一种基于振动的弹性成像方案在评估精英运动员跟腱刚度随关节角度变化时的可靠性

摘要

本方案描述了一种标准化、便携式的基于超声的检测方法，用于在精英运动员中，于多个踝关节角度下量化跟腱的功能性刚度谱，从而实现对不同负荷条件下肌腱力学行为的可靠且可重复的评估。

摘要

跟腱的力学行为在运动表现和损伤风险中起着关键作用；然而，体内评估肌腱刚度仍然具有挑战性。结合超声成像与测力法的传统方法成本高昂，局限于实验室环境，且通常仅适用于单一关节位置，而现有的基于弹性成像的技术则常常受限于方法学假设或功能相关性不足。

本研究旨在提出并验证一种标准化、便携式的方案，用于量化跟腱在多个固定踝关节角度下的功能刚度谱。该方法将传统的单一静态刚度评估转变为连续的力学特征分析，能够捕捉肌腱在载荷作用下的非线性力学响应。通过力-超声融合系统，对肌腱施加机械诱导的低频振动，同时利用基于超声的运动追踪技术，估算表层肌腱组织的剪切弹性模量。测量在男性精英运动员双侧肢体上进行，踝关节位置预先设定，涵盖从放松和跖屈状态到中立位及背屈位置的多个角度。

该方案在所有关节角度下均表现出良好的试验内重复性和优异的会话内可重复性，变异系数保持在软组织弹性成像的可接受范围内，组内相关系数表明可靠性高。跟腱刚度随着背屈角度的增加呈非线性升高，提示其力学行为具有角度依赖性。在整个功能活动范围内未观察到优势侧的显著主效应，但在特定关节角度下出现了与运动项目相关的差异。

本方案提供了一种实用且可重复的方法，用于在功能相关的加载条件下表征跟腱的力学行为。其便携性和标准化操作流程使其适用于实验室、临床及现场应用，为运动员监测、损伤风险评估以及跟腱适应性的长期评价提供了有价值的工具。

引言

跟腱在高性能人体运动中起着关键作用，通过在拉伸-缩短循环（SSC）动作中传递肌肉力量以及储存和释放弹性能量来实现其功能¹。其力学刚度是决定运动效率的关键因素，影响着在位移运动和爆发性任务中的力量传递、弹性能量再利用以及整体机械输出²。在精英运动员中——尤其是从事短跑、跳跃及其他以SSC为主的运动项目者——较高的跟腱刚度始终与更优的短跑速度、加速度、跑步经济性、跳跃表现以及力量发展速率相关³。长期训练暴露和短期机械负荷均已被证实可引起肌腱刚度的可测量变化，反映出肌腱组织的适应能力^4,5。相反，跟腱病等病理状态通常表现为刚度改变，即使肌肉力量保持正常，也可能损害力量传递功能⁶。跟腱病的影响十分显著：在精英体育中，它导致大量训练或比赛时间损失、运动表现下降，并可能缩短职业生涯；而在普通活跃人群中，它是一种高度普遍且难以治愈的问题，会降低生活质量并带来巨大的医疗成本。因此，对跟腱刚度进行准确可靠的评估，对于运动员群体的运动表现监测、负荷管理以及损伤相关评估至关重要。

目前，超声成像与测力计的结合被广泛视为体内评估肌腱刚度的参考方法⁷....

方案

本研究经北京体育大学研究伦理委员会批准（批准号：2025608H），所有操作均遵循《赫尔辛基宣言》的规定。所有参与者均签署了书面知情同意书，同意参与研究并发表匿名化图像。

受试者准备

受试者招募与纳入标准

研究对象来自国家级运动队，包括18至26岁的男性职业运动员，涵盖多个运动项目（如短跑、网球、篮球）。所有参与者均经过筛选，确保其体重指数（BMI）正常¹⁶。优势腿通过询问参与者用哪条腿踢球来确定。

纳入与排除标准

受试者需满足以下纳入标准：男性，体重指数正常，且具有国家级运动资质。排除标准包括：有踝关节损伤或手术史，患有神经系统或全身性疾病，存在涉及跟腱或周围结构的急性肌肉骨骼疼痛或炎症，以及自我报告使用合成代谢类药物。

测试环境与测试前说明

所有测量均在标准化的实验室条件下进行，所有受试者使用相同的测试房间和....

结果

在解读统计结果之前，必须明确本方案成功实施与失败实施的判定标准。受试者的人口学特征见表1。成功的测量在图像上表现为高质量的B型图像，显示肌腱纤维结构清晰、连续，并与皮肤表面平行，同时在预定义的兴趣区（ROI）内具有稳定且均匀的弹性成像彩色图谱（如图2所示）。从定量角度而言，若单次采集获得的连续数据点的变异系数（CV）达到<30%，即视为成功。相反，失败的实施通常表现为声学耦合不良（导致弹性图谱中出现暗区或信号丢失）、运动伪影，或因操作者施加过大的探头压力而人为导致表层组织硬化。任何CV ≥ 30%或弹性图谱填充不连续的试验均被视为技术性失败，需立即重新调整探头位置并重新检测。

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篮球

排球

足球

网球

讨论

本研究提出了一种标准化方案，利用便携式力-超声融合设备定量评估精英男性运动员跟腱的功能刚度谱。与仅提供有限功能信息的传统解剖成像不同，该方法采用基于振动的超声弹性成像技术，无创地在生理范围内的多个踝关节角度下绘制跟腱力学特性的分布图。每位受试者的总测试时间约为10–20分钟，且弹性模量值可自动提取，使该方案成为实验室及现场体育环境中进行纵向监测的实用解决方案。然而，与任何多角度评估方法一样，必须谨慎管理跟腱固有的黏弹性特性——特别是其对蠕变、滞后和应力松弛的敏感性。尽管整个测试过程持续10–20分钟，但这包括了准备、解剖标志定位和固定靴安装的时间；实际在每个关节角度下的测量时间非常短暂（通常不足1分钟）。此外，施加的机械振动是瞬态的（每次采集窗口为300 ms），而非持续施加，从而最大限度地降低了累积机械疲劳的风险。为减轻应力松弛的影响，本方案要求在锁定踝关节后立即进行数据采集，以捕捉黏弹性蠕变改变组织力学特性之前的瞬时刚度。尽管如此，在未来涉及更广泛重复加载的应用中，仍需充分考虑这些与时间相关的力学特性。

为确保刚度谱的可重复性，必须严格遵守特定的采集细节。首先，涂抹足够厚度的超.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
靴子	Ober	AO-36	按照方案中的建议使用
耦合凝胶	Jinya Technology	TM-100	按照方案中的建议使用
Excel	Microsoft	https://www.microsoft.com/microsoft-365/excel	作者用于数据整理
Jamovi	The jamovi project	https://www.jamovi.org/	作者用于统计分析
便携式超声 设备	XiJian Technology	T5C1B101WT	按照方案中的建议使用
Prism	Graphpad	N/A; https://www.graphpad.com	作者用于数据可视化
SPSS	IBM	https://www.ibm.com/products/spss-statistics	作者用于统计分析