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

我们采用一种新型弹性成像方案，以评估跟腱在多个关节角度下的刚度，旨在表征来自不同运动项目的精英运动员的生物力学适应特征。与现有方法不同，我们基于振动的弹性成像技术能够可靠地评估在整个关节活动范围内连续变化的跟腱刚度。首先，从国家级运动队中招募受试者，包括年龄在18至26岁之间的男性职业运动员，涵盖多个运动项目。

通过让受试者踢球来确定其优势腿。准备设备，包括配备9L3至8.5兆赫线性阵列探头的M5软组织弹性成像仪以及机械激发模块。准备其他设备，包括跟腱固定靴、超声耦合剂和检查床。

打开主电源，确认系统状态指示灯亮起。然后，启动平板界面，通过选择指定的应用程序图标来启动超声系统软件，并确认系统进入主超声操作界面，显示实时B模式成像。将B模式参数设置为频率7.5 megahertz、四条采集线、五毫米深度范围和300毫秒采集时间。

接下来，指导受试者脱鞋，然后使其俯卧于检查床上，双脚踝关节完全伸展并悬于床缘外约五厘米处。触诊以确定跟骨结节的最高点。使用皮肤标记笔在该标志点近端0.5厘米处做标记，以确定初始测量位置。

在换能器表面涂抹一层预热的耦合凝胶，确保均匀覆盖。将探头轻轻放置于测量部位，并将目标点对准探头前侧下方。然后将超声系统切换至弹性成像模式。

调整参考线位置，使采集深度范围从浅层肌腱筋膜稍下方开始。调节感兴趣区域以覆盖肌腱厚度，同时避开皮肤、皮下组织及卡格尔脂肪垫。采集前，需确认成像质量，确保探头平面与皮肤表面的夹角大于75度，接近垂直。

确认换能器与皮肤之间的距离约为五毫米。检查无可见气泡存在，且筋膜和肌腱纤维清晰可见。开启激发装置后，让系统自动计算剪切模量，并显示有效数据的平均值和标准差。

采集过程中保持受试者和操作者的姿势恒定，以获取至少10个有效的连续数据点。当收集到足够的数据点后，按下冻结功能键停止数据采集。检查数据集中的异常值，并使用系统编辑功能删除异常数据点。

在放松状态、0度中立位、20度跖屈、40度跖屈、20度背屈和40度背屈条件下，依次对双侧跟腱进行测量。每个踝关节角度至少重复测量三次。根据设备内置的验证标准，仅当连续数据点的标准差小于均值的10%时，测量结果方可视为有效。

保存B模式图像和机械成像图以供记录。完成松弛状态测量后，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。

松开靴子铰链机构上的两侧锁定旋钮。通过将结构标记与测角刻度对齐，手动将踝关节引导至目标角度。拧紧锁定旋钮，以牢固固定踝关节于目标角度。

锁定角度后立即进行超声测量，以防止跟腱黏弹性松弛。随后，指导受试者取下踝部固定靴。清洁并消毒所有仪器和超声探头。

成功的测量在视觉上表现为高质量的B型图像，肌腱纤维结构清晰连续，与皮肤表面平行，且在预定义的兴趣区域内具有稳定且均匀的弹性成像彩色图。在不同关节角度下，平均变异系数值介于0.14至0.25之间。在所有评估的关节角度下，组内相关系数值介于0.871至0.974之间。

在放松状态下观察到的可靠性最高，而在中立的零度位置观察到的可靠性最低。所有受试者的跟腱刚度从趾屈到背屈呈非线性增加。广义混合模型显示关节角度具有显著的主效应，而左右侧和运动类型均无显著主效应。

角度与运动项目之间的交互作用显著，表明在特定踝关节角度下不同运动项目存在特异性的刚度差异。该方案可无创测量跟腱的功能性刚度谱，捕捉其在动态角度变化过程中的非线性力学行为。动态采集过程中的主要挑战是保持恒定的接触压力以及探头与肌腱垂直，以避免产生运动伪影。

未来的研究可以绘制肌腱行为图谱，以监测肌腱病康复进程、评估训练适应性，并预测动态运动表现。