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
2026年6月16日
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。
私たちは新しいエラストグラフィープロトコルを用いて、複数の関節角度にわたるアキレス腱の剛性を評価し、さまざまなスポーツのエリートアスリートにおける生体力学的適応を特徴づけています。既存の手法とは異なり、当社の振動ベースのエラストグラフィーは、連続的な腱の剛性や可動域全体にわたる変化を信頼性高く評価します。まずは、18歳から26歳までのプロ男子アスリートを含む全国レベルのスポーツチームから参加者をリクルートしましょう。
利き脚を決めるために、参加者にボールを蹴らせます。装置、9L3から8.5メガヘルツのリニアアレイプローブを備えたM5軟部組織エラストメーター、機械励起モジュールを準備してください。アキレス腱ブーツ、超音波ジェル、診察ベッドなどの追加の機器を用意してください。
メイン電源を入れてシステム状態表示器が点灯しているか確認してください。その後、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します。Bモードパラメータを周波数7.5メガヘルツ、4本の取得ライン、5ミリメートルの深さ範囲、300ミリ秒の取得時間に設定します。
次に、参加者に靴を脱ぐよう指示し、足首を約5センチほど完全に伸ばして診察用のソファにうつ伏せにします。触診して、踵骨結節の上端を特定します。このランドマークの近くに皮膚マーカーを使って0.5センチメートルの位置をマークし、初期の測定地点を定義します。
トランスデューサー表面に均一に予熱された結合ゲルを塗布します。プローブを測定部位に軽く当て、ターゲットポイントをプローブの前方の下に合わせます。次に超音波システムをエラストグラフィーモードに切り替えてください。
基準線を、獲得の深さ範囲が浅い腱筋膜のすぐ下から始まるように位置してください。興味のある部位を調整して腱の厚さを覆い、皮膚や皮下組織、ケイガー脂肪パッドは避けてください。取得前に、トランスデューサー面が皮膚表面に対してほぼ垂直で75度以上であることを確認し、画像品質を確認します。
トランスデューサーと皮膚の距離が約5ミリメートルであることを確認してください。気泡が目に見えないこと、筋膜や腱線維がはっきり見えることを確認してください。励起装置がオンになったら、システムが自動的にせん断率を計算し、有効データの平均値と標準偏差値を表示できるようにします。
取得時には参加者とオペレーターの姿勢を一定に保ち、少なくとも10の有効な連続データポイントを得てください。十分なデータポイントが集まったら、フリーズ機能を押してデータ取得を停止します。データセットの外れ値を確認し、システム編集機能を使って異常なデータポイントを削除してください。
両アキレス腱の測定は、リラックスしたゼロ度の中立、20度足底屈曲、40度足底屈曲、20度背屈、40度背屈の条件下で順次測定を行います。各足首の角度で少なくとも3回測定を繰り返します。連続データポイントの標準偏差が平均の10%未満である場合のみ、装置の内部検証基準で求められる場合のみ測定を検証してください。
ブーツヒンジ機構の両側ロックノブを緩めてください。構造マーカーをゴニオメトリックスケールに合わせて、手動で目標の角度に足首を誘導します。ロックノブをしっかり締めて、足首関節を目標の角度で固定します。
角度を固定した後にすぐに超音波測定を行い、粘弾性腱の弛緩を防ぎます。その後、参加者にアンクルブーツを脱ぐよう指示します。すべての器具と超音波プローブを清掃し消毒してください。
測定は、皮膚表面に平行な明確な連続腱線維構造と、あらかじめ定められた関心領域内で安定した均質なエラストグラフィー色マップを持つ高品質なBモード画像で視覚的に特徴づけられました。平均変動係数は、異なる節合角度で0.14から0.25の範囲でした。クラス間相関係数値は、評価されたすべての結合角で0.871から0.974の範囲でした。
最も高い信頼性は緩和状態で観察され、最も低い信頼性は中立のゼロ度位置で観察されました。アキレス腱の硬さは、すべての参加者で足底屈曲から背屈へ非線形的に増加しました。一般化された混合モデルでは関節角度に有意な主効果が示されたのに対し、サイドおよびスポーツタイプでは主効果が認められませんでした。
角度とスポーツとの相互作用は重要で、特定の足首角度でのスポーツ特有の剛性の違いを示していました。このプロトコルは非侵襲的にアキレス腱の機能剛性スペクトルを測定し、動的角度にわたる非線形の機械的挙動を捉えます。動的取得時の最大の課題は、一定の接触圧力とプロ垂直性を維持し、動きのアーティファクトを避けることです。
今後の研究では、腱の挙動をマッピングし、腱のリハビリテーションを監視し、トレーニング適応を評価し、動的なスポーツパフォーマンスを予測できるでしょう。
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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.
