Zuverlässigkeit eines vibrationsbasierten Elastographieprotokolls zur Beurteilung der Achillessehnensteifigkeit über mehrere Gelenkwinkel bei Spitzensportlern

Summary

Dieses Protokoll beschreibt eine standardisierte, tragbare, ultraschallbasierte Methode zur Quantifizierung des funktionellen Steifkeitsspektrums der Achillessehne über mehrere Sprunggelenkswinkel bei Spitzensportlern hinweg und ermöglicht so eine zuverlässige und reproduzierbare Beurteilung des mechanischen Verhaltens der Sehnen unter unterschiedlichen Belastungsbedingungen.

Abstract

Das mechanische Verhalten der Achillessehne spielt eine entscheidende Rolle bei der sportlichen Leistung und dem Verletzungsrisiko; Die in-vivo-Beurteilung der Sehnensteifigkeit bleibt jedoch schwierig. Konventionelle Ansätze, die Ultraschall mit Dynamometrie kombinieren, sind teuer, laborgebunden und typischerweise auf Einzelgelenkpositionen beschränkt, während bestehende elastografiebasierte Techniken oft durch methodologische Annahmen oder begrenzte funktionale Relevanz eingeschränkt sind.

Ziel dieser Studie war es, ein standardisiertes, tragbares Protokoll zur Quantifizierung des funktionellen Steifigkeitsspektrums der Achillessehne über mehrere feste Sprunggelenkswinkel hinweg vorzustellen und zu validieren. Dieses Paradigma verschiebt die Bewertung von einem einzelnen statischen Steifigkeitswert auf ein kontinuierliches mechanisches Profil und erfasst die nichtlineare Reaktion der Sehne auf die Belastung. Mit einem Kraft-Ultraschall-Fusionssystem wurden mechanisch induzierte niederfrequente Schwingungen auf die Sehne angewendet, während ultraschallbasierte Bewegungsverfolgung eingesetzt wurde, um den Scherelastizitätsmodul des oberflächlichen Sehnengewebes zu schätzen. Die Messungen wurden beidseitig bei Elite-Athleten von männlichen Eliteathleten in vordefinierten Sprunggelenkspositionen durchgeführt, die von entspannten und plantarbeugten Zuständen bis hin zu neutralen und dorsiflexierten Positionen reichten.

Das Protokoll zeigte eine gute Wiederholbarkeit innerhalb der Studie und eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit innerhalb der Sitzung über alle Gelenkwinkel, wobei die Variationskoeffizienten innerhalb akzeptabler Grenzen für Weichteilelastographie und intraklassische Korrelationskoeffizienten eine hohe Zuverlässigkeit zeigten. Die Steifheit der Achillessehne nahm nichtlinear mit fortschreitender Dorsalflexion zu, was auf winkelabhängiges mechanisches Verhalten hinweist. Es wurde kein signifikanter Haupteffekt der Seitendominanz über den gesamten funktionellen Bereich beobachtet, während sportspezifische Unterschiede bei ausgewählten Gelenkwinkeln auftraten.

Dieses Protokoll bietet einen praktischen und wiederholbaren Ansatz zur Charakterisierung des mechanischen Verhaltens der Achillessehne unter funktional relevanten Belastungsbedingungen. Seine Portabilität und der standardisierte Arbeitsablauf machen es für Labor-, klinische und feldbezogene Anwendungen geeignet und bieten ein wertvolles Werkzeug zur Überwachung von Sportlern, zur Verletzungsrisikobewertung und zur Längsbeurteilung der Sehnenanpassung.

Introduction

Die Achillessehne spielt eine entscheidende Rolle für leistungsstarke menschliche Bewegungen, indem sie Muskelkräfte überträgt und elastische Energie während der Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus-(SSC)-Aktionen speichert und freisetzt¹. Seine mechanische Steifigkeit ist ein entscheidender Faktor für die Bewegungseffizienz, beeinflusst die Kraftübertragung, die Wiederverwendung elastischer Energie und die gesamte mechanische Leistung bei Lokomotor- und Sprengstoffaufgaben². Bei Spitzensportlern – insbesondere solchen, die im Sprint, Springen und anderen SSC-dominierten Sportarten tätig sind – wurde eine stärkere Achillessehnensteifigkeit konsequent mit überlegener Sprintgeschwindigkeit, Beschleunigung, Laufwirtschaftlichkeit, Sprungleistung und Kraftentwicklungⁱⁿ Verbindung gebracht. Sowohl langfristige Trainingsexposition als auch kurzfristige mechanische Belastung haben sich als messbare Veränderungen der Sehnensteifigkeit erwiesen, was die adaptive Kapazität des Sehnengewebes^{widerspiegelt 4,5}. Umgekehrt sind pathologische Zustände wie die Achillessehnen-Tendinopathie oft durch veränderte Steifheit gekennzeichnet, die die Kraftübertragung trotz erhaltener Muskelkraft^{beeinträchtigen kann}. Die Auswirkungen der Sehnenentzündung sind erheblich; Im Spitzensport führt es zu erheblichem Zeitverlust, Leistungsbeeinträchtigungen und potenziell verkürzten Karrieren, während es in freizeitaktiven Bevölkerungsgruppen ein sehr verbreitetes, widerspenstiges Problem darstellt, das die Lebensqualität verschlechtert und erhebliche Gesundheitskosten verursacht. Eine genaue und zuverlässige Beurteilung der Achillessehnensteifigkeit ist daher für die Leistungsüberwachung, das Belastungsmanagement und die verletzungsbedingte Bewertung in sportlichen Populationen unerlässlich.

Derzeit gilt die Kombination aus Ultraschall und Dynamometrie weithin als Referenzmethode für die in-vivo-Beurteilung der Sehnensteifigkeit ^7,8,9. Obwohl diese Methode wertvolle Einblicke in die mechanischen Eigenschaften der Sehnen unter hochkontrollierten Bedingungen liefert, schränken mehrere praktische Einschränkungen ihre breitere Anwendung^ein. Die Einrichtung ist zeitaufwendig, stark von der Expertise des Bedieners abhängig und in der Regel auf Laborumgebungen beschränkt. Darüber hinaus stellt es eine erhebliche finanzielle Hürde dar, die oft erhebliche Investitionen sowohl für den isokinetischen Dynamometer als auch für hochwertige Ultraschallmaschinen erfordert. Darüber hinaus werden Steifigkeitsschätzungen häufig unter isolierten oder quasi-statischen Belastungsbedingungen bei einer einzelnen Gelenkkonfiguration abgeleitet, was ihre Anwendbarkeit für routinemäßige Athletenüberwachung, feldbasierte Bewertung und Längsschnittbewertung über Trainingszyklen hinweg einschränkt. Diese Einschränkungen unterstreichen den Bedarf an alternativen Messansätzen, die sowohl methodisch robust als auch in angewandten Sportkontexten praktikabel sind.

Ultraschallbasierte Elastographie-Techniken haben sich als wertvolle Werkzeuge für die in-vivo-Bewertung der mechanischen Eigenschaften der Sehnen erwiesen. Unter diesen wurde die Scherwellenelastographie (SWE) weit verbreitet auf muskuloskelettale Gewebe angewendet; Seine Anwendung hat jedoch wichtige methodische Herausforderungen hervorgehoben¹¹. Frühere Studien haben gezeigt, dass elastographiebasierte Steifkeitsmessungen sehr empfindlich auf Gelenkwinkel, Sondenorientierung, Gewebepräkompression, Auswahl des Interessensbereichs (ROI) und Datenverarbeitungsstrategien reagieren, insbesondere in stark anisotropen Strukturen wie Sehnen. Um die durch den Bediener verursachte Variabilität zu mindern, haben einige Autoren den Einsatz von maßgeschneiderten externen Kabeln zur Sicherung der Ultraschallsonde empfohlen, wobei dies jedoch oft auf Kosten der Testeffizienz und der schnellen Datenerfassung geht. Daher wurden methodische Standards und strenge Messprotokolle – sei es Freihandtechnik oder externe Stabilisierung – nachdrücklich empfohlen, um eine valide und reproduzierbare Steifigkeitsbewertung sicherzustellen. Diese methodischen Überlegungen beschränken sich nicht auf SWE, sondern sind weitgehend relevant für elastographiebasierte Techniken, die Gewebesteifigkeit aus mechanisch induzierter Wellenausbreitung ableiten.

In den letzten Jahren hat die vibrationsbasierte Ultraschallelastographie als praktische und feldanpassungsfähige Alternative zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften oberflächlicher muskuloskelettaler Gewebe¹² an Bedeutung gewonnen. Bei diesem Ansatz werden mechanische Schwingungen – mit Frequenz- und Amplitudenparametern, die speziell auf die akustischen und strukturellen Eigenschaften des Zielgewebes optimiert sind – extern auf das Gewebe angewendet, und die resultierende Wellenausbreitung wird mittels Ultraschallbildgebung verfolgt, um steifigkeitsbezogene Parameter abzuleiten. Während frühere bahnbrechende Studien erfolgreich Ultraschall in Kombination mit einem externen Aktuator zur Bewertung der Sehnenmechanik eingesetzt haben – wobei ein sperriger mechanischer Shaker am Glied befestigt wird, um kontinuierliche sinusförmige Wellen^{zu erzeugen 13,14} –, verwendet das aktuelle Protokoll einen Ansatz der transienten Schwingung. Durch die Verwendung einer flexiblen, handgehaltenen Konfiguration, bei der die mechanische Anregungsspitze manuell direkt neben dem Ultraschallwandler positioniert ist, um extrem kurze (300 ms) Transientenimpulse zu liefern, entfällt dieses System komplexe und zeitaufwändige externe Strapping-Setups. Dieser Fortschritt reduziert die Belastung der Probanden erheblich und macht im Vergleich zu herkömmlichen laborbasierten Dynamometrie-Ultraschall-Kombinationen vibrationsbasierte Elastographiesysteme tragbarer, nicht-invasiver und für wiederholte Messungen in angewandten Sportumgebungen machbar. Trotz dieser Vorteile haben bestehende Studien jedoch typischerweise die Achillessehnensteifigkeit bei einer einzelnen Gelenkkonfiguration bewertet und bieten nur eine begrenzte Momentaufnahme des mechanischen Verhaltens der Sehnen.

Die Sehnensteifheit hängt von Natur aus von der Anordnung der Muskel-Sehnen-Einheit ab und variiert je nach Gelenkwinkel und Muskellänge. Eine Einzelwinkelmessung erfasst daher nicht die funktionelle Variabilität der Sehnensteifigkeit, die im gesamten Bewegungsumfang des Knöchels und bei sportspezifischen Haltungen auftritt. Diese Einschränkung verringert die praktische Relevanz von Steifigkeitsmessungen für Athleten, die Mehrwinkelbelastungen und schnellen Kraftübergängen ausgesetzt sind. Bis heute haben nur wenige Studien systematisch die Achillessehnensteifigkeit über mehrere standardisierte Gelenkwinkel hinweg quantifiziert, indem sie ein reproduzierbares, elastografiebasiertes Protokoll¹⁵ verwenden.

Um diese methodische Lücke zu schließen, schlagen wir ein Paradigma des funktionalen Steifkeitsspektrums vor. Dieser Ansatz rekonzeptualisiert die Sehnensteifigkeit nicht als skalare Eigenschaft, sondern als kontinuierliche Funktion der Gelenkposition und quantifiziert die mechanische Leistung der Sehne über einen physiologischen Bereich von Belastungszuständen. Durch die Isolierung des Scherelastizitätsmoduls der freien Sehne über mehrere Winkel hinweg bietet diese Methode eine gewebespezifische Bewertung, die die traditionelle Dynamometrie der Muskel-Sehnen-Einheit ergänzt. Ziel dieses Manuskripts ist es, ein detailliertes, schrittweises Protokoll zur Umsetzung dieser Methode vorzustellen, einschließlich Motivpositionierung, Standardisierung gemeinsamer Winkel, Probe-Handling, ROI-Auswahl und Datenerfassungsverfahren. Dieses Protokoll ist darauf ausgelegt, eine reproduzierbare Beurteilung des funktionellen Steifkeitsspektrums der Achillessehne zu ermöglichen und Forschern und Praktikern ein praktisches Werkzeug zur Untersuchung sportspezifischer Sehnenanpassungen und funktioneller Biomechanik bei Spitzensportlern bereitzustellen. Wichtig ist, dass um praktische Leitlinien für den Nutzen dieser Methode zu bieten, ihre Anwendbarkeitsgrenzen klar definiert sein müssen. Dieser Ansatz ist sehr geeignet für die nicht-invasive, statische oder quasi-statische Profilierung lokaler Sehnenmechanik – wie die Überwachung von Längsschnitten, das Screening auf seitliche Asymmetrien oder die Nachverfolgung der Tendinopathie-Rehabilitation. Es ist jedoch nicht geeignet für hochdynamische, kontinuierliche Bewegungsaufgaben, bei denen eine konsistente akustische Kopplung nicht machbar ist, und auch nicht während der akuten Phase vollständiger Sehnenrupturen, in der die Grundspannung fehlt. Darüber hinaus sollten Praktiker darauf hinweisen, dass aufgrund des Sättigungseffekts der Scherwellenausbreitung unter extremer Gewebespannung die absolute Messgenauigkeit bei extremen Bewegungsabständen (z. B. maximale Dorsalflexion) verringert werden kann.

Protocol

Diese Studie wurde vom Forschungsethikkomitee der Beijing Sport University genehmigt (Genehmigungsnummer: 2025608H), und alle Verfahren wurden gemäß der Erklärung von Helsinki durchgeführt. Alle Teilnehmer gaben eine schriftliche informierte Zustimmung zur Teilnahme an der Studie und zur Veröffentlichung anonymisierter Bilder.

Teilnehmervorbereitung

Rekrutierung und Berechtigung

Die Teilnehmer wurden aus nationalen Sportmannschaften rekrutiert und umfassten professionelle männliche Athleten im Alter von 18–26 Jahren in verschiedenen Sportarten (z. B. Sprint, Tennis, Basketball). Die Teilnehmer wurden untersucht, um einen normalen Body-Mass-Index (BMI)¹⁶ sicherzustellen. Das dominante Bein wurde bestimmt, indem die Teilnehmer gebeten wurden, einen Ball zu treten.

Einschluss- und Ausschlusskriterien

Die Teilnehmer erfüllten folgende Einschlusskriterien: männliches Geschlecht, normaler BMI und nationale sportliche Qualifikation. Zu den Ausschlusskriterien gehörten eine Vorgeschichte von Knöchelverletzung oder -operation, neurologische oder systemische Erkrankungen, akute muskuloskelettale Schmerzen oder Entzündungen der Achillessehne oder umliegender Strukturen sowie selbstberichteter anaboler Drogenkonsum.

Testumgebung und Pretest-Anweisungen

Alle Messungen wurden unter standardisierten Laborbedingungen mit demselben Testraum und denselben Prüfern für alle Teilnehmer durchgeführt. Die Teilnehmer wurden angewiesen, 48 Stunden vor dem Test¹⁷ Stunden auf hochintensive Übungen zu verzichten.

Ausrüstungskomponenten und Verbindungen

In dieser Studie wurde ein tragbares, vibrationsbasiertes Ultraschall-Elastographiesystem verwendet. Die spezifischen kommerziellen Produkte und Software, die verwendet werden, sind in der Materialtabelle aufgeführt. Das System bestand aus vier Hauptkomponenten: (1) einer Haupteinheit mit integrierter Systemsoftware (Version 1.0), (2) einem linearen Ultraschallwandler, (3) einem externen Anregungsmodul und (4) einem L15-Vibrationskopf.

Der lineare Array-Transducer war eine 128-Elemente-Sonde mit einer nominalen zentralen Frequenz von 100 Hz und einer Amplitude von 1 mm, entwickelt für hochauflösende Bildabbildung oberflächlicher muskuloskelettaler Gewebe. Das Anregungsmodul erzeugte zusammen mit dem L15-Schwingungskopf niederfrequente mechanische Schwingungen (15 ± 2 mm), die an das Gewebe übertragen wurden, um mechanisch ausbreitende Wellen zu induzieren. Die durch Wellenausbreitung resultierende Gewebebewegung wurde vom Ultraschallsystem verfolgt, und steifigkeitsbezogene Parameter wurden mit der integrierten Analysesoftware des Systems abgeleitet.

Der Wandler wurde mit der Haupteinheit verbunden, indem der Anschluss mit der entsprechenden Schnittstelle auf der Rückseite des Hauptgeräts ausgerichtet, fest eingesetzt wurde, bis er mit den Steckknopfen voll einrastete und bündig mit dem Sondengehäuse lagen, und das Kabel des Wandlers sanft gezogen wurde, um eine sichere Verbindung zu bestätigen. Das Anregungsmodul wurde mit der vorgesehenen Buchse auf der unteren linken Seite der Haupteinheit verbunden, indem der Verriegelungsstecker ausgerichtet, vollständig eingesetzt und der Verriegelungsmechanismus manuell festgezogen wurde, um eine stabile mechanische und elektrische Verbindung sicherzustellen. Das System wurde eingeschaltet, indem die Hauptstromversorgung eingeschaltet und bestätigt wurde, dass die Systemstatusanzeige leuchtete, gefolgt vom Einschalten der Tablet-Schnittstelle, dem Starten der Ultraschallsystemsoftware durch Auswahl des zugewiesenen Anwendungssymbols und der Kontrolle, dass das System mit Echtzeit-B-Modus-Bildaufnahme in die Haupt-Ultraschall-Betriebssystemoberfläche eingetreten ist.

Erwerbung des Scherelastelastmoduls (G)

Vorbereitung und Platzierung des Transducers

Eine gleichmäßige Schicht vorgewärmtes Kopplungsgel wurde auf die Oberfläche des Wandlers aufgetragen, und die Sonde wurde leicht an die Messstelle gelegt, wobei der Zielpunkt unter der vorderen Seite der Sonde ausgerichtet war. Die Bildqualität wurde vor der Aufnahme bestätigt, wobei sichergestellt wurde, dass die Transducer-Ebene nahezu senkrecht zur Hautoberfläche stand (>75°), der Abstand zwischen Transducer und Haut etwa 5 mm betrug, keine sichtbaren Luftblasen vorhanden waren und die Faszien- und Sehnenfasern deutlich sichtbar waren.

Konfiguration des Anregungsmoduls

Die Elastographie-Modusparameter (E-Modus) wurden auf eine Frequenz von 7,5 MHz, 4 Aufnahmeleitungen, einen 5-mm-Tiefenbereich und eine Aufnahmezeit von 300 ms eingestellt. Das Anregungsmodul wurde aktiviert, und die Anregungsspitze wurde 3–6 mm vor der Protrusionsseite der Sonde positioniert, senkrecht zur Bildfläche der Sonde.

E-Mode-Bildgebung und Tiefenanpassung

Das Ultraschallsystem wurde auf E-Modus umgestellt, und die Referenzlinie wurde so positioniert, dass der Erfassungstiefenbereich direkt unterhalb der oberflächlichen Sehnenfaszie begann. Die Interessenregion (ROI) wurde angepasst, um die Sehnendicke abzudecken, wobei die Haut, das subkutane Gewebe und Kagers Fettpolster strikt vermieden wurden.

Datenerfassung und Qualitätskontrolle

Die kontinuierliche Messung wurde durch Klicken auf die Ein-Taste initiiert, und das System berechnete automatisch den Schermodul (G), wodurch mittlere ± SD-Werte gültiger Daten bereitgestellt wurden. Die Teilnehmer- und Operator-Position wurde während der Erfassung konstant gehalten, um mindestens 10 gültige kontinuierliche Datenpunkte zu erhalten. Die Datenerfassung wurde durch Drücken der Freeze-Funktion gestoppt, sobald genügend Datenpunkte gesammelt waren. Der Datensatz wurde auf Ausreißer überprüft, und abnormale Datenpunkte wurden mit der Bearbeitungsfunktion des Systems entfernt.

Die Messungen wurden mindestens dreimal in jedem Knöchelwinkel wiederholt. Eine Messung galt nur dann als gültig, wenn die Standardabweichung (SD) der kontinuierlichen Datenpunkte weniger als 10 % des Mittelwerts gemäß den internen Validitätsanforderungen des Geräts betrug; ansonsten wurde die Messung verworfen und wiederholt. B-Mode-Bilder und mechanische Bildkarten wurden für die Dokumentation gespeichert (Abbildung 1).

Abbildung 1. Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus und des funktionalen Steifkeitsspektrum-Erfassungsprotokolls. (A) Versuchsaufbau. (B) Spezifische Messzonen an der Achillessehne. (C) Winkel des Sprunggelenks in der experimentellen Sequenz. Abkürzungen: PF = Plantarflexion, DF = Dorsalflexion. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Datenerfassungsverfahren

Subjektregistrierung und anatomische Lokalisierung

Demografische und sportliche Informationen der Teilnehmer wurden bei Ankunft erfasst. Die Teilnehmer wurden angewiesen, ihre Schuhe und Socken auszuziehen und sich auf die Untersuchungscouch zu legen, wobei die Knöchel etwa 5 cm vollständig über den Rand ausgestreckt waren. Der obere Apex der Tuberosität calcanealer wurde durch Palpation lokalisiert, und ein Punkt 5 cm proximal zu diesem Orientierungspunkt wurde mit einem Hautmarker markiert, um die anfängliche Messstelle zu definieren. Die markierte Stelle wurde mittels Ultraschallbildbildung in der Längsansicht bestätigt.

Basismessung

Die anfängliche Steifigkeitsmessung erfolgte im Baseline-Zustand (No-Boot-Relaxed-Zustand) nach den oben beschriebenen Verfahren.

Mehrfachwinkelmessung (funktionales Steifigkeitsspektrum)

Die Messungen wurden nacheinander an beiden Achillessehnen unter folgenden Bedingungen durchgeführt: entspannt, 0° (neutral), 20° Plantarflexion (PF), 40° PF, 20° Dorsalflexion (DF) und 40° DF. Eine randomisierte Testanordnung wurde bewusst vermieden, da das Testen einer extremen Dorsalflexionposition vor der Plantarflexionposition Gewebehysterese und Vorkonditionierung induzieren würde, was die Basismechanik künstlich veränderte und nachfolgende Messungen beeinflusste.

Abbildung 2. Repräsentative Schnittstelle des Systems während der Datenerfassung. Das zentrale Panel zeigt ein longitudinales B-Mode-Ultraschallbild der Achillessehne, das eine klare, parallele Glasfaserausrichtung zeigt. Das gelbe Panel rechts zeigt die Echtzeitquantifizierung des Scherelastizitätsmoduls (G). Das System berechnet automatisch den Mittelwert (20,46 kPa in diesem Beispiel) und die Standardabweichung (0,37 kPa) aus der unten gezeigten Liste gültiger Messungen. Diese Anzeige zeigt eine hohe Messstabilität mit einer niedrigen Standardabweichung (SD < 10 % des Durchschnitts) und erfüllt damit die Qualitätskontrollkriterien des Protokolls. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Kofferrauminstallation und Winkeleinstellung

Der Fuß des Teilnehmers wurde in den verstellbaren Knöchelteststiefel gesetzt, wobei die Ferse vollständig bündig an der hinteren Fersenschale des Stiefelsockels ruhte. Der Vorfuß, der Mittelfuß und das Unterschenkel wurden mit den befestigten Haken- und Schlaufengurten gesichert, um Fersenhebung oder seitliches Verschieben während der Tests zu verhindern. Die beidseitigen Verriegelungsknöpfe am Scharniermechanismus des Stiefels wurden gelockert, und der Knöchel wurde manuell zum Zielwinkel geführt, indem strukturelle Markierungen mit der goniometrischen Skala ausgeriicht wurden. Die Verriegelungsknöpfe wurden dann fest festgezogen, um das Sprunggelenk im Zielwinkel zu sichern. Die Ultraschallmessung erfolgte unmittelbar nach der Verriegelung des Winkels, um eine Relaxation der viskoelastischen Sehnen zu verhindern.

Nachbehandlung

Die Teilnehmer wurden angewiesen, den Fußstiefel auszuziehen, und alle Instrumente sowie Ultraschallsonden wurden gereinigt und desinfiziert.

Datenverarbeitung und statistische Analyse

Datenaggregation

Für jede Messstudie wurde der interne SD der Datenpunkte auf <10 % des Mittelwerts bestätigt. Der Variationskoeffizient zwischen den Versuchen (CV) über die drei gültigen Versuche wurde für jeden Messwinkel berechnet und sollte <30 % betragen; ansonsten wurde der Datensatz verworfen und neu vermessen. Der Gesamtmittelwert der drei erfolgreichen Studien wurde berechnet und für spätere Analysen verwendet.

Statistische Modellierung

Der intraklassische Korrelationskoeffizient (ICC) wurde berechnet, um die Messreproduzierbarkeit zu bewerten. Die Auswirkungen von Variablen auf die Steifigkeit der Achillessehne wurden mit einem Generalized Mixed Models (GLMM) analysiert. Die Steifigkeit der Achillessehne (G) wurde als abhängige Variable angegeben, wobei der Winkel des Sprunggelenks, der Sporttyp und das dominante Bein feste Faktoren waren. Die Subjekt-ID wurde als Zufallseffekt einbezogen, um wiederholte Messungen zu berücksichtigen. Post-hoc-Analysen mit Bonferroni-Korrektur wurden durchgeführt.

Datenvisualisierung

Verarbeitete Daten wurden exportiert und mithilfe von Liniendiagrammen zur Steifigkeitsspektrumanalyse und Balkendiagrammen für Gruppenvergleiche visualisiert.

Results

Bevor die statistischen Ergebnisse interpretiert wurden, war es entscheidend, die Kriterien für eine erfolgreiche oder nichtgeschlagene Umsetzung dieses Protokolls zu definieren. Demografische Merkmale der Teilnehmer sind in Tabelle 1 dargestellt. Eine erfolgreiche Messung wurde visuell durch ein hochwertiges B-Mode-Bild charakterisiert, das eine klare, kontinuierliche Sehnen-Fibrillarstruktur parallel zur Hautoberfläche zeigte, gekoppelt mit einer stabilen, homogenen Elastographie-Farbkarte innerhalb der vordefinierten Interessenregion (ROI) (wie in Abbildung 2 dargestellt). Quantitativ wurde der Erfolg erzielt, wenn die kontinuierlichen Datenpunkte innerhalb einer einzigen Erfassung einen Variationskoeffizienten (CV) von <30 % ergaben. Umgekehrt wurde eine fehlgeschlagene Implementierung typischerweise durch schlechte akustische Kopplung angezeigt (was zu dunklen Hohlräumen oder Signalausfällen in der Elastographiekarte führte), Bewegungsartefakte oder übermäßigen vom Bediener induzierten Sondendruck, der das oberflächliche Gewebe künstlich versteifte. Jede Studie mit einem CV ≥ 30 % oder mit diskontinuierlicher Elastographiefüllung stellte einen technischen Fehlschlag dar und erforderte sofortige Umpositionierung und Neutestung der Sonde.

	Basketball	Volleyball	Fußball	Tennis	Sprint	Langstreckenlauf	Kruskal-Wallis p
Alter (Jahr)	22.2±2.29	20,6±1,59	21.1±2.42	20,9±2,63	21,7±3	21.1±2.2	0.639
Höhe (m)	1,87±0,09	1,87±0,05	1,77±0,05	1,81±0,05	1,76±0,05	1,75±0,05	<0,001
Gewicht (kg)	81,8±9,91	76±8,71	69,1±6,45	70.6±4.39	70,6±5	65,9±5,86	<0,001
BMI	23.4±1.48	21,7±1,84	22.1±1.69	21.5±1.34	22.8±1.34	21,5±1,67	0.033
Trainingshäufigkeit (Mal pro Woche)	4,75±2,67	4,89±1,54	5.1±1.10	4,82±1,40	5,89±1,83	6±0,87	0.125
Sportalter (Jahr)	9,75±4,25	6.22±2.91	10.8±2.62	9,73±4,13	3.44±1.74	5.5±3.89	<0,001

Tabelle 1: Demografische Merkmale der Athleten.

Intratrial Zuverlässigkeit und Präzision

Die innere Präzision des Protokolls wurde durch Berechnung des Variationskoeffizienten (CV) für den elastischen Modul (G) der Achillessehnen-Scherung (G) über alle Messbedingungen hinweg (6 Gelenkwinkel × 2 Gliedmaßen × N Teilnehmer) bewertet. Die durchschnittlichen CV-Werte lagen zwischen 14,0 % und 25,2 % über verschiedene Gelenkwinkel hinweg (Tabelle 2). Bemerkenswert ist, dass die Messvariabilität ein winkelabhängiges Muster aufwies: Die CV-Werte blieben während Ruhe- und Plantarflexion-(PF)-Zuständen niedriger und sehr stabil, nahmen aber systematisch zu, wenn der Knöchel in extreme Dorsalflexion (DF) positioniert wurde.

Darüber hinaus wurde die Reproduzierbarkeit innerhalb der Sitzung über aufeinanderfolgende Messstudien hinweg mittels des Intraclass-Korrelationskoeffizienten (ICC) bewertet. Die Ergebnisse zeigten eine gute bis ausgezeichnete relative Zuverlässigkeit über alle bewerteten Gelenkwinkel. Konkret reichten die ICC-Werte (2,1) von 0,871 bis 0,974 (Tabelle 2), wobei die höchste Zuverlässigkeit im entspannten Zustand (ICC = 0,974, 95%-KI: 0,943–0,990) und die niedrigste, aber dennoch robuste, Zuverlässigkeit in neutraler 0°-Position (ICC = 0,871, 95%-KI: 0,751–0,939) beobachtet wurde. Zusammen mit den CV-Daten bestätigten diese Ergebnisse die insgesamt biomechanische Robustheit und Stabilität des Multi-Winkel-Messprotokolls.

	Entspann dich	PF 40	PF 20	0	DF 20	DF 40
Durchschnittlicher Lebenslauf	0.16	0.14	0.16	0.25	0.24	0.25
ICC(2,1)	0.974	0.962	0.925	0.871	0.957	0.965
95%-KI für ICC	[0.943, 0.990]	[0.930, 0.980]	[0.847, 0.967]	[0.751, 0.939]	[0.927, 0.976]	[0.933, 0.983]

Tabelle 2: Messzuverlässigkeit (intraklassischer Korrelationskoeffizient) und innere Präzision (Variationskoeffizient) des Scherelastizitätsmoduls der Achillessehne über unterschiedliche Gelenkwinkel.

Funktionelle Steifigkeit der Achillessehne

Die Achillessehnensteifigkeit (G) wurde über sechs Sprunggelenkwinkel sowohl für dominante als auch nicht-dominante Gliedmaßen quantifiziert. Generalisierte Mixed Models (GLMM)-Ergebnisse für feste Effekte sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Die Steifigkeit der Achillessehne im gesamten funktionellen Bewegungsumfang wurde erfolgreich quantifiziert. Wie erwartet nahm die Sehnensteifigkeit bei allen Teilnehmern nichtlinear von der Plantarflexion (Slack) zur Dorsalflexion (Spannung) zu (siehe Abbildung 3).

GLMM zeigte einen signifikanten Haupteffekt des Gelenkwinkels (p < 0,001), während Seiten (dominant vs. nicht-dominant) und Sporttyp keine Haupteffekte zeigten. Die Interaktion zwischen Angle × Sport war signifikant (p = 0,049) und weist sportspezifische Steifigkeitsunterschiede bei bestimmten Knöchelwinkeln an. Um diese Unterschiede zu untermauern, wurden nachträglich einfache Effektanalysen durchgeführt. Die Unterschiede waren am ausgeprägtesten bei 20° Plantarflexion (PF20), wo sowohl Basketballathleten (203 ± 187 kPa; p = 0,046, Cohens d = 0,58) als Langstreckenläufer (188 ± 138 kPa; p = 0,048, Cohens d = 0,62) eine signifikant höhere Sehnensteifheit im Vergleich zu Tennisathleten ±zeigten. Außerdem hatten Basketballspieler (1033 ± 912 kPa) in der neutralen Position (0°) eine deutlich höhere Steifheit als Tennisathleten (574 ± 382 kPa; p = 0,008, Cohens d = 0,66). Umgekehrt wurden bei 40° Dorsalflexion (DF40) keine signifikanten Unterschiede zwischen den Sportarten beobachtet, was auf eine Konvergenz mechanischer Eigenschaften unter maximaler Sehnenbelastung hindeutet.

Faktor	X²	DF	p
Winkel	8964.919	5	< 0,001
Seite (Dominant/Nicht-dominant)	0.47	1	0.493
Sport	4.423	5	0.49
Winkel × Seite	1.715	5	0.887
Seite × Sport	10.182	5	0.07
Angle × Sport	37.788	25	0.049
Winkel × Seite × Sport	26.065	25	0.404

Tabelle 3: Testergebnisse der festen Effekte der Generalized Mixed Models (GLMM). 

Abbildung 3. Funktionelles Steifkeitsspektrum der Achillessehne über verschiedene Winkeln des Sprunggelenks. Die Daten werden als Mittelwert ± SD dargestellt. Die X-Achse stellt die Position des Sprunggelenks dar und reicht von lockeren Zuständen (entspannt, Plantarflexion [PF]) bis zu gespannten Zuständen (neutral 0°, Dorsalflexion [DF]). Die Y-Achse stellt den Scherelastizitätsmodul (Steifigkeit) dar, der auf einer log10-Skala dargestellt wird. Der Schermodul stieg nichtlinear mit zunehmender Dorsalflexion. Es wurde kein signifikanter Haupteffekt von Seitendominanz oder Wechselwirkung zwischen Winkel × Seite gefunden (S. > 0,05), was auf eine allgemeine funktionelle Symmetrie zwischen dominanten und nichtdominanten Sehnen im getesteten Bereich hinweist. Asterisken (*) zeigen eine signifikante Differenz (p < 0,05) im Vergleich zur Referenzgruppe (Tennis) basierend auf GLMM-Parameterschätzungen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Ergänzende Abbildung S1. Achillessehnen-Schermodul über Gelenkwinkel zum Vergleich der linken und rechten Seite. Die Daten werden als Mittelwert ± SD präsentiert. Die X-Achse stellt den Winkel des Sprunggelenks dar und reicht von lockeren Positionen (Relax, Plantarflexion) bis zu gespannten Positionen (Neutral 0°, Dorsalflexion/Extension). Die Y-Achse stellt den Schermodul (Steifigkeit) dar, der auf einer log10-Skala dargestellt wird. Der Schermodul stieg nichtlinear mit zunehmender Dorsalflexion. Ein signifikanter Haupteffekt wurde nur für den Gelenkwinkel beobachtet, während keine signifikanten Haupteffekte für Seite oder Sport festgestellt wurden. Darüber hinaus wurde eine signifikante Angle-×-Side-Interaktion festgestellt, während alle anderen Interaktionseffekte nicht signifikant blieben. * zeigt einen signifikanten Unterschied (p < 0,05) zwischen der linken und rechten Seite in Neutral 0° an, basierend auf GLMM-Parameterschätzungen. Abkürzungen: PF = Plantarflexion; DF = Dorsalflexion. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Discussion

Diese Studie präsentierte ein standardisiertes Protokoll zur Quantifizierung des funktionellen Steifigkeits-Spektrums der Achillessehne bei Elitesportlern mit Hilfe eines tragbaren Kraft-Ultraschall-Fusionsgeräts. Im Gegensatz zur konventionellen anatomischen Bildgeben, die nur begrenzte funktionale Einblicke bietet, nutzte diese Methode vibrationsbasierte Ultraschallelastographie, um die mechanischen Eigenschaften der Sehne über einen physiologischen Bereich von Sprunggelenkswinkeln hinweg nicht-invasiv zu kartieren. Die gesamte Testdauer betrug etwa 10–20 Minuten pro Proband, und die automatisierte Extraktion der elastischen Modulwerte machte dieses Protokoll zu einer praktischen Lösung für die Längsüberwachung sowohl im Labor als auch im sportlichen Feld. Wie bei jeder mehrwinkeligen Bewertung müssen jedoch die inhärenten viskoelastischen Eigenschaften der Achillessehne – insbesondere die Anfälligkeit für Kriechen, Hysterese und Spannungsrelaxation – sorgfältig gemanagt werden. Während die gesamte Sitzung 10–20 Minuten dauerte, umfasste dies Aufbau, anatomische Markierung und Stiefelinstallation. Die tatsächliche Zeit, die an jedem Gelenkwinkel verbracht wurde, war kurz (typischerweise unter 1 Minute). Außerdem war die mechanische Vibration transient (300 ms pro Erfassungsfenster) und nicht kontinuierlich, was das Risiko der angesammelten mechanischen Ermüdung minimierte. Um die Spannungsentspannung zu mindern, schrieb das Protokoll vor, dass die Datenerfassung sofort nach dem Verriegeln des Sprunggelenks erfolgen musste, um die sofortige Steifigkeit zu erfassen, bevor das viskoelastische Kriechen die Gewebemechanik verändern konnte. Dennoch sollten zukünftige Implementierungen mit umfangreicherer wiederholter Belastung diese zeitabhängigen Eigenschaften berücksichtigen.

Um die Reproduzierbarkeit des Steifkeitsspektrums zu gewährleisten, war eine strikte Einhaltung spezifischer Erwerbsdetails erforderlich. Erstens war die Anwendung einer ausreichenden Schicht akustischen Gels entscheidend, um Nachhallartefakte an der Luftgrenzfläche zu verhindern, die die Qualität des Scherwellensignals beeinträchtigen können. Zweitens war der Zeitpunkt der Messung ein entscheidender Faktor. Aufgrund der viskoelastischen Natur der Sehne¹⁸ trat die Spannungsrelaxation unmittelbar nach dem Einrasten des Knöchels in eine neue Position ein. Daher verlangte das Protokoll, dass die Erfassung sofort nach der Winkelfixierung beginnt, um die momentane Steifigkeitsreaktion statt des entspannten Zustands zu erfassen.

Eine detaillierte Analyse der intra-trialen Wiederholbarkeit zeigte ein Variabilitätsmuster, das vom Gelenkwinkel abhängt. Niedrigere Variationskoeffizienten (CVs, ~14–16 %) wurden in plantarflexierten Positionen (Slack-State) beobachtet, während höhere CVs (~24–25 %) in dorsiflexierten Positionen (gespannter Zustand) beobachtet wurden. Dieser Trend spiegelte wahrscheinlich die technischen Herausforderungen wider, die mit der Quantifizierung der Gewebemechanik an den oberen Steifkeitsgrenzen verbunden sind. Im gespannten Zustand (Dorsalflexion) nahm die Sehnensteifigkeit nichtlinear zu, wodurch Scherwellen mit hoher Geschwindigkeit¹⁹ ausbreiten. Dies kann sich den Detektionsgrenzen des tragbaren Geräts nähern. Folglich spiegelten höhere CV-Werte in dorsiflexierten Positionen die komplexen akustischen Eigenschaften stark gespannten anisotropen Gewebes wider und nicht methodische Unzuverlässigkeit oder Operatorfehler. Die Anerkennung dieser inhärenten Variabilität war wichtig, um ökologisch valide Qualitätskontrollschwellen festzulegen. Eine strengere Schwelle (z. B. CV < 20 %) in allen Winkeln würde übermäßige Nachtests in extremen Dehnungspositionen erfordern, was physiologische Artefakte wie viskoelastisches Kriechen und Spannungsrelaxation verursachen könnte. Daher wurde eine CV-Schwelle von < 30 % als pragmatischer Kompromiss für Multi-Angle-In-vivo-Tests angesehen. Dennoch mussten die Bediener bei der Beurteilung der Sehne in Hochspannungspositionen die Stabilität der Sonde aufrechterhalten, um zusätzliche Variabilität zu minimieren.

Für Forscher und Kliniker deuten erhöhte CV-Werte (>20 %) bei extremer Dorsalflexion darauf hin, dass absolute Steifheitswerte in diesen Winkeln mit Vorsicht interpretiert werden sollten. Dies legt nahe, dass die Methode am besten geeignet ist, intraindividuelle Längsveränderungen zu verfolgen, anstatt sich ausschließlich auf Querschnittsvergleiche interindividueller Spannung bei maximaler Spannung zu stützen. Um die Variabilität weiter zu verringern, könnten zukünftige Protokollverbesserungen den Einsatz externer Stabilisierungsansätze (z. B. maßgeschneiderter Stützen) zur Standardisierung des Sondendrucks und der Ausrichtung umfassen. Jede Stabilisierungsstrategie muss jedoch eine schnelle Winkelanpassung erlauben, um das Gleichgewicht zwischen mechanischer Stabilität und der Minimierung des viskoelastischen Kriechens aufrechtzuerhalten.

Das vorgeschlagene Functional Steifness Spectrum bietet einen methodischen Fortschritt gegenüber der traditionellen isokinetischen Dynamometrie. Obwohl Dynamometrie als Referenzmethode zur Beurteilung der globalen mechanischen Eigenschaften der Muskel-Sehnen-Einheit gilt, kann sie die lokale Steifheit der freien Sehne nicht von muskulären Beiträgen isolieren. Durch direkte Beurteilung der freien Achillessehne liefert dieses Protokoll eine lokale, gewebespezifische Messung. Diese Fähigkeit kann nützlich sein, um lokale Veränderungen der Sehnensteifigkeit bei asymptomatischen Personen zu erkennen, die gezielte Belastungsprogramme^{durchlaufen 4}. Darüber hinaus können in pathologischen oder tendinopathischen Populationen lokale strukturelle Veränderungen die Steifheit verändern, bevor globale Muskel-Sehnen-Einheitsdefizite^{sichtbar werden}. Diese Methode ermöglicht daher die Erkennung lokaler mechanischer Veränderungen, die von globalen Testansätzen möglicherweise nicht erfasst werden.

Durch die Quantifizierung des nichtlinearen Anstieg der Steifigkeit von der Plantarflexion zur Dorsalflexion erfasste diese Methode das mechanische Verhalten der Sehnen unter funktional relevanten Belastungsbedingungen. Die in Abbildung 3 beobachtete Winkel-Steifigkeitsbeziehung entsprach nicht einem einfachen quadratischen Modell, das das nichtlineare physiologische Verhalten des Sehnengewebes über einen weiten Bewegungsbereich widerspiegelt. Der bemerkenswerte exponentielle Anstieg der Steifigkeit zwischen PF20° und 0° entspricht dem klassischen 'Zehenbereich', bei dem gekrimpte Kollagenfasern schnell begradigt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass das visuell abflachende Erscheinungsbild der Kurve bei höheren Dorsalflexionwinkeln von der log10-Skala für die Datenvisualisierung beeinflusst wird. Absolut gesehen nimmt die Steifigkeit weiterhin erheblich zu, was eine fortschreitende Dehnungsversteifung unter hoher mechanischer Spannung widerspiegelt. Diese Merkmale verdeutlichen das komplexe, nichtlineare mechanische Verhalten des Sehnengewebes über einen breiten physiologischen Bereich. Die Zunahme der Steifigkeit zwischen PF20° und 0° entsprach der anfänglichen Glättung der Kollagenfasern, während anhaltende Zunahmen bei höheren Dorsalflexionwinkeln eine fortschreitende Dehnungsversteifung unter Spannung widerspiegelten. Diese Ergebnisse unterstützen die Verwendung einer Mehrfach-Winkel-Bewertung anstelle einer Ein-Punkt-Schätzung.

Bezüglich statistischer Ergebnisse bestätigte GLMM einen signifikanten Haupteffekt des Gelenkwinkels, was die Empfindlichkeit des Protokolls gegenüber Änderungen der mechanischen Belastung unterstützt. Es wurden keine Haupteffekte oder Wechselwirkungen für die Dominanz der Gliedmaßen beobachtet, was auf eine funktionelle Symmetrie der Achillessehnensteifigkeit über Gelenkwinkeln hinweg hindeutet²¹. Dies entspricht den biomechanischen Anforderungen an ausgewogene Kraftübertragung und Energiespeicherung während der Bewegung²². Ergänzende Analysen basierend auf anatomischer Lateralität (links vs. rechts) zeigten jedoch seitenspezifische Unterschiede unter bestimmten Bedingungen, was darauf hindeutet, dass die funktionelle Symmetrie trotz zugrunde liegender struktureller Asymmetrien erhalten bleiben^{kann 23}.

Es sollten mehrere Einschränkungen berücksichtigt werden. Erstens beschränkte sich die Studie auf junge, männliche Spitzensportler, und zukünftige Studien sollten breitere Bevölkerungsgruppen bewerten, darunter Frauen, ältere Erwachsene und symptomatische Personen. Zweitens nahm die Messgenauigkeit an Positionen maximaler Spannung aufgrund der physikalischen Grenzen der Scherwellenausbreitung ab. Dies verringerte jedoch die Zuverlässigkeit nicht auf ein unakzeptables Niveau, da im Durchschnitt drei Studien eine hohe Reproduzierbarkeit erzielten (ICC > 0,87). Drittens verwendete das Protokoll einen statischen Mehrwinkelansatz anstelle kontinuierlicher dynamischer Messung und repliziert daher keine Hochgeschwindigkeitslastbedingungen. Zusätzlich wurden die Messungen unter passiven Bedingungen durchgeführt und berücksichtigten die Auswirkungen der aktiven Muskelkontraktion nicht. Schließlich charakterisiert diese Methode das lokale scherelastische Verhalten unter transversaler Schwingung und sollte nicht als direktes Maß für die Längszugsteifigkeit interpretiert werden.

Zusammenfassend bietet dieses standardisierte Multi-Angle-Protokoll bei Anwendung mehrerer Versuche (mindestens drei Wiederholungen) und Echtzeit-Qualitätskontrolle (CV < 30 %) ein zuverlässiges und praktisches Werkzeug zur Bewertung der Achillessehnenmechanik. Durch die Erfassung von Sehnenreaktionen über verschiedene Belastungszustände ermöglichte es die Überwachung der bilateralen Symmetrie und Trainingsanpassungen. Diese Methode kann die Überwachung der Athleten und die frühzeitige Erkennung mechanischer Veränderungen im Zusammenhang mit einer Tendinopathie unterstützen, wenn sie zur Längsbeurteilung verwendet wird.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Stiefel	Ober	AO-36	Verwendung wie im Protokoll vorgeschlagen
Kopplungsgel	Jinya-Technologie	TM-100	Verwendung wie im Protokoll vorgeschlagen
Excel	Microsoft	https://www.microsoft.com/microsoft-365/excel	Von Autoren zur Datenanordnung verwendet
Jamovi	Das Jamovi-Projekt	https://www.jamovi.org/	Von Autoren zur statistischen Analyse verwendet
Tragbarer Ultraschall  Gerät	XiJian-Technologie	T5C1B101WT	Verwendung wie im Protokoll vorgeschlagen
Prisma	Graphpad	N/A; https://www.graphpad.com	Von Autoren zur Visualisierung verwendet
SPSS	IBM	https://www.ibm.com/products/spss-statistics	Von Autoren zur statistischen Analyse verwendet