einer Halle mit dem Laufband Mustang 2200 (Fa. Kagra, Fahrwangen, Schweiz) statt. Zusätzlich zum üblichen Brustgurt gehörte hier ein Schweifriemen zur Sicherheitsbegurtung, welcher die Kabelführung von der Hintergliedmaße zum Kabeladapter am Brustgurt erheblich vereinfachte. Vor Beginn der Messungen wurden jeweils zwei Pferde der aktuellen Messgruppe für ca. 30 min. in eine Führanlage (Kondi-Trainer, Fa. Jünck GmbH, Borken) neben dem Laufband verbracht, um bei ca. 1,5 m/s eine Aufwärmphase im Schritt zu erhalten.. - 33 -.

(42) Material und Methoden Nach Beendigung aller Messungen des ersten Pferdes wurde dieses gegen das nächste Pferd dieser Messgruppe in der vorher festgelegten Reihenfolge ausgetauscht, welches die Messdauer für den zweiten Probanden als Aufwärmphase erhielt. Innerhalb jeder Messgruppe wurde jedes Pferd einmal als erster, als zweiter und als letzter Proband auf das Laufband geführt, um einen eventuellen Einfluss einer längeren oder kürzeren Aufwärmphase zu minimieren. Außerdem behielten die Pferde auf diese Weise während der Messungen auf dem Laufband Sichtkontakt zum Artgenossen in der Führanlage, was einen ruhigen und sicheren Messdurchlauf mit nur einer Hilfsperson ermöglichte. Generell wurde jedes Bein zunächst im Schritt und dann im Trab mit zwei verschiedenen Untersuchungsfrequenzen gemessen, bevor das Pferd vom Band heruntergeführt wurde und die Sender am nächsten Bein befestigt wurden. 3.2.5 Messaufbau für die Lokomotionsanalyse beim Pferd Die Anbringung der Sender erfolgte in Anlehnung an die von LEACH und DYSON (1988) ermittelten Lokalisationen der Gelenkdrehpunkte (ICR, siehe auch 2.2.3), und somit für die Vordergliedmaße 1. am Ansatz des lateralen Seitenbandes des Fesselgelenkes am Metacarpus, 2. im proximopalmaren Bereich des Os carpi ulnare des Karpalgelenkes, 3. abweichend vom ICR am lateralen Bandhöcker des Radius, da nicht das Ellbogengelenk, sondern der Radius als Gliedmaßenachse betrachtet werden sollte und 4. zusätzlich lateral am Kronsaum im Verlauf der Zehenachse. Für die Hintergliedmaße lagen die Messpunkte 1. am Ansatz des lateralen Seitenbandes des Fesselgelenkes am Metatarsus, 2. am Ansatz des lateralen Seitenbandes des Tarsalgelenkes am Talus, 3. abweichend vom ICR am kaudolateralen Anteil der Tuberositas tibiae, da die Tibia als Gliedmaßenachse betrachtet werden sollte und 4. zusätzlich lateral am Kronsaum im Verlauf der Zehenachse.. - 34 -.

(43) Material und Methoden. Abb. 6: Messaufbau des Ultraschallsystems beim Pferd für die Vorversuche an der Klinik für Pferde der Tierärztlichen Hochschule Hannover (oben) und die Untersuchung der Pferdegruppen in der FAL Mariensee (unten). - 35 -.

(44) Material und Methoden Als wenig irritierend für das Pferd und weder durch Zug noch Herumschwingen beeinträchtigend für die Messung erwies sich die Kabelführung an der Palmarseite der Vordergliedmaße und an der Dorsalseite der Hintergliedmaße bis zur Steckverbindung mit dem am Sicherheitsgurt befestigten Kabeladapter (Abb. 4 und 5). Die Messungen für diese Untersuchung wurden mit je zwei Sendern pro Kabelstrang, der in den Kabeladapter eingesteckt wurde, durchgeführt. Da das Messsystem für Vermessungen der Körperoberfläche auch mit je drei Sendern pro Kabelstrang genutzt werden kann, wird bei der Nummerierung der Sender in diesem Fall der Sender Nr. 3 übersprungen, und für den zweiten Kabelstrang mit Sender Nr. 4 begonnen. Die Bezeichnung der Sender erfolgt in den Abbildungen analog dieser systeminternen Nummerierung (Abb. 4-6). Das Messaufnehmerstativ wurde parallel zur Laufrichtung in möglichst geringem seitlichen Abstand (ca. 0,8 - 1 m ) zum Pferd positioniert und die Trägerplatte für die drei Empfangsmikrophone etwa auf der Höhe des Karpal- bzw. des Tarsalgelenkes im rechten Winkel zum Boden ausgerichtet und justiert. Die Messfrequenz betrug in der ersten Messgruppe 25 Hz bzw. 45 Hz, in der zweiten Messgruppe 25 Hz und 40 Hz und in der dritten Messgruppe 25 Hz und 35 Hz, während die Laufbandgeschwindigkeit für alle Pferde auf 1,5 m/s im Schritt und 3,0 m/s im Trab eingestellt wurde.. 3.2.6 Winkelparameter für die Lokomotionsanalyse beim Pferd Basierend auf den Standardparametern von WinGaitâ (siehe auch 2.3.3) wurden für die Messungen am Pferd sechs Winkel neu definiert (Abb. 7):. - 36 -.

(45) Material und Methoden. Inclination angle: Min/Max: Cal: Ch±: Co: View:. Winkel zwischen Messaufnehmer und Boden Formatierung der systeminternen Winkelverlaufskurven (y-Achse) Kalibrierung des Standwinkels auf 0° Festlegung der Bewegungsrichtung ausgehend vom Standwinkel, welche als positiver bzw. negativer Winkel erfasst wird Farbe der Winkelverlaufskurven Ansicht des Winkelverlaufes von lateral (S) oder frontal (F). Abb. 7: Winkelparameter für die Lokomotionsanalyse beim Pferd in WinGaitâ für die Vordergliedmaßen (oben) und die Hintergliedmaßen (unten) im Schritt bei einer Untersuchungsfrequenz von 25 Hz. - 37 -.

(46) Material und Methoden Für Vorder- und Hintergliedmaßen übereinstimmend : (a) “Zehenachse zum Boden” gibt den Winkel zwischen der Bodenebene und dem durch Kronsaum (5)- und Fesselgelenkssender (4) gelegten Vektor (Zehenachsenvektor) an (Abb. 8 (I) und 9 (I)). Durch die Kalibrierung in der neutralen Position ist der Standwinkel als 0° definiert, das Ankippen des Hufes vor dem Auffußen ergibt einen positiven Winkel, das Abrollen nach vorne einen negativen Winkel. (b) “Fesselgelenk” gibt den Winkel zwischen dem Zehenachsenvektor (Verbindung der Sender 5 und 4) und dem durch Fesselgelenks (4)- und Karpal- (bzw. Tarsal-) gelenkssender (2) gelegten Vektor (Metacarpal- bzw. Metatarsalvektor) im Raum an (Abb. 8 (I) und 9 (I)). Durch die Kalibrierung in der neutralen Position ist der Standwinkel als 0° definiert, die Beugung in der Vorführphase ergibt einen positiven Winkel, die Hyperextension in der Fußungsphase ergibt einen negativen Winkel. (c) “Laterale Auslenkung der Zehenachse” gibt den Winkel zwischen dem Zehenachsenvektor (Verbindung der Sender 5 und 4) und der Sagittalebene des Beines von vorne an (Abb. 8 (II) und 9 (II)). Durch die Kalibrierung in der neutralen Position ist der Standwinkel als 0° definiert, ein Einwärtsdrehen der Zehe ergibt einen positiven Winkel, ein Auswärtsdrehen ergibt einen negativen Winkel. (d) “Laterale Auslenkung des Metacarpus bzw. Metatarsus” gibt den Winkel zwischen dem Metacarpal- bzw. Metatarsalvektor (Verbindung der Sender 4 und 2) und der Sagittalebene des Beines von vorne an (Abb. 8 (II) und 9 (II)). Durch die Kalibrierung in der neutralen Position ist der Standwinkel als 0° definiert, ein Einwärtsdrehen des Metacarpus bzw. Metatarsus ergibt einen positiven Winkel, ein Auswärtsdrehen ergibt einen negativen Winkel. Für die Vordergliedmaße zusätzlich: (e) “Karpus in der Sagittalebene” gibt den Winkel zwischen dem Metacarpalvektor (Verbindung der Sender 4 und 2) und dem durch Karpalgelenks- (2) und Ellbogengelenkssender (1) gelegten Vektor (Radiusvektor) im sagittalen Verlauf von der Seite an (Abb. 8 (III)). Durch die Kalibrierung in der neutralen Position ist der Standwinkel als 0° definiert, ein Durchdrücken des Beines ergibt einen positiven. - 38 -.

(47) Material und Methoden Winkel, die Beugung im Abrollen und Vorführen ergibt einen negativen Winkel. (f) “Radius zur Frontalebene” gibt den Winkel zwischen dem Radiusvektor (Verbindung der Sender 2 und 1) und der senkrecht zur Laufrichtung stehenden Frontalebene an (Abb. 8 (III)). Durch die Kalibrierung in der neutralen Position ist der Standwinkel als 0° definiert, das Vorführen des Beines ergibt einen positiven Winkel, die Rückführphase bis zum Ende der Stützbeinphase ergibt einen negativen Winkel.. - 39 -.

(48) Material und Methoden. (a) Zehenachse zum Boden. (b) Fesselgelenk Abb. 8: Winkeldefinitionen an der Vordergliedmaße für Pferde (I). - 40 -.

(49) Material und Methoden. (b) Zehenachse lateral (Ansicht von vorne). (d) Metacarpus lateral (Ansicht von vorne) Abb. 8: Winkeldefinitionen an der Vordergliedmaße für Pferde (II). - 41 -.

(50) Material und Methoden. (e) Karpus in der Sagittalebene. (f) Radius zur Frontalebene Abb. 8: Winkeldefinitionen an der Vordergliedmaße für Pferde (III). - 42 -.

(51) Material und Methoden Für die Hintergliedmaße zusätzlich: (e) “Tarsus” gibt den Winkel zwischen dem Metatarsalvektor (Verbindung der Sender 4 und 2) und dem durch Tarsal- (2) und Kniegelenkssender (1) gelegten Vektor (Tibiavektor) im Raum an (Abb. 9 (III)). Dieser Winkel wurde im Gegensatz zur entsprechenden Winkelmessung an der Vordergliedmaße nicht auf den sagittalen Verlauf beschränkt, sondern frei im Raum zwischen beiden Vektoren gemessen, um der Anatomie der distal schräg nach lateral verlaufenden Rollkämme des Talus (NICKEL et al. 1984) gerecht zu werden. Durch die Kalibrierung in der neutralen Position ist der Standwinkel als 0° definiert, die Beugung in der Vorführphase ergibt einen positiven Winkel, die Streckung in der Rückphase bis zum Ende der Stützbeinphase ergibt einen negativen Winkel. (f) “Tibia zur Frontalebene” gibt den Winkel zwischen dem Tibiavektor (Verbindung der Sender 2 und 1) und der senkrecht zur Laufrichtung stehenden Frontalebene an (Abb. 9 (III)). Durch die Kalibrierung in der neutralen Position ist der Standwinkel als 0° definiert, das Vorführen des Beines ergibt einen positiven Winkel, die Rückführphase bis zum Ende der Stützbeinphase ergibt einen negativen Winkel.. - 43 -.

(52) Material und Methoden. (a) Zehenachse zum Boden. (b) Fesselgelenk Abb. 9: Winkeldefinitionen an der Hintergliedmaße für Pferde (I). - 44 -.

(53) Material und Methoden. (a) Zehenachse lateral (Ansicht von vorne). (d) Metatarsus lateral (Ansicht von vorne) Abb. 9: Winkeldefinitionen an der Hintergliedmaße für Pferde (II). - 45 -.

(54) Material und Methoden. (e) Tarsus in der Sagittalebene. (f) Tibia zur Frontalebene Abb. 9: Winkeldefinitionen an der Hintergliedmaße für Pferde (III). - 46 -.