Kinematik des Beckens und der kaudalen Lendenwirbelsäule beim Deutschen Schäferhund : eine Untersuchung mittels biplanarer Röntgenvideographie und Scientific Rotoscoping

Abstract

Die Morphologie und Bewegung des lumbosakralen Übergangs beim Deutschen Schäferhund steht aufgrund dessen Prädisposition für die degenerative lumbosakrale Stenose im Fokus der klinischen Forschung. Trotz zahlreicher Studien ist die Entstehung der degenerativen lumbosakralen Stenose und die Ursache für die Rasseprädiposition des Deutschen Schäferhundes für diese Erkrankung bislang weitgehend ungeklärt. Obwohl die MRT-Untersuchung heute den Gold Standard für die Diagnostik des Cauda equina Kompressionssyndroms darstellt, besteht bekanntermaßen eine Diskrepanz zwischen den statischen Befunden in der Bildgebung und der Ausprägung der Klinik, was eine eindeutige Diagnosestellung in vielen Fällen erschwert. Ziel dieser Arbeit war eine detaillierte dreidimensionale nicht invasive in vivo Bewegungsanalyse des Beckens und der kaudalen Lendenwirbelsäule des gesunden Deutschen Schäferhundes (n=4) in den Gangarten Schritt und Trab. Die Untersuchung wurde mittels Scientific Rotoscoping durchgeführt, einem markerlosen Verfahren der XROMM-Methode (X-ray Reconstruction of Moving Morphology). Das Scientific Rotoscoping ist eine kinematische Methode zur Untersuchung der Knochenbewegung von Wirbeltieren in vivo. Die Knochenbewegung wird dabei mittels biplanarer Röntgenvideographie während der Bewegung aufgezeichnet. Die Röntgenfilme geben dabei die exakte Knochenbewegung aus zwei verschiedenen Richtungen wieder. Zusätzlich wird eine Computertomographie des der Wirbelsäule angefertigt. Die zu untersuchenden Knochen (Becken, Kreuzbein, siebter und sechster Lendenwirbel) werden anhand der Daten aus der Computertomographie zu einer dreidimensionalen virtuellen Knochenmarionette rekonstruiert, welche anschließend manuell an die Bewegung aus den Röntgenvideos angepasst wird. Somit entsteht eine dreidimensionale virtuelle Wirbelsäule, welche die reale Bewegung der knöchernen Strukturen während der natürlichen Fortbewegung virtuell widerspiegelt und dreidimensionale Bewegungsmessungen mit hoher Genauigkeit ermöglicht. In der vorliegenden Untersuchung waren die Rotationsbewegungen des Beckens deutlich vom Schrittzyklus der Hintergliedmaßen abhängig. Dies ließ auf eine Übertragung der Hintergliedmaßenbewegung auf das Becken schließen. Die axiale und die laterale Rotation des Beckens zeigte ein monophasisches Bewegungsmuster, während die sagittale Rotation in beiden Gangarten ein biphasisches Bewegungsmuster aufwies. Im Schritt dominierte die axiale (ROM ca. 12°), im Trab die laterale Rotation (ROM ca. 9°) des Beckens. Die Beckenbewegung zeigte zwischen den einzelnen Schritten und Hunden eine gute Übereinstimmung. Die Intervertebralbewegung in der kaudalen Lendenwirbelsäule war nur gering ausgeprägt (etwa 3-4°, Ausnahme sagittale Rotation L7-S1 Trab: ca. 5,1°). Lediglich die sagittale Intervertebralrotation bei L7-S1 und L6-L7 zeigte im Trab eine deutliche Abhängigkeit vom Schrittzyklus. Die axiale Rotation bei L7-S1 war meist unregelmäßig triphasisch ausgebildet. Die Hauptschwingung von L7 war entgegengesetzt zur axialen Beckenrotation gerichtet, jedoch wurde die axiale Rotation der kaudalen Lendenwirbelsäule neben der Beckenbewegung noch von weiteren Schwingungen deutlich beeinflusst. Die axiale Rotation von L6 war unregelmäßig mehrphasig ausgeprägt. Die axiale Rotation in der kaudalen Lendenwirbelsäule war in beiden symmetrischen Gangarten am kleinsten ausgeprägt (L7-S1: ca. 3°, L6-L7: ca. 2,3°).Die laterale intervertebrale Rotation war asynchron zum Schrittzyklus und bei L7-S1 bi-bis triphasisch, bei L6-L7 unregelmäßig mehrphasig ausgeprägt. Die ROM betrug etwa zwischen 3,4 und 3,9°. Bei L6-L7 dominierte die laterale Rotation in beiden Gangarten. Die sagittale intervertebrale Rotation war im Trab biphasisch und synchron zum Schrittzyklus. Dies war bei L7-S1 stärker ausgeprägt als bei L6-L7. Im Schritt war dieser Zusammenhang nicht nachvollziehbar. Die ROM betrug lumbosakral im Schritt um die 3,6° und dominierte im Trab mit ca. 5,1°. Bei L6-L7 betrug die ROM im Schritt ca. 3, im Trab ca. 3,3°. Die intervertebrale Translationsbewegung war in allen 3 Freiheitsgraden minimal mit etwa 0,1-0,2cm. Lediglich die kraniokaudale Translation war im Trab synchron zum Schrittzyklus und zeigte einen biphasischen Kurvenverlauf. Bei Gesamtbetrachtung der Bewegung des Beckens und der kaudalen Lendenwirbelsäule zeigte sich vor allem im Trab eine inverse Bewegung am lumbosakralen Übergang, der sowohl die axiale als auch die sagittale Rotation betraf. Zusätzlich war im Trab eine Kopplung der sagittalen inversen Becken- und L7-Rotation mit der kraniokaudalen Translation von L7 nachvollziehbar, was die Verengung und Erweiterung des lumbosakralen Zwischenwirbelspaltes während des Schrittzyklus im Trab verstärkte. Daneben zeigte sich ein Ausgleich abnormer Beckenbewegungen durch die kaudale Lendenwirbelsäule, um den Stamm in Balance zu halten. Der im Vergleich zu Kadaverstudien geringe Bewegungsumfang in der kaudalen Lendenwirbelsäule bestärkt die Annahme einer stabilisierenden Funktion der epaxialen Muskulatur aus einer Voruntersuchung von Wachs am Beagle (Wachs 2015). Die Ergebnisse der Studie legen den Verdacht nahe, dass die lumbosakrale Bandscheibe beim Deutschen Schäferhund vor allem im Trab einer verstärkten Belastung ausgesetzt ist. Ebenso zeigt die Untersuchung, dass das Gangbild auch bei Hunden einer Rasse sehr komplex und vielfältig ist und vor allem die Intervertebralbewegung von mehr Faktoren als nur dem Schrittzyklus der Hintergliedmaßen beeinflusst wird. Die vorliegende Arbeit liefert damit einen ersten detaillierten Einblick in die Bewegungsvorgänge der kaudalen Lendenwirbelsäule beim Deutschen Schäferhund während der natürlichen Fortbewegung, schafft eine Grundlage für weitere Vergleichsstudien und liefert somit einen Beitrag zum besseren Verständnis des Cauda equina Kompressionssyndroms beim Deutschen Schäferhund. Morphology and motion of the lumbosacral junction are of strong clinical interest in German Shepherd dogs owing to its predisposition for degenerative lumbosacral stenosis and Cauda equina syndrome. Despite numerous scientific studies, the exact cause of this breed predisposition remains unclear. MRI is the gold standard for the diagnosis of cauda equina compression syndrome. However, it is known that there is discrepancy between static imaging and clinical findings, which commonly complicates a definitive diagnosis. The aim of this study was a detailed three-dimensional non-invasive in vivo analysis of pelvic and caudal lumbar motion in healthy German Shepherd dogs in walk and trot. Scientific Rotoscoping, a markerless XROMM method (X-ray Reconstruction of Moving Morphology) was used. Scientific Rotoscoping is a kinematic method to study skeletal motion in vertebrates in vivo. Vertebral and pelvic motion is recorded using biplanar cineradiography. Furthermore, a computed tomography (CT) of the spine is obtained. A three-dimensional virtual bone marionette of the pelvis, sacrum and the last two lumbar vertebrae is designed based on the available reconstructed CT data. The bony marionette is then matched to the biplanar x-ray videos to create a three-dimensional virtual spine, which reflects real time motion and enables highly accurate three-dimensional measurements.In the present study, pelvic rotation was dependent on hind limb motion suggesting transmission of hindlimb movement to the pelvis. Pelvic rotation in the axial and lateral body plane had a monophasic pattern, while sagittal rotation showed a biphasic pattern in both gaits. Axial rotation of the pelvis dominated during walk (ROM about 12°), while lateral rotation dominated during trot (ROM about 9°). Pelvic motion had good overall agreement between various steps and dogs.The intervertebral motion of the caudal lumbar spine was small (about 3-4 °, except for sagittal lumbosacral rotation with about 5,1° during trot). Only sagittal intervertebral rotation at L7-S1 and L6-L7 during trot depended on the gait cycle. Axial lumbosacral rotation usually was irregular and triphasic. The main axial motion of L7 was inverse to the axial pelvic rotation. However, axial rotation of the caudal lumbar spine was influenced by other additional motion than the pelvic motion alone. Axial rotation of L6 was irregularly multiphasic. In both symmetric gaits, axial rotation was smallest in the caudal lumbar spine (L7-S1: about 3°, L6-L7: about 2,3°).Lateral intervertebral rotation was asynchronous to the gait cycle. It was bi- to triphasic at L7-S1 and irregular multiphasic in L6-L7. Range of motion was approximately between 3,4 and 3,9°. At L6-L7, lateral rotation dominated in both gaits.Sagittal intervertebral rotation was biphasic in trot and synchronous with the gait cycle. This was more pronounced at L7-S1 than at L6-L7. Lumbosacral range of motion was about 3,6 ° during walk and dominated during trot with about 5,1°. Range of motion at L6-L7 during walk was about 3°, in trot about 3,3°.Intervertebral translation was minimal with about 0,1-0,2cm in all 3 degrees of freedom. Only craniocaudal translation was synchronous to the gait cycle and showed a biphasic curve.Overall, motion of the pelvis and the caudal lumbar spine showed an inverse motion for axial and sagittal rotation at the lumbosacral junction, especially during trot. In addition, a coupling of sagittal inverse pelvic and L7 rotation with craniocaudal translation of L7 could be demonstrated during trot. This coupling increased the narrowing and dilation of the lumbosacral intervertebral disc space. Furthermore, abnormal pelvic movements were counterbalanced by the caudal lumbar spine. The low range of motion in the caudal lumbar spine, compared to cadaver studies, supports the thesis of a stabilizing function of epaxial muscles by Wachs (Wachs 2015). The results of the study suggest that the lumbosacral intervertebral disc of the German Shepherd dog is exposed to increased stress especially at the trot. Moreover, the study underlines that the gait and motion patterns are very complex and vary between individual dogs and even steps. Intervertebral motion is influenced by more factors than just the gait cycle of the hindlimbs. The present work provides a first detailed insight into kinematics of the caudal lumbar spine in the German Shepherd dog as a basis for further comparative studies and therefore contributes to a better understanding of the Cauda equina compression syndrome in the German Shepherd dog.