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^7,8,9。 尽管该方法可在高度受控条件下提供有关肌腱力学特性的宝贵信息，但若干实际局限性限制了其更广泛的应用¹⁰。该检测设置耗时较长，高度依赖操作者的专业技能，且通常局限于实验室环境。此外，其存在显著的经济门槛，通常需要为等速测力仪和高端超声设备投入大量资金。另外，刚度估计通常是在单一关节配置下的孤立或准静态加载条件下得出的，这限制了其在运动员常规监测、现场评估以及跨训练周期纵向评价中的适用性。这些限制凸显了对既具有方法学严谨性又能在实际运动场景中可行的替代测量方法的需求。

基于超声的弹性成像技术已成为评估肌腱体内力学特性的有效工具。其中，剪切波弹性成像（SWE）已广泛应用于肌肉骨骼组织；然而，其应用也凸显出若干重要的方法学挑战¹¹。既往研究表明，由弹性成像获得的刚度测量值对关节角度、探头方向、组织预压缩程度、感兴趣区域（ROI）的选择以及数据处理策略高度敏感，尤其在肌腱等高度各向异性的结构中更为显著。为减少操作者引起的变异性，部分研究者建议使用定制的外部固定装置来稳定超声探头，但这通常会降低测试效率并影响快速数据采集。因此，无论采用手动操作技术还是外部稳定装置，学界均强烈呼吁建立方法学标准和严格的测量方案，以确保刚度评估的有效性和可重复性。这些方法学考量不仅限于SWE，也普遍适用于通过机械诱导波传播来推断组织刚度的各类弹性成像技术。

近年来，基于振动的超声弹性成像作为一种实用且适用于现场的手段，受到关注，可用于评估浅表肌肉骨骼组织的力学特性¹²。该方法通过外部向组织施加机械振动——其频率和振幅参数针对目标组织的声学和结构特性进行了专门优化——并利用超声成像追踪由此产生的波传播，从而推导出与组织刚度相关的参数。尽管早期的开创性研究已成功将超声成像与外部激励器结合，用于评估肌腱力学特性——采用固定在肢体上的大型机械振动台产生连续正弦波^13,14——但本方案采用瞬态振动方法。通过使用一种灵活的手持式配置，将机械激励探头手动紧邻超声探头放置，以施加极短（300 ms）的瞬态脉冲，该系统无需复杂且耗时的外部固定装置。这一改进显著减轻了受试者的负担，并与传统的实验室用测力-超声组合方法相比，使基于振动的弹性成像系统更便携、无创，且更适用于运动实践场景中的重复测量。然而，尽管具备上述优势，现有研究通常仅在单一关节配置下评估跟腱刚度，因而仅能提供肌腱力学行为的有限快照。

跟腱刚度本质上依赖于肌肉-肌腱单元的构型，会随着关节角度和肌肉长度的变化而变化。因此，单角度测量无法捕捉到在踝关节活动范围内以及特定运动姿势下发生的跟腱刚度功能变异性。这一局限性降低了刚度测量对于承受多角度负荷和快速力转换的运动员的实际应用价值。迄今为止，很少有研究采用可重复的基于弹性成像的技术方案，在多个标准化关节角度下系统地量化跟腱刚度¹⁵。

为弥补这一方法学上的空白，我们提出了一种功能性刚度谱范式。该方法将肌腱刚度重新定义为关节位置的连续函数，而非标量属性，从而量化肌腱在生理负荷状态范围内的力学输出。通过在多个关节角度下分离游离肌腱的剪切弹性模量，该方法提供了一种组织特异性的评估手段，可补充传统的肌肉-肌腱单元测力法。本文旨在提供一套详细、分步的操作流程，以实施该方法，内容包括受试者体位摆放、关节角度标准化、探头操作、感兴趣区域（ROI）选择以及数据采集程序。本方案旨在促进对跟腱功能性刚度谱的可重复评估，并为研究人员和实践者提供一种实用工具，用于探究专项运动相关的肌腱适应性变化及优秀运动员的功能性生物力学特征。需要强调的是，为提供关于该方法实用性的具体指导，必须明确其适用边界。该方法适用于局部肌腱力学的无创、静态或准静态表征，例如监测纵向适应性变化、筛查左右侧不对称性或追踪肌腱病康复进程。然而，该方法不适用于声学耦合难以维持的高度动态、连续运动任务，也不适用于完全性肌腱断裂急性期（此时缺乏基础张力）的情况。此外，实践者应注意，由于在极高组织张力下剪切波传播存在饱和效应，在关节活动范围的极端位置（如最大背屈时），绝对测量精度可能会降低。

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检查人员。要求受试者在测试前48小时内避免进行高强度运动¹⁷。

仪器组件及连接方式

本研究采用了一种便携式基于振动的超声弹性成像系统。所使用的具体商业产品和软件详见材料表。该系统由四个主要部分组成：（1）集成系统软件（版本1.0）的主机单元，（2）线性阵列超声换能器，（3）外部激励模块，以及（4）L15振动探头。

线性阵列换能器为128阵元探头，标称中心频率为8.5 MHz，有效成像宽度为4 cm，专为浅表肌肉骨骼组织的高分辨率成像而设计。激励模块与L15振动头共同产生低频机械振动（15 ± 2 mm），并将振动传递至组织以诱导机械传播波。超声系统追踪由波传播引起的组织运动，并利用系统内置的分析软件计算与组织硬度相关的参数。

通过将换能器的连接器与主机后面板上的对应接口对齐，将其牢固插入，直至连接器按钮完全啮合并与探头外壳齐平，然后轻轻拉动换能器电缆以确认连接牢固，从而完成换能器与主机的连接。通过将锁定连接器对准主机左下侧指定插座的位置，完全插入，并手动拧紧锁定机构，以确保稳定的机械和电气连接，从而将激励模块连接至主机。系统启动时，首先打开主电源开关，并确认系统状态指示灯亮起；随后开启平板界面，通过选择指定的应用程序图标启动超声系统软件，并验证系统进入主超声操作界面，且实时B模式成像已显示。

剪切弹性模量（G）的获取

传感器准备与放置

在换能器表面涂抹一层预热的耦合凝胶，将探头轻轻放置于测量部位，使目标点对准探头前侧。在开始采集前需确认成像质量，确保换能器平面与皮肤表面几乎垂直（>75°），换能器与皮肤之间的距离约为5 mm，无可见气泡存在，且筋膜和肌腱纤维清晰可见。

激发模块配置

默认情况下，弹性成像模式（E模式）参数设置为6 MHz频率、4条采集线、5 mm深度范围和300 ms采集时间。启动激励模块，并将激励探头尖端置于探头突出侧前方3–6 mm处，且垂直于探头成像平面。

E 模式成像与深度调节

将超声系统切换至弹性成像模式（E-mode），并调整参考线位置，使采集深度范围始于浅层肌腱筋膜稍下方。调整感兴趣区域（ROI），使其覆盖肌腱厚度，同时严格避开皮肤、皮下组织及卡格尔脂肪垫。

数据采集与质量控制

通过点击开始按钮启动连续测量，系统自动计算剪切模量（G），并提供有效数据的均值±标准差。在数据采集过程中，保持受试者与操作者的体位恒定，以获取至少10个有效的连续数据点。当采集到足够的数据点后，按下冻结功能键停止数据采集。随后对数据集进行审查，使用系统的编辑功能剔除异常值。

每个踝关节角度的测量至少重复三次。根据设备的内部有效性要求，只有当连续数据点的标准差（SD）小于平均值的10%时，测量结果才被视为有效；否则，该测量结果将被舍弃并重新测量。B型图像和力学成像图被保存以供记录（图1）。

图 1。实验装置及功能刚度谱采集流程的示意图。（A）实验装置。（B）跟腱上的特定测量区域。（C）实验过程中踝关节的角度。缩写：PF = 跖屈，DF = 背屈。请点击此处查看该图的放大版本。

数据采集流程

受试者注册与解剖定位

参与者的人口统计学和运动信息在到达时被记录。要求参与者脱去鞋袜，俯卧于检查床上，踝关节完全伸出床缘约5 cm。通过触诊确定跟骨结节的上顶点，并使用皮肤标记笔在该标志点近端5 cm处做标记，以确定初始测量位置。使用超声成像的纵向视图验证标记位置。

基线测量

初始刚度的获取是在基线状态（无靴放松状态）下，按照上述步骤进行的。

多角度测量（功能刚度谱）

在以下条件下，对双侧跟腱依次进行测量：放松状态、0°（中立位）、20° 跖屈（PF）、40° 跖屈（PF）、20° 背屈（DF）和 40° 背屈（DF）。测试顺序未采用随机化设计，因为在进行跖屈位测试之前若先测试极端背屈位置，会引发组织的滞后效应和预负荷效应，从而人为改变基线力学特性，并影响后续测量结果。

图 2。数据采集过程中系统的代表性界面。 中央面板显示跟腱的纵向B型超声图像，可见清晰且平行的纤维排列。右侧黄色面板实时显示剪切弹性模量（G）的定量结果。系统自动从下方列出的有效测量值中计算平均值（本示例中为 20.46 kPa）和标准差（0.37 kPa）。该读数显示测量稳定性高，标准差较低（SD < 平均值的 10%），符合本方案的质量控制标准。请点击此处查看该图的放大版本。

支具安装与角度设定

将受试者的足部放入可调节的踝关节测试靴中，确保足跟完全贴合于靴底后部的足跟杯内。使用附带的钩环带固定前足、中足和小腿，以防止测试过程中出现足跟抬升或侧向移动。松开测试靴铰链机构上的双侧锁定旋钮，通过将结构标记与角度测量刻度对齐，手动将踝关节引导至目标角度。随后拧紧锁定旋钮，以固定踝关节于目标角度。在锁定角度后立即进行超声测量，以避免黏弹性肌腱松弛。

术后

要求参与者取下踝部护具，并对所有器械和超声探头进行清洁和消毒。

数据处理与统计分析

数据聚合

每次测量试验中，数据点的内部标准差经验证需小于均值的<10%。针对每个有效的测量角度，计算三次有效试验间的变异系数（CV），要求其小于<30%；否则，该数据集将被舍弃并重新测量。三次成功试验的总体均值被计算并用于后续分析。

统计建模

采用组内相关系数（ICC）评估测量的可重复性。使用广义混合模型（GLMM）分析变量对跟腱刚度的影响。将跟腱刚度（G）设为因变量，踝关节角度、运动类型和优势腿作为固定效应因素，受试者编号（Subject ID）作为随机效应以考虑重复测量。随后进行Bonferroni校正的事后分析。

数据可视化

加工后的数据通过折线图进行刚度谱分析，并通过柱状图进行组间比较。

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