Kinematik des kraniozervikalen Übergangs beim Cavalier King Charles Spaniel und Labrador Retriever

Der kraniozervikale Übergang des Hundes stellt die mobilste Stelle der Wirbelsäule dar, die gleichzeitig zu den komplexesten Bewegungsmustern fähig ist. Bei den Zwergrassen ist damit auch eine erhöhte Anfälligkeit für Anomalien und Erkrankungen, wie die atlantoaxiale Instabilität oder das atlantookzipitale Overlapping vergesellschaftet. Das Wissen um die Biomechanik dieser Wirbelsäulenregion stellt neben den anatomischen Kenntnissen eine wichtige Grundlage für unser Verständnis dieser Erkrankungen dar. Die beiden ersten Studien zur physiologischen in vivo Bewegung des kraniozervikalen Übergangs beim Hund während der Fortbewegung wurden von Kelleners (2019) und Schikowski (2020) erstellt und erweitern die auf Kadaverstudien und Präparaten basierenden Erkenntnissen zu diesem Forschungsgebiet erheblich. Diese Erkenntnisse sollen nun durch die vorliegende Folgearbeit überprüft, gesichert und erweitert werden, um Unterschiede der Bewegung zwischen Zwergrassen und großen Rassen festhalten zu können.
Die Untersuchung umfasst die Analyse der dreidimensionalen in vivo Kinematik des kraniozervikalen Übergangs beim klinisch gesunden Cavalier King Charles Spaniel (n=8) verglichen mit dem Labrador Retriever (n=3) in den Gangarten Schritt und Trab. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den lokomotionsassoziierten Bewegungen am kraniozervikalen Übergang, sowie auf einem alle drei Forschungsarbeiten integrierenden Vergleich der bisher untersuchten Hunderassen (Chihuahua Schritt: n=8, Chihuahua Trab n=4, Labrador Retriever Schritt n=3). Zusätzlich werden Bewegungsmuster bei willkürlichen Kopfbewegungen im Rahmen der Fortbewegung beschrieben und verglichen. Die Methodik wird durch einen Interobserververgleich evaluiert. Die Bewegungsdaten wurden mithilfe des nicht invasiven, markerlosen „Scientific Rotoscoping“, basierend auf der XROMM-Methodik (X-Ray Reconstruction of Moving Morphology), erstellt. Von jedem Probanden wurde virtuell ein dreidimensionales Knochenmodell von Kopf, Atlas, Axis und C3, basierend auf computertomographischen Datensätzen, angefertigt und mit virtuellen Rotationszentren zur Imitation der Zwischenwirbelgelenke erstellt. Im Schritt und Trab wurde von den Probanden auf dem Laufband ein Highspeedvideo und eine synchron dazu aufgenommene Hochgeschwindigkeits-Röntgenvideographie (Fluoroskopie) erstellt. Nach weiteren Bearbeitungsschritten wurde das erstellte Knochenmodell engmaschig an das Fluoroskopievideo angepasst, wodurch die in vivo Bewegung des Probanden dreidimensional im virtuellen Raum nachgestellt wurde. Anhand dieser Datensätze wurden die Bewegungsmessungen dieser Arbeit vorgenommen. Die Methodik der Arbeit ist mit den Vorgängerarbeiten gemein.
Nach den Erkenntnissen der vorliegenden Arbeit kann es als gesichert angesehen werden, dass alle Translations- und Rotationsbewegungen der Gelenkkette, sowie die axiale Rotation des Atlanto-Axialgelenks eine Abhängigkeit von der Lokomotion aufweisen. Des Weiteren liegen deutliche Hinweise auf eine lokomotionsassoziierte sagittale Rotation am Atlanto-Axial- und Atlanto-Okzipitalgelenk vor. Alle erkannten lokomotionsassoziierten Bewegungsmuster der Vorgängerarbeiten konnten anhand der vergrößerten Studienpopulation belegt werden. Diese sind eine biphasische horizontale Translation der Gelenkkette in Abhängigkeit von der Hintergliedmaßenaktion und eine biphasische vertikale Translation und sagittale Rotation der Gelenkkette in Abhängigkeit von der Vordergliedmaßenaktion, eine monophasische, zeitlich gekoppelte laterale Translation und Rotation der Gelenkkette in gleicher oder gegensätzlicher Richtung, eine axiale Rotation der Gelenkkette in Abhängigkeit von der Vordergliedmaßenaktion, eine zur sagittalen Rotation der Gelenkkette entgegengesetzte sagittale Rotation des Atlantokzipitalgelenks, sowie eine zeitliche Kopplung der lateralen Rotation der Gelenkkette mit entgegengesetzter axialen Rotation. Die schrittzyklusassoziierte axiale Rotation der Gelenkkette im Schritt findet zeitgleich mit einer entgegengesetzten axialen Rotation des Atlanto-Axialgelenks statt, im Trab ist die axiale Rotation beider Gelenke richtungsgleich. Auch nicht lokomotionsassoziierte Bewegungsmuster im Rahmen von willkürlichen, aktiven Kopfbewegungen konnten bestätigt werden. Es besteht eine Kopplung zwischen der axialen und lateralen Rotation am Atlanto-Axial- und Atlanto-Okzipitalgelenk.
Zwischen den verschiedenen Hunderassen herrschen geringe Unterschiede in der Time of Occurence, vor allem für die Bewegungen der gesamten Gelenkkette, die grundsätzlichen Bewegungsmuster sind jedoch rasseübergreifend an allen Gelenken gleich.
Die Bewegungsumfänge der Translationsbewegungen der Gelenkkette sind in absoluten Zahlen beim Labrador Retriever am größten, nach Normierung auf die Widerristhöhe weist der Chihuahua die größten Bewegungsumfänge auf. Bei den Rotationsbewegungen der Gelenkkette sind die größten Bewegungsumfänge im Schritt und Trab beim Labrador Retriever messbar. Im Schritt weist der Chihuahua am Atlanto-Axial- und Atlanto-Okzipitalgelenk für alle drei Rotationsfreiheitsgrade die größten Bewegungsumfänge auf, im Trab sind am Atlanto-Okzipitalgelenk für alle Rotationsfreiheitsgrade und am Atlanto-Axialgelenk für die axiale Rotation beim Chihuahua ebenfalls die größten Bewegungen messbar. Die Range of Motion der lateralen Rotation am Atlanto-Axialgelenk ist im Schritt beim CKCS am größten, die sagittale Rotation ist beim Labrador Retriever und Chihuahua im Trab etwa gleich groß. Die Hauptbewegungsrichtung des Atlanto-Axialgelenks während der Lokomotion ist die axiale Rotation, am Atlanto-Okzipitalgelenk die sagittale Rotation.
Die ermittelten Bewegungsumfänge in dieser Arbeit setzen sich aus lokomotionsassoziierten und willkürlichen Kopf-Hals Bewegungen zusammen und sind damit für keine der beiden Kategorien alleine repräsentativ.
Der Interobserververgleich beweist eine hohe Belastbarkeit der erkannten Bewegungsmuster und Bewegungsumfänge für die Translations- und Rotationsbewegungen der Gelenkkette. Der Zeitpunkt, die Dauer und die Range of Motion der Rotationsbewegungen am Atlanto-Axial- und Atlanto-Okzipitalgelenk zeigen eine deutliche Anwenderabhängigkeit.
Die Studie zeigt, dass die grundlegenden Bewegungsmuster des kraniozervikalen Übergangs während der Fortbewegung und den aktiven Kopfbewegungen nicht rassespezifisch, jedoch hochwahrscheinlich speziesspezifisch gültig sind. Die Untersuchung des Atlanto-Axial- und Atlanto-Okzipitalgelenks sollte aufgrund einer gewissen Anwenderabhängigkeit der Methodik bei kleineren Intervertebralbewegungen zum Beispiel durch die Schaffung besserer Orientierungspunkte für den Anwender bei der Datenakquisition erweitert werden. The craniocervical junction is the most mobile region of the entire spine and has the capability of complex movement patterns. Owing to their predisposition for abnormalities of the craniocervical junction such as atlanto-axial instability or atlanto-occipital overlap the craniocervical junction of toy dog breeds is of particular interest in research. Knowledge of biomechanics and anatomy form the basis of our understanding of these diseases. Extending the knowledge originating from cadaveric studies and investigations under general anesthesia, Kelleners (2019) and Schikowski (2020) published the first in vivo studies addressing the physiological motion of the craniocervical junction in dogs during locomotion. This study aims at verifying and extending the results of these studies and to detect general differences between small dog breeds, which owe a predisposition for diseases of the craniocervical junction, and large dog breeds concerning craniocervical motion.
This study is a detailed three-dimensional non-invasive cinematic in vivo analysis of the craniocervical junction of sound Cavalier King Charles Spaniels (n=8) in comparison to sound Labrador Retrievers in walk and trot. The main foci are the description of motions depending on the gait cycle and a comparison of the motion data of all three investigated dog breeds integrating the results of the previous studies (Chihuahuas walk: n=8, trot: n=4; Labrador Retrievers walk: n=3). Additionally, motion patterns of arbitrary, active head movements during locomotion are concerned. The methodology is assessed by an interobserver agreement. Motion data were obtained by using scientific rotoscoping, a non-invasive, markerless XROMM-method (X-Ray Reconstruction of Moving Morphology). Of each proband a three-dimensional bone model of the head, atlas, axis and C3, based on computer tomographic data sets, was virtually prepared and provided with virtual joints. A synchronously recorded highspeed and biplanar fluoroscopy video was obtained in walk and trot on a treadmill and after processing the data, the bone model was matched with the fluoroscopy video to generate a three-dimensional animation of the dog’s real time motion. Based on this data, highly accurate measurements are possible.
The dependency of translational and rotational motions of the whole bone model in all degrees of freedom and axial (roll) rotation of the atlanto-axial joint on the gait cycle are confirmed. Furthermore, evidence of gait cycle dependent sagittal (pitch) rotations of the atlanto-axial and atlanto-occipital joint is existent. All motion patterns recognized by the previous studies could be confirmed by means of an increased study population. These are: biphasic horizontal translation of the bone model dependent on the hindlimb stance phase, biphasic vertical translation und sagittal rotation of the bone model dependent on the forelimb action, monophasic temporally coupled lateral translation and lateral rotation (yaw) of the bone model to the same or opposite direction, axial rotation of the bone model dependent of forelimb action, sagittal rotation of the bone model and atlanto-occipital joint to opposite directions, temporally coupled lateral rotation and axial rotation of the bone model to opposite directions. Gait cycle-dependent axial rotation of the bone model during walk shows the opposite direction to the temporally coupled axial rotation of the atlanto-axial joint, while they move to similar directions during trot. Patterns of arbitrary active motions of the head like coupled axial and lateral rotation of the atlanto-axial and atlanto-occipital joint were confirmed as well.
Small differences between the breeds concerning the time of occurrence of the whole bone model’s motions were detected although general motion patterns of all joints were equal among the breeds.
Absolute ranges of motion of the translational movements are largest in Labrador Retrievers, while translational ranges of motion scaled to withers height were largest in Chihuahuas.
Rotational movements of the bone model in walk and trot are largest in Labrador Retrievers. Concerning the atlanto-axial and atlanto-occipital joint in all rotational degrees of freedom, the largest ranges of motion in walk are detectable in the Chihuahua. For trot, the Chihuahua shows the largest ranges of motion in all rotational degrees of freedom of the atlantooccipital joint as well as for axial rotation of the atlanto-axial joint. For the atlanto-axial joint in trot, the CKCS shows the largest lateral rotation and sagittal rotation in the Labrador Retriever and Chihuahua are equal. The main direction of motion of the atlanto-axial joint during locomotion is axial rotation, for the atlanto-occipital joint it is sagittal rotation.
The ranges of motion measurements in this study are composed of gait cycle-dependent movements and arbitrary movements of the dogs which leads to non-representative values for both motion categories.
The interobserver agreement proves the high validity of the motion patterns and ranges of motion of the translational and rotational motions of the bone model identified by the studies. Timing, duration and magnitude of rotations of the atlanto-axial and atlanto-occipital joint show a distinct investigator-dependency.
This study proves that basic motion patterns of the craniocervical junction during locomotion and arbitrary head movements are not specific for breeds regardless of their size but rather specific for the species. Against the backdrop of a given investigator-dependency of the motion of the atlanto-axial and atlanto-occipital joint, the methodology should be improved for example by generating more distinct landmarks to support the investigator.