Ein französisches Forscherteam hat ein System für die kostengünstige dreidimensionale Bewegungserfassung unter Wasser und deren Anwendung beim Schwimmen von Pferden entwickelt. Die Methode habe das Potenzial, zu optimalen Reha- und Erholungsprogrammen für Pferde beizutragen, so die AutorInnen.

Rekonstruierte Winkel für die Vorderbeine (helle Farben) und Hinterbeine (dunkle Farben): (a1) Schulter; (a2) Ellenbogen; (a3) Karpalgelenk; (a4) vordere Fessel; (b1) Hüfte; (b2) Knie; (b3) Sprunggelenk; und (b4) hintere Fessel. Fotos: Chloé Giraudet et.al.

Dr. Chloé Giraudet und ihre Forscherkollegen stellten in ihrer Studie einleitend fest, dass Hydrotherapie seit mehr als vier Jahrzehnten in Rehabilitationsprogrammen für Pferde eingesetzt wird. Eine umfassende Beschreibung des Schwimmzyklus von Pferden fehlt jedoch noch, die ForscherInnen – und die Möglichkeit, eine exakte dreidimensionale Bewegungserfassung unter Wasser durchzuführen, könnte viel zum Verständnis der Schwimmbiomechanik beitragen.

Das Forschungsteam hat sich daher – gemeinsam mit der Technischen Universität Compiègne und dem „Centre for Imaging and Research on Equine Locomotor Conditions" – zum Ziel gesetzt, ein erschwingliches, nicht-invasives und benutzerfreundliches markerbasiertes Erfassungssystem zur Analyse der dreidimensionalen Bewegung von Pferden beim Schwimmen zu entwickeln. Das System musste nicht nur wasserdicht sein, sondern auch nicht invasiv sein, sodass es die natürliche Bewegung nicht einschränkte – und es musste so konzipiert sein, dass es keinen zusätzlichen Widerstand oder Widerstand verursachte. Es musste auch hinsichtlich der Messung des Bewegungsbereichs genau sein. Ziel des Studienteams war es, die erfassten Daten mit einer Genauigkeit von 1 Grad zu rekonstruieren und zu analysieren.

Sie begleiteten die Entwicklung des Systems, das an sechs Springpferden getestet wurde, die jeweils ein dreimonatiges Trainingsprogramm absolvierten. Der erste Monat war ein herkömmliches Trainingsprogramm, in den letzten zwei Monaten waren jedoch mehrere Schwimmeinheiten enthalten, bei denen die Unterwasser-Bewegungserfassung zum Einsatz kam.

Bei jedem Pferd wurden vom Veterinärteam 24 scheibenförmige anatomische Markierungen angebracht. Sie wurden an sechs spezifischen anatomischen Stellen an jedem Glied platziert. Zur Analyse wurden Schwimmvideoaufnahmen von sechs kalibrierten Kameras gesammelt. Das einheitliche Koordinatensystem ermöglichte es den Forschern, dreidimensionale Rekonstruktionen der Schwimmbewegung zu entwickeln.

Daraus konnten sie den Bewegungsumfang in den Gelenken der vorderen Gliedmaßen (Schulter, Ellenbogen, Handwurzel und vordere Fessel) und der hinteren Gliedmaßen (Hüfte, Kniegelenk, Fußwurzel und hintere Fessel) für den gesamten Schwimmzyklus berechnen die sechs Pferde.

Die beobachteten Bewegungsbereiche waren: Schulter: 17 Grad ± 3 Grad; Ellenbogen: 76 ± 11°; Karpalgelenk: 99 ± 10°; vordere Fessel: 68 ± 12°; Hüfte: 39 ± 3°; Knie: 68 ± 7°; Sprunggelenk: 99 ± 6°; hintere Fessel: 94 ± 8°.

Durch den Vergleich der Gelenkwinkel während eines Schwimmzyklus mit denen, die bei klassischen Gangarten beobachtet wurden, stellten die ForscherInnen fest, dass die Pferde beim Schwimmen für die meisten Gelenke einen größeren Bewegungsbereich hatten, mit Ausnahme der vorderen und hinteren Fesseln: „Dieser größere Bewegungsbereich wird normalerweise durch einen größeren maximalen Beugewinkel (kleinerer minimaler Winkel der Gelenke) erreicht“, so ihr Befund. Die Genauigkeit des Systems wurde insgesamt als gut beurteilt.

Beispiel für die gleichzeitige Verfolgung der 12 Markierungen auf der linken Seite des Pferdes aus den mit GoPro 1 und GoPro 5 aufgenommenen Videos. Links: Vordere Extremität (Markierungen von oben nach unten: Schulterblatt, Schulter, Ellenbogen, Karpalgelenk, vordere Fessel und vorderer Huf ). Rechts: Hinterbein (Markierungen von oben nach unten: Hüfthöcker, Hüfte, Knie, Sprunggelenk, hintere Fessel und hinterer Huf). Fotos: Chloé Giraudet et.al.

Die AutorInnen wiesen darauf hin, dass die in der Studie identifizierten Gelenkwinkel ein wertvolles Element darstellen, das bei der Entscheidungsfindung im Veterinärbereich zur kundenspezifischen Gestaltung eines effektiven Rehabilitationsplans für ein Tier berücksichtigt werden sollte. Zugleich räumten die ForscherInnen ein, dass die Analyse der Gelenkwinkelwerte und ihres Bewegungsbereichs beim Schwimmen bestehen noch für viele Jahre ein Forschungsgebiet mit zahlreichen offenen Fragen bleiben wird: Die Forschung habe das Potenzial, zu optimalen Reha- und Erholungsprogrammen für Pferde beizutragen.

Ihr – positives – Resümee: „Zusammenfassend stellt unsere Studie eine innovative Methodik für die kostengünstige dreidimensionale Bewegungserfassung unter Wasser und deren Anwendung beim Pferdeschwimmen vor.“ Das entwickelte System biete eine nicht-invasive, kostengünstige und einfach einzurichtende Lösung zur genauen Verfolgung und Rekonstruktion der dreidimensionalen Bewegung großer Tiere, so die ForscherInnen.

Blick von den 6 GoPro-Kameras und betrachteten anatomischen Segmenten: Hellblau stellt die Vorderbeine des Pferdes dar, Dunkelblau die Hinterbeine. Fotos: Chloé Giraudet et.al.

Die verwendeten Methoden ermöglichten auch die Berechnung des Gelenkbewegungsbereichs, der maximalen Beugung und Streckung. „Darüber hinaus ist unser System aufgrund seiner Vielseitigkeit nicht nur auf Pferde, sondern auch auf andere große Tiere und auch auf Menschen anwendbar und bietet eine potenzielle Lösung für die Bewegungserfassung während des Schwimmens, wo bestehende Alternativen teuer, komplex in der Installation oder nachteilig für die Leistung sein können.“

Das von ihnen entwickelte Unterwasser-Bewegungserfassungssystem eröffne Möglichkeiten für weitere Forschung und Anwendungen in verschiedenen Bereichen, so die AutorInnen zusammenfassend: „Diese Methodik verspricht, das Verständnis der Schwimmbiomechanik zu verbessern und wirksame Rehabilitationsstrategien zu ermöglichen.“

Die Studie „Development of a Methodology for Low-Cost 3D Underwater Motion Capture: Application to the Biomechanics of Horse Swimming" von Chloé Giraudet, Claire Moiroud, Audrey Beaumont, Pauline Gaulmin, Chloé Hatrisse, Emeline Azevedo, Jean-Marie Denoix, Khalil Ben Mansour, Pauline Martin, Fabrice Audigié, Henry Chateau und Frédéric Marin ist am 30. Okt. 2023 in der Zeitschrift ,sensors' erschienen und kann in englischer Originalfassung hier nachgelesen werden.