Zuverlässigkeit eines vibrationsbasierten Elastographieprotokolls zur Beurteilung der Achillessehnensteifigkeit über mehrere Gelenkwinkel bei Spitzensportlern
16. Juni 2026
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.
Wir verwenden ein neuartiges Elastographieprotokoll, um die Achillessehnensteifheit über mehrere Gelenkwinkel hinweg zu untersuchen, mit dem Ziel, biomechanische Anpassungen bei Spitzensportlern verschiedener Sportarten zu charakterisieren. Im Gegensatz zu bestehenden Methoden bewertet unsere vibrationsbasierte Elastographie zuverlässig die kontinuierliche Sehnensteifigkeit, also Veränderungen über den gesamten Bewegungsumfang. Zu Beginn rekrutieren Sie Teilnehmer aus nationalen Sportmannschaften, darunter professionelle männliche Athleten im Alter von 18 bis 26 Jahren in verschiedenen Sportdisziplinen.
Bestimmen Sie das dominante Bein, indem Sie den Teilnehmer bitten, einen Ball zu treten. Bereite die Ausrüstung vor, ein M5-Weichteil-Elastometer mit einer 9L3- bis 8,5-Megahertz-Linearray-Sonde und ein mechanisches Anregungsmodul. Sammeln Sie zusätzliche Ausrüstung, darunter einen Achillessehnestiefel, Ultraschallgel und ein Untersuchungsbett.
Schalten Sie das Hauptnetzteil ein und bestätigen Sie, dass die Systemstatusanzeige leuchtet. Dann schalten Sie das Tablet-Interface ein, starten Sie die Ultraschallsystem-Software, indem Sie das zugewiesene Anwendungssymbol auswählen, und überprüfen, ob das System mit Echtzeit-B-Bildgebung auf die Haupt-Ultraschall-Betriebssystemoberfläche eintritt. Stellen Sie die B-Modusparameter auf eine Frequenz von 7,5 Megahertz, vier Aufnahmelinien, einen Tiefenbereich von fünf Millimetern und eine Aufnahmezeit von 300 Millisekunden ein.
Als Nächstes wird der Teilnehmer angewiesen, die Schuhe auszuziehen, und dann den Teilnehmer auf der Untersuchungscouch liegend positioniert, wobei die Knöchel etwa fünf Zentimeter vollständig über den Rand gestreckt sind. Palpieren Sie, um die obere Spitze der Tuberosa calcanealer zu lokalisieren. Markieren Sie eine 0,5 Zentimeter proximal zu diesem Orientierungspunkt mit einem Hautmarker, um die Anfangsmessstelle zu definieren.
Tragen Sie eine gleichmäßige Schicht vorgewärmtes Kopplungsgel auf die Oberfläche des Wandlers auf. Legen Sie die Sonde leicht an die Messstelle und richten Sie den Zielpunkt unter der vorderen Seite der Sonde aus. Jetzt schalte das Ultraschallsystem auf den Elastographie-Modus.
Positioniere die Referenzlinie so, dass der Erfassungstiefenbereich direkt unterhalb der oberflächlichen Sehnenfaszie beginnt. Passen Sie die gewünschte Region so an, dass sie die Sehnendicke abdeckt, wobei Sie die Haut, das Unterhautgewebe und das Kager-Fettpad vermeiden. Vor der Aufnahme sollten die Bildqualität bestätigt werden, indem sichergestellt wird, dass die Transducer-Ebene nahezu senkrecht zur Hautoberfläche bei mehr als 75 Grad steht.
Bestätigen Sie, dass der Abstand zwischen Sensor und Haut etwa fünf Millimeter beträgt. Überprüfen Sie, dass keine sichtbaren Luftblasen vorhanden sind und dass die Faszien- und Sehnenfasern klar sichtbar sind. Sobald das Anregungsgerät eingeschaltet ist, kann das System automatisch den Schermodul berechnen und Mittelwert sowie Standardabweichungswerte gültiger Daten anzeigen.
Halten Sie während der Erfassung eine konstante Teilnehmer- und Betreiberhaltung, um mindestens 10 gültige kontinuierliche Datenpunkte zu erhalten. Stoppen Sie die Datenerfassung, indem Sie die Freeze-Funktion drücken, sobald genügend Datenpunkte gesammelt sind. Überprüfen Sie den Datensatz auf Ausreißer und entfernen Sie abnormale Datenpunkte mit der Systembearbeitungsfunktion.
Führen Sie nacheinander Messungen an beiden Achillessehnen unter entspannten, null Grad neutralen Bedingungen, 20 Grad Plantarflexion, 40 Grad Plantarflexion, 20 Grad Dorsalflexion und 40 Grad Dorsalflexion durch. Wiederholen Sie die Messungen mindestens dreimal in jedem Knöchelwinkel. Validieren Sie jede Messung nur, wenn die Standardabweichung der kontinuierlichen Datenpunkte weniger als 10 % des Mittelwerts beträgt, wie es die internen Validierungskriterien des Geräts verlangen.
Speichere Bilder im B-Modus und mechanische Bildkarten für die Dokumentation. Nach Abschluss der Messung des entspannten Zustands setzen Sie den Fuß des Teilnehmers in den verstellbaren Knöcheltest-Stiefel und stellen Sie sicher, dass die Fersenstützen vollständig bündig an der hinteren Fersenkappe der Stiefelbasis liegen. Sichern Sie Vorfuß, Mittelfuß und Unterschenkel mit den befestigten Haken- und Schlaufengurten, um Fersenhebung oder seitliche Verschiebungen während der Tests zu verhindern.
Lockere die beidseitigen Verriegelungsknöpfe am Kofferraumscharniermechanismus. Führen Sie den Knöchel manuell zum Zielwinkel, indem Sie die strukturellen Markierungen mit der goniometrischen Skala ausrichten. Ziehen Sie die Verriegelungsknöpfe fest, um das Sprunggelenk im Zielwinkel zu sichern.
Führen Sie eine Ultraschallmessung unmittelbar nach der Verriegelung des Winkels durch, um eine Relaxation der viskoelastischen Sehnen zu verhindern. Danach weist man den Teilnehmer an, den Knöchelstiefel auszuziehen. Reinigen und desinfizieren Sie alle Instrumente und Ultraschallsonden.
Eine erfolgreiche Messung wurde visuell durch ein hochwertiges B-Mode-Bild mit einer klaren, kontinuierlichen Sehnen-Fibrillarstruktur parallel zur Hautoberfläche und einer stabilen homogenen Elastographie-Farbkarte innerhalb des vordefinierten Interessensbereichs charakterisiert. Die durchschnittlichen Variationskoeffizienten lagen zwischen 0,14 und 0,25 über verschiedene Gelenkwinkel. Die Korrelationskoeffizienten zwischen den Klassen reichten von 0,871 bis 0,974 über alle bewerteten Gelenkwinkel.
Die höchste Zuverlässigkeit wurde im entspannten Zustand beobachtet, die niedrigste Zuverlässigkeit in der neutralen Null-Grad-Position. Die Achillessehnensteifigkeit nahm bei allen Teilnehmern nichtlinear von der Plantarflexion zur Dorsalflexion zu. Die verallgemeinerten gemischten Modelle zeigten einen signifikanten Haupteffekt des Gelenkwinkels, während Seiten- und Sportarten keine Haupteffekte zeigten.
Die Interaktion zwischen Winkel und Sport war bedeutend und zeigte sportspezifische Steifigkeitsunterschiede bei bestimmten Knöchelwinkeln. Dieses Protokoll misst nicht-invasiv das funktionelle Steifkeitsspektrum der Achillessehne und erfasst ihr nichtlineares mechanisches Verhalten über dynamische Winkel. Die größte Herausforderung bei der dynamischen Erfassung besteht darin, den konstanten Kontaktdruck und die Pro-Senkrecht aufrechtzuerhalten, um Bewegungsartefakte zu vermeiden.
Zukünftige Studien können das Sehnenverhalten kartieren, um die Tendonopsie-Rehabilitation zu überwachen, Trainingsanpassungen zu bewerten und dynamische Sportleistungen vorherzusagen.
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Overview
This study introduces and validates a portable, standardized protocol for quantifying the functional stiffness spectrum of the Achilles tendon across multiple ankle joint angles. By employing a force–ultrasound fusion system, the method enables continuous mechanical profiling of the tendon, offering improved assessment over traditional single-value or laboratory-bound techniques. The protocol demonstrates high repeatability and reliability, making it suitable for diverse applications in athlete monitoring and injury risk assessment.
Key Study Components
Area of Science
- Sports medicine
- Biomechanics
- Musculoskeletal imaging
Background
- The Achilles tendon’s mechanical properties are crucial for athletic performance and injury prevention.
- In vivo assessment of tendon stiffness is challenging due to limitations of current methods.
- Conventional ultrasonography with dynamometry is expensive and limited to laboratory settings and single joint positions.
- Existing elastography techniques often lack functional relevance or are constrained by methodological assumptions.
Purpose of Study
- To present and validate a portable protocol for quantifying the Achilles tendon’s stiffness spectrum across multiple ankle joint angles.
- To shift assessment from a static stiffness value to a continuous mechanical profile reflecting nonlinear tendon behavior.
- To enable practical, repeatable tendon assessment in laboratory, clinical, and field settings.
Methods Used
- Application of mechanically induced low-frequency vibrations to the Achilles tendon.
- Ultrasound-based motion tracking to estimate the shear elastic modulus of superficial tendon tissue.
- Force–ultrasound fusion system for synchronized measurement.
- Measurements performed bilaterally in elite male athletes at predefined ankle joint positions (relaxed, plantarflexed, neutral, dorsiflexed).
Main Results
- The protocol showed good intra-trial repeatability and excellent intra-session reproducibility across all joint angles.
- Coefficients of variation were within acceptable limits for soft-tissue elastography.
- Intraclass correlation coefficients indicated high measurement reliability.
- Achilles tendon stiffness increased non-linearly with dorsiflexion, demonstrating angle-dependent mechanical behavior.
- No significant effect of side dominance was observed, but sport-specific differences appeared at selected joint angles.
Conclusions
- The protocol provides a practical and repeatable approach for characterizing Achilles tendon mechanical behavior under functionally relevant loading.
- Its portability and standardized workflow support use in laboratory, clinical, and field environments.
- The method is valuable for athlete monitoring, injury risk assessment, and longitudinal evaluation of tendon adaptation.
Frequently Asked Questions
Executive Industry Relevance
Quantitative assessment of tendon mechanical properties is critical for translational musculoskeletal research and preclinical model development. This portable vibration-based elastography protocol enables standardized, reproducible measurement of Achilles tendon stiffness across multiple joint angles, supporting predictive confidence in biomechanical target validation. Its reliability and functional relevance position it as a valuable tool for risk-adjusted advancement in sports medicine and musculoskeletal R&D portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of tendon mechanical behavior under physiologically relevant loading conditions.
- Supports functional target validation by quantifying nonlinear stiffness profiles across joint angles.
- Facilitates biological de-risking for musculoskeletal intervention strategies.
Screening & Assay Development
- Provides a standardized, repeatable workflow for tendon stiffness quantification.
- Delivers quantitative outputs suitable for assay reproducibility and cross-study comparison.
- Prepares validated biomechanical systems for downstream screening or intervention studies.
Translational & Preclinical Research
- Aligns tendon mechanical profiling with disease-relevant and athlete-specific translational models.
- Enables longitudinal evaluation of tendon adaptation and intervention effects.
- Supports risk-adjusted decisions for advancing candidate therapies targeting tendon health.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol integrates into the discovery-to-preclinical continuum for musculoskeletal research, bridging early biomechanical hypothesis testing with translational model validation.
- Discovery Biology: Quantifies tendon mechanical response to loading, clarifying functional pathways and de-risking targets.
- Screening: Standardizes measurement of tendon stiffness for reproducible, quantitative assay outputs.
- Analytics: Provides continuous mechanical profiles and statistical reliability metrics for robust condition comparison.
- Translational Research: Enables alignment of preclinical models with athlete-relevant mechanical endpoints.
- Enterprise Reuse: Offers a portable, standardized capability for repeated use across laboratory, clinical, and field settings.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in tendon research.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and scalable tendon assessment workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by enabling reliable mechanical phenotyping.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of musculoskeletal R&D assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ultrasound imaging and biomechanical data interpretation.
- Needs access to force–ultrasound fusion instrumentation and vibration induction hardware.
- Demands cross-team standardization for protocol reproducibility and data comparability.
- Adaptable to various joint angles and subject populations within validated operational limits.
- Practical limitations include dependency on operator training and instrumentation availability.
