基于振动的弹性成像方案在精英运动员中评估跟腱刚度的可靠性，适用于多个关节角度

Summary

该方案描述了一种标准化的便携式超声方法，用于量化精英运动员在多个踝关节角度下跟腱的功能刚度谱，从而在不同负荷条件下可靠且可重复地评估腱的机械行为。

Abstract

跟腱的机械行为在运动表现和受伤风险中起着关键作用;然而，肌腱刚度的体内评估仍具挑战性。将超声与测力结合的传统方法成本高昂，需实验室检测，且通常仅限于单一关节位置，而现有基于弹性图的技术常受限于方法论假设或功能相关性有限。

本研究旨在提出并验证一种标准化、便携式的方案，用于量化阿基里斯腱在多个固定踝关节角度下的功能刚度谱。该范式将评估从单一的静态刚度值转变为连续的机械轮廓，捕捉肌腱对载荷的非线性响应。利用力-超声融合系统，机械诱导的低频振动作用于肌腱，同时利用超声运动追踪估算浅层肌腱组织的剪切弹性模量。测量在精英男运动员中双侧进行，位置为预定踝关节位置，从放松和足底屈曲状态到中立和背屈姿势不等。

该方案在所有关节角度下表现出良好的试验中重复性和优异的会期中重复性，变异系数保持在软组织弹性成像和类内相关系数的可接受范围内，显示出高度信度。跟腱刚度随着背屈逐渐增加呈非线性增长，表明其机械行为依赖角度。在全功能范围内未观察到侧面优势的主要显著效应，而运动特异性差异则在特定关节角度出现。

该协议为在功能相关载荷条件下描述跟腱机械行为提供了实用且可重复的方法。其便携性和标准化工作流程使其适合实验室、临床和实地应用，是运动员监测、伤害风险评估及肌腱适应纵向评估的宝贵工具。

Introduction

跟腱在高效能人体运动中起着关键作用，它传递肌肉力量，并在拉伸-缩短周期（SSC^）动作中储存和释放弹性能量1。其机械刚度是运动效率的关键决定因素，影响力的传递、弹性能量的再利用以及在机动和^{爆炸任务中的}整体机械输出。在精英运动员中——尤其是短跑、跳跃及其他SSC主导运动的运动员——跟腱硬度越强，越强越好，短跑速度、加速度、跑步经济性、跳跃表现和^{力量发展率}3。长期训练暴露和短期机械负荷均被证明能引起肌腱刚度的可测量变化，反映肌^腱组织的适应能力^4,5。相反，像跟腱病这样的病理性疾病通常表现为僵硬改变，尽管^{肌肉力量保持}，但可能影响力量传递。肌腱病的影响非常显著;在精英体育中，它会导致大量时间损失、表现受损，甚至缩短职业生涯;而在休闲活跃人群中，它则是一个普遍且顽固的问题，降低生活质量并带来可观的医疗费用。因此，准确可靠的跟腱刚度评估对于运动员群体的表现监测、负荷管理和损伤评估至关重要。

目前，超声和测力的结合被广泛认为是体内评估肌腱硬度^的参考方法，^7,8,9。虽然该方法在高度受控条件下为肌腱的机械性能提供了宝贵见解，但其^{广泛应用受到}若干实际限制。安装过程耗时，高度依赖操作员的专业能力，且通常限于实验室环境。此外，它构成了巨大的财务障碍，常常需要大量资本投资于等速测功机和高端超声设备。此外，刚度估计通常在单一关节配置的孤立或准静态载荷条件下得出，这限制了其在常规运动员监测、场地评估和跨训练周期纵向评估中的适用性。这些限制凸显了需要采用既方法论稳健又在应用体育环境中可行的替代测量方法。

基于超声的弹性成像技术已成为体内评估肌腱机械性能的宝贵工具。其中，剪切波弹性成像（SWE）已被广泛应用于肌肉骨骼组织;然而，其使用凸显了重要的方法学挑战¹¹.以往研究表明，弹性图来源的刚度测量对关节角度、探针方向、组织预压缩、兴趣区域（ROI）选择和数据处理策略极为敏感，尤其是在如肌腱等高度各向异性的结构中。为减少操作员引起的变异，一些作者主张使用定制外部线束固定超声探头，尽管这通常会牺牲测试效率和快速数据采集。因此，方法学标准和严格的测量方案——无论是采用自由手写技术还是外部稳定——都被强烈倡导，以确保刚度评估的有效性和可重复性。这些方法论考量不仅限于SWE，也广泛适用于基于弹性图的技术，这些技术通过机械诱导波传播推断组织刚性。

近年来，基于振动的超声弹性成像作为评估浅层肌肉^{骨骼组织机械}性能的实用且可现场适应的替代方案而受到关注。在这种方法中，机械振动——频率和幅度参数专门针对目标组织的声学和结构特性进行优化——被外部施加于组织，并通过超声成像追踪产生的波传播，以推导与刚度相关的参数。虽然此前的开创性研究成功利用超声配合外部执行器评估肌腱力学——使用绑在肢体上的笨重机械振动器产生连续正弦波^13,14——但当前的方案采用了瞬态振动方法。通过采用灵活的手持配置，机械激发尖端手动与超声换能器紧邻，以传递极短（300毫秒）瞬态脉冲，该系统消除了复杂且耗时的外部绑带装置的需求。这一进步显著减轻了受试者负担，与传统的实验室测功法-超声组合相比，振动弹性成像系统更便携、非侵入性，并更适合在应用体育环境中进行重复测量。然而，尽管有这些优势，现有研究通常只评估单一关节配置下的跟腱刚度，只能提供有限的肌腱机械行为快照。

肌腱刚度本质上依赖于肌肉-肌腱单元的配置，且随关节角度和肌肉长度变化。因此，单角度测量无法反映踝关节活动范围及运动特定体势中肌腱刚度的功能性变异。这一限制降低了刚度测量对于多角度载荷和快速力转移运动员的实际意义。迄今为止，少数研究系统性地量化了基于弹性图的可重复性弹性图¹⁵的多个标准化关节角度下的跟腱刚度。

为弥补这一方法学空白，我们提出了功能刚度谱范式。该方法将肌腱刚度重新概念化为关节位置的连续函数，量化肌腱在生理负载范围内的机械输出。通过分离游离肌腱在多个角度的剪切弹性模量，该方法提供了组织特异性评估，补充了传统的肌肉-肌腱单位测力法。本文旨在提出详细的逐步实施该方法的方案，包括受试者定位、关节角度标准化、探针处理、ROI选择及数据采集程序。该方案旨在促进对跟腱功能刚度谱的可重复评估，并为研究人员和从业者提供一个实用工具，用于研究精英运动员中运动特异性肌腱适应和功能性生物力学。重要的是，为了提供该方法实用性的实用指导，必须明确其适用范围。该方法非常适合局部肌腱力学的非侵入性、静态或准静态剖析——如监测纵向适应、侧向不对称筛查或追踪腱病康复。然而，它不适用于高度动态、连续的运动任务，因为无法维持声学耦合的一致性，也不适用于肌腱完全断裂的急性期，因为基线张力缺失。此外，从业者应注意，由于极端组织张力下剪切波传播的饱和效应，在极端活动范围（如最大背屈）下，绝对测量精度可能会降低。

Protocol

本研究获得北京体育大学研究伦理委员会批准（批准号：2025608H），所有程序均依据赫尔辛基宣言进行。所有参与者均提供了书面知情同意，支持研究参与及匿名图像的发布。

参与者准备

招募与参赛资格

参与者来自国家级体育队伍，包括18至26岁的职业男运动员，涵盖多个运动项目（如短跑、网球、篮球）。参与者接受筛查以确保身体质量指数（^BMI）正常。主导腿由要求参与者踢球决定。

纳入与排除标准

参与者符合以下纳入标准：男性、正常BMI和国家级体育资格。排除标准包括踝关节受伤或手术史、神经系统或系统性疾病史、急性肌肉骨骼疼痛或涉及跟腱或周围结构的炎症，以及自报合成代谢药物使用情况。

测试环境与预测试指令

所有测量均在标准化实验室条件下进行，使用同一个测试室和所有参与者的考官。参与者被指示在测试¹⁷前48小时避免高强度运动。

设备组件与连接

本研究使用了便携式基于振动的超声弹性成像系统。具体商业产品和软件详见 材料表。该系统由四个主要部件组成：（1）集成系统软件的主机（版本1.0），（2）线性阵列超声换能器，（3）外部激励模块，以及（4）L15振动头。

线性阵列换能器为128个元件探头，标称中心频率为100 Hz，振幅为1毫米，设计用于浅层肌肉骨骼组织的高分辨率成像。激发模块与L15振动头一起产生低频机械振动（15±2毫米），这些振动传递给组织以诱导机械传播的波。超声系统追踪波传播引起的组织运动，并通过系统内置分析软件推导刚度相关参数。

换能器通过将连接器与主机后面板对应接口对齐，牢固插入直到锁定，连接器按钮完全啮合并与探针壳齐平，然后轻轻拉动换能器线确认连接牢固。通过对齐锁定连接器，完全插入，并手动拧紧锁定机构，确保机械和电气连接稳定，激励模块连接到主单元左下角的指定插座。系统通过打开主电源并确认系统状态指示灯亮起，随后开启平板界面，选择指定应用图标启动超声系统软件，并确认系统进入主超声操作界面并显示实时B模式成像。

剪切弹性模量（G）获取

换能器准备与布置

在换能器表面涂上均匀预热的耦合凝胶，并将探针轻轻贴近测量点，目标点对准在探头前侧下方。成像质量在取材前进行了确认，确保换能器平面几乎垂直于皮肤表面（>75°），换能器与皮肤的距离约为5毫米，无可见气泡，筋膜和肌腱纤维清晰可见。

激发模块构型

弹性成像模式（E模）参数设置为7.5 MHz频率，4条采集线，5毫米深度范围，采集时间300毫秒。激发模块被激活，激发尖端位于探针突出侧前方3–6毫米处，垂直于探针成像平面。

E模式成像与深度调节

超声系统切换为E模式，参考线位置使得采集深度范围从浅肌腱筋膜下方开始。关注区域（ROI）调整为覆盖肌腱厚度，同时严格避免接触皮肤、皮下组织和Kager脂肪垫。

数据采集与质量控制

通过点击 “开启 ”按钮启动连续测量，系统自动计算剪切模量（G），提供有效数据的平均±标准差值。采集过程中保持参与者和操作员姿势一致，以获得至少10个有效的连续数据点。收集到足够数据点后，按下 冻结 功能停止数据采集。数据集被审查出群值，并通过系统的编辑功能删除异常数据点。

每个踝关节角度至少重复测量三次。只有当连续数据点的标准差（SD）低于平均值的10%，符合设备内部效度要求时，测量才被视为有效;否则，测量被弃用并重复。B模式图像和机械成像图被保存用于文档记录（见图1）。

图1。实验装置及功能刚度谱采集协议的示意图。 （A）实验装置。（B）跟腱的特定测量区。（C）实验序列中的踝关节角度。缩写：PF = 足底屈曲，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

参与者的人口统计和体育信息在抵达时被记录。参与者被要求脱鞋脱袜，趴在检查沙发上，脚踝完全伸出沙发边缘约5厘米。通过触诊定位了颅骨结节的上端顶端，并用皮肤标记标记了距离该标志点近端5厘米的点，以确定初始测量点。通过纵向超声成像确认了标记部位。

基线测量

初始刚度获取是在基线状态（无启动放松状态）按照上述程序进行的。

多角度测量（功能刚度谱）

测量在以下条件下顺序对双侧跟腱进行：放松、0°（中性）、20°跖屈（PF）、40°PF、20°背屈（DF）和40°DF。故意避免随机检测顺序，因为在进行足底屈前测试极端背屈姿势会诱导组织滞后和预处理，人为改变基线力学并影响后续测量。

图2。系统在数据采集过程中的代表性接口。 中央面板显示跟腱的纵向B模式超声图像，显示纤维排列清晰平行。右侧黄色面板显示剪切弹性模量（G）的实时量化。系统会自动根据下文所示有效测量列表计算平均值（本例为20.46 kPa）和标准差（0.37 kPa）。该读数显示出高测量稳定性，标准差低（标准差<平均值的10%），满足协议的质量控制标准。 请点击此处查看该图的放大版本。

靴子安装与角度设置

参与者的脚被放入可调节踝关节测试靴中，确保鞋跟完全贴合靴底后跟杯。前脚掌、中足和小腿通过附带固定，以防止测试时脚跟抬起或横向移动。靴子铰链机构上的双侧锁定旋钮被松开，脚踝通过将结构标记与量角刻度对齐，手动引导到目标角度。随后将锁定旋钮紧紧拧紧，以固定踝关节至目标角度。在锁定角度后立即进行超声测量，以防止粘弹性腱松弛。

术后

参与者被要求脱下踝靴，所有器械和超声探头均被清洗消毒。

数据处理与统计分析

数据聚合

每次测量试验的内部标准差都被验证为均值的<10%。三个有效试验间的变异系数（CV）对每个测量角度均进行了计算，要求为<30%;否则，数据集被丢弃并重新测量。计算了三项成功试验的总体平均值，并用于后续分析。

统计建模

计算了班内相关系数（ICC）以评估测量的可重复性。使用广义混合模型（GLMM）分析了变量对跟腱刚度的影响。跟腱刚度（G）为因变量，踝关节角度、运动型和惯用腿为固定因素。受试者身份作为随机效应纳入，以考虑重复测量。进行了Bonferroni校正的事后分析。

数据可视化

处理后的数据通过折线图进行刚度谱分析和柱状图进行组别比较导出和可视化。

Results

在解读统计结果之前，明确该方案实施与失败的标准至关重要。参与者的人口统计特征见 表1。一次成功的测量通过高质量B模式图像视觉特征，图像显示出与皮肤表面平行的清晰连续肌腱纤维结构，并结合了预定兴趣区域（ROI）内稳定且均匀的弹性成像色彩图（如 图2所示）。在定量上，当单次捕获内连续数据点产生变异系数（CV）为<30%时，成功实现了。相反，失败的实现通常表现为声学耦合不良（导致弹性图中出现暗空洞或信号丢失）、运动伪影，或操作员诱发的过大探针压力，导致表层组织人为僵硬。任何试验中CV≥30%或弹性成像填充不连续，均属技术失败，需立即重新定位和重新测试探针。

篮球

排球

橄榄球

Discussion

本研究提出了一套标准化方案，用于使用便携式力超声融合装置量化精英男运动员跟腱的功能刚度谱。与传统解剖成像功能有限不同，该方法利用基于振动的超声弹性成像，非侵入性地绘制肌腱在生理角度范围内的机械特性。总测试时长约为每位受试者10–20分钟，自动提取弹性模数值使该方案成为实验室和野外体育纵向监测的实用解决方案。然而，与任何多角度评估一样，阿基里斯腱固有的粘弹性特性——特别是蠕变、滞后和应力松弛的易感性——必须谨慎管理。整个课程持续10到20分钟，包括安装、解剖标志和安装靴子。每个关节角度实际停留的时间很短（通常不到1分钟）。此外，施加的机械振动是瞬态的（每个采集窗口300毫秒），而非连续振动，最大限度地减少了机械疲劳累积的风险。为减轻应力松弛，协议要求在锁定踝关节后立即进行数据采集，以捕捉瞬间刚度，防止粘弹性蠕变改变组织力学。尽管如此，未来涉及更广泛重复加载的实现应继续关注这些时间依赖性。

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，涂抹足够的声学凝胶层对于防止空气界面混响伪影至关重要，因为这些伪影会降低...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
靴子	Ober	AO-36	按照协议建议使用
耦合凝胶	金雅科技	TM-100	按照协议建议使用
Excel	微软	https://www.microsoft.com/microsoft-365/excel	作者用于数据排列
Jamovi	Jamovi项目	https://www.jamovi.org/	作者用于统计分析
便携式超声设备	西健科技	T5C1B101WT	按照协议建议使用
Prism	Graphpad	N/A; https://www.graphpad.com	作者用于可视化
SPSS	IBM	https://www.ibm.com/products/spss-statistics	作者用于统计分析