Anja Niehoff - Bewegungsanalysen mit Tieren I

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1 DGfB Nachwuchsworkshop 15. Mai 2013 Giovanni A. Borelli ( ) Bewegungsanalysen mit Anja Niehoff Deutsche Sporthochschule Köln Borelli G ( ) De Motu Animalium ( Etienne-Jules Marey ( ) und Eadweard Muybridge ( ) Warum Bewegungsanalysen mit Tieren? o Verstehen der Bewegungen in Abhängigkeit von physikalischen Gesetzen o Analyse der Funktion des Bewegungsapparates bei Erkrankungen des zentralen oder peripheren Nervensystems, der Muskulatur oder des Skelettsystems o Klinische Ganganalyse o Bewegungsanalyse im Sport o Bestimmung von Kräften/Momenten o Bionik: Vorbild für neue technische Entwicklungen (Robotik) o Baker (2007) Gait Posture 26: Muybridge (1957) Animals in motion. Dover Publications, Inc., New York Analyse des Bewegungsmusters von Mäusen und Ratten Brooks & Dunnett (2008) Nat Rev Neurosci 10: DGfB am 15. Mai 2013 in Ulm 1

2 Gang Analyse von Fußabdrücken o Tiere nutzen verschiedene Gangarten o Bipedie - Quadrupedie o Symmetrischer Gang - Asymmetrischer Gang o Auswahl ist abhängig von Geschwindigkeit, Gelände, Energieeffizienz oder Notwendigkeit von Manövern o Einfluss der Anatomie Rubenson et al. (2007) J Exp Biol 210: Bowerman et al. (2012) Neuromuscul Disord 22: Tunnelsystem Plattform aus Glas Licht Spiegel Coulthard et al. (2003) J Neurosci Meth 128: Lee et al. (2009) PLoS One 4: e7868 CatWalk XT, Noldus InformationTechnology ( DGfB am 15. Mai 2013 in Ulm 2

3 o Videografische oder optoelektronische Systeme o High-Speed Video o 2D oder 3D o Goniometer o Fluoroskopie Probleme o Motivation zur Bewegung o Bewegungsanweisung nicht möglich o gleichbleibende Geschwindigkeit o Lichtempfindlichkeit der Tiere o Analysen im Feld: Lichtverhältnisse o Freiwilliges Laufen durch einen Tunnel o Laufen auf dem Laufband Canu et al. (2005) Behav Brain Res 157: Hobbs et al. (2010) Vet Med Austria 97: Hautmarker o Fell o Palpieren und Platzieren (unter Zeitdruck) o Tiere lösen oder zerstören Marker o Schwitzen o starke Hautverschiebung o Marker werden verdeckt o Markerpfade überkreuzen sich Ren et al. (2008) J Exp Biol 211: Canu et al. (2005) Behav Brain Res 157: Hautverschiebungen Gang Ratte: Kniegelenk Bewegungsanalyse Elefant Filipe et al. (2006) J Neurosci Meth 153: / Couto et al. (2008) J Neurosci Meth 173: Ren et al. (2008) J Exp Biol 211: DGfB am 15. Mai 2013 in Ulm 3

4 Elefant: 1,26 m -1 Elefant: 4,81 m -1 Ren et al. (2008) J Exp Biol 211: Ren et al. (2008) J Exp Biol 211: Kinetik Elektromyographie (EMG) o Kraftmessplatte/Druckverteilungssohlen o Beschleunigungsaufnehmer/Dehnungsmessstreifen Clyton & Schamhardt (2001) In: Back & Clayton: Equine locomotion, Elsevier Health Sciences, Norwich, England Gillette & Angle (2008) Vet J 178: Zur Verfügung gestellt von H. Ernst, Biovision Zusammenfassung Bewegungsanalysen mit Tieren o Hautmarker sind nur begrenzt und nicht bei allen Tieren einsetzbar Fluoroskopie o Standardisiertes Bewegungsverhalten schwierig Laufband o Oberflächen-EMG nicht bei allen Tierspezies einsetzbar Nadel-EMG o Problem: Massenträgheitsmomente und Massenverteilung o Bestimmung von resultierenden Kräften und Momenten möglich Vielen Dank! DGfB am 15. Mai 2013 in Ulm 4

5 Tim Wehner - Bewegungsanalysen mit I Hintergrund / Motivation Bewegungsanalysen mit I Muskuloskelettale Lasten im Hinterbein der Ratte T. Wehner, U. Wolfram, T. Henzler, F. Niemeyer, L. Claes, U. Simon Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik, Direktor: Prof. A. Ignatius Zentrum für Muskuloskelettale Forschung () Universität Ulm Primäre Knochenheilung Kallusheilung Pseudarthrose Interfragmentäre Bewegung Hintergrund / Motivation Entwicklung des invers-dynamischen Modells F??? Anatomie Knochen Gelenke Muskeln AnyBody Muskelkräfte Interne Lasten Ziele: - Entwicklung eines numerischen Modells des Rattenhinterbeins - Berechnung der internen Lasten im Femur beim Gang Ganganalyse Äußere Belastungen Lösung des unbestimmten Systems durch Optimierung Anatomie Anatomie M. gastrocnemius N. ischiadicus M. soleus µct-scan (160µm)³ Rekonstruktion der Knochen und Muskeln Masse, Schwerpunkt, Massenträgheitsmomente med. C. Femoris L. collaterale tibiale 6. Vorkurs für Nachwuchswissenschaftler der DGfB am 15. Mai 2013 in Ulm 1

6 Tim Wehner - Bewegungsanalysen mit I Boden-Reaktions-Kräfte (GRF) Muskuloskelettales Modell: Muir, G.D.: Whisaw, Q.I.: Ground reaction forces in locomotion hemi-hemiparkinsonian rats. Exp. Brain Res. 126: , 1999 Interne Lasten beim Gang Validierung Keller and Spengler, J Biom 1989 F = x M ξ σ + a A Iξ σ ε = E 6. Vorkurs für Nachwuchswissenschaftler der DGfB am 15. Mai 2013 in Ulm 2

7 Tim Wehner - Bewegungsanalysen mit I Validierung Validierung In-vivo-Messungen (Keller and Spengler, J Biom 1989) Simulation In-vivo-Messungen (Keller and Spengler, J Biom 1989) Simulation Diskussion Berechnung der internen Lasten beim Gang Bestätigung der internen Lasten durch in vivo Messungen Berechnung der Interfragmentären Bewegung (bei bekannter Osteosynthesesteifigkeit) Danksagung: - Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG CL77/19-1) - Prof. Dr.-Ing. Friedrich Mueller Stiftung (T001/14767/2005) - Prof. Fischer, Universität Jena Bessere Kontrolle der biomechanischen Bedingungen in Rattenstudien zur Frakturheilung 6. Vorkurs für Nachwuchswissenschaftler der DGfB am 15. Mai 2013 in Ulm 3