Kinetische Auswertung des Schrittes von Jungrindern und Kühen auf einem instrumentierten Laufband

Zusammenfassung

Gegenstand und Ziel: Daten über die Schrittcharakteristika oder die Bodenreaktionskräfte von Milchkühen gewinnen zunehmend an Bedeutung. Deshalb wurden kinetische Variablen von gesunden Jungrindern und Kühen, die auf einem Laufband im Schritt gingen, dokumentiert und ausgewertet. Material und Methodik: Neun Jungrinder und 10 Kühe wurden an das Gehen auf dem Laufband gewöhnt. Mit dem mit Kraftaufnehmern versehenen Laufband konnten Bodenreaktionskräfte, Schrittlängen und zeitliche Variablen der Stütz- und Hangbeinphasen für alle Gliedmaßen gleichzeitig aufgezeichnet werden. Ergebnisse: Die Kühe gingen bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 1,2 ± 0,05 m/s (Mittelwert ± Standardabweichung) mit einer Doppelschrittkadenz von 43,0 ± 1,9/min und einer Doppelschrittlänge von 1,68 ± 0,1 m. Bei den Jungrindern ergaben sich für die entsprechenden Parameter 1,3 ± 0,04 m/s, 53,7 ± 2,2/min und 1,49 ± 0,05 m. Der zeitliche Anteil der Stützbeinphase relativ zur Dauer eines Doppelschritts war bei Kühen an den Schultergliedmaßen (67%) signifikant größer als an den Beckengliedmaßen (64%). Die Kraft-Zeit-Kurven aller Gliedmaßen waren zweigipflig mit einem Gipfel (FP1) kurz nach dem Auffußen und einem Gipfel (FP2) in der Abstoßphase. Die vertikale Bodenreaktionskraft war an den Beckengliedmaßen bei FP1 am höchsten, an den Schultergliedmaßen bei FP2. Das zwischen den beiden Gipfeln befindliche Minimum lag mit 45–49% der Stützbeinphase kurz vor deren Mitte. Der Anteil beider Schultergliedmaßen am Gesamtimpuls betrug 53,7% bei Kühen und 55,0% bei Jungrindern. Die Lage des Körperschwerpunkts variierte während der einzelnen Bewegungsphasen, war jedoch immer mehr zu den Schultergliedmaßen hin lokalisiert. Schlussfolgerungen: Gesunde Kühe und Jungrinder zeigten einen symmetrischen Gang mit minimalen intraindividuellen Abweichungen. Die Hinterbeine wurden vorwiegend beim Auffußen, die Vorderbeine beim Abstoßen vermehrt belastet. Die Vorderbeine hatten einen größeren Anteil am Gesamtimpuls. Die Untersuchung liefert kinetische Daten für die Ganganalyse von gesunden Kühen und Jungrindern, die bei der automatisierten Erkennung lahmer Rinder nützlich sein können.

Summary

Objective: Kinetic data of stride characteristics and ground reaction forces of cattle become increasingly important as automated lameness detection may be installed in dairy cow housing systems in the future. Therefore, sound heifers and cows were measured on an instrumented treadmill to collect such basic data. Material und methods: Nine heifers and 10 cows were trained to walk on an instrumented treadmill. Vertical ground reaction forces as well as step and stride timing and length variables were measured for all limbs simultaneously. On average, 16 stride cycles in cows and 24 strides in heifers were analysed in each case. Results: The cows walked on the treadmill at an average speed of 1.2 ± 0.05 m/s (mean ± standard deviation), with a stride rate of 43.0 ± 1.9/min and a stride length of 1.68 ± 0.1 m. The heifers had average values of 1.3 ± 0.04 m/s, 53.7 ± 2.2/min and 1.49 ± 0.05 m, respectively. The stance duration relative to stride duration (the duty factor) was for the cows significantly longer in the forelimbs (67%) than in the hind limbs (64%). Force-time-curves of all limbs showed two peaks, one after landing (FP1) and another during push off (FP2). Vertical ground reaction force was highest for FP1 in the hind limbs, but for FP2 in the forelimbs. At all limbs, force minimum between the peaks occurred shortly before midstance. The vertical impulse carried by both forelimbs amounted to 53.7% of the total stride impulse in cows and to 55.0% in heifers. The location of the centre of body mass varied during the stride cycle but was always located more towards the front limbs. Conclusions: Cows and heifers showed a symmetrical walk with minimal intra-individual variations. Relative stride impulse of the front limbs was higher than that of the hind limbs. Peak vertical force in the hind limbs was highest at landing and in the forelimbs at push off. The present study offers kinetic data of sound cows and heifers which might be helpful as guidelines for automated systems for lameness detection in cattle.

Schlüsselwörter

Milchkühe - Ganganalyse - Bodenreaktionskräfte - Lahmheit

Key words

Dairy cattle - gait analysis - ground reaction forces - lameness

• Literatur

• 1 Alsleben B, Russke A, Werde J, Hamann H, Distl O. Messung der Druckverteilung unter den Klauen bei Rindern der Rasse Deutsche Holsteins in den ersten zwei Lebensjahren. Prakt Tierarzt 2003; 84 (03) 232-240.
• 2 Aoki Y, Kamo M, Kawamoto H, Zhang J, Yamada A. Changes in walking parameters of milking cows after hoof trimming. Anim Sci J 2006; 77: 103-109.
• 3 Bicalho RC, Cheong SH, Cramer G, Guard CL. Association between a visual and an automated locomotion score in lactating Holstein cows. J Dairy Sci 2007; 90: 3294-3300.
• 4 Channon AJ, Walker AM, Pfau T, Sheldon IM, Wilson AM. Variability of Manson and Leaver locomotion scores assigned to dairy cows by different observers. Vet Rec 2009; 164 (13) 388-392.
• 5 Chapinal N, De Pasille A, Rushen J. Automated detection of lameness in dairy through measures of weight distribution. 15th International Symposium and 7th Conference on Lameness in Ruminants. Kuopio, Finnland: 2008: 283.
• 6 Chapinal N, de Passille AM, Pastell M, Hanninen L, Munksgaard L, Rushen J. Measurement of acceleration while walking as an automated method for gait assessment in dairy cattle. J Dairy Sci 2011; 94: 2895-2901.
• 7 Chapinal N, de Passille AM, Rushen J. Weight distribution and gait in dairy cattle are affected by milking and late pregnancy. J Dairy Sci 2009; 92: 581-588.
• 8 Chapinal N, de Passille AM, Rushen J, Wagner S. Automated methods for detecting lameness and measuring analgesia in dairy cattle. J Dairy Sci 2010; 93: 2007-2013.
• 9 Chapinal N, de Passille AM, Weary DM, von Keyserlingk MA, Rushen J. Using gait score, walking speed, and lying behavior to detect hoof lesions in dairy cows. J Dairy Sci 2009; 92: 4365-4374.
• 10 de Mol RM, Andre G, Bleumer EJ, van der Werf JT, de Haas Y, van Reenen CG. Applicability of day-to-day variation in behavior for the automated detection of lameness in dairy cows. J Dairy Sci 2013; 96: 3703-3712.
• 11 Flower FC, de Passille AM, Weary DM, Sanderson DJ, Rushen J. Softer, higher-friction flooring improves gait of cows with and without sole ulcers. J Dairy Sci 2007; 90: 1235-1242.
• 12 Flower FC, Sanderson DJ, Weary DM. Hoof pathologies influence kinematic measures of dairy cow gait. J Dairy Sci 2005; 88: 3166-3173.
• 13 Flower FC, Sanderson DJ, Weary DM. Effects of milking on dairy cow gait. J Dairy Sci 2006; 89 (06) 2084-2089.
• 14 Flower FC, Weary DM. Effect of hoof pathologies on subjective assessments of dairy cow gait. J Dairy Sci 2006; 89: 139-146.
• 15 Frankena K, Somers JG, Schouten WG, van Stek JV, Metz JH, Stassen EN, Graat EA. The effect of digital lesions and floor type on locomotion score in Dutch dairy cows. Prev Vet Med 2009; 88: 150-157.
• 16 Herlin AH, Drevemo S. Investigation locomotion of dairy cows by use of high speed cinematography. Equine Vet J Supplement 1997; 23: 106-109.
• 17 Hunt AE, Smith RM, Torode M, Keenan AM. Inter-segment foot motion and ground reaction forces over the stance phase of walking. Clin Biomech 2001; 16: 592-600.
• 18 Huth C, Russke A, Alsleben B, Hamann H, Distl O. Körper- und Klauenmasse sowie Druckverteilung unter den Klauen bei Kalbern verschiedener Rinderrassen. Berl Münch Tierärztl Wschr 2004; 117: 316-326.
• 19 Khumsap S, Clayton HM, Lanovaz JL, Bouchey M. Effect of walking velocity on forelimb kinematics and kinetics. Equine Vet J Supplement 2002; 34: 325-329.
• 20 Mair A, Spielmann C, Diebschlag W, Kräusslich H, Graf F, Distl O. Druckverteilungsmessungen an der Sohlenfläche von Rinderklauen – grundlegende Untersuchungen mit einem neuartigen Messystem. Dtsch Tierärztl Wschr 1988; 95: 325-328.
• 21 Mangweth G, Schramel JP, Peham C, Gasser C, Tichy A, Altenhofer C, Weber A, Kofler J. Lahmheitserkennung bei Kühen durch Messung der Bewegung im Schritt mittels Accelerometer. Berl Münch Tierärztl Wschr 2012; 125: 386-396.
• 22 Meyer SW, Weishaupt MA, Nuss KA. Gait pattern of heifers before and after claw trimming: a high-speed cinematographic study on a treadmill. J Dairy Sci 2007; 90: 670-676.
• 23 Pastell M, Hanninen L, de Passille AM, Rushen J. Measures of weight distribution of dairy cows to detect lameness and the presence of hoof lesions. J Dairy Sci 2010; 93: 954-960.
• 24 Prentice DE, Wright JT. A platform for measuring the walking forces exerted by the bovine foot. J Phys 1971; 219: 2P-4P.
• 25 Rajkondawar PG, Liu M, Dyer RM, Neerchal NK, Tasch U, Lefcourt AM, Erez B, Varner MA. Comparison of models to identify lame cows based on gait and lesion scores, and limb movement variables. J Dairy Sci 2006; 89: 4267-4275.
• 26 Rajkondawar PG, Tasch U, Lefcourt AM, Erez B, Dyer RM, Varner MA. A system for identifying lameness in dairy cattle. Appl Eng Agric 2002; 18: 87-96.
• 27 Schmid T, Weishaupt MA, Meyer SW, Waldern N, Peinen K, Nuss K. High-speed cinematographic evaluation of claw-ground contact pattern of lactating cows. Vet J 2009; 181: 151-157.
• 28 Scott GB. Studies of the gait of Friesian heifer cattle. Vet Rec 1988; 123: 245-248.
• 29 Scott GB. Changes in limb loading with lameness for a number of Friesian cattle. Br Vet J 1989; 145: 28-38.
• 30 Song X, Leroy T, Vranken E, Maertens W, Sonck B, Berckmans D. Automatic detection of lameness in dairy cattle (1) – gait analysis in dairy cattle by vision. Commun Agric Appl Biol Sci 2007; 72: 23-27.
• 31 Telezhenko E, Bergsten C. Influence of floor type on the locomotion of dairy cows. Appl Anim Behav Sci 2005; 93: 183-197.
• 32 Toussaint Raven E. Cattle footcare and claw trimming. 3rd impression. Ipswich, UK: Farming Press; 1989
• 33 van der Tol PP, Metz JH, Noordhuizen-Stassen EN, Back W, Braam CR, Weijs WA. The vertical ground reaction force and the pressure distribution on the claws of dairy cows while walking on a flat substrate. J Dairy Sci 2003; 86: 2875-2883.
• 34 van der Tol PP, van der Beek SS, Metz JH, Noordhuizen-Stassen EN, Back W, Braam CR, Weijs WA. The effect of preventive trimming on weight bearing and force balance on the claws of dairy cattle. J Dairy Sci 2004; 87: 1732-1738.
• 35 Van Hertem T, Maltz E, Antler A, Romanini CE, Viazzi S, Bahr C, Schlageter-Tello A, Lokhorst C, Berckmans D, Halachmi I. Lameness detection based on multivariate continuous sensing of milk yield, rumination, and neck activity. J Dairy Sci 2013; 96: 4286-4298.
• 36 Walker AM, Pfau T, Channon A, Wilson A. Assessment of dairy cow locomotion in a commercial farm setting: the effects of walking speed on ground reaction forces and temporal and linear stride characteristics. Res Vet Sci 2010; 88: 179-187.
• 37 Weishaupt MA, Hogg HP, Auer JA, Wiestner T. Velocity-dependent changes of time, force and spatial parameters in Warmblood horses walking and trotting on a treadmill. Equine Vet J 2010; 42 (Suppl. 38) 530-537.
• 38 Weishaupt MA, Hogg HP, Wiestner T, Denoth J, Stussi E, Auer JA. Instrumented treadmill for measuring vertical ground reaction forces in horses. Am J Vet Res 2002; 63: 520-527.
• 39 Whay H, Main D, Green L, Webster A. Farmer perception of lameness prevalence. Proc. 12th International Symposium on Lameness in Ruminants. Orlando, Florida, USA: 2002: 355-358.