エリートアスリートにおける複数の関節角度にわたるアキレス腱の剛性を評価する振動ベースのエラストグラフィープロトコルの信頼性

Summary

このプロトコルは、エリートアスリートの複数の足首関節角度にわたるアキレス腱の機能的剛性スペクトルを定量化するための標準化された携帯型超音波ベースの方法を説明し、異なる負荷条件下での腱の機械的挙動を信頼性かつ再現性のある評価を可能にします。

Abstract

アキレス腱の機械的挙動は運動能力と怪我のリスクに重要な役割を果たします。しかし、腱の硬さのin vivo評価は依然として困難です。超音波検査とダイナメトリーを組み合わせる従来の方法は高価で実験室に限定され、通常は単一関節位置に限定されますが、既存の弾片解析技術は方法論的前提や機能的関連性の制限に縛られることが多いです。

本研究の目的は、複数の固定された足首関節角度にわたるアキレス腱の機能的剛性スペクトルを定量化するための標準化された携帯可能なプロトコルを提示し検証することでした。このパラダイムは、単一の静的剛性値から連続的な機械的プロファイルへと評価をシフトし、腱の荷重に対する非線形応答を捉えます。力・超音波融合システムを用いて、機械的に誘起された低周波振動を腱に加え、超音波を用いたモーショントラッキングで表層腱組織のせん断弾性率を推定しました。測定は、エリート男性アスリートを対象に、リラックスして足首屈曲状態から中立・背屈姿勢まで、あらかじめ定められた足首関節位置で両側的に実施されました。

プロトコルは、すべての関節角度で良好な試験中再現性と優れたセッション中再現性を示し、軟部組織エラストグラフィーおよびクラス内相関係数において変動係数が許容範囲内に収まり、高い信頼性を示しました。アキレス腱の剛性は進行性背屈に伴い非線形に増加し、角度依存的な機械的挙動を示しました。側面優位の有意な主な効果は全機能範囲で観察されず、スポーツ特異的な違いは特定の関節角度で認められました。

このプロトコルは、機能的に関連した荷重条件下でのアキレス腱の機械的挙動を特徴付ける実用的かつ再現可能なアプローチを提供します。その携帯性と標準化されたワークフローにより、実験室、臨床、フィールドベースの用途に適しており、アスリートのモニタリング、怪我リスク評価、腱適応の縦断的評価に貴重なツールを提供します。

Introduction

アキレス腱は、筋力を伝達し、伸縮・短縮サイクル(SSC)動作中に弾性エネルギーを蓄え・放出することで、高性能な人間の動きにおいて重要な役割を果たします^。その機械的剛性は運動効率の重要な決定要因であり、力伝達、弾性エネルギーの再利用、そして運動および爆発作業中の全体的な機械的出力に影響を与えます^。特にスプリント、ジャンプ、その他のSSC優勢スポーツに関わるエリートアスリートでは、アキレス腱の硬さが優れたスプリント速度、加速力、走行経済性、ジャンプパフォーマンス、^力の発達速度と一貫して関連しています。長期のトレーニング曝露と短期の機械的負荷の両方が、^腱の剛性に測定可能な変化をもたらすことが示されており、腱組織の適応能力を反映^{しています。}逆に、アキレス腱症のような病的状態は、硬さの変化を特徴とし、筋肉力が保たれていても力の伝達が妨げられることがある^6。腱症の影響は大きいです。エリートスポーツでは、時間の損失やパフォーマンスの低下、キャリアの短縮につながる一方で、レクリエーション活動をする人々にとっては、生活の質を低下させ、医療費も多額の負担となる非常に一般的なしつこい問題となっています。したがって、アキレス腱の剛性の正確かつ信頼性の高い評価は、運動部群におけるパフォーマンスモニタリング、負荷管理、怪我関連評価に不可欠です。

現在、超音波検査とダイナメトリーの組み合わせは、腱の硬さ^7,8,9の生体内評価の基準法として広く認識されています。この方法は高度に制御された条件下での腱の機械的特性に関する貴重な洞察を提供しますが、いくつかの実用的な制約により^{広範な応用は}制限されています。このセットアップは時間がかかり、オペレーターの専門知識に大きく依存し、通常は実験室環境に限定されます。さらに、等速ダイナモメーターや高級超音波機器の両方に多額の資本投資を必要とするため、大きな財政的障壁となります。さらに、剛性推定値は単一の関節構成における孤立または準静的荷重条件下で導出されることが多く、定期的なアスリートモニタリング、フィールドベースの評価、トレーニングサイクルを通じた縦断的評価への適用性が制限されます。これらの制約は、方法論的に堅牢でありながら応用スポーツの場で実現可能な代替測定アプローチの必要性を強調しています。

超音波を用いたエラストグラフィー技術は、腱の機械的特性を生体内で評価するための有用なツールとして登場しています。その中でも、せん断波エラストグラフィー(SWE)は筋骨格系組織に広く応用されています。しかし、その使用は重要な方法^論的課題を浮き彫りにしています。過去の研究では、エラストグラフィー由来の剛性測定が関節角度、プローブの向き、組織の前圧縮、関心領域(ROI)の選択、データ処理戦略に非常に敏感であることが示されており、特に腱のような高度に異方性の構造において顕著です。オペレーターによる変動を軽減するために、一部の著者は超音波プローブを固定するためにカスタムの外部ハーネスの使用を推奨していますが、これはしばしばテスト効率や迅速なデータ収集を犠牲にします。その結果、フリーハンド技術や外部安定化を用いるいずれの方法論的基準や厳格な測定プロトコルが、有効かつ再現性の高い剛性評価を保証するために強く推奨されています。これらの方法論的考慮はSWEに限定されず、機械的に誘起された波動伝播から組織剛性を推定するエラストグラフィー技術にも広く関連しています。

近年、振動ベースの超音波エラストグラフィーは、表層筋骨格組織の機械的特性を評価するための実用的かつ現場適応可能な代替手段として注目を集めています¹²。この手法では、対象組織の音響的および構造的特性に最適化された周波数と振幅パラメータを用いた機械的振動を組織に外部から加え、その結果得られる波の伝播を超音波イメージングで追跡して剛性関連パラメータを導出します。これまでの先駆的研究では、超音波検査と外部アクチュエーターを組み合わせて腱の力学を評価することに成功しており、四肢に装着したかさばる機械式シェーカーを用いて連続的な正弦波^13,14を発生させていますが、本プロトコルは過渡振動アプローチを採用しています。機械的励起チップを超音波トランスデューサーのすぐ隣に手動で配置し、非常に短時間(300ms)の過渡インパルスを供給する柔軟な手持ち型構成を採用しているため、複雑で時間のかかる外部ストラップ装置の必要性を排除します。この進歩により被験者の負担が大幅に軽減され、従来の実験室ベースのダイナメトリーと超音波の組み合わせと比較して、振動ベースのエラストグラフィーシステムはより携帯性が高く非侵襲的で、応用スポーツ環境での繰り返し測定にも実現可能となっています。しかし、これらの利点にもかかわらず、既存の研究では通常、アキレス腱の剛性は単一の関節構成で評価されており、腱の機械的挙動のスナップショットは限られています。

腱の剛性は筋肉-腱ユニットの構成に本質的に依存し、関節の角度や筋肉の長さに応じて変化します。したがって、単一角度測定では、足首の可動域全体やスポーツ特有の姿勢時に見られる腱硬さの機能的変動を捉えきれません。この制約により、多角度荷重や急速な力の転換にさらされるアスリートにとって、剛性測定の実用的な関連性が低下します。これまでのところ、再現可能なエラストグラフィー^{ベースのプロトコルを}用いて複数の標準化された関節角度にわたるアキレス腱の剛性を体系的に定量化した研究は少ない。

この方法論的ギャップを埋めるために、機能剛性スペクトルパラダイムを提案します。このアプローチは、腱の剛性をスカラー的な性質ではなく関節位置の連続的な関数として再概念化し、生理学的な負荷状態の範囲にわたる腱の機械的出力を定量化します。自由腱のせん断弾性率を複数の角度で分離することで、この方法は筋腱ユニットの従来のダイナメトリーを補完する組織特異的な評価を提供します。本稿の目的は、被験者の位置決め、関節角度の標準化、プローブの取り扱い、ROIの選択、データ取得手順を含む、この手法を実装するための詳細なステップバイステッププロトコルを提示することです。このプロトコルは、アキレス腱の機能的剛性スペクトルの再現性評価を促進し、エリートアスリートにおけるスポーツ特有の腱適応や機能的バイオメカニクスを研究者や実務者に調査するための実践的なツールを提供することを目的としています。重要なのは、この手法の有用性を実用的に示すためには、その適用範囲を明確に定義する必要があることです。このアプローチは、縦方向の適応のモニタリング、左右の左右の非対称のスクリーニング、腱症リハビリテーションの追跡など、局所腱力学の非侵襲的、静的または準静的プロファイリングに非常に適しています。しかし、一貫した音響結合を維持することが困難な高度で連続的な動き作業には適していませんし、また基線張力が欠如する急性期の完全腱断裂期には適用できません。さらに、極端な組織張力下でのせん断波伝播の飽和効果により、極端な可動範囲(例:最大背屈)では絶対測定精度が低下する可能性があることに注意すべきです。

Protocol

本研究は北京体育大学研究倫理委員会(承認番号:2025608H)により承認され、すべての手続きはヘルシンキ宣言に従って実施されました。すべての参加者は、研究参加および匿名画像の公開に関する書面によるインフォームドコンセントを提供しました。

参加者の準備

リクルートと出場資格

参加者は全国レベルのスポーツチームから募集され、18歳から26歳のプロ男性アスリートが複数のスポーツ種目(例:スプリント、テニス、バスケットボール)に携わっていました。参加者は正常な体格指数(^{BMI)を確保する}ためにスクリーニングを受けました。優越した脚は、参加者にボールを蹴るように求めて決定されました。

参加基準および除外基準

参加者は以下の対象条件を満たしていました:男性、正常なBMI、そして全国レベルのスポーツ資格。除外基準には、足首の外傷や手術の既往歴、神経学的または全身疾患、アキレス腱またはその周辺構造に関わる急性筋骨格系の痛みや炎症、自己申告の同化作用薬物使用が含まれていました。

テスト環境と事前テスト指示

すべての測定は、すべての参加者が同じ試験室と試験官を用いて標準化された実験室の条件下で実施されました。参加者はテスト¹⁷の48時間前から高強度運動を避けるよう指示されました。

機器の構成要素と接続

本研究では携帯型振動式超音波エラストグラフィーシステムが使用されました。使用されている具体的な商用製品およびソフトウェアは材料 表に詳述されています。システムは主に4つのコンポーネントで構成されていました:(1) 統合システムソフトウェアを備えたメインユニット(バージョン1.0)、(2) 線形アレイ超音波トランスデューサー、(3) 外部励起モジュール、(4) L15振動ヘッド。

リニアアレイトランスデューサーは、中心周波数100Hz、振幅1mmの128素子プローブで、表層筋骨格系組織の高解像度イメージングを目的としていました。励起モジュールはL15振動ヘッドと共に低周波の機械的振動(15 ± 2 mm)を発生させ、それを組織に伝達して機械的に伝播する波を誘発しました。波動伝播による組織の動きは超音波システムによって追跡され、剛性に関連するパラメータはシステム内蔵の解析ソフトウェアで導出されました。

トランスデューサーは、コネクターをメインユニット背面パネルの対応するインターフェースに合わせ、コネクターボタンが完全に噛み合いプローブハウジングにぴったり合うまでしっかりと挿入し、トランスデューサーケーブルを優しく引っ張って確実な接続を確認して接続されました。励起モジュールは、ロックコネクターを合わせて完全に挿入し、手動でロック機構を締めることで、メインユニットの左下にある指定ソケットに接続され、安定した機械的・電気的接続を確保しました。システムは、メイン電源を起動し、システム状態インジケーターが点灯したことを確認すると、タブレットインターフェースの電源を入れ、指定されたアプリケーションアイコンを選択して超音波システムソフトウェアを起動し、システムがリアルタイムのBモード画像表示とともにメインの超音波操作インターフェースに入ったことを確認することで電源がオンになりました。

せん断弾性率(G)獲得

トランスデューサーの準備と配置

予温化された結合ゲルの均一層がトランスデューサー表面に塗布され、プローブは測定部位に軽く当てられ、ターゲット点はプローブの前方の下に位置付けました。取得前に画像品質が確認され、トランスデューサー面が皮膚表面にほぼ垂直(>75°)、トランスデューサーと皮膚の距離が約5mm、気泡が見えず、筋膜および腱線維が明確に可視化されていることが確認されました。

励起モジュールの構成

エラストグラフィーモード(Eモード)パラメータは周波数7.5 MHz、4本の取得ライン、5 mmの深さ範囲、300 msの取得時間に設定されました。励起モジュールが作動し、励起チップはプローブの突出側の3〜6 mm前方、プローブイメージング面に垂直に配置されました。

Eモードイメージングと深度調整

超音波システムはEモードに切り替わり、参照線は獲得深度範囲が浅腱筋膜のすぐ下から始まるように配置されました。関心領域(ROI)は腱の厚さをカバーするように調整され、皮膚、皮下組織、ケイガー脂肪パッドは厳重に避けられました。

データ取得と品質管理

連続測定は オン ボタンをクリックすると開始され、システムは自動的にせん断率(G)を計算し、有効データの平均±標準差値を提供しました。参加者とオペレーターの姿勢は取得時に一定に保たれ、少なくとも10の有効な連続データポイントが得られました。十分なデータポイントが集まったら、 フリーズ 機能を押すことでデータ取得を停止しました。データセットは外れ値の有無を確認し、システムの編集機能を使って異常なデータポイントが除去されました。

測定は各足首の角度で少なくとも3回繰り返し行われました。測定が有効とみなされるのは、連続データ点の標準偏差(SD)が平均の10%未満であり、これは装置の内部妥当性要件に従っていた場合に限られます。それ以外の場合は測定を破棄し、繰り返し測定しました。Bモード画像と機械イメージングマップは文書化のために保存されました(図1)。

図1。実験装置および機能剛性スペクトル取得プロトコルの回路図表現。 (A) 実験装置。(B)アキレス腱の特定の測定ゾーン。(C) 実験列における足首関節の角度。略称:PF = 足底屈曲、DF = 背屈。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

データ取得手順

対象登録と解剖学的局所化

参加者の人口統計および運動情報は到着時に記録されました。参加者は靴と靴下を脱ぎ、診察用のソファにうつ伏せになり、足首を約5cm完全に縁から伸ばすよう指示されました。頭骨結節の上端は触診で特定され、このランドマークから近位5cmの点を皮膚マーカーで初期測定部位を定めました。マークされた部位は縦方向の超音波画像診断で確認されました。

基準値測定

初期の剛性獲得は、上記の手順に従い、基準状態(ノーブート緩和状態)で実施されました。

多角度測定(関数的剛性スペクトル)

測定は、弛緩、0°(中立)、20°足底屈曲(PF)、40°PF、20°背屈(DF)、40°DFおよび40°DFの条件下で両アキレス腱を順次測定しました。無作為化検査の順序は意図的に避けられました。なぜなら、極度の背屈姿勢を地底屈曲位の前に検査すると、組織のヒステリーシスや前調整が誘発され、基準力学が人工的に変化し、その後の測定に影響が出るからです。

図2。データ取得時のシステムの代表的なインターフェースです。 中央パネルにはアキレス腱の縦方向Bモード超音波画像が表示され、明確で平行な線維の整列が示されています。右側の黄色いパネルは、せん断弾性率(G)のリアルタイム定量を示しています。システムは、以下の有効な測定値のリストから平均値(この例では20.46 kPa)と標準偏差(0.37 kPa)を自動的に計算します。この測定結果は、標準偏差が低い(標準偏差<平均の10%)で高い測定安定性を示し、プロトコルの品質管理基準を満たしています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

ブーツの取り付けと角度設定

手術後

参加者には足首のブーツを脱ぐよう指示され、すべての器具と超音波プローブは清掃・消毒されました。

データ処理と統計解析

データ集約

各測定試験において、データポイントの内部標準差は平均の<10%であることが検証されました。3つの有効な試験間変動係数(CV)は各測定角度で計算され、<30%であることが求められました。それ以外の場合は、データセットを破棄して再測定しました。3件の成功した試験の総合平均を計算し、その後の分析に用いています。

統計モデリング

クラス内相関係数(ICC)を計算し、測定の再現性を評価しました。アキレス腱の剛性に対する変数の影響は一般化混合モデル(GLMM)を用いて分析されました。アキレス腱剛性(G)が従属変数として指定され、足首関節の角度、スポーツタイプ、利き脚が固定因子として挙げられました。被験者IDは、繰り返し測定を考慮したランダム効果として含まれました。事後分析(Bonferroni補正)が行われました。

データ可視化

処理済みデータは剛性スペクトル解析には折れん差しグラフ、グループ比較には棒グラフを用いてエクスポート・可視化しました。

Results

統計的結果を解釈する前に、このプロトコルの成功と失敗の基準を定義することが極めて重要でした。参加者の人口統計的特徴は 表1に示されています。成功した測定は、皮膚表面に平行な明確で連続した腱線維構造を示す高品質なBモード画像と、あらかじめ定義された関心領域(ROI)内で安定し均質なエラストグラフィー色マップ( 図2参照)を組み合わせて視覚的に特徴づけられました。定量的には、単一のキャプチャ内で連続したデータ点が変動係数(CV)<30%を得たことで成功が達成されました。逆に、失敗した実装は通常、音響結合不良(エラストグラフィーマップに暗い空洞や信号切れを引き起こす)、運動アーティファクト、または操作者による過剰なプローブ圧によって表層組織が人工的に硬直されることを示しました。CVが30%≥、または不連続なエラストグラフィー充填を示す試験は技術的な失敗とみなされ、直ちにプローブの再配置と再検査が必要でした。

Discussion

本研究では、携帯型フォース・ウルフュージョン装置を用いてエリート男性アスリートのアキレス腱の機能的剛性スペクトルを定量化する標準化されたプロトコルを提示しました。従来の解剖学的画像診断が機能的な洞察を限定的に提供するのに対し、この方法は振動を用いた超音波エラストグラフィーを用いて、足首関節の生理的角度の範囲にわたる腱の機械的特性を非侵襲的にマッピングしました。総試験時間は被験者あたり約10〜20分であり、弾性弾性率値の自動抽出により、このプロトコルは実験室およびフィールドベースのスポーツ環境の両方での縦断モニタリングに実用的な解決策となりました。しかし、あらゆる多角度評価と同様に、アキレス腱の固有の粘弾性特性、特にクリープ、ヒステリシス、応力緩和への感受性は慎重に管理されなければなりません。セッション全体は10〜20分続きましたが、セットアップ、解剖学的なランドマーク付け、ブーツの取り付けが含まれていました。各関節角度での実際の時間は短く(通常1分未満)、さらに、機械的振動は連続的ではなく一時的(取得ウィンドウごとに300 ms)であり、蓄積された機械的疲労のリスクを最...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ブーツ	オーバー	AO-36	プロトコルで提案された通りに使用
カップリングジェル	ジンヤテクノロジー	TM-100	プロトコルで提案された通りに使用
エクセル	マイクロソフト	https://www.microsoft.com/microsoft-365/excel	著者によるデータ整理に使用
ジャモビ	ジャモビプロジェクト	https://www.jamovi.org/	著者による統計分析に使用
ポータブル超音波デバイス	XiJianテクノロジー	T5C1B101WT	プロトコルで提案された通りに使用
プリズム	グラフパッド	N/A; https://www.graphpad.com	著者による視覚化に使用
SPSS	IBM	https://www.ibm.com/products/spss-statistics	著者による統計分析に使用