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Unterstützung der Grundlagenforschung durch Heel Vet

Die Friedrich-Schiller-Universität Jena und die Biologische Heilmittel Heel GmbH haben seit 2013 einen Kooperationsvertrag über die Förderung der Grundlagenforschung. Im ersten Förderzeitraum von 2014 bis 2016 wurde dabei das Forschungsprojekt „Heel-Studie zur Gelenkdynamik von Hunden – ein Forschungsprojekt zur Ermittlung der Gelenkbelastung bei unterschiedlichen Gangarten mittels der inversen Dynamik“ durch Heel Vet unterstützt. Im zweiten Förderzeitraum von 2017 bis 2019 wird nun das Forschungsprojekt „Ermittlung der Gelenkflächenbelastungen in ausgewählten Gelenken bei unterschiedlichen Gangarten und Sprüngen“ durch Heel Vet gefördert.

Heel-Studie zur Gelenkdynamik von Hunden – ein Forschungsprojekt zur Ermittlung der Gelenkbelastung bei unterschiedlichen Gangarten mittels der inversen Dynamik.

In der voraus gegangenen „Jenaer Studie“ wurden über 300 Hunde kinematisch in Laufrichtung untersucht. Diese Studie wurde als Buch veröffentlicht („Hunde in Bewegung “, „Dogs in motion“) und hat eine sehr große Resonanz bei Tierärzten, Physiotherapeuten und unzähligen Hundehaltern hervorgerufen und zu einer veränderten Sichtweise der Fortbewegung von Hunden geführt. In der Heel-Studie zur Gelenkdynamik wurden nun erstmals durch das Team rund um Herrn Prof. Dr. Dr. h. c. Martin Fischer und Herrn Dr.-Ing. Emanuel Andrada die 3D-Kinematik der Vorder- und Hintergliedmaßen untersucht und die in den Gelenken von Hunden tatsächlich auftretenden Drehmomente ermittelt.

Die Jenaer Forscher berichten im Folgenden über Ihre bahnbrechende Arbeit:

Als Rassen wurden Beagle, Französische Bulldogge, Malinois und Whippet ausgewählt, da erstens die Messungen und folgenden Auswertungen sehr aufwendig waren und deshalb nicht viele Rassen untersucht werden konnten und zweitens wir aus der „Jenaer Studie“ wussten, dass wir mit diesen Rassen ein breites Spektrum von Laufmustern abdecken.

Abbildung 1. Dreidimensionale kinematische Analyse. Erstmals wurden biplanare Röntgen Fluoroskopie und Infrarot Bewegungsanalyse mit externen Markern kombiniert.

Alle Hunde kamen zunächst nach Jena, wo mit Hilfe unserer Hochgeschwindigkeit-Röntgenanlage Filme mit 500 Röntgenbildern in der Sekunde „gedreht“ wurden (Abb 1). Diese Röntgenfilme wurden aus zwei Raumrichtungen aufgenommen, um die weltweit genauest möglichen Daten für die Analyse der dreidimensionalen Fortbewegung zu erhalten. An jeweils einem Hund der vier ausgewählten Rassen wurde dann eine Ganzkörper-Computertomographie durchgeführt, aus der mittels verschiedener Softwareprogramme ein virtuelles Skelett gefertigt wurde. Diese „Knochenmarionette“ ist nun wiederum die Grundlage für eine Methode, die „Scientific Rotoscoping“ genannt wird. Dabei wird beispielsweise ein virtueller Oberschenkel so lange gedreht und gewendet, bis dieser auf die Röntgenschatten beider Aufnahmeebenen des Röntgenbildes passt. Diese Prozedur muss Bild für Bild wiederholt werden, eine mühselige und viele Arbeitsstunden verschlingende Tätigkeit. Im Ergebnis erhalten wir dann von jedem Hund die Bewegung jedes Knochens, damit auch jedes Gelenkes und der gesamten Gliedmaße im Raum (Abb 2).

Abbildung 2. Scientific Rotoscoping des hinteren Beines eines Whippets. Oben: Auffußen, Mitte: 50% der Kontakt-Phase, Unten: Abfußen.

Da wir nicht nur Röntgenfilme gedreht, sondern synchron die Hunde mit externen Markern (kleine reflektierende Kugeln) beklebt haben, konnten wir erstmals auch die Mess(un)genauigkeit von Markersystemen für die Analyse dreidimensionaler Gliedmaßenbewegungen nachweisen.

Der zweite Teil der Messungen fand wenige Tage nach den jeweiligen Aufnahmen in Jena an der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover statt. In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Nolte wurden auf einem besonderen Laufband Kraftmessungen an den mit Markern ausgestatteten Tieren durchgeführt. In Hannover gibt es europaweit das einzige viergeteilte Laufband, das es ermöglicht, die Kräfte jedes einzelnen Beines zu messen.

Abbildung 3. Erhebung von Kinematik und Bodenreaktionskräften. Infrarot Kameras speichern die Bewegung der geklebten Marker, welche die Rekonstruktion der dreidimensionalen Bewegung von jedem Beinsegment erlauben. Das viergeteilte Laufband ermöglicht die Messung der Kräfte jedes einzelnen Beines.

Direkte Messungen von Belastungen in Gelenken am lebenden Tier wären so invasiv (also in den Körper eingreifend) und auch ethisch fragwürdig, dass wir diese nicht durchführen. Deshalb wenden wir die sogenannte inverse Dynamik an. Dies ist ein mathematisch-physikalisches Verfahren, welche die Ursachen von Bewegungen (nämlich Gelenkkräfte und -momente) aus deren messbaren Effekten (Kinematik aus Röntgenfilmen und Markerdaten und Bodenreaktionskräfte vom Laufband) berechnet. Mit der inversen Dynamik ist es möglich, Informationen über die Nettosumme der gesamten Muskelaktivität in jedem Gelenk zu ermitteln.

Mittels Scientific Rotoscoping konnten erstmals nun bei den Rassen in unterschiedlichem Umfang z.B. Abduktionen und Längsachsenrotationen beobachtet werden. Während wie zu erwarten bei den Whippets die Hintergliedmaßen weitgehend parasagittal (eng an der Mittellinie des Hundes) geführt werden, ist die Beinführung der Französischen Bulldogge „abenteuerlich“. Die Hintergliedmaße wird im Trab nicht nur bis etwa 30° abduziert (vom Körper weggeführt), sondern auch um etwa 15° um seine Längsachse gegen die Tibia (= Schienbein) verdreht. Ein zuvor noch nie beobachteter Befund! Dabei kommt es notgedrungener Maßen zu einer Torsion (Verdrehung) im Kniegelenk, welche essentiell die Kreuzbänder betrifft.

Abbildung 4. Torsion des Kniegelenkes im Trab bei der französischen Bulldogge.

Video 1. Torsion des Kniegelenkes im Trab bei der französischen Bulldogge.

Während sich in der „Jenaer Studie“ also erstaunlicherweise keine rassespezifischen Unterschiede ergeben hatten und oft die individuellen Unterschiede zwischen Hunden einer Rasse größer waren als die zwischen den Rassen, lassen sich in der dreidimensionalen Beinführung rasse- oder gruppenspezifische Unterschiede ausmachen.

Das Forschungsprojekt „Ermittlung der Gelenkflächenbelastungen in ausgewählten Gelenken bei unterschiedlichen Gangarten und Sprüngen“

So wie die „Heel-Studie zur Gelenkdynamik“ erstmals die Bedeutung von Torsionen in den Gelenken und von Längsachsenrotationen zeigte, wird die neue Studie einen großen Fortschritt in der der Abschätzung von Gefahren einzelner Bewegungen für den gesunden und in der Näherung auch erkrankten Hund erbringen.

Zusätzlich zu den im ersten Projekt bereits erhobenen Daten werden erstmals Labrador Retriever mit zwei unterschiedlichen Befunden zur Hüftgelenksdysplasie (HD, eine Fehlbildung der Hüftgelenke) untersucht. Es werden einerseits zwei- und sechsjährige Hunde mit HD A (kein Hinweis auf eine HD) und anderseits mit HD C-D (leichte bis mittlere HD) gemessen. Wieder liegen direkte Messungen von Gelenkflächenbelastungen nicht vor und wären so invasiv, dass sie am lebenden Tier auch ethisch fragwürdig sind. Als einziger Zugang zur Ermittlung der Belastung auf den Gelenkflächen bleibt die numerische Simulation. Die „Finite Elemente Methode“ (FEM) ist ein numerisches Verfahren, das es erlaubt, die Verteilung von Spannungen, Deformationen und Verschiebungen in Strukturen oder auch in Elementen des Bewegungsapparates zu berechnen.
Die 3D-Kinematik der Gelenke und die 3D-Bodenreaktionskräfte werden aus dem ersten Projekt „Heel-Studie zur Gelenkdynamik“ und aus der Doktorarbeit von Frau Katja Söhnel zu Agility übernommen und durch ein neu entwickeltes Muskel-Skelett-Modell ergänzt.

Abbildung 5. Muskelskelett-Modell eines Hundes

Das Muskel-Skelett Modell kann die im Gelenk, bei den verschiedenen Gangarten, auftretenden Kräfte berechnen.  Diese Kräfte sind die Summe der dynamischen Kräfte und der Muskelkräfte. Sie liefern wichtige Information über die Kontrolle der Gelenke und sind Eingangsgröße (sogenannte Randbedingungen) für die FEM-Simulation.  Da ein komplettes FEM-Modell eines Hundes noch etwas Utopisches ist (wegen der Komplexität und noch eingeschränkter Computerleistung) wird sich diese Studie auf zwei oder drei Gelenke konzentrieren (z.B. Knie-, Ellenbogen- und Hüftgelenk). Das FEM-Modell der ausgewählten Gelenke wird die Geometrie, die Materialeigenschaften, sowie die Kontaktgeometrie beinhalten und die Muskel-, Trägheits- und Reaktionskräfte als Randbedingungen.

Als Ergebnis ist es dann für die gewählten Gelenke möglich, die Gelenkflächenbelastung sowie den Spanungszustand in den proximalen und distalen Knochen der Gelenke in Abhängigkeit von der Gangart und bei Sprüngen zu ermitteln. Der Vergleich unterschiedlicher Hunde einer Rasse und der Rassenvergleich erlauben zusätzliche Aussagen.

Das Ziel der neuen „Heel-Studie zur Gelenkbelastung“ ist erstmals eine bestmögliche und in ihrer Genauigkeit bisher nicht erreichte Berechnung der in ausgewählten Gelenken auftretenden Belastungen durchzuführen. Die Ergebnisse werden unmittelbar auch unser Verständnis von Gelenkpathologien beeinflussen.

http://www.speziellezoologie.uni-jena.de