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Thesis (Ph. D.)--University of Chicago, Dept. of Radiology, August 2000. / Includes bibliographical references. Also available on the Internet.

Einleitung: Die Ellbogengelenkdysplasie (ED) stellt eine der häufigsten Lahmheitsursachen bei jungen Hunden mittelgroßer und großer Rassen dar. Dabei wird der radioulnaren Inkongruenz eine maßgebliche Rolle in der Pathogenese zugesprochen. GUILLOU und Mitarbeiter (2011) konnten zeigen, dass eine axiale radioulnare Translation von bis zu 1 mm in gesunden kaninen Ellbogengelenken in vivo auftritt. Auf dieser Basis entstand die Hypothese einer vermehrten radioulnaren Beweglichkeit in dysplastischen Gelenken, die zu einer dynamischen Inkongruenz führen könnte, da ca. 40 % der Patienten keine messbare Stufe aufweisen. Ziele der Untersuchungen: Ziel der Studie war der Vergleich der dynamischen radioulnaren Inkongruenz bei orthopädisch gesunden und dysplastischen Hunden in vivo. Material und Methoden: Sieben dysplastische Ellbogengelenke von sechs Hunden und sechs orthopädisch gesunde Ellbogengelenke von fünf Hunden sind in die Studie eingegangen. Alle Probanden der ED Gruppe zeigten einen fragmentierten Processus coronoideus medialis ulnae. Nach Implantation von jeweils mindestens drei Markern in Humerus, Radius und Ulna erfolgte die biplanare, fluoroskopische Untersuchung der Gelenke, während die Hunde im Schritt auf einem Laufband geführt wurden. Die gewonnenen Röntgenvideoaufnahmen wurden aufgearbeitet und die gemessene Bewegung der Marker auf rekonstruierte dreidimensionale Knochenmodelle jedes Probanden übertragen. Alle Animationen wurden visuell beurteilt und anschließend die relative radioulnare und humeroulnare Bewegung an den animierten Knochenmodellen gemessen und als Translation in Millimeter und Rotation in Grad angegeben. Weiterhin wurden die Kontaktflächenmuster für die ulnare Gelenkfläche in dysplastischen und gesunden Gelenken bestimmt und gegeneinander visuell verglichen. Ergebnisse: Für die relative radioulnare Translation konnten in der Kontrollgruppe 0,7 mm und in der ED Gruppe 0,5 mm gemessen werden. Beide Werte unterschieden sich nicht signifikant voneinander (P= 0,2092; Konfidenzintervall -0,6 – 0,2). Die relative humeroulnare Rotation lag in der Kontrollgruppe bei 2,9 Grad und in der ED Gruppe bei 5,3 Grad. Damit lag ein signifikanter Unterschied zwischen beiden Gruppen vor (P= 0,0229; Konfidenzintervall 0,4 – 4,4). Die Kontaktflächenmuster zeigten in der Kontrollgruppe, während der dargestellten Fußungsphase, eine homogene Verteilung des Kontaktes über das gesamte mediale Koronoid. Hingegen konnte in dysplastischen Gelenken eine Reduktion des Kontaktes im kraniolateralen Anteil des Koronoids beobachtet werden. Schlussfolgerung: Die radioulnare Bewegung zeigt zwischen gesunden und dysplastischen Gelenken keinen signifikanten Unterschied auf. Die Hypothese einer ausgeprägten Translation zwischen Radius und Ulna in Gelenken erkrankter Hunde, die während der Bewegung zu einer dynamischen RUI führt kann damit widerlegt werden. Allerdings zeigt der Humerus in dysplastischen Gelenken eine vermehrte Rotationsbewegung, die zu einer Verlagerung der Trochlea humeri gegen den medialen Kronfortsatz führt. Dieser visuell und quantitativ erfasste Effekt spiegelt sich auch in den Kontaktflächenmustern wieder. Da Pathologien im Sinne des FPC typischerweise im Bereich des dargestellten, konzentrierten Kontaktes auftreten, ist davon auszugehen, dass es durch die humerale Rotation zu einer vermehrten Belastung des Koronoids kommt, welche zur Fragmentation des Kronfortsatzes führen kann. Die Ursache dieser vermehrten Bewegung ist derzeit nicht bekannt. Möglicherweise spielen Weichteilpathologien eine Rolle, ähnlich der Pathogenese der Hüftgelenksdysplasie. Neben der bereits bekannten und beschriebenen statischen RUI scheint die Rotationsinstabilität des Humerus eine entscheidende Rolle in der Pathogenese der ED zu spielen, insbesondere in kongruent erscheinenden Gelenken. / Introduction: Elbow dysplasia (ED) is one of the most frequent reasons for forelimb lameness especially in young large breed dogs. Radio-ulnar incongruence is discussed to be one of the main factors in the pathogenesis of ED. GUILLOU et al. (2011) described an axial translation between the radius and the ulna up to 1 mm in sound canine elbow joints in vivo. Based on this study we developed the hypothesis that pronounced radio-ulnar movement in dysplastic joints leads to a dynamic radio-ulnar incongruence. This dynamic incongruence might explain why 40 % of dysplastic dogs show no measurable step formation. Objective: The aim of the study was to compare the dynamic radio-ulnar incongruence in sound and dysplastic dogs in vivo. Material and Methods: Seven dysplastic joints in six dogs and six sound joints in five dogs were evaluated. All dysplastic joints showed a fragmented coronoid process and a radio-ulnar incongruence and cartilage lesions on the ulnar and humeral joint surface in a varying degree. A minimum of three Tantalum markers were implanted into the Humerus, Radius and Ulna each. Afterwards biplanar fluoroscopic gait analysis was performed while the dogs were walking on a treadmill. Gained marker movement was transferred onto reconstructed three dimensional CT bone models of each dog. The 3D animations were visually assessed and relative movement between the radius and ulna as well as between the humerus and ulna was measured and expressed as translation (millimeter) and rotation (degree). Further the joint contact patterns of the ulnar joint surface were determined for all dysplastic and sound joints and visually compared to each other. Results: Relative radio-ulnar translation was 0.7 mm in sound joints and 0.5 mm in dysplastic joints. There was no significant difference between these two groups (P= 0.2092; convidence interval -0.6 to 0.2). A significant difference between the dysplastic and the sound group was present in the relative humeral rotation (P= 0.0229; convidence interval 0.4 to 4.4). Humeral rotation relative to the ulna was 2.9 degree in sound and 5.3 degree in dysplastic joints. Humero-ulnar contact at the medial coronoid process was evenly distributed over the medial coronoid process in control elbows, while contact area in dysplastic elbows was reduced and shifted to the lateral aspect of the medial coronoid process Conclusion: Radio-ulnar movement is not significantly different between dysplastic and sound elbow joints. So the hypothesis of a pronounced axial translation between the radius and the ulna in dysplastic joints, leading to dynamic RUI can be neglected. However the humerus shows a significantly pronounced rotational movement in dysplastic joints compared to sound elbows. The trochlea humeri moves towards cranio-lateral and hits the medial coronoid process at its cranio-lateral aspect. The effect of this rotational movement can be shown in the joint contact patterns of the ulnar joint surface. Contact is shifted towards the tip and the lateral aspect of the coronoid process. In that area fragmentation of the medial coronoid process is typically observed. It seems that rotation of the humerus relative to the ulna leads to reduced contact and mechanical overload of the coronoid process. The cause of this increased rotational movement remains unknown. Maybe the documented movement could be interpreted as joint instability similar to the pathogenesis of hip dysplasia in which soft tissue laxity results in joint instability and degenerative joint disease. Besides the already described static radio-ulnar incongruence humeral rotational instability seems to play a role in the pathogenesis of elbow dysplasia, especially in congruent joints.

Der Riss des vorderen Kreuzbandes ist die häufigste Lahmheitsursache der Hintergliedmaße beim Hund. In der Literatur werden verschiedene Operations-methoden zur Therapie des Kreuzbandrisses beschrieben. Ein dynamisches Verfah-ren stellt hierbei die TTA (Tibial Tuberosity Advancement) dar. Bei dieser Operation wird die Crista tibiae kranial verlagert, um einen Patellarsehnenwinkel (PTA) von 90° zum Tibiaplateau zu erreichen. In in vitro Untersuchungen konnte damit eine Aufhebung der kranio-kaudalen Scherkräfte, welche bei einem kreuzbandinsuffizienten Kniegelenk vorliegen, erreicht und die Stabilität des Kniegelenkes nach TTA wieder hergestellt werden. Ungeachtet dessen bestehen Hinweise auf eine persistierende Instabilität in vivo. Anhand der fluoroskopischen Kinematografie erfolgte eine Bewegungsanalyse der Kniegelenke von Hunden in vivo nach klassischer TTA sowie TTA-2. Zudem wurden mögliche Einflussfaktoren hinsichtlich des Erfolges der TTA-Technik untersucht. Die Arbeit ist in zwei Studien unterteilt. In der 1. Studie erfolgte die retrospektive Untersuchung von 10 Hundekniegelenken nach traditioneller TTA. Im Gegensatz dazu bezog sich die prospektive Studie 2 auf Kniegelenke nach einer TTA-2 Operation (n = 15). Die Hunde wurden orthopädisch untersucht und wiesen praeoperativ einen kompletten kranialen Kreuzbandriss auf. In der Arthroskopie bestätigte sich der komplette Riss und es erfolgte eine Untersuchung der Menisken, gegebenenfalls mit anschließender Meniskuschirurgie. In beiden Studien wurden die Hunde unilateral und uniplanar fluoroskopisch-kinematografisch untersucht, während sie im Schritt auf einem Laufband geführt wurden. Je Patient erfolgte eine Ganganalyse prae- und eine weitere 6-8 Wochen post operationem. Die Röntgenvideoaufnahmen wurden visuell von drei verschiedenen Untersuchern auf das Vorliegen einer kranio-kaudalen Translation beurteilt. Weiterhin wurden von allen Tieren der prae- und postoperative PTA sowie der Extensionswinkel bestimmt. Da ein aus der Literatur bekannter möglicher Einflussfaktor eine Unterkorrektur (PTA > 90°, zu kleine Cage-Größe) ist, wurde in der Studie 2 bei der Operationsplanung auf das Erreichen eines PTA ≤ 90° geachtet. In Studie 1 lag das mittlere Alter der Patienten bei 4,7 Jahren und das Gewicht bei 27,3 kg. Bei der arthroskopischen Untersuchung wiesen vier Gelenke Meniskusläsionen auf. Die postoperative Ganganalyse zeigte bei 90 % (9 von 10) eine persistierende Instabilität nach TTA, wobei der mittlere PTA 92,4° betrug. In der Studie 2 hatten die Tiere ein mittleres Alter von 7,0 Jahren und ein Gewicht von 31,2 kg. Bei der Mehrzahl der Patienten (n = 11) konnte ein Meniskusschaden diagnostiziert werden, wobei hauptsächlich mediale Korbhenkelrisse eine Rolle spielten. Die fluoroskopische Kinematografie zeigte bei 73,3 % der Patienten eine bestehende Instabilität nach TTA-2. Der mittlere PTA lag bei 88,5°. Im Gegensatz zu den Ergebnissen der in vitro Untersuchungen ist die überwiegende Anzahl der Kniegelenke nach Versorgung eines kranialen Kreuzbandrisses mit TTA bzw. TTA-2 persistierend instabil. Ungeachtet dessen wiesen alle Patienten eine klinische Verbesserung der Lahmheit auf. Während die Er-gebnisse der Studie 1 noch eine Unterkorrektur (postoperativer PTA > 90°) als mögliche Ursache für die Kniegelenksinstabilität nahelegen, konnte dies im Rahmen der Studie 2 wiederlegt werden. Inwieweit die Menisken als stabilisierender Faktor eine Rolle spielen, kann anhand der vorliegenden Arbeit nicht eindeutig geklärt werden. / Cranial cruciate ligament ruptures are the most common cause of hind limb lameness in dogs. Various surgical therapeutical methods are described in the literature to successful cure the cranial cruciate ligament rupture. Amongst those the dynamic technique TTA (tibial tuberosity advancement) is described. During this procedure, the Crista tibiae is shifted cranially to produce a patellar tendon angle (PTA) of 90°. It has been shown during in vitro studies that cranio-caudal shear forces that occur after cranial cruciate ligament rupture are clearly neutralized. This results in a completely stable stifle after TTA. However, evidence for persistent instabilities after TTA exist in vivo. Fluoroscopic gait analysis of the canine stifle in vivo after treatment with classical TTA and TTA-2 was performed. Furthermore, potential factors influencing a successful outcome of the TTA-technique were examined. This study is subdivided in two parts. During the 1st study a retrospective analysis of 10 canine stifles after classical TTA was undertaken, while the 2nd study was performed prospectively on stifles treated with a TTA-2 (n = 15). The dogs were examined orthopedically prior to surgery and suffered from a complete cranial cruciate ligament rupture. This was confirmed by arthroscopy which was further used to evaluate the meniscal status and to perform a meniscal surgery, if necessary. Fluoroscopic-kinematographic gait analyses were carried out prior to and 6-8 weeks after TTA by unilateral and uniplanar recording on all dogs while they were walking on a treadmill. The video sequences were analysed regarding the presence or absence of cranio-caudal movement by three independent investigators. Moreover, the pre- and post-surgical PTA and stifle angle were recorded. According to the literature undercorrected stifles (PTA > 90°, inappropriate small cage size) were identified as a possible cause of post-surgical instability. Therefore, special emphasis paid on surgical planning during study 2 to achieve a PTA ≤ 90° by TTA-2. The mean age of the patients in the 1st study was 4.7 years and their mean body weight 27.3 kg. Four joints showed meniscal lesions during the arthroscopic examination. During fluoroscopic gait analysis a persistent instability after TTA was present in 90 % (9 of 10) of the stifles. The median PTA was 92.4°. In the 2nd study the mean body weight was 31.2 kg and the mean age 7.0 years. Meniscal injuries were diagnosed in the majority of the patients (n = 11). Most of them were suffering from medial bucket handle tears. After performing TTA-2 73.3 % of the stifles showed a persistent instability during the fluoroscopic gait analysis. The mean PTA was 88.5°. Contrary to the results of in vitro studies, the majority of stifles after treatment of a cranial cruciate ligament rupture with a TTA or TTA-2 remain to be persistently instable. Nevertheless, all dogs clinically improved regarding the degree of lameness. While the results of the 1st study suggest an undercorrection (post-surgical PTA > 90°) as a possible cause of stifle instability, this could not be proven during the 2nd study. The role of the menisci as a stabilizer of the canine stifle could not be finally elucidated by the present work.

6 Zusammenfassung Sabrina Thomeczek Fluoreszenzkinematographische Untersuchungen des Einflusses verschiedener Beschlagmodifikationen auf die Ausrichtung der Zehengelenke des Ponys in Bewegung Veterinär-Anatomisches Institut, Veterinärmedizinischen Fakultät, Universität Leipzig Eingereicht im Oktober 2019 (113 Seiten, 19 Abbildungen, 61 Tabellen, 205 Literaturangaben, 97 Seiten Anhang) Schlüsselwörter: Beschlagmodifikationen, biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie, Scientific Rotoscoping, Zehenknochenausrichtung, Pferd, Böden Einleitung: Die häufigsten Erkrankungen des Sportpferdes, die zu aufwendigen Behandlungen und zum Ausscheiden aus dem Sport führen, betreffen den Bewegungsapparat und hier besonders die distale Gliedmaße des Pferdes. Die Hufgesundheit spielt dementsprechend eine eminente Rolle für das Wohlbefinden des Pferdes. Die Hufbearbeitung und der Hufbeschlag haben einen großen Einfluss auf die Lahmfreiheit. Die Hufschmiede ist ein traditionelles Handwerk, das sich enorm weiterentwickelt hat, sodass heutzutage eine Vielzahl von Beschlagmodifikationen auf dem Markt ist. Allerdings mangelt es an wissenschaftlicher Evidenz für den gezielten und erfolgreichen Einsatz dieser Beschläge. Bisherige Studien führten Röntgenuntersuchungen oder kinematische Untersuchungen mithilfe optoelektronischer Systeme und Infrarot-Markern durch. Die biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie ermöglicht die Erstellung von Röntgenvideos, anhand derer die Zehenknochenausrichtung über einen gewissen Zeitraum auswertbar ist. Durch die Rekonstruktion der Bewegung mittels Scientific Rotoscoping ist dieses Verfahren nicht-invasiv und hat eine hohe Genauigkeit. Vorhandene Erkenntnisse über Hufbeschläge beziehen sich meist auf statische Daten, sind aufgrund der Verschieblichkeit von Hautmarkern ungenau oder durch Implantation von Knochenmarkern invasiv. Außerdem wurde meist ein einziger Beschlag ausgewertet und der gleichzeitige Einfluss verschiedener Bodenbeschaffenheiten vernachlässigt. Ziele der Untersuchung: Diese Studie widmete sich der Evaluierung einer Auswahl von Beschlagmodifikationen auf festem und weichem Boden. Mithilfe der biplanaren Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie konnte der Einfluss der Beschlagmodifikationen auf die Pferdegliedmaße in Bewegung über den Verlauf eines Schrittes dargestellt und ausgewertet werden. Tiere, Material und Methoden: Für die Erstellung der biplanaren Röntgenvideos wurden zwei dreijährige Stuten der Rasse Deutsches Classic Pony und ein sechsjähriger Wallach der Rasse Welsh Pony über eine erhöhte Laufbahn geführt. Jedes Tier machte zwei standardisierte geführte Schritte durch den Untersuchungsbereich, während der jeweilige Beschlag an der rechten Vordergliedmaße angebracht war. Von jedem Pony wurde ein Schritt barhuf, mit Standardhufeisen, mit Eiereisen und mit zehenoffenem Eisen sowohl auf festem, als auch auf weichem Boden ausgewertet. Das Trachten- und das Seitenkeileisen wurden lediglich auf festem, das Eisen mit verbreiterter Zehe und das Breitschenkeleisen lediglich auf weichem Boden ausgewertet. Der feste Boden wurde mittels eines Holzbrettes, der weiche Boden durch eine mit Einstreu-Späne gefüllte Cast-Wanne simuliert. Beide Bodensimulationen schlossen plan mit der übrigen Laufbahn ab, sodass keine Stufen entstanden. Die dreidimensionale Rekonstruktion jedes Schrittes am Computer erfolgte per Scientific Rotoscoping mithilfe von Knochenmodellen, welche für jedes Pony aus computertomographischen Daten erstellt wurden. Der ausgewertete Bereich der Schritte begann beim Initialkontakt und endete beim Abheben der Trachten. Der Schritt wurde weiterhin prozentual in das Auffußen (0 20%), die Hauptstützbeinphase (20-80%), die Mitte der Hauptstützbeinphase (Mittelpunkt der Hauptstützbeinphase ± 10%) und das Abfußen (80-100%) unterteilt. Der Mittelpunkt der Hauptstützbeinphase stellte den Zeitpunkt dar, zu welchem die kontralaterale Gliedmaße durchschwingt und sich beide Gliedmaßen maximal überlagerten. Für die Auswertung der Daten diente der erste animierte Frame jeder Barhuf-Aufnahme auf festem Boden als Referenzposition für das jeweilige Pony. Die ausgewerteten Winkel der Zehengelenke wurden folglich relativ zu dieser angegeben. Nachfolgend wurden die Bewegungsumfänge der Interphalangealgelenke und die Durchschnittswinkel in den einzelnen Schrittphasen für jede Achse bestimmt. Ergebnisse: Die Bewegungsumfänge der Interphalangealgelenke zeigten starke individuelle Variabilität. Hufeisen mit modifizierter lastaufnehmender Oberfläche innerhalb der Hufsilhouette haben sowohl auf festem, als auch auf weichem Boden einen Einfluss auf die Bewegungsumfänge der Zehengelenke. In der Situation barhuf sind die Interphalangealgelenke des Pferdes auf weichem Boden durch Einsinken des Hufes während der Stützbeinphase mehr gebeugt, als auf festem Boden. Der Beschlag mit einem Standardhufeisen führt weder zu einer vermehrten Flexion im Hufgelenk, noch zu einer vermehrten Extension im Krongelenk. Allerdings wurde mit dem Standardhufeisen im Hufgelenk deutlich weniger, im Krongelenk deutlich mehr Rotation beobachtet. Aufgrund sehr uneinheitlicher Ergebnisse kann keine eindeutige Aussage über den Einfluss des Eiereisens getroffen werden. Das Eiereisen führte weder zu einer ausgeprägteren Extension des Hufgelenks auf festem, noch zu einer verstärkten Flexion der Zehengelenke auf weichem Boden. Auch während des Abfußens war das Hufgelenk auf weichem Boden nicht vermehrt gebeugt. Das zehenoffene Eisen führt sowohl auf festem, als auch auf weichem Boden zu einem früher einsetzenden Abrollen des Hufes. Trotzdem zeigte sich keine geringere Extension des Hufgelenks während des Abfußens. In der Mitte der Hauptstützbeinphase war das Hufgelenk unter Einfluss des zehenoffenen Eisens auf weichem Boden mehr gebeugt, als mit dem Standardbeschlag. Das Trachtenkeileisen bedingte keine vermehrte Beugung der Interphalangealgelenke während der Hauptstützbeinphase. Das Eisen mit verbreiterter Zehe führte auf weichem Boden lediglich während des Abfußens zu einer vermehrten Extension im Hufgelenk. Das Seitenkeileisen bedingte eine verstärkte Abduktion und Flexion im Krongelenk, während es im Hufgelenk zu keinen Unterschieden kam. Beim Auffußen konnte mit dem Seitenkeileisen keine vermehrte Instabilität beobachtet werden. Mit dem Breitschenkeleisen kam es nur im Krongelenk zu einer ausgeprägteren Abduktion auf weichem Boden. Schlussfolgerungen: Die biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie ermöglicht erstmals eine präzise und nicht-invasive Evaluierung von Knochenbewegungen an der distalen Gliedmaße des Pferdes und erlaubt eine Visualisierung der Einflüsse von Hufbeschlägen in Bewegung. Sämtliche Beschlagmodifikationen wirken sich auf die Zehengelenke des Pferdes aus, obwohl einige bisherige Annahmen nicht bestätigt werden konnten. Außerdem spielt die Bodenbeschaffenheit eine große Rolle für den Nutzen dieser Beschlagmodifikationen. Die Individualität der Tiere und ihr Einfluss auf die Ergebnisse stellten sich in jeder Beschlagsituation eindrucksvoll dar. Viele Beschlagmodifikationen zeigten ihre Auswirkungen besonders im Krongelenk. Daraus wird geschlossen, dass das Krongelenk eine sehr viel wichtigere Rolle bei der Kompensation veränderter Fußung spielt, als bisher angenommen. Gleichzeitig scheint die Hufkapsel durch ihre Flexibilität enorme kompensatorische Eigenschaften innezuhaben. Es sind dringend mehr Studien über die Biomechanik der Pferdegliedmaße, den Einfluss von Beschlagmodifikationen und deren Nutzen auf unterschiedlichen Böden von Nöten.:Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis IV Tabellenverzeichnis XII 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Die distale Gliedmaße des Pferdes 3 2.1.1 Anatomische Grundlagen 3 2.1.2 Biomechanik der distalen Gliedmaße des Pferdes 9 2.2 Der Hufbeschlag 12 2.2.1 Grundlagen 12 2.2.2 Anwendung von Beschlagmodifikationen zur Behandlung von orthopädischen Erkrankungen der distalen Pferdegliedmaße und wissenschaftliche Evidenz dafür 15 2.2.3 Anwendung und wissenschaftliche Evidenz für die Effekte ausgewählter Beschlagmodifikationen 18 2.3 Untersuchungsverfahren und Bewegungsanalysen zur Evaluierung von Beschlägen bei Pferden 25 2.3.1 Röntgenologische Darstellung der distalen Pferdegliedmaße 25 2.3.2 Kinematische Messungen 27 2.3.3 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie 28 2.4 Hypothesen 34 3 Tiere, Material und Methoden 35 3.1 Tiere 35 3.1.1 Pferde 35 3.2 Untersuchungsmaterial 36 3.2.1 Hufeisen 36 3.2.2 Hufzubereitung und Beschlag 36 3.3 Untersuchungsaufbau und Erstellung der Aufnahmen 37 3.3.1 Computertomographie 37 3.3.2 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie 37 3.4 Auswertung der Aufnahmen 40 3.4.1 Erstellung von Knochenmodellen anhand computertomographischer Aufnahmen 40 3.4.2 Videobearbeitung 40 3.4.3 Bildbearbeitung 40 3.4.4 Entzerrung der Aufnahmen 41 3.4.5 Kalibration der Kameraanordnung 42 3.4.6 Animation der Knochenmodelle anhand der Röntgenaufnahmen 42 3.4.7 Achsen- und Winkelberechnung 46 3.5 Analysierte Parameter 48 4 Untersuchungsergebnisse 49 4.1 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographische Aufnahmen 49 4.2 Bewegungsumfang (Range of Motion, ROM) und Winkel der Zehengelenke barhuf 51 4.2.1 Fester Boden 51 4.2.2 Weicher Boden 53 4.2.3 Vergleich zwischen festem und weichem Boden 55 4.3 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke mit Standardhufeisen im Vergleich zu den Barhufaufnahmen 58 4.3.1 Fester Boden 58 4.3.2 Weicher Boden 60 4.3.3 Vergleich der Bewegung mit einem Standardbeschlag zwischen festem und weichem Boden 61 4.4 Bewegungsspielraum und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Eiereisen im Vergleich zum Standardhufeisen 64 4.4.1 Fester Boden 64 4.4.2 Weicher Boden 65 4.4.3 Vergleich zwischen festem und weichem Boden 67 4.5 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke beschlagen mit dem zehenoffenen Eisen im Vergleich zum Standardhufeisen 70 4.5.1 Fester Boden 70 4.5.2 Weicher Boden 71 4.5.3 Vergleich zwischen festem und weichem Boden 73 4.6 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Trachtenkeileisen im Vergleich zum Standardhufeisen 76 4.6.1 Fester Boden 76 4.7 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Seitenkeileisen im Vergleich zum Standardhufeisen 77 4.7.1 Fester Boden 77 4.8 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit dem Eisen mit verbreiterter Zehe im Vergleich zum Standardhufeisen 81 4.8.1 Weicher Boden 81 4.9 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Breitschenkeleisen im Vergleich zum Standardhufeisen 83 4.9.1 Weicher Boden 83 5 Diskussion 86 5.1 Methoden 86 5.1.1 Tiermaterial 86 5.1.2 Hufzubereitung und Beschlag 86 5.1.3 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie 87 5.1.4 Simulation verschiedener Bodenbeschaffenheiten 88 5.1.5 Erstellung von Knochenmodellen 88 5.1.6 Bildbearbeitung 88 5.1.7 Animation der Knochenmodelle 89 5.1.8 Koordinatensysteme 90 5.2 Diskussion der Untersuchungsergebnisse 91 5.2.1 Bewegungsumfänge der Interphalangealgelenke 91 5.2.2 Bewegungsmuster der Interphalangealgelenke im Schritt 92 5.2.3 Einfluss des Standardbeschlags auf die Interphalangealgelenke 96 5.2.4 Einfluss spezifischer Beschlagmodifikationen auf die Interphalangealgelenke 97 5.3 Ausblick 109 6 Zusammenfassung 110 7 Summary 112 8 Literaturverzeichnis 114 9 Anhang 124 Danksagung 221 / 7 Summary Sabrina Thomeczek Investigation of the influence of different horseshoe modifications on the interphalangeal joint alignment in the moving pony using fluoroscopic kinematography Institute of Anatomy, Histology and Embryology, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig Submitted in October 2019 (113 pages, 19 figures, 61 tables, 205 references, 97 appendices) Keywords: horseshoe-modifications, biplanar high-speed fluoroscopic kinematography, scientific rotoscoping, phalangeal alignment, horse, ground conditions Introduction: The most common diseases which lead to expansive treatment and often early retirement of a sport horse, affect the musculoskeletal system and herein especially the distal limb. Accordingly, hoof health plays an eminent role in equine well-being. Hoof trimming and horseshoeing have great influence on the soundness of the horse. Farriery is a traditional craft, which has undergone tremendous evolution leading to myriad horseshoe modifications on the market today, however there is a lack of scientific evidence for the targeted and successful use of these horseshoe modifications. Existing studies perform X-Ray- or kinematic examinations using optoelectronic systems and infrared-markers. The biplanar high-speed fluoroscopic kinematography used in this study facilitates the generation of X-Ray-videos, by means of which the interphalangeal joint alignment can be evaluated over a period of time. Due to reconstruction of the movement using Scientific Rotoscoping, this technology is non-invasive and highly accurate. Existing findings on horseshoe modifications mostly refer to static data, are inaccurate due to the mobility of skin markers or are invasive due to implantation of bone markers. Additionally, most studies evaluated only one type of horseshoe and neglected the simultanous influence of different ground conditions altogether. Aims of the study: This study was dedicated to the evaluation of a range of horseshoe modifications on both, firm and soft ground. Using biplanar high-speed fluoroscopic kinematography, the influence of the horseshoe modifications on the moving equine limb during one step were visualized and evaluated. Animals, Material and Methods: For the generation of the biplanar X-Ray-videos, two two-year-old German Classic Pony mares and one six-year-old Welsh Pony gelding were led across a an elevated runway. Each Pony made two standardized guided steps through the examination area, while wearing the respective horseshoe on the right forelimb. For each pony one stride barefoot, wearing the standard horseshoe, the eggbar horseshoe and the open-toe horseshoe were evaluated both on firm and soft ground. Heel- and side-wedges were evaluated only on firm ground, while the wide-toe horseshoe and the wide branch horseshoe were only evaluated on soft ground. The firm ground was represented by a wooden board, the soft ground was simulated by a cast-tub filled with litter shavings. Both ground simulations connected flush with the rest of the runway, so that no steps were created. The three-dimensional digital reconstruction of every stride was performed using Scientific Rotoscoping and bone models, which were created from computed tomographic data for each of the ponies. The evaluated part of the stride began at initial contact (0%) and ended with heel-off (100%). Furthermore, the strides were subdivided into landing of the hoof (0-20%), main bearing phase (20-80%), centre of the bearing phase (middle point of the bearing phase ± 10%) and breakover (80-100%). The middle point of the bearing phase was defined as the point in time at which the contralateral limb swung through and the two limbs superimposed maximally. For data evaluation the first animated frame of every barefoot recording on firm ground served as the reference position for the respective pony. Accordingly, the interphalangeal joint angles were stated relative to the reference position. Subsequently, the ranges of motion of the interphalangeal joint and the mean angles during each stride phase were determined. Results: The ranges of motion of the interphalangeal joints showed strong individual variability. Horseshoes with a modified load-bearing surface within in the hoof silhouette have an impact on the ranges of motion on both firm and soft ground. In the barefoot situation the interphalangeal joint are flexed more during stance phase than on firm ground, because of the hoof’s ability to sink into the ground. The standard horseshoe led neither to an increased flexion on the coffin joint, nor to an increased extension in the pastern joint. However, with the standard horseshoe distinctly less rotation could be observed in the coffin joint, while more rotation was seen in the pastern joint. Due to inconsistent results, no explicit statement can be made about the eggbar shoe. On firm ground the eggbar shoe did not lead to a more pronounced extension of the coffin joint and on soft ground no increased flexion of the interphalangeal joints could be noticed. Additionally, the coffin joint showed no increased flexion during breakover on soft ground. The open-toe shoe led to an earlier onset of breakover on both firm and soft ground. Nonetheless there was no decreased extension in the coffin joint during breakover. With the open-toe shoe the coffin joint was more flexed in the centre of the bearing phase on soft ground, than with the standard horseshoe. Heel-wedges did not lead to more flexion in both interphalangeal joints during the stance phase on firm ground. The wide-toe shoe led to an increased extension in the coffin joint only during landing on soft ground. The side-wedge induced an increased abduction and flexion in the pastern joint, while the coffin joint showed no difference compared with the standard horseshoe. During landing no instability could be observed with the side-wedge shoe. With the wide-branch shoe only the pastern joint showed more abduction. Conclusions: Biplanar high-speed fluoroscopic kinematography facilitates precise and non-invasive evaluation of bone movements and allows visualization of the effects of horseshoe modifications on the moving distal limb of the horse. All horseshoe modifications affect the interphalangeal joints, although several previous assumptions could not be confirmed. Additionally, ground conditions play a major role in the applicability of those modifications. The individuality of the ponies influenced the results significantly in every examined situation. Many horseshoe modifications showed their influence especially in the pastern joint. It is assumed that the pastern joint plays a much more important role in the compensation of altered footing than previously believed. Simultaneously, the hoof capsule seems to have enormous compensatory capabilities due to its flexibility. There is a need for more studies on the biomechanics of the equine distal limb, the influence of horseshoe modifications and their applicability on different ground conditions.:Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis IV Tabellenverzeichnis XII 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Die distale Gliedmaße des Pferdes 3 2.1.1 Anatomische Grundlagen 3 2.1.2 Biomechanik der distalen Gliedmaße des Pferdes 9 2.2 Der Hufbeschlag 12 2.2.1 Grundlagen 12 2.2.2 Anwendung von Beschlagmodifikationen zur Behandlung von orthopädischen Erkrankungen der distalen Pferdegliedmaße und wissenschaftliche Evidenz dafür 15 2.2.3 Anwendung und wissenschaftliche Evidenz für die Effekte ausgewählter Beschlagmodifikationen 18 2.3 Untersuchungsverfahren und Bewegungsanalysen zur Evaluierung von Beschlägen bei Pferden 25 2.3.1 Röntgenologische Darstellung der distalen Pferdegliedmaße 25 2.3.2 Kinematische Messungen 27 2.3.3 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie 28 2.4 Hypothesen 34 3 Tiere, Material und Methoden 35 3.1 Tiere 35 3.1.1 Pferde 35 3.2 Untersuchungsmaterial 36 3.2.1 Hufeisen 36 3.2.2 Hufzubereitung und Beschlag 36 3.3 Untersuchungsaufbau und Erstellung der Aufnahmen 37 3.3.1 Computertomographie 37 3.3.2 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie 37 3.4 Auswertung der Aufnahmen 40 3.4.1 Erstellung von Knochenmodellen anhand computertomographischer Aufnahmen 40 3.4.2 Videobearbeitung 40 3.4.3 Bildbearbeitung 40 3.4.4 Entzerrung der Aufnahmen 41 3.4.5 Kalibration der Kameraanordnung 42 3.4.6 Animation der Knochenmodelle anhand der Röntgenaufnahmen 42 3.4.7 Achsen- und Winkelberechnung 46 3.5 Analysierte Parameter 48 4 Untersuchungsergebnisse 49 4.1 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographische Aufnahmen 49 4.2 Bewegungsumfang (Range of Motion, ROM) und Winkel der Zehengelenke barhuf 51 4.2.1 Fester Boden 51 4.2.2 Weicher Boden 53 4.2.3 Vergleich zwischen festem und weichem Boden 55 4.3 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke mit Standardhufeisen im Vergleich zu den Barhufaufnahmen 58 4.3.1 Fester Boden 58 4.3.2 Weicher Boden 60 4.3.3 Vergleich der Bewegung mit einem Standardbeschlag zwischen festem und weichem Boden 61 4.4 Bewegungsspielraum und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Eiereisen im Vergleich zum Standardhufeisen 64 4.4.1 Fester Boden 64 4.4.2 Weicher Boden 65 4.4.3 Vergleich zwischen festem und weichem Boden 67 4.5 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke beschlagen mit dem zehenoffenen Eisen im Vergleich zum Standardhufeisen 70 4.5.1 Fester Boden 70 4.5.2 Weicher Boden 71 4.5.3 Vergleich zwischen festem und weichem Boden 73 4.6 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Trachtenkeileisen im Vergleich zum Standardhufeisen 76 4.6.1 Fester Boden 76 4.7 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Seitenkeileisen im Vergleich zum Standardhufeisen 77 4.7.1 Fester Boden 77 4.8 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit dem Eisen mit verbreiterter Zehe im Vergleich zum Standardhufeisen 81 4.8.1 Weicher Boden 81 4.9 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Breitschenkeleisen im Vergleich zum Standardhufeisen 83 4.9.1 Weicher Boden 83 5 Diskussion 86 5.1 Methoden 86 5.1.1 Tiermaterial 86 5.1.2 Hufzubereitung und Beschlag 86 5.1.3 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie 87 5.1.4 Simulation verschiedener Bodenbeschaffenheiten 88 5.1.5 Erstellung von Knochenmodellen 88 5.1.6 Bildbearbeitung 88 5.1.7 Animation der Knochenmodelle 89 5.1.8 Koordinatensysteme 90 5.2 Diskussion der Untersuchungsergebnisse 91 5.2.1 Bewegungsumfänge der Interphalangealgelenke 91 5.2.2 Bewegungsmuster der Interphalangealgelenke im Schritt 92 5.2.3 Einfluss des Standardbeschlags auf die Interphalangealgelenke 96 5.2.4 Einfluss spezifischer Beschlagmodifikationen auf die Interphalangealgelenke 97 5.3 Ausblick 109 6 Zusammenfassung 110 7 Summary 112 8 Literaturverzeichnis 114 9 Anhang 124 Danksagung 221

Im Rahmen einer experimentellen Vergleichsstudie zweier bildwandlergestützter Navigationssysteme wurde die 3D-bildwandlergestützte Navigation mit der 2D-bildwandlergestützten Navigation zur Pedikelschraubenplatzierung am Modell getestet. Neben der Präzision der Bohrungen in einem postoperativen CT wurden Bildqualität, Genauigkeit des 3D-Scans, Planbarkeit und Umsetzung der Bohrungen bewertet und verglichen. Mit der 3D- Bildwandler- Navigation wurden 38 der 40 Bohrungen exakt platziert (95%). Eine Planung wurde durch einen Softwarefehler der Alpha-Version auf dem Monitor falsch wiedergegeben. Bei einer weiteren Bohrung wurde der Bohrer verkantet, wodurch Bildschirmdarstellung und Realität voneinander abwichen. Daher kam es in einem Fall zu einer lateralen Perforation der Kortikalis im Bereich des Pedikels, im anderen zu einer kaudalen Perforation. Mit der 2D- Bildwandler- Navigation konnten alle 40 Schrauben ohne Pedikelperforation platziert werden. Zwei dieser Schrauben wurden durch die ventrale Kortikalis gebohrt. Beide Verfahren überzeugten durch hohe Präzision und Zuverlässigkeit. 3 der 4 Fehlplatzierungen waren Anwender einer Software bedingt. Eine optimierte Software und verbesserte Instrumente werden diese Fehlerquote weiter reduzieren. Voraussetzung für die 2D-bildwandlergestützten Navigation sind eine gute Bildqualität sowie normale anatomische Gegebenheiten für standardisierte Projektionen. Die neue 3D-bildwandlergestützter Navigation kombiniert die Vorteile der 2D-bildwandlergestützter Navigation und der CT- basierten Navigation mit einer Verringerung der Strahlenbelastung durch den Wegfall des präoperativen CT`s und somit der Einsatzmöglichkeit im akuten Notfall sowie nach intraoperativen Repositionsmanövern. Da kein Matching erforderlich ist, wird insbesondere bei traumatischer Verletzung oder tumorbedingter Veränderung der dorsalen Wirbelstrukturen ein großer Vorteil zur CT- basierten Navigation erwartet. Aufgrund der universellen Einsatzmöglichkeiten eines Bildwandlers wird für diese neue Technologie ein breites Indikationsspektrum angenommen. / An experimental study to compare 2D- and 3D- Computer-Assisted Fluoroscopic Navigation for pedicle screw placement. Each system was evaluated by a post-operative CT and included the comparison of the palpation of the pedicular canal, the image quality and the accuracy of planning and performance. For this purpose 40 screws have been set to 9 models of lumbar spine. Using the 3D-flouroscopy based navigation 38 from 40 (95%) drillings were placed correctly. One mistake was caused by an error of the navigation-software. The second mistake was due to a drilling mistake, the drill was not shown correctly on the monitor because the drill has been canted. Using the 2D-flouroscopy based navigation all screws could be placed correctly at the pedicle, but two times the corpus has been perforated to ventral. Both techniques are precise and reliable. 3 out of 4 mistakes were caused by incorrect handling the instrument. The other mistake happened because of a software-error. If the software and the instruments will be optimised, the amount of mistakes will be reduced in the future. In case of the 2D-flouroscopy based navigation sufficient image quality, normal anatomical structures and defined projections are required. The new 3D-flouroscopy based navigation combines the benefit of 2D-flouroscopy based navigation and CT-based navigation by reducing the radiation exposure and the preoperative planning time. Therefore, this technique is suitable for use in an emergency or intraoperative repositions. Because no matching-procedure is necessary for CT-based navigation, we expect advantages especially in therapy of traumatic injuries or changes at the dorsal structures of spine caused by tumour. Furthermore, the use of fluoroscopic based navigation extends the range of applications/the spectrum of indication for this new technology.

Le principe de la radiothérapie est de délivrer le maximum de dose de rayons X à la tumeur en épargnant au mieux les tissus sains environnants. Dans le cas du cancer du poumon, les mouvements respiratoires représentent une difficulté majeure. L’imagerie tomodensitométrique (TDM) 4D fournit des informations de mouvement spécifique à chaque patient qui peuvent servir de base pour la construction de modèles de mouvement respiratoire. La disponibilité dans les salles de traitement d’imageurs tomographiques embarqués sur les accélérateurs linéaires permet une estimation direct du mouvement et offre des informations plus précises. Un tel système d’imagerie permet entre-autre d’acquérir des images fluoroscopiques : ensemble de projections radiographiques 2D acquises au cours du temps et sous le même angle de vue. Notre approche s’intègre dans des systèmes de synchronisation de l’irradiation avec la respiration. Actuellement, cette technique existe en utilisant pour signal de synchronisation soit un signal externe, soit un signal interne issu du mouvement de marqueurs implantés autour de la tumeur. Notre approche permet d’obtenir un signal de synchronisation obtenu à partir de données internes sans marqueurs implantés. Dans ce cadre, nous avons expérimenté, développé puis évalué 3 méthodes de détection du mouvement à partir de séquences fluoroscopiques. Ces méthodes sont basées respectivement sur la variation de l’intensité, l’extraction de la hauteur du diaphragme et le suivi de blocst. A partir d’un algorithme de mise en correspondance de blocs, nous avons étudié l’homogénéité du mouvement apparent et déterminé, sans a priori géométrique, des régions où le mouvement est uniforme. Nous avons ensuite étudié la corrélation entre le signal interne extrait sur des séquences fluoroscopiques, et un signal extrait d’une vidéo-caméra synchronisée aux séquences fluoroscopiques assimilable à un signal externe. Dans une dernière partie, nous proposons d’estimer le mouvement 3D de la tumeur à partir d’un modèle de mouvement a priori élaboré dans une étape de pré-traitement à l’aide d’images TDM 4D et du signal respiratoire acquis dans la salle de traitement. L’intérêt de notre approche est qu’elle ne nécessite pas de marqueurs implantés ce qui la rend moins invasive que de nombreuses autres techniques. D’autre part, nous proposons un suivi 2D donc potentiellement rapide, mais basé sur un modèle 3D sous-jacent permettant ainsi de retrouver le maximum d’information. Cliniquement, notre approche permettrait de réaliser une adaptation quotidienne aux mouvements inter-sessions. Une des limites de notre approche est qu’elle nécessite une prise d’images ionisantes en continue. Un système hybride basée sur la combinaison d’un signal interne et d’un signal externe permettrait de limiter la dose additionnelle. Des efforts supplémentaires sur la réduction du temps de calcul sont encore nécessaires pour espérer guider un traitement par une telle approche. / Radiotherapy consist of locally exposing target tumor cells to ionizing radiation with the aim of causing irreparable damage to their DNA. Respiratory motion introduces uncertainties in radiation therapy fo lung cancer treatment. The main risks are an over-irradiation of soft tissue and under-irradiation of tumor. The principal aim of this work is to provide a contribution to the extraction of quantitative motion parameters which can help to improve treatment planning. Recent developments have led to the routine acquisition of four-dimensional computed tomography (4DCT) and cone-beam computed tomography (CBCT) for the planning and delivery of certain treatment strategies. The availability of these images over the course of treatment make them particularly suited for providing patient-specific motion information and deriving motion models. Cone-beam is mainly use for its 3D capacity with the rotation system. But it can also acquire fluoroscopic sequences : a set of 2D projections acquired during time and under the same angle of projection. Our approach take place in the gating category treatment where the dose delivery is synchronized with respiration. For lung cancer treatment with gated radiotherapy, tracking apparent respiratory motion in fluoroscopic images is an important step. It is frequently realize using implanted marker next to the tumor. The first purpose of this study is to extract respiratory motion during treatment delivery from fluoroscopy images without implanted markers. We developed 3 methods inspired from literature and compared them. These methods are respectively based on variation intensity in the lung, diaphragm motion extraction and block matching. For each method, we obtain a signal correlated to the respiratory motion. In a second part, we study the spatial variation of the motion in the lung. We try to determine regions where the extracted apparent motion is homogeneous and reliable. Using an adapted block-matching algorithm on fluoroscopic sequences, we extracted individual point trajectories in region of interest corresponding to the lung and classified them using the k-means++ clustering algorithm. We then studied the apparent motion separately in each determined region. As a result, we obtained regions with homogeneous motion. In a third part, we are interested in the correlation of internal and external motion. Finally, in the last section, we propose to estimate 3D motion tumor from an a priori motion model obtained with the planning 4DCT and the respiratory signal extracted in the treatment room.

Einleitung: Die Ellbogengelenkdysplasie (ED) stellt eine der häufigsten Lahmheitsursachen bei jungen Hunden mittelgroßer und großer Rassen dar. Dabei wird der radioulnaren Inkongruenz eine maßgebliche Rolle in der Pathogenese zugesprochen. GUILLOU und Mitarbeiter (2011) konnten zeigen, dass eine axiale radioulnare Translation von bis zu 1 mm in gesunden kaninen Ellbogengelenken in vivo auftritt. Auf dieser Basis entstand die Hypothese einer vermehrten radioulnaren Beweglichkeit in dysplastischen Gelenken, die zu einer dynamischen Inkongruenz führen könnte, da ca. 40 % der Patienten keine messbare Stufe aufweisen. Ziele der Untersuchungen: Ziel der Studie war der Vergleich der dynamischen radioulnaren Inkongruenz bei orthopädisch gesunden und dysplastischen Hunden in vivo. Material und Methoden: Sieben dysplastische Ellbogengelenke von sechs Hunden und sechs orthopädisch gesunde Ellbogengelenke von fünf Hunden sind in die Studie eingegangen. Alle Probanden der ED Gruppe zeigten einen fragmentierten Processus coronoideus medialis ulnae. Nach Implantation von jeweils mindestens drei Markern in Humerus, Radius und Ulna erfolgte die biplanare, fluoroskopische Untersuchung der Gelenke, während die Hunde im Schritt auf einem Laufband geführt wurden. Die gewonnenen Röntgenvideoaufnahmen wurden aufgearbeitet und die gemessene Bewegung der Marker auf rekonstruierte dreidimensionale Knochenmodelle jedes Probanden übertragen. Alle Animationen wurden visuell beurteilt und anschließend die relative radioulnare und humeroulnare Bewegung an den animierten Knochenmodellen gemessen und als Translation in Millimeter und Rotation in Grad angegeben. Weiterhin wurden die Kontaktflächenmuster für die ulnare Gelenkfläche in dysplastischen und gesunden Gelenken bestimmt und gegeneinander visuell verglichen. Ergebnisse: Für die relative radioulnare Translation konnten in der Kontrollgruppe 0,7 mm und in der ED Gruppe 0,5 mm gemessen werden. Beide Werte unterschieden sich nicht signifikant voneinander (P= 0,2092; Konfidenzintervall -0,6 – 0,2). Die relative humeroulnare Rotation lag in der Kontrollgruppe bei 2,9 Grad und in der ED Gruppe bei 5,3 Grad. Damit lag ein signifikanter Unterschied zwischen beiden Gruppen vor (P= 0,0229; Konfidenzintervall 0,4 – 4,4). Die Kontaktflächenmuster zeigten in der Kontrollgruppe, während der dargestellten Fußungsphase, eine homogene Verteilung des Kontaktes über das gesamte mediale Koronoid. Hingegen konnte in dysplastischen Gelenken eine Reduktion des Kontaktes im kraniolateralen Anteil des Koronoids beobachtet werden. Schlussfolgerung: Die radioulnare Bewegung zeigt zwischen gesunden und dysplastischen Gelenken keinen signifikanten Unterschied auf. Die Hypothese einer ausgeprägten Translation zwischen Radius und Ulna in Gelenken erkrankter Hunde, die während der Bewegung zu einer dynamischen RUI führt kann damit widerlegt werden. Allerdings zeigt der Humerus in dysplastischen Gelenken eine vermehrte Rotationsbewegung, die zu einer Verlagerung der Trochlea humeri gegen den medialen Kronfortsatz führt. Dieser visuell und quantitativ erfasste Effekt spiegelt sich auch in den Kontaktflächenmustern wieder. Da Pathologien im Sinne des FPC typischerweise im Bereich des dargestellten, konzentrierten Kontaktes auftreten, ist davon auszugehen, dass es durch die humerale Rotation zu einer vermehrten Belastung des Koronoids kommt, welche zur Fragmentation des Kronfortsatzes führen kann. Die Ursache dieser vermehrten Bewegung ist derzeit nicht bekannt. Möglicherweise spielen Weichteilpathologien eine Rolle, ähnlich der Pathogenese der Hüftgelenksdysplasie. Neben der bereits bekannten und beschriebenen statischen RUI scheint die Rotationsinstabilität des Humerus eine entscheidende Rolle in der Pathogenese der ED zu spielen, insbesondere in kongruent erscheinenden Gelenken. / Introduction: Elbow dysplasia (ED) is one of the most frequent reasons for forelimb lameness especially in young large breed dogs. Radio-ulnar incongruence is discussed to be one of the main factors in the pathogenesis of ED. GUILLOU et al. (2011) described an axial translation between the radius and the ulna up to 1 mm in sound canine elbow joints in vivo. Based on this study we developed the hypothesis that pronounced radio-ulnar movement in dysplastic joints leads to a dynamic radio-ulnar incongruence. This dynamic incongruence might explain why 40 % of dysplastic dogs show no measurable step formation. Objective: The aim of the study was to compare the dynamic radio-ulnar incongruence in sound and dysplastic dogs in vivo. Material and Methods: Seven dysplastic joints in six dogs and six sound joints in five dogs were evaluated. All dysplastic joints showed a fragmented coronoid process and a radio-ulnar incongruence and cartilage lesions on the ulnar and humeral joint surface in a varying degree. A minimum of three Tantalum markers were implanted into the Humerus, Radius and Ulna each. Afterwards biplanar fluoroscopic gait analysis was performed while the dogs were walking on a treadmill. Gained marker movement was transferred onto reconstructed three dimensional CT bone models of each dog. The 3D animations were visually assessed and relative movement between the radius and ulna as well as between the humerus and ulna was measured and expressed as translation (millimeter) and rotation (degree). Further the joint contact patterns of the ulnar joint surface were determined for all dysplastic and sound joints and visually compared to each other. Results: Relative radio-ulnar translation was 0.7 mm in sound joints and 0.5 mm in dysplastic joints. There was no significant difference between these two groups (P= 0.2092; convidence interval -0.6 to 0.2). A significant difference between the dysplastic and the sound group was present in the relative humeral rotation (P= 0.0229; convidence interval 0.4 to 4.4). Humeral rotation relative to the ulna was 2.9 degree in sound and 5.3 degree in dysplastic joints. Humero-ulnar contact at the medial coronoid process was evenly distributed over the medial coronoid process in control elbows, while contact area in dysplastic elbows was reduced and shifted to the lateral aspect of the medial coronoid process Conclusion: Radio-ulnar movement is not significantly different between dysplastic and sound elbow joints. So the hypothesis of a pronounced axial translation between the radius and the ulna in dysplastic joints, leading to dynamic RUI can be neglected. However the humerus shows a significantly pronounced rotational movement in dysplastic joints compared to sound elbows. The trochlea humeri moves towards cranio-lateral and hits the medial coronoid process at its cranio-lateral aspect. The effect of this rotational movement can be shown in the joint contact patterns of the ulnar joint surface. Contact is shifted towards the tip and the lateral aspect of the coronoid process. In that area fragmentation of the medial coronoid process is typically observed. It seems that rotation of the humerus relative to the ulna leads to reduced contact and mechanical overload of the coronoid process. The cause of this increased rotational movement remains unknown. Maybe the documented movement could be interpreted as joint instability similar to the pathogenesis of hip dysplasia in which soft tissue laxity results in joint instability and degenerative joint disease. Besides the already described static radio-ulnar incongruence humeral rotational instability seems to play a role in the pathogenesis of elbow dysplasia, especially in congruent joints.

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

Die Ruptur des vorderen Kreuzbandes (VKB) zählt zu den häufigsten Bandverletzungen des Menschen und wird vor allem bei jungen, aktiven Menschen primär operativ versorgt. Obwohl sich das Verständnis der Anatomie, Funktion und die Operationstechniken stetig verbessert haben ist heute die Revisionsrate nach VKB - Operation hoch. Die optimale Platzierung der Insertionspunkte ist unter arthroskopischen Bedingungen einer der kritischsten Schritte der Operation. Das Ziel der Studie war, ein Bildwandler (BV) basiertes Navigationsverfahren zu entwickeln und zu evaluieren, mit dem der femorale Bohrkanal anhand etablierter geometrischer Schablonen präzise navigiert angelegt werden kann. Die Anlage des tibialen Bohrkanals sollte in Relation zur Anatomie des Patienten auf BV-Bildern dargestellt werden können. Zur Ermittlung der Präzision des Systems wurden Insertionspunktlagen anhand abgewandelter geometrischer Schablonen mit dem Navigationssystem bestimmt, deren Lage am Modell radiologisch ausgewertet und mit den geplanten Sollwerten statistisch verglichen wurde. Außerdem wurden der Einfluss von Projektionsfehlern des BV-Bildes durch Rotation der Modelle um die Quer- und Längsachse und der Einfluss von Planungsungenauigkeiten untersucht. Das am Modell entwickelte System wurde anschließend im klinischen Einsatz auf Praktikabilität validiert. Es hat sich gezeigt, dass die femoralen Insertionspunkte am Modell unabhängig von der verwendeten Schablone mit einer hohen Präzision bestimmt werden können. Die medianen Abweichungen vom Sollwert in proximal-distaler (PD) - Richtung und in anterior-posteriorer (AP) - Richtung lagen bei allen Schablonen unter 1,00 mm. In PD-Richtung zeigte die Schablone nach Hertel et al. eine signifikant geringere Abweichung vom Sollwert als die Schablone nach Klos et al.. In AP-Richtung wurden mit der Schablone nach Hertel et al. signifikant geringere Abweichungen als mit den beiden anderen Schablonen erreicht. Bei Bestimmung des Projektionsfehlers durch Rotation lag die mediane Abweichung pro 1°-Rotation um die Längsachse in proximal-distaler (PD) - Richtung bei 0,31 % bzw. 0,07 mm und in anterior-posteriorer (AP) - Richtung bei 0,36 % bzw. 0,17 mm. Bei Quer-Rotation lag die mediane Abweichung pro 1°-Rotation in PD-Richtung bei 0,25 % bzw. 0,06 mm und in AP-Richtung bei 0,64 % bzw. 0,30 mm. Bei den Untersuchungen zur Abweichung durch Planungsungenauigkeit hat sich gezeigt, dass bei allen drei Schablonen Planungsfehler in anterior-posteriorer Richtung entlang der Blumensaat-Linie (BSL) die geringsten Auswirkungen auf die Lage des femoralen Insertionspunktes haben. Abweichungen bei der Planung in Richtung DISTAL / BSL(post.) und PROXIMAL / BSL(post.) haben die größten Fehler erbracht. / The Anterior Cruciate Ligament (ACL) is one of the most often torn ligaments of the musculoskeletal system. Especially in young and active people torn ACL are mainly treated surgically. Despite an increasing knowledge of the anatomical, functional and operative aspects about the ACL, there is still a high rate of long-time failures. Optimal positioning of the ACL-graft during arthroscopic reconstruction is of paramount importance in order to get good results. The aim of this project was to develop and evaluate a fluoroscopically based navigation system which could be used to precisely place the femoral drill hole with help of geometrical templates. The placement and orientation of the tibial tunnel was intended to be displayed on x-rays in relation to the patient’s anatomy. To determine the system’s precision, insertion sites where defined at the fluoroscopic image using geometrical templates and marked on plastic femur models with the help of navigation. The position of the insertion sites on the model was radiologically identified and statistically compared with the aimed ones. Additionally the influence of fluoroscopic projection errors due to axial and planar rotation of the models was tested. Following the model tests, the developed system was clinically tested in the OR to test its feasibility. The model tests revealed a high precision in femoral placement of the insertion sites independent from the three used templates (Hertel et al. / Klos et al. / Cazenave et al.). The median deviations from the aimed positions were in proximal-distal (PD) and in anterior-posterior (AP) direction both below 1.00 mm. In PD-direction the template by Hertel et al. showed a significantly lower deviation from the aimed position than the template developed by Klos et al.. In AP-direction the template by Hertel et al. showed a significantly lower deviation than the two others. The mean projection error due to longitudinal rotation per 1° was for PD-direction 0.31 % (0.07 mm) and in AP-direction 0.36% (0.17 mm). For planar rotation the median projection error per 1° was 0.25% (0.006 mm) for PD-direction and 0,64% (0.30 mm) for AP. The tests for deviation from the aimed position due to imprecise planning revealed for all templates least deviation along the Blumensaat-line (BSL) and most deviation in direction DISTAL / BSL(post.) and PROXIMAL / BSL (post.).