Validierung der Videoanalysesoftware Kinovea® für die kinematische Ganganalyse des Hundes

Winkler, Elena Verena (2025): Validierung der Videoanalysesoftware Kinovea® für die kinematische Ganganalyse des Hundes. Dissertation, LMU München: Faculty of Veterinary Medicine

Abstract

Die dreidimensionale (3D) kinematische computergestützte Ganganalyse gilt als der Goldstandard für eine genaue Bewegungsanalyse, hat jedoch erhebliche Nachteile wie technische Komplexität und hohe Kosten. Mittlerweile werden zum Teil auch zweidimensionale (2D) videobasierte Bewegungsanalysesoftwares eingesetzt, um die Gelenkkinematik von Hunden im klinischen Umfeld kostengünstig zu analysieren. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Genauigkeit von Kinovea® als kostengünstige 2D-Alternative zur kinematischen 3D-Ganganalyse bei gesunden Hunden zu untersuchen, die auf einem Laufband laufen. Die Hypothese lautete, dass mit Kinovea® durchgeführte 2D-Gelenkwinkelmessungen bei Smartphone-Kameraeinfallswinkeln von 45°, 90° und 135° bei ordnungsgemäßer Kalibrierung mit 3D-Gelenkwinkelmessungen mit retro-reflektierenden Markern korrelieren, sofern die Aufnahmen zuvor korrekt kalibriert wurden. Zu diesem Zweck wurden 34 gesunde Hunde (Körpergewicht ≥ 20 kg; Widerristhöhe ≥ 50 cm) in die Studie aufgenommen. Bei allen Hunden wurde eine kinematische 3D- Bewegungsanalyse (VICON-Nexus 2.12.1 ® + Pro Calc 1.6) durchgeführt, während sie auf einem Laufband liefen. Gleichzeitig wurden die Hunde mit drei Smartphones (iPhone SE, Apple Inc, Cupertino, CA, USA) in einer Entfernung von 1,50 m und einem Aufnahmewinkel von 45°, 90° und 135° (60 fps; 1920 x 1080 p) für die kinematische 2D-Analyse mit Kinovea® (Version 0.9.5; http://www.kinovea.org) aufgenommen. Die Gelenkwinkel, Gelenkwinkelgeschwindigkeit, maximale Extension und Flexion und Gelenkbeweglichkeit von Schulter-, Ellenbogen, Karpal-, Hüft-, Knie- und Tarsalgelenk wurde für sechs synchronisierte Gangzyklen in der 90°-Perspektive und drei synchronisierte Gangzyklen in der 45°- und 135°-Perspektive mit dem 3D-Bewegungsanalysesystem und Kinovea® analysiert. Jeder Gangzyklus wurde in 10 Segmente unterteilt. Der geschätzte Unterschied zwischen der 3D-Bewegungsanalyse und Kinovea® wurde für jeden Parameter mit robusten linearen Mischeffektmodellen ausgewertet. Bei einem Aufnahmewinkel von 90° wurde die Übereinstimmung der Gelenkwinkel aus der 3D-Bewegungsanalyse und Kinovea® in allen Abschnitten des Gangzyklus für die Kinematik der Schulter- und Ellenbogengelenke als akzeptabel bewertet. Bei den Karpal-, Hüft-, Knie- und Tarsalgelenkwinkeln stimmten 3D-Bewegungsanalyse und Kinovea® in neun, fünf, vier bzw. vier von jeweils zehn Segmenten des Gangzyklus in akzeptabler Weise überein. Bei einem Aufnahmewinkel von 45° wurde der Winkelunterschied zwischen den beiden Systemen für alle Gelenke außer des Hüftgelenks als akzeptabel erachtet. Bei einem Aufnahmewinkel von 135° wurde der Unterschied für das Schulter-, Knie- und Tarsalgelenk als bedenklich und für das Ellbogen-, Karpal- und Hüftgelenk als annehmbar erachtet. Die Hypothese, dass mit Kinovea® durchgeführte 2D-Gelenkwinkelmessungen, wenn die Smartphonevideos in der Sagittalebene aufgenommen oder in einem Winkel von 45° oder 135° aufgenommen und korrekt kalibriert wurden, mit 3D-Gelenkwinkelmessungen mit retro-reflektiven Markern korrelieren, konnte teilweise bestätigt werden. Die mit Kinovea® analysierten kinematischen 2D-Gelenkwinkel korrelierten sehr gut mit den 3D-Gelenkwinkeln für die Gelenke der Vordergliedmaßen, mit Ausnahme des Karpalgelenks, wenn die Smartphonevideos in der 90°-Perspektive aufgenommen wurden. In der 45°- und 135°-Perspektive korrelierten die mit Kinovea® erhobenen kinematischen Daten weniger gut mit den 3D-Gelenkwinkeln. In der klinischen Praxis oder Forschung, wenn eine kinematische 3D-Ganganalyse nicht durchführbar oder verfügbar ist, bietet Kinovea® eine kostengünstige und einfach zu bedienende Alternative zur kinematischen 3D-Ganganalyse, wenn Kinovea® im Rahmen eines durchdachten Versuchsaufbaus eingesetzt wird. Es wird empfohlen die Videoaufnahmen, wenn möglich, im 90° Winkel zum zu untersuchenden Gelenk durchzuführen.

Abstract

Three-dimensional (3D) kinematic computerized gait analysis is considered the gold standard for accurate motion analysis, but has major drawbacks like technical complexity and high cost. Recently two-dimensional video-based motion analysis software has been employed to analyze canine joint kinematics economically in clinical settings. The aim of this study was to evaluate the accuracy of Kinovea® as a low-cost 2D alternative to 3D kinematic gait analysis in healthy dogs walking on a treadmill. We hypothesized that 2D joint angle measurements performed with Kinovea® at smartphone camera angles of 45°, 90° and 135° would correlate with 3D joint angle measurements with retroreflective markers when properly calibrated, provided that the recordings were previously correctly calibrated. For this purpose, we recruited thirty-four healthy client-owned dogs (body weight ≥ 20kg; withers height ≥ 50 cm). 3D marker-based kinematic motion analysis (VICON-Nexus 2.12.1 ® + Procalc 1.6) was performed on all dogs while walking on a treadmill. Simultaneously, dogs were video-recorded by three smartphones (iPhone SE, Apple Inc, Cupertino, CA, USA) at 1.50 m distance and 45°, 90° and 135° recording angle (60 fps; 1920 x 1080 p) for 2D kinematic analysis with Kinovea® (version 0.9.5; http://www.kinovea.org). The joint angle and joint angle velocity kinematics including maximum flexion, extension and range of motion of the shoulder, elbow, carpus, hip, stifle and tarsus were calculated for six synchronized gait cycles in the 90° perspective and three synchronized gait cycles in the 45° and 135° perspectives using the 3D motion analysis system and Kinovea®. Each gait cycle was divided into 10 increments. The estimated difference between 3D motion analysis and Kinovea® was assessed for each parameter using robust linear mixed effects models. When recorded at a 90° angle 3D motion analysis and Kinovea® were in acceptable agreement for all gait cycle increments for the shoulder and elbow joint angle kinematics. For the carpal, hip, stifle and tarsal joint angles, 3D motion analysis and Kinovea® were in acceptable agreement in nine, five, four and four out of ten increments of the gait cycle, respectively. At a recording angle of 45°, the joint angle difference between the two systems was considered reasonable for most increments of the gait cycle for all joints except the hip. At 135°, the difference was considered to be concerning for most increments for the shoulder, stifle and tarsal joints. For the elbow, carpal and hip joint, the difference was considered reasonable for most increments. The hypothesis that Kinovea®-based joint angle measurements would correlate with 3D joint angle measurements when recorded in the sagittal plane or when recorded at an angle of 45° or 135° and properly calibrated was partially confirmed, as Kinovea® provided accurate joint angle kinematics for the forelimb joints, except for the carpal joint, when recorded in the 90° perspective. In the 45° and 135° perspectives, the joint angle kinematics provided by Kinovea® were less accurate. In clinical or research settings where 3D kinematic gait analysis is not feasible or available, Kinovea® offers a cost-effective and easy-to-use alternative to 3D kinematic gait analysis when used in the correct setup. If possible, it is recommended to record the videos at a 90° angle to the joint to be examined.

• Item Type: Theses (Dissertation, LMU Munich)
• Keywords: 2D- und 3D-Ganganalyse, Kinematik, Hund, Laufband, Bewegungsanalyse-Software
• Subjects: 500 Natural sciences and mathematics; 500 Natural sciences and mathematics > 590 Zoological sciences
• Faculties: Faculty of Veterinary Medicine
• Language: German
• Date of oral examination: 8. February 2025
• 1. Referee: Lauer, Susanne Katja
• Signature of the printed copy: 0001/UMC 31894