Klauenerkrankungen sind die Hauptursache für Lahmheiten bei Milchkühen und eine der Hauptabgangsursachen in den Betrieben. Für die Erkennung und Prävention von Lahmheiten sind ein biomechanisches Verständnis und präventive Optionen notwendig. Die biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenz-kinematografie (HFK) stellt ein neuartiges Verfahren dar, welches Vermessungen von knöchernen Strukturen an lebenden Tieren während der Fortbewegung mit einer sehr hohen Präzision ermöglicht. In Kombination mit Computertomografie gestützten Knochenaufnahmen können dreidimensionale Animationen von Knochen-bewegungen angefertigt werden, um die Biomechanik der Klaue zu erforschen. Der Goldstandard, die markerbasierte Animation, erfordert die Implantation von drei röntgendichten Markern in den zu untersuchenden Knochen, daher ist die Anwendbarketi bei lebenden Tieren limitiert. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, nichtinvasive Rekonstruktionsmethoden der bovinen distalen Gliedmaße einzusetzen und zu evaluieren. Mit Kenntnis der Animationsdaten sollte die Analyse der Lokomotion lebender Rinder erfolgen, um erstmals Bewegungsumfänge in den proximalen und distalen Interphalangealgelenken zu bestimmen. Die vorliegende Studie zeigt, dass Flexion und Extension die Hauptbewegungsrichtungen in den proximalen und distalen Interphalangealgelenken des Rindes sind, jedoch auch extrasagittale Bewegungen in nennenswerten Umfängen auftreten. Extrasagittale Bewegungen spielen für das Kompensieren mediolateraler Imbalancen eine Rolle.:1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 2 2.1 Anatomie und Biomechanik der Klaue des Rindes 2 2.1.1 Biomechanisch relevante Strukturen der distalen Vordergliedmaße des Rindes 2 2.1.1.1 Knöcherne Strukturen der distalen Vordergliedmaße 2 2.1.1.2 Gelenke der distalen Vordergliedmaße 2 2.1.1.3 Muskeln der distalen Vordergliedmaße 4 2.1.2 Der Klauenschuh und die Fußung der Klaue 7 2.1.3 Bewegungsablauf von Kühen 10 2.2 Klaue Boden Interaktion 12 2.2.1 Bedeutung von Untergründen für die Bewegung des Rindes 12 2.2.2 Bedeutung von Untergründen für das Wohlbefinden des Rindes 13 2.2.3 Bedeutung von Untergründen für die Klauengesundheit 16 2.3 Methoden zur Analyse kinematischer Prozesse 19 2.3.1 Bisherige Verfahren zur Analyse kinematischer Prozesse 19 2.3.2 Biplanare Hochfrequenz Fluoreszenzkinematografie 21 2.3.2.1 Markerbasierte Animation 23 2.3.2.2 Markerlose Animation 25 3 Tiere, Material, Methoden 30 3.1 Tiere 30 3.2 Evaluierung markerloser Animationsmethoden ex vivo 31 3.2.1 Markerimplantation 31 3.2.2 Computertomografie und Knochenmodelle 32 3.2.3 Biplanare Hochfrequenz Fluoreszenzkinematografie 32 3.2.4 Dreidimensionale Animation der distalen Gliedmaße 34 3.2.4.1 Markerbasierte Animationsmethode 34 3.2.4.2 Markerlose Animationsmethoden 35 3.2.5 Datenanalyse 38 3.2.6 Statistische Auswertung 40 3.3 Untersuchung der Gelenkwinkeländerung auf Beton und Gummiboden in vivo 41 3.3.1 Markerimplantation 41 3.3.2 Computertomografie und Knochenmodelle 41 3.3.3 Biplanare Hochfrequenz Fluoreszenzkinematografie 42 3.3.4 Markerbasierte Animationsmethode 42 3.3.5 Markerlose, manuelle dreidimensionale Animationmethode 43 3.3.6 In vivo Messungen der Gelenkwinkel auf Beton und Gummiboden 44 4 Ergebnisse 48 4.1 Evaluierung markerloser Animationsmethoden ex vivo 48 4.1.1 Dreidimensionale Animation 48 4.1.2 Abweichung beider markerlosen Animationsmethoden für Translation 49 4.1.2.1 Euklidische Translationswerte beider markerlosen Animationsmethoden 49 4.1.2.2 Translationswerte in X, Y und Z-Richtungen beider markerlosen Animationsmethoden 52 4.1.2.3 Translationswerte beider markerlosen Animationsmethoden zwischen linker und rechter Knochenseite 53 4.1.3 Abweichung beider markerlosen Animationsmethoden für Rotation 55 4.1.3.1 Euklidische Rotationswerte beider markerlosen Animationsmethoden 55 4.1.3.2 Rotationswerte in X, Y und Z-Richtung beider markerlosen Animationsmethoden 57 4.1.3.3 Rotationswerte beider markerlosen Animationsmethoden zwischen linker und rechter Knochenseite 58 4.2 Untersuchung der Gelenkwinkel auf Beton und Gummiboden in vivo 60 4.2.1 Gelenkwinkel in den proximalen Interphalangealgelenken 61 4.2.1.1 Gelenkwinkel in den proximalen Interphalangealgelenken auf Beton 62 4.2.1.2 Gelenkwinkel in den proximalen Interphalangealgelenken auf Gummiboden 65 4.2.1.3 Vergleich des Bewegungsumfangs der proximalen Interphalangealgelenke auf Beton und Gummiboden 68 4.2.2 Gelenkwinkel in den distalen Interphalangealgelenken 70 4.2.2.1 Gelenkwinkel in den distalen Interphalangealgelenken auf Beton 70 4.2.2.2 Gelenkwinkel in den distalen Interphalangealgelenken auf Gummiboden 73 4.2.2.3 Vergleich des Bewegungsumfangs der distalen Interphalangealgelenke auf Beton und Gummiboden 75 5 Diskussion 77 5.1 Methodik 77 5.1.1 Biplanare Hochfrequenz Fluoreszenzkinematografie 78 5.1.2 Nichtinvasive Animationsmethoden 80 5.1.3 Gelenkwinkel der Interphalangealgelenke in vivo 81 5.2 Ergebnisdiskussion 82 5.2.1 Manuelle Animationsmethode ex vivo 83 5.2.2 Semiautomatische Animationsmethode ex vivo 84 5.2.3 Vergleich beider markerlosen Verfahren ex vivo 85 5.2.4 Gelenkwinkel in den Interphalangealgelenken in vivo 88 5.2.4.1 Gelenkwinkel in den proximalen Interphalangealgelenken 88 5.2.4.2 Gelenkwinkel in den distalen Interphalangealgelenken in vivo 90 5.2.4.3 Vergleich des Bewegungsumfangs der Interphalangeal- gelenke auf Beton und Gummiboden 92 5.3 Schlussfolgerungen und Ausblick 95 6 Zusammenfassung 97 7 Summary 99 8 Literaturverzeichnis 101 9 Anhang 115

Einleitung: Die oberflächliche Beugesehne (OBS) ist die am häufigsten verletzte Struktur des Bewegungsapparates von Pferden. Verletzungen der OBS verursachen ökonomische Einbußen im Pferdesport, sind unter Tierschutzaspekten hochrelevant und sind gekennzeichnet von langen Rekonvaleszenzzeiten von 9--18 Monaten und einer Wiederverletzungsrate von bis zu 80 %. Um Sehnenverletzungen, deren Heilung und den Therapieerfolg zu detektieren, bedarf es grundlegender Kenntnisse der Sehnenbiomechanik. Zur Anwendung kommende Messmethoden sollten idealerweise hochpräzise, minimalinvasiv und über einen längeren Zeitraum einsetzbar sein. Bislang etablierte Methoden genügen diesen Ansprüchen nur teilweise. Daher soll biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenz-Kinematografie (FluoKin) als aktueller Goldstandard für Bewegungsstudien auf ihren Einsatz an equinen Sehnengewebe geprüft werden. Ziele der Untersuchungen waren es daher, 1) die Messgenauigkeit von FluoKin zu bestimmen und hinsichtlich Dehnbarkeitsmessungen equiner OBS zu evaluieren, 2) eine Technik zur Nutzung von FluoKin (3D-Röntgenmethode) zu finden, um die Bewegung eines Weichteilgewebes im Röntgenvideo zu visualisieren, 3) diese Methodik in zyklischen Zugprüfversuchen mit gesunden und Kollagenase-geschädigten OBS ex vivo zu prüfen und dafür eine geeignete Haltevorrichtung für die Sehnen zu entwickeln, 4) in einem Pilotversuch die Technik in vivo zu übertragen und in wiederkehrenden Messserien die Dehnung von gesundem, verletztem und heilendem Sehnengewebe zu messen. Tiere, Material und Methoden: Die Präzisionsmessungen wurden mit einem maßgefertigten Testplättchen und einer gefrorenen distalen Vordergliedmaße (VGlm) jeweils statisch (1976 und 5473 Bilder) und in Bewegung (2816 und 5021 Bilder) durchgeführt. Die Sehnenhaltevorrichtung inkl. Kryo-Klemme wurde neben dem Einsatz in der Ex-vivo-Studie zusätzlich Langzeittests (bis 50 min) und Rupturversuchen bis 10 kN (Maschinenlimit) unterzogen. Im Rahmen der Ex-vivo-Zugprüfversuche wurden 13 OBS von VGlm in Schritt (2 %)- und Trab (4 %)-simulierender Dehnung zyklisch getestet. Vier weitere Proben wurden mit Kollagenase inkubiert und inkl. einer Kontrollgruppe (n=4) bei 6 % getestet. Die biomechanischen Kenngrößen wurden von der Zugprüfmaschine erfasst und anhand der Bewegung von implantierten, röntgendichten Markern in zeitgleich aufgenommenen FluoKin-Videos errechnet. In der In-vivo-Langzeitstudie (37 Wochen) wurde in vier FluoKin-Messungen das Dehnverhalten der OBS beider VGlm eines Shetland Ponys in Schritt und Trab ermittelt. Vor der zweiten FluoKin-Messung wurde im mittleren metakarpalen Segment einer OBS eine Sehnenläsion mit Kollagenase induziert, deren Heilungsverlauf verfolgt wurde. Die Ergebnisbeschreibung erfolgte sowohl deskriptiv als auch bei entsprechender Stichprobengröße mit t-Tests (p<0,05). Ergebnisse: In Präzisionsmessungen wurden sowohl die Messgenauigkeit der FluoKin-Anlage (max. Exaktheit von 0,0287 mm ± 0,0377 mm), als auch die zu erwartende Standardabweichung in der studienrelevanten Region (Os metacarpale III, OBS) ermittelt. Im Rahmen der Ex-vivo-Zugprüfversuche wurde eine Haltevorrichtung inkl. Kryo-Klemme für equine OBS entwickelt, welche Probleme herkömmlicher Einspanntechniken zuverlässig löst. Erstmals konnten biomechanische Kenngrößen für die OBS von Shetland Ponys ermittelt werden. Im Mittel konnten abhängig von der Dehnungsrate (simulierter Schritt und Trab) eine Maximalkraft von 325 bzw. 953 N, eine Zugfestigkeit von 1649 bzw. 4820 N/cm² und ein Elastizitätsmodul von 828 bzw. 1212 MPa verzeichnet werden. Nach Inkubation mit Kollagenase stieg die Längenänderung im Mittel um 4,87 %. In vivo konnte die Dehnungszunahme der geschädigten OBS im Schritt bestätigt werden (2,86 % auf 3,38 %); im Trab zeigte sich hingegen ein Abfall (6,78 % auf 5,96 %). Schlussfolgerungen: FluoKin wurde als hochpräzise und minimalinvasive Messtechnik zur Ermittlung der Sehnendehnung equiner OBS ex vivo und erstmals in vivo erfolgreich eingesetzt. Dank der neu entwickelten Haltevorrichtung inkl. Kryo-Klemme konnten langandauernde Ex-vivo-Zugprüfversuche durchgeführt werden. Hierbei zeigten sich Änderungen des Dehnverhaltens der OBS (Konditionierung, Hysterese, Kriechphänomen), was die Notwendigkeit solcher Versuche für die Beschreibung des biomechanischen Verhaltens von Sehnen verdeutlicht. Der In-vivo-Pilotversuch unterstreicht die Bedeutung von FluoKin für innovatives und hochpräzises Monitoring von Sehnenläsionen in Langzeitstudien.:1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Sehnengewebe 2.1.1 Histologischer und molekularer Aufbau 2.1.2 Biomechanik 2.1.3 Einflüsse auf die Sehnenstruktur und -zusammensetzung 2.2 Tendinopathien der oberflächlichen Beugesehne 2.2.1 Ätiologie 2.2.2 Heilung 2.3 Möglichkeiten zur Bestimmung der Sehnendehnbarkeit 2.3.1 Ex-vivo-Zugprüfversuche mit Sehnen 2.3.2 In-vivo-Ermittlung der Sehnendehnbarkeit 2.4 Zentrale Fragestellungen 3 Publikation 1 Zyklische Zugprüfversuche mit einer neuartigen Kryo-Klemme an oberflächlichen Beugesehnen von Shetland Ponys kombiniert mit biplanarer Hochfrequenz-Fluoreszenz-Kinematografie 4 Publikation 2 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenz-Kinematografie an der oberflächlichen Beugesehne eines Shetland Ponys – eine In-vivo-Pilotstudie 5 Diskussion 5.1 Diskussion von Material und Methoden 5.1.1 Ermittlung der Messgenauigkeit von FluoKin 5.1.2 Verwendetes Tiermaterial 5.1.3 Implantationstechnik für Sehnenmarker 5.1.4 Aufbau der Ex-vivo-Zugprüfversuche 5.2 Bestimmung der Sehnendehnbarkeit mit FluoKin 5.2.1 Sehnendehnung ex vivo und in vivo in nativem Sehnengewebe 5.2.2 Sehnendehnung ex vivo und in vivo in Kollagenase-geschädigtem Sehnengewebe 5.3 Schlussfolgerungen und Ausblick 5.3.1 Praktische und klinische Relevanz 5.3.2 Fazit und Perspektiven 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Literaturverzeichnis 9 Anhang 9.1 Bauplan des Messplättchens zur Genauigkeitsbestimmung von FluoKin 9.2 Baupläne der Einspanntechnik für Zugprüfversuche mit equinen OBS 9.2.1 Kronbeinhalterung 9.2.2 Kryo-Klemmen 9.3 Genauigkeit von biplanaren Fluoroskopie-Systemen in Abhängigkeit des Versuchsaufbaus 9.4 Lagerungseinflüsse auf biomechanische Eigenschaften von Sehnengewebe 9.5 Vorträge und Präsentationen während der Doktorarbeitszeit / Introduction: The superficial digital flexor tendon (SDFT) is the most frequently injured structure of the musculoskeletal system of horses. Injuries of the SDFT are relevant under animal welfare aspects, cause substantial economic losses in equestrian sport and are associated by long convalescence times of 9 to 18 months and a re-injury rate of up to 80 %. In order to detect tendon injuries, improve their healing and the success of therapy, fundamental knowledge of tendon biomechanics is required. The measurement methods to be used should ideally be highly precise, minimally invasive and applicable over a long period of time. So far, established methods only partially meet these requirements. Therefore, biplanar high-speed fluoroscopic kinematography (FluoKin) as the current gold standard for movement studies will be tested for its use on equine tendon tissue Aims of the study were therefore 1) to determine the measurement accuracy and precision of FluoKin and to evaluate it with regard to measurements on the equine SDFT, 2) to find a technique for using FluoKin (a 3D X-ray method) for visualizing the movement of a soft tissue in X-ray video, 3) to test this methodology in cyclic tensile tests with healthy and collagenase-incubated SDFT ex vivo and to develop a suitable holding device for the tendons in the testing machine, 4) to transfer the technique in an in vivo pilot study on a pony and to measure the elongation of healthy, injured and healing tendon tissue in measurement series. Materials and Methods: Precision measurements were performed with a custom-made test sheet and a frozen distal forelimb static (1976 and 5473 frames) and in motion (2816 and 5021 frames) resp. The tendon holding device with a cryo-clamp was subjected to long-term cyclic tests (up to 50 min) and rupture tests up to 10 kN (machine limit) in addition to its use in the ex vivo study. As part of the ex vivo tensile testing, 13 SDFT of forelimbs were cyclically tested in walk (2 % strain) and trot (4 % strain) simulated elongation. Four additional specimens were incubated with collagenase and tested including a control group (n=4) at 6 % strain. Biomechanical parameters were recorded by the testing machine and calculated from the movement of implanted radiopaque markers in simultaneously recorded FluoKin videos. In the in vivo long-term study (37 weeks) the strain behaviour of the SDFT of both forelimbs of a Shetland pony at walk and trot were determined in four FluoKin measurements. Before the second FluoKin measurement, a tendon lesion was induced with collagenase in the mid-metacarpal segment of one SDFT, and its healing process was monitored. The description of the results was done both descriptively and, with an appropriate sample size, with t-tests (p<0.05). Results: Measurements to assess the precision of both the FluoKin system (max. accuracy of 0.0287 mm ± 0.0377 mm) and the standard deviation to be expected in the region relevant to the study (Os metacarpale III, SDFT). For the ex vivo tensile tests, a holding device with a cryo-clamp for equine SDFT was developed that reliably solved problems of conventional clamping techniques. For the first time, biomechanical parameters for the SDFT of Shetland ponies could be determined. On average, depending on the strain rate (simulated walk and trot), a maximum force of 325 N and 953 N resp., a tensile strength of 1649 N/cm² and 4820 N/cm² resp. and a modulus of elasticity of 828 MPa and 1212 MPa resp. was recorded. After incubation with collagenase, the change in length increased by an average of 4.87 %. In vivo, this increased elongation of the collagenase-injured SDFT could be confirmed at walk (2.86 % to 3.38 %); in contrast, a decrease in strain was observed at trot (6.78 % to 5.96 %). Conclusions: FluoKin was successfully used as a highly precise and minimally invasive measurement technique to determine the tendon strain of equine SDFT ex vivo and for the first time also in vivo. Thanks to the newly developed holding device with a cryo-clamp, long-term ex vivo tensile tests could be carried out and changes in the strain behaviour of the SDFT became apparent (conditioning, hysteresis, creep). This shows the necessity of such tests for the description of the biomechanical behaviour of tendons. The in vivo pilot study underlines the importance of FluoKin for innovative and highly accurate monitoring of tendon lesions in long-term studies.:1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Sehnengewebe 2.1.1 Histologischer und molekularer Aufbau 2.1.2 Biomechanik 2.1.3 Einflüsse auf die Sehnenstruktur und -zusammensetzung 2.2 Tendinopathien der oberflächlichen Beugesehne 2.2.1 Ätiologie 2.2.2 Heilung 2.3 Möglichkeiten zur Bestimmung der Sehnendehnbarkeit 2.3.1 Ex-vivo-Zugprüfversuche mit Sehnen 2.3.2 In-vivo-Ermittlung der Sehnendehnbarkeit 2.4 Zentrale Fragestellungen 3 Publikation 1 Zyklische Zugprüfversuche mit einer neuartigen Kryo-Klemme an oberflächlichen Beugesehnen von Shetland Ponys kombiniert mit biplanarer Hochfrequenz-Fluoreszenz-Kinematografie 4 Publikation 2 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenz-Kinematografie an der oberflächlichen Beugesehne eines Shetland Ponys – eine In-vivo-Pilotstudie 5 Diskussion 5.1 Diskussion von Material und Methoden 5.1.1 Ermittlung der Messgenauigkeit von FluoKin 5.1.2 Verwendetes Tiermaterial 5.1.3 Implantationstechnik für Sehnenmarker 5.1.4 Aufbau der Ex-vivo-Zugprüfversuche 5.2 Bestimmung der Sehnendehnbarkeit mit FluoKin 5.2.1 Sehnendehnung ex vivo und in vivo in nativem Sehnengewebe 5.2.2 Sehnendehnung ex vivo und in vivo in Kollagenase-geschädigtem Sehnengewebe 5.3 Schlussfolgerungen und Ausblick 5.3.1 Praktische und klinische Relevanz 5.3.2 Fazit und Perspektiven 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Literaturverzeichnis 9 Anhang 9.1 Bauplan des Messplättchens zur Genauigkeitsbestimmung von FluoKin 9.2 Baupläne der Einspanntechnik für Zugprüfversuche mit equinen OBS 9.2.1 Kronbeinhalterung 9.2.2 Kryo-Klemmen 9.3 Genauigkeit von biplanaren Fluoroskopie-Systemen in Abhängigkeit des Versuchsaufbaus 9.4 Lagerungseinflüsse auf biomechanische Eigenschaften von Sehnengewebe 9.5 Vorträge und Präsentationen während der Doktorarbeitszeit