엘리트 선수의 여러 관절 각도에서 아킬레스건 강성을 평가하는 진동 기반 탄성학 프로토콜의 신뢰성

Summary

이 프로토콜은 엘리트 운동선수의 여러 발목 관절 각도에서 아킬레스건의 기능적 강성 스펙트럼을 정량화하는 표준화된 휴대용 초음파 기반 방법을 설명하며, 다양한 하중 조건에서 힘줄의 기계적 거동을 신뢰성 있고 재현 가능하게 평가할 수 있게 합니다.

Abstract

아킬레스건의 기계적 거동은 운동 수행 능력과 부상 위험에 중요한 역할을 하며; 그러나 생체 내 힘줄 강성 평가는 여전히 어렵습니다. 초음파와 다이나메트리를 결합한 기존 접근법은 비용이 많이 들고 실험실에서만 진행되어야 하며, 일반적으로 단일 관절 위치에만 제한되는 반면, 기존의 탄성학 기반 기법은 방법론적 가정이나 기능적 관련성에 제한되는 경우가 많습니다.

본 연구의 목적은 여러 고정된 발목 관절 각도에서 아킬레스건의 기능적 강성 스펙트럼을 정량화하기 위한 표준화되고 휴대 가능한 프로토콜을 제시하고 검증하는 것이었습니다. 이 패러다임은 단일 정적 강성 값에서 연속적인 기계적 프로파일로 평가를 전환하여 힘줄의 하중에 대한 비선형 반응을 포착합니다. 힘-초음파 융합 시스템을 사용하여 힘줄에 기계적으로 유도된 저주파 진동을 가하고, 초음파 기반 운동 추적을 통해 표재 힘줄 조직의 전단 탄성 계수를 추정하였습니다. 측정은 엘리트 남성 운동선수들을 대상으로 사전 정의된 발목 관절 위치에서 이완 및 족저 굴곡 상태부터 중립 및 배굴부 자세까지 양측적으로 수행되었습니다.

프로토콜은 모든 관절 각도에서 우수한 시험 내 반복성과 우수한 세션 중 재현성을 보여주었으며, 연조직 탄성학과 클래스 내 상관계수는 높은 신뢰도를 나타내는 허용 범위 내에 있었습니다. 아킬레스건 강성은 점진적인 배굴과 함께 비선형적으로 증가하여 각도 의존적 기계적 행동을 나타낸다. 전체 기능 범위에서 측면 우세의 유의미한 주요 효과는 관찰되지 않았으나, 특정 관절 각도에서 스포츠별 차이가 나타났다.

이 프로토콜은 기능적으로 관련된 하중 조건에서 아킬레스건의 기계적 거동을 특성화하는 실용적이고 반복 가능한 접근법을 제공합니다. 휴대성과 표준화된 작업 흐름 덕분에 실험실, 임상, 현장 적용에 적합하며, 선수 모니터링, 부상 위험 평가, 힘줄 적응의 종단 평가에 유용한 도구를 제공합니다.

Introduction

아킬레스건은 근육의 힘을 전달하고 신축-단축 주기(SSC) 동작 중 탄성 에너지를 저장 및 방출함으로써 고성능 인간 운동에 중요한 역할을 합니다^. 기계적 강성은 움직임 효율성의 주요 결정 요인으로, 힘 전달, 탄성 에너지 재활용, 그리고 운동 및 폭발 작업 중 전체 기계적 출력에 영향을 미칩니다^. 엘리트 선수들, 특히 스프린트, 점프 및 기타 SSC가 주도하는 종목에서 아킬레스건 강성이 더 클수록 뛰어난 스프린트 속도, 가속력, 달리기 경제성, 점프 성능, 그리고 힘 발달 속도와 지속적으로 연관되어 왔습니다^. 장기 훈련 노출과 단기 기계적 부하 모두 힘줄 강성에 측정 가능한 변화를 유발하는 것으로 나타났으며, 이는 힘줄 조직의 적응 능력을 반영합니다 ^4,5. 반대로 아킬레스건병증과 같은 병리학적 상태는 보통 강성 변화가 특징이며, 이는 보존된 근력에도 불구하고 힘 전달을 방해할 수 있습니다^. 건병증의 영향은 상당하며; 엘리트 스포츠에서는 상당한 시간 손실, 경기력 저하, 잠재적 경력 단축을 초래하는 반면, 레크리에이션 활동 인구에서는 삶의 질을 저하시키고 상당한 의료비를 초래하는 매우 흔하고 고집스러운 문제입니다. 따라서 운동선수 집단에서 수행 능력 모니터링, 부하 관리, 부상 관련 평가에 있어 아킬레스건 강성의 정확하고 신뢰할 수 있는 평가가 필수적입니다.

현재 초음파와 다이나메트리의 조합은 신생 내 힘줄 강성 평가의 기준 접근법으로 널리 인정받고 있습니다 ^7,8,9. 이 방법은 고도로 통제된 조건에서 힘줄의 기계적 특성에 대한 귀중한 통찰을 제공하지만, 여러 실용적 한계가 그^{광범위한 적용을} 제한합니다. 이 설치는 시간이 많이 걸리며, 운영자의 전문성에 크게 의존하고 일반적으로 실험실 환경에 한정됩니다. 더욱이, 이는 상당한 재정적 장벽을 의미하며, 등소 다이나모미터와 프리미엄 초음파 기계 모두에 상당한 자본 투자가 필요합니다. 또한, 강성 추정치는 단일 관절 구성에서 고립되거나 준정적 하중 조건에서 일반적으로 도출되므로, 일상적인 선수 모니터링, 현장 기반 평가, 훈련 주기 전반의 종단 평가에 적용하기 어렵습니다. 이러한 제약은 방법론적으로 견고하고 응용 스포츠 환경에서 실현 가능한 대체 측정 접근법의 필요성을 강조합니다.

초음파 기반 탄성학 기법은 체내에서 힘줄의 기계적 특성을 평가하는 데 유용한 도구로 부상하고 있습니다. 이 중 전단파 탄성학(SWE)은 근골격계 조직에 널리 적용되어 왔으며; 그러나 이 사용은 중요한 방법론^{적 도전 과제}를 부각시켰습니다. 이전 연구들은 탄성학에서 유도된 강성 측정이 관절 각도, 탐침 방향, 조직 전압박, 관심 영역(ROI) 선택, 데이터 처리 전략에 매우 민감하다는 것을 보여주었으며, 특히 힘줄과 같은 고이방성 구조에서 그렇습니다. 조작자에 의한 변동성을 줄이기 위해 일부 저자들은 초음파 프로브를 고정하기 위해 맞춤형 외부 하네스 사용을 권장했으나, 이는 종종 테스트 효율성과 빠른 데이터 수집을 희생하는 결과를 초래합니다. 그 결과, 자유손 기법이든 외부 안정화 기법이든 방법론적 기준과 엄격한 측정 프로토콜이 유효하고 재현 가능한 강성 평가를 보장하기 위해 강력히 권장되어 왔습니다. 이러한 방법론적 고려사항은 SWE에만 국한되지 않고, 기계적으로 유도된 파동 전파로부터 조직 강성을 추론하는 탄성학 기반 기법과 널리 관련이 있습니다.

최근 몇 년간 진동 기반 초음파 탄성술은 표면 근골격계 조직의 기계적 특성을 평가하는 실용적이고 현장 적응 가능한 대안으로 주목받고 있습니다¹². 이 접근법에서는 대상 조직의 음향 및 구조적 특성에 최적화된 주파수와 진폭 매개변수를 가진 기계적 진동을 조직에 외부에 가하고, 초음파 영상을 통해 강성 관련 파라미터를 도출하여 그 결과 파동 전파를 추적합니다. 이전 선구적 연구들은 초음파와 외부 액추에이터를 결합해 힘줄 역학을 평가하는 데 성공적이었는데, 이는 사지에 부착된 부피 큰 기계식 셰이커를 사용해 연속적인 사인파를 생성하는 방식입니다.^13,14, 현재 프로토콜은 과도 진동 방식을 사용합니다. 기계적 여기 팁을 초음파 변환기 바로 옆에 수동으로 위치시켜 매우 짧은(300ms) 과도 임펄스를 전달하는 유연한 핸드헬드 구성을 사용함으로써, 복잡하고 시간이 많이 드는 외부 스트랩 설치 필요성을 없애줍니다. 이 발전은 피험자의 부담을 크게 줄여주며, 전통적인 실험실 기반 다이나메트리-초음파 조합과 비교할 때 진동 기반 탄성학 시스템을 더 휴대하기 쉽고 비침습적이며 응용 스포츠 환경에서 반복 측정에 더 적합하게 만듭니다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고, 기존 연구들은 일반적으로 단일 관절 구성에서 아킬레스건의 강성을 평가하여 힘줄의 기계적 거동을 제한적으로 파악하는 데 그쳤습니다.

힘줄 강성은 근육-힘줄 단위의 구성에 본질적으로 의존하며, 관절 각도와 근육 길이에 따라 달라집니다. 따라서 단일 각도 측정은 발목 가동 범위와 스포츠별 자세 시 발생하는 힘줄 강성의 기능적 변동성을 포착하지 못합니다. 이 한계는 다중 각도 하중과 급격한 힘 전환에 노출된 선수들에게 강성 측정의 실질적 관련성을 감소시킵니다. 현재까지 재현 가능한 탄성학 기반 프로토콜¹⁵를 사용하여 여러 표준화된 관절 각도에서 아킬레스건 강성을 체계적으로 정량화한 연구는 거의 없습니다.

이 방법론적 격차를 해소하기 위해 기능적 강성 스펙트럼 패러다임을 제안합니다. 이 접근법은 힘줄 강성을 스칼라 특성이 아닌 관절 위치의 연속적인 함수로 재개념화하여, 생리학적 하중 범위 전반에 걸쳐 힘줄의 기계적 출력을 정량화합니다. 자유 힘줄의 전단 탄성 계수를 여러 각도에서 분리함으로써, 이 방법은 근육-힘줄 단위의 전통적인 다이나메트리를 보완하는 조직별 평가를 제공합니다. 이 원고의 목적은 피험자 위치 지정, 관절 각도 표준화, 탐침 처리, ROI 선정, 데이터 수집 절차를 포함한 이 방법을 구현하기 위한 상세하고 단계별 프로토콜을 제시하는 것입니다. 이 프로토콜은 아킬레스건의 기능적 강성 스펙트럼을 재현 가능하게 평가하고, 엘리트 선수들의 스포츠별 힘줄 적응과 기능적 생체역학을 연구자와 실무자에게 제공하는 실질적인 도구를 제공하기 위해 설계되었습니다. 중요한 점은, 이 방법의 유용성에 대한 실질적인 지침을 제공하기 위해서는 적용 범위가 명확히 정의되어야 한다는 것입니다. 이 접근법은 종방향 적응 모니터링, 좌우 비대칭 선별, 건병증 재활 추적 등 국소 힘줄 역학의 비침습적, 정적 또는 준정적 프로파일링에 매우 적합합니다. 그러나 일관된 음향 결합을 유지하기 어려운 고도로 동적이고 연속적인 움직임 작업에는 적합하지 않으며, 기초 장력이 없는 완전 힘줄 파열의 급성기에는 적용되지 않습니다. 더불어, 극심한 조직 장력 하에서 전단파 전파의 포화 효과로 인해 극단적인 운동 거리(예: 최대 배굴)에서는 절대 측정 정밀도가 저하될 수 있음을 유념해야 합니다.

Protocol

이 연구는 베이징 체육대학교 연구 윤리 위원회(승인 번호: 2025608H)의 승인을 받았으며, 모든 절차는 헬싱키 선언에 따라 진행되었습니다. 모든 참가자는 연구 참여와 익명 이미지 공개에 대한 서면 동의서를 제공하였습니다.

참가자 준비

모집 및 참가 자격

참가자들은 전국 단위 스포츠 팀에서 모집되었으며, 18세에서 26세 사이의 프로 남성 운동선수들이 여러 종목(예: 스프린트, 테니스, 농구)에서 포함되었습니다. 참가자들은 정상 체질량지수(BMI)를 확인하기 위해 선별 검사를 받았습니다¹⁶. 우세 다리는 참가자들에게 공을 차도록 요청하여 결정되었습니다.

포함 및 제외 기준

참가자들은 남성 성별, 정상 BMI, 국가 수준의 스포츠 자격을 충족했습니다. 제외 기준에는 발목 부상 또는 수술 병력, 신경학적 또는 전신 질환, 아킬레스건 또는 주변 구조와 관련된 급성 근골격계 통증 또는 염증, 그리고 자기보고한 동화작용 약물 사용이 포함되었습니다.

테스트 환경 및 사전 테스트 지침

모든 측정은 동일한 시험실과 시험관을 사용하여 표준화된 실험실 조건 하에서 수행되었습니다. 참가자들은 테스트¹⁷ 전 48시간 동안 고강도 운동을 피하라는 지시를 받았습니다.

장비 구성 요소 및 연결

이 연구에서는 휴대용 진동 기반 초음파 탄성촬영 시스템이 사용되었습니다. 사용되는 특정 상용 제품과 소프트웨어는 재료표에 자세히 나와 있습니다. 시스템은 네 가지 주요 부품으로 구성되었습니다: (1) 통합 시스템 소프트웨어가 포함된 메인 유닛(버전 1.0), (2) 선형 배열 초음파 변환기, (3) 외부 자극 모듈, (4) L15 진동 헤드.

선형 배열 변환기는 128요소로 구성된 프로브로, 중심 주파수는 명목상 100Hz, 진폭은 1mm로, 표재성 근골격계 조직의 고해상도 영상화를 위해 설계되었습니다. 여기 모듈은 L15 진동 헤드와 함께 저주파 기계적 진동(15 ± 2 mm)을 생성하여 조직에 전달하여 기계적으로 전파하는 파동을 유도했습니다. 파동 전파로 인한 조직 움직임은 초음파 시스템에 의해 추적되었고, 강성 관련 매개변수는 시스템 내장 분석 소프트웨어를 통해 도출되었습니다.

트랜스듀서는 메인 유닛 후면 패널의 해당 인터페이스와 커넥터를 정렬하고, 커넥터 버튼이 프로브 하우징과 완전히 맞닿아 잠기도록 단단히 삽입한 뒤, 트랜스듀서 케이블을 부드럽게 당겨 안전하게 연결되는지 확인했습니다. 흥분 모듈은 고정 커넥터를 정렬하고 완전히 삽입한 뒤, 잠금 메커니즘을 수동으로 조여 안정적인 기계적 및 전기적 연결을 통해 메인 유닛 왼쪽 하단에 지정된 소켓에 연결되었습니다. 시스템은 주 전원 공급 장치를 켜고 상태 표시기가 켜졌는지 확인한 뒤, 태블릿 인터페이스를 켜고 지정된 애플리케이션 아이콘을 선택하여 초음파 시스템 소프트웨어를 실행하고, 시스템이 실시간 B-모드 영상과 함께 주요 초음파 운영 인터페이스에 진입했는지 확인함으로써 전원을 켰습니다.

전단 탄성 계수(G) 획득

트랜스듀서 준비 및 배치

트랜스듀서 표면에 예열된 결합 젤을 균일하게 덮고, 프로브를 측정 부위에 가볍게 대고 목표 점이 프로브 앞쪽 아래에 정렬되도록 했습니다. 촬영 전에 영상 품질이 확인되어 트랜스듀서 평면이 피부 표면에 거의 수직(>75°), 트랜스듀서와 피부 간 거리가 약 5mm, 눈에 띄는 기포가 없고, 근막과 힘줄 섬유가 명확히 보였음을 확인했습니다.

여기 모듈 구성

탄성 모드(E-모드) 파라미터는 7.5 MHz 주파수, 4개의 획득 라인, 5 mm 깊이 범위, 300ms 획득 시간으로 설정되었습니다. 여기 모듈이 활성화되었고, 여기 팁은 프로브 돌출면에서 3–6mm 앞, 프로브 영상면에 수직으로 위치했다.

E-모드 이미징 및 깊이 조정

초음파 시스템은 E-모드로 전환되었고, 기준선은 포착 깊이 범위가 표재 힘줄근막 바로 아래에서 시작되도록 배치되었습니다. 관심 영역(ROI)은 피부, 피하 조직, 케이거 지방 부위는 엄격히 피하면서 힘줄 두께를 포함하도록 조정되었습니다.

데이터 수집 및 품질 관리

연속 측정은 On 버튼을 클릭하여 시작되었고, 시스템은 자동으로 전단 계수(G)를 계산하여 유효 데이터의 평균 ± SD 값을 제공했습니다. 참가자와 운영자의 자세는 획득 과정에서 일정하게 유지되어 최소 10개의 유효한 연속 데이터 포인트를 얻었습니다. 충분한 데이터 포인트가 수집되면 프리즈 기능을 누르면 데이터 수집이 중단되었다. 데이터셋은 이상치를 검토하고, 시스템의 편집 기능을 통해 비정상적인 데이터 포인트를 제거했습니다.

각 발목 각도마다 최소 세 번 이상 측정이 반복되었습니다. 측정은 장치 내부 타당성 요건에 따라 연속 데이터 포인트의 표준편차(SD)가 평균의 10% 미만일 때만 유효하다고 간주되었습니다; 그렇지 않으면 측정값을 버리고 반복했습니다. B-모드 이미지와 기계적 영상 지도는 문서화를 위해 저장되었습니다(그림 1).

그림 1. 실험 장치 및 기능적 강성 스펙트럼 획득 프로토콜의 도식적 표현. (A) 실험 설정. (B) 아킬레스건의 특정 측정 구역. (C) 실험 시퀀스에서 발목 관절 각도. 약어: PF = 족저 굴곡, DF = 배굴. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

데이터 수집 절차

대상 등록 및 해부학적 위치

참가자 인구통계 및 체육 정보는 도착 시 기록되었습니다. 참가자들은 신발과 양말을 벗고 발목을 약 5cm 정도 완전히 뻗은 채 진찰용 소파에 엎드려 누우도록 지시받았습니다. 종골결절의 상부 꼭대기는 촉진으로 찾아졌고, 이 지점에서 근접한 5cm 지점을 피부 마커로 표시하여 초기 측정 부위를 정의했습니다. 표시된 부위는 종방향 초음파 영상을 통해 확인되었습니다.

기준선 측정

초기 강성 획득은 위에서 설명한 절차를 따라 기준선 상태(부트 없는 이완 상태)에서 수행되었습니다.

다중 각도 측정(기능적 강성 스펙트럼)

양쪽 아킬레스건에 대해 다음 조건에서 순차적으로 측정이 이루어졌습니다: 이완, 0°(중립), 20° 족저굽(PF), 40° PF, 20° 배굴(DF), 40° DF. 무작위 검사 순서는 의도적으로 피했는데, 이는 족저굴전 자세 전에 극단적인 배굴 자세를 검사하면 조직 히스테리시스와 전조건화가 유발되어 기초 역학을 인위적으로 변화시키고 이후 측정에 영향을 줄 수 있기 때문이다.

그림 2. 데이터 수집 시 시스템의 대표적인 인터페이스입니다. 중앙 패널에는 아킬레스건의 종방향 B-모드 초음파 영상이 표시되어 있으며, 명확하고 평행한 섬유 정렬을 보여줍니다. 오른쪽 노란색 패널은 전단 탄성 계수(G)의 실시간 정량화를 보여줍니다. 시스템은 아래에 제시된 유효한 측정 목록에서 평균값(20.46 kPa)과 표준편차(0.37 kPa)를 자동으로 계산합니다. 이 측정값은 표준 편차가 낮은 (표준편차< 평균의 10%)로 높은 측정 안정성을 보여주며, 프로토콜의 품질 관리 기준을 충족합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

부트 설치 및 각도 설정

참가자의 발은 조절 가능한 발목 테스트 부츠에 넣어, 굽이 부츠 바닥의 뒤쪽 굽 컵에 완전히 밀착되도록 했습니다. 앞발, 중족부, 하퇴부는 테스트 중 뒤꿈치가 들리거나 옆으로 이동하는 것을 방지하기 위해 부착된 후크 앤 루프 스트랩으로 고정되었습니다. 부츠 경첩 메커니즘의 양쪽 잠금 노브를 느슨하게 하고, 구조 마커를 각각 척도에 맞추어 발목을 수동으로 목표 각도로 유도했다. 잠금 노브를 단단히 조여 발목 관절을 목표 각도로 고정했습니다. 점탄성 힘줄 이완을 방지하기 위해 각도를 고정한 직후 초음파 측정이 수행되었습니다.

수술 후

참가자들은 발목 부츠를 벗으라는 지시를 받았고, 모든 기구와 초음파 탐침을 청소하고 소독했습니다.

데이터 처리 및 통계 분석

데이터 집계

각 측정 시험마다 데이터 포인트의 내부 표준평균값이 평균의 <10%로 확인되었습니다. 세 가지 유효한 임상시험 간 변동 계수(CV)는 각 측정 각도에 대해 계산되었으며, <30%여야 했습니다; 그렇지 않으면 데이터셋을 폐기하고 재측정했습니다. 세 번의 성공적인 시험의 전체 평균을 계산하여 이후 분석에 활용하였습니다.

통계 모델링

측정 재현성을 평가하기 위해 학급 내 상관계수(ICC)를 계산하였습니다. 변수들이 아킬레스건 강성에 미치는 영향은 일반화 혼합 모델(GLMM)을 사용하여 분석하였다. 아킬레스건 강성(G)이 종속 변수로 지정되었으며, 발목 관절 각도, 스포츠 유형, 우세 다리가 고정 요인으로 지정되었습니다. 피험자 ID는 반복 측정을 고려하기 위해 무작위 효과로 포함되었습니다. 본페로니 교정을 포함한 사후 분석이 수행되었습니다.

데이터 시각화

처리된 데이터는 강성 스펙트럼 분석을 위해 선 그래프를, 그룹 비교를 위해 막대 차트를 사용하여 내보내고 시각화하였습니다.

Results

통계적 결과를 해석하기 전에, 이 프로토콜의 성공 및 실패 기준을 정의하는 것이 매우 중요했습니다. 참가자의 인구통계학적 특성은 표 1에 제시되어 있습니다. 성공적인 측정은 피부 표면과 평행하게 선명하고 연속적인 힘줄 섬유 구조를 보여주는 고품질 B-모드 이미지와 미리 정의된 관심 영역(ROI) 내에서 안정적이고 균일한 탄성학 색상 지도( 그림 2 참조)로 시각적으로 특징지어졌습니다. 정량적으로, 단일 캡처 내 연속적인 데이터 포인트들이 변동계수(CV)를 <30%로 얻었을 때 성공이 이루어졌습니다. 반대로 실패한 구현은 일반적으로 음향 결합 불량(탄성 지도에 어두운 공백이나 신호 드롭 등), 운동 아티팩트, 또는 과도한 작업자 유도 프로브 압력으로 인해 표면 조직이 인위적으로 강해진 것으로 나타났습니다. CV가 30%≥거나 불연속적인 탄성 충전 상태가 나타나는 시험은 기술적 실패로 간주되어 즉각적인 프로브 재위치 조정과 재검사가 필요했습니다.

	농구	배구	미식축구	테니스	스프린트	장거리 달리기	크루스칼-왈리스 p
나이 (연도)	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
키 (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
무게 (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
훈련 빈도 (주 1회 수)	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
스포츠 연령 (연도)	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

표 1: 운동선수의 인구통계학적 특성.

재판 내 신뢰성 및 정확성

프로토콜의 내부 정밀도는 모든 측정 조건(6개의 관절 각도× 2개의 사지× N명의 참가자)에서 아킬레스건 전단 탄성 계수(G)의 변동 계수(CV)를 계산하여 평가되었습니다. 평균 CV 값은 다양한 관절 각도에서 14.0%에서 25.2% 사이였습니다(표 2). 특히 측정 변동성은 각도에 따라 변하는 패턴을 보였다: CV 값은 안정 및 족저굴곡(PF) 상태에서는 낮고 매우 안정적이었으나, 발목이 극단적 배屈(DF) 상태에 들어갈수록 체계적으로 증가했다.

또한, 연속된 측정 시험 간 세션 내 재현성을 계수 내 상관계수(ICC)를 사용하여 평가하였습니다. 결과는 평가된 모든 관절 각도에서 양호에서 우수한 상대적 신뢰성을 보여주었습니다. 구체적으로, ICC (2,1) 값은 0.871에서 0.974 사이였으며(표 2), 가장 높은 신뢰도는 완화 상태에서 관찰되었고(ICC = 0.974, 95% 신뢰구간: 0.943–0.990), 중립 0° 위치에서는 가장 낮지만 여전히 견고한 신뢰도(ICC = 0.871, 95% 신뢰구간: 0.751–0.939)가 관찰되었습니다. CV 데이터와 함께 이 결과들은 다중 각도 측정 프로토콜의 전반적인 생체역학적 견고성과 안정성을 확인시켜 주었습니다.

	진정해.	PF 40	PF 20	0	DF 20	DF 40
평균 이력서	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
ICC의 신뢰구간은 95%	[0.943, 0.990]	[0.930, 0.980]	[0.847, 0.967]	[0.751, 0.939]	[0.927, 0.976]	[0.933, 0.983]

표 2: 서로 다른 관절 각도에 따른 아킬레스건 전단 탄성 계수의 측정 신뢰도(클래스 내 상관계수)와 내부 정밀도(변동 계수).

아킬레스건의 기능적 뻣뻣함

아킬레스건 강성(G)은 우세 및 비우세 팔다리 모두에서 6개의 발목 관절 각도에 걸쳐 정량화되었다. 고정 효과에 대한 일반화 혼합 모델(GLMM) 결과는 표 3에 요약되어 있습니다. 기능적 운동 범위 전반에 걸친 아킬레스건 강성을 성공적으로 정량화하였습니다. 예상대로 모든 참가자에서 족저굴곡(느슨함)에서 배굴(장력)으로 힘줄 강성이 비선형적으로 증가했습니다( 그림 3 참조).

GLMM은 관절 각도(p < 0.001)에 유의한 주효과를 보인 반면, 측면(우세형 대 비우세 쪽) 및 운동형에서는 주요 효과가 없었다. 스포츠 각도 × 상호작용은 유의미했는데(p = 0.049), 특정 발목 각도에서 스포츠별 강성 차이를 나타냈습니다. 이러한 차이를 입증하기 위해 사후 단순 효과 분석이 수행되었다. 차이는 20° 족저굴곡(PF20)에서 가장 두드러졌으며, 농구(203 ± 187 kPa; p = 0.046, 코헨 d = 0.58)와 장거리 달리기 선수(188 ± 138 kPa; p = 0.048, 코헨 d = 0.62)가 테니스 선수들(122 ± 62 kPa)보다 유의미하게 높은 힘줄 강성을 보였다. 더불어, 중립 위치(0°)에서 농구 선수들(1033 ± 912 kPa)은 테니스 선수들보다 훨씬 높은 강성을 유지했다(574 ± 382 kPa; p = 0.008, 코헨 d = 0.66). 반대로 40° 배굴(DF40)에서는 스포츠 간 유의미한 차이가 관찰되지 않아 최대 힘줄 하중 하에서 기계적 특성이 수렴함을 시사합니다.

요인	X²	DF	p
각도	8964.919	5	< .001
측면 (우세/비우미넌트)	0.47	1	0.493
스포츠	4.423	5	0.49
각도 × 사이드	1.715	5	0.887
스포츠 사이드×	10.182	5	0.07
스포츠 × 앵글	37.788	25	0.049
스포츠 × 측면 ×	26.065	25	0.404

표 3: 일반화 혼합 모델(GLMM)의 고정 효과 테스트 결과. 

그림 3. 발목 관절 각도에 따른 아킬레스건의 기능적 강성 스펙트럼. 데이터는 평균 ± SD로 제시됩니다. X축은 발목 관절 위치를 나타내며, 이완된 상태(이완, 족저 굴곡 [PF])부터 긴장 상태(중립 0°, 배굴 [DF])까지 다양합니다. Y축은 로그10 스케일에 그려진 전단 탄성 계수(강성)를 나타냅니다. 전단 계수는 배굴 증가에 따라 비선형적으로 증가했습니다. 측측 우세나 각도 × 측 상호작용의 유의미한 주요 효과는 발견되지 않았으며(p > 0.05), 이는 검사 범위 전반에 걸쳐 우세와 비우세 힘줄 간의 전반적인 기능적 대칭성을 나타낸다. 별표(*)는 GLMM 매개변수 추정치를 기반으로 한 참조 그룹(테니스)과 비교해 유의한 차이(p < 0.05)를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

보충 그림 S1. 아킬레스건은 관절 각도를 가로지르는 전단 계수를 좌우 양쪽을 비교합니다. 데이터는 평균 ± 표준편표로 제시됩니다. X축은 발목 관절 각도를 나타내며, 느슨한 자세(이완, 족저 굴곡)부터 긴장 상태(중립 0°, 배굴/신전)까지 다양합니다. Y축은 로그10 스케일에 그려진 전단 계수(강성)를 나타냅니다. 전단 계수는 배굴 증가에 따라 비선형적으로 증가했습니다. 관절 각도에서만 유의미한 주요 효과가 관찰되었으며, 측면 또는 스포츠 양쪽에서는 유의미한 주요 효과가 발견되지 않았습니다. 더불어, 각도 × 측면 상호작용이 유의미하게 관찰된 반면, 다른 모든 상호작용 효과는 유의미하지 않았습니다. * 는 GLMM 매개변수 추정치에 따라 중립 0°에서 좌우 간 유의미한 차이(p < 0.05)를 나타냅니다. 약어: PF = 족저굽출; DF = 배굴. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

Discussion

이 연구는 휴대용 힘-초음파 융합 장치를 사용하여 엘리트 남성 운동선수들의 아킬레스건 기능적 강성 스펙트럼을 정량화하는 표준화된 프로토콜을 제시했습니다. 기능적 통찰이 제한적인 기존의 해부학적 영상과 달리, 이 방법은 진동 기반 초음파 탄성술을 활용해 발목 관절 각도의 생리학적 범위에 걸쳐 힘줄의 기계적 특성을 비침습적으로 지도화했습니다. 전체 테스트 시간은 피험자당 약 10–20분이었으며, 탄성 모듈러스 값의 자동 추출 덕분에 이 프로토콜은 실험실 및 현장 스포츠 환경에서 종단 모니터링에 실용적인 해결책이 되었습니다. 하지만 모든 다각도 평가와 마찬가지로, 아킬레스건의 고유한 점탄성 특성—특히 크리프, 히스테리시스, 스트레스 이완에 대한 취약성—은 신중하게 관리되어야 합니다. 전체 세션은 10분에서 20분 정도 진행되었으며, 설치, 해부학적 랜드마크 확인, 부츠 설치가 포함되었습니다. 각 관절 각도에서 실제로 보내는 시간은 짧았으며(보통 1분 미만), 더불어, 기계적 진동은 연속적이지 않고 일시적(획득 창당 300ms)으로 누적된 기계적 피로 위험을 최소화했습니다. 응력 이완을 완화하기 위해, 프로토콜은 발목 관절을 잠그자마자 즉시 데이터 수집이 이루어져, 점탄성 크리프가 조직 역학을 변화시키기 전에 순간적인 강성을 포착하도록 요구했습니다. 그럼에도 불구하고, 향후 더 광범위한 반복 부하를 포함하는 구현에서는 이러한 시간 의존적 특성을 인지해야 합니다.

강성 스펙트럼의 재현성을 보장하기 위해 특정 획득 세부 사항을 엄격히 준수해야 했습니다. 첫째, 전단파 신호 품질을 저하시킬 수 있는 공기 인터페이스 잔향 인공물을 방지하기 위해 충분한 음향 젤 층의 적용이 매우 중요했습니다. 둘째, 측정 시기가 결정적인 요소였습니다. 힘줄¹⁸의 점탄성 특성 때문에, 발목이 새로운 위치에 고정된 직후 스트레스 이완이 일어났다. 따라서 프로토콜은 각도 고정 즉시 획득을 시작하여 이완 상태가 아닌 순간적인 강성 반응을 포착하도록 요구했습니다.

시험 내 반복성에 대한 상세한 분석 결과, 관절 각도에 따라 변동성 패턴이 나타났습니다. 발바닥 굴곡 자세(느슨한 상태)에서는 변동계수가 낮았고(CV, ~14–16%)가 관찰되었으며, 배굴 자세(긴장 상태)에서는 더 높은 변동 계수(~24–25%)가 관찰되었습니다. 이러한 추세는 강성 상한에서 조직 역학을 정량화하는 데 관련된 기술적 어려움을 반영한 것으로 보입니다. 장력 상태(배굴)에서는 힘줄의 강성이 비선형적으로 증가하여 전단파가 높은 속도로 전파되도록 했습니다¹⁹. 이는 휴대용 장치의 검출 한계에 근접할 수 있습니다. 따라서 배굴 자세에서 더 높은 CV 값은 방법론적 신뢰성 부족이나 조작자 실수보다는 고도로 긴장된 이방성 조직의 복잡한 음향 특성을 반영한 것입니다. 이러한 내재적 변동성을 인식하는 것은 생태학적으로 타당한 품질 관리 임계값을 설정하는 데 중요했습니다. 모든 각도에서 더 엄격한 임계값(예: CV < 20%)을 강제하면 극단적인 신장 위치에서 과도한 재검사가 필요하며, 점탄성 크리프나 응력 완화와 같은 생리학적 인공물을 유발할 수 있습니다. 따라서 다중 각도 생체 내 시험에서는 CV 임계값 < 30%가 실용적인 타협으로 간주되었습니다. 그럼에도 불구하고, 조작자는 추가 변동성을 최소화하기 위해 고장력 상태에서 힘줄을 평가할 때 프로브 안정성을 유지해야 했습니다.

연구자와 임상의의 경우, 극심한 배굴전에서 CV 값(>20%)이 높으면 이 각도에서 절대 강성 값을 신중히 해석해야 합니다. 이는 이 방법이 최대 장력에서 단면적 개체 간 비교에만 의존하기보다는 개인 내 종방향 변화를 추적하는 데 가장 적합함을 시사합니다. 변동성을 더욱 줄이기 위해, 향후 프로토콜 개선에는 외부 안정화 접근법(예: 맞춤형 지지대)을 사용하여 프로브 압력과 방향을 표준화하는 방안이 포함될 수 있습니다. 그러나 모든 안정화 전략은 기계적 안정성과 점탄성 크리프 최소화 사이의 균형을 유지하기 위해 신속한 각도 조정을 허용해야 합니다.

제안된 기능적 강성 스펙트럼은 전통적인 등량 다이나메트리보다 방법론적 진보를 제공합니다. 다이나메트리는 근육-힘줄 단위의 전반적 기계적 특성을 평가하는 기준 방법으로 간주되지만, 자유 힘줄의 국소 강성을 근육 기여와 분리할 수는 없습니다. 이 프로토콜은 자유 아킬레스건을 직접 평가함으로써 국소적이고 조직 특이적인 측정을 제공합니다. 이 능력은 표적 하중 프로그램을 받는 무증상 환자들 사이에서 국소적인 힘줄 강성 변화를 감지하는 데 유용할 수 있습니다^. 더 나아가, 병리적 또는 건병성 인구에서는 국소적인 구조적 변화가 전반적인 근육-힘줄 단위 결손이 나타나기 전에 강성을 변화시킬 수 있습니다. 따라서 이 방법은 전역 시험 접근법으로는 포착되지 않을 수 있는 국소적인 기계적 변화를 감지할 수 있게 합니다.

발저 굽출에서 배굴곡으로 강성이 비선형적으로 증가하는 것을 정량화함으로써, 이 방법은 기능적으로 중요한 하중 조건에서 힘줄의 기계적 거동을 포착했습니다. 그림 3 에서 관찰된 각도-강성 관계는 단순한 이차 모델에 부합하지 않으며, 광범위한 운동 범위에서 힘줄 조직의 비선형 생리학적 행동을 반영합니다. PF20°에서 0° 사이의 강성이 놀랍도록 기하급수적으로 증가하는 현상은 고전적인 '발가락 영역'에 해당하며, 여기서 크림프된 콜라겐 섬유가 빠르게 곧게 펴집니다. 높은 배굴 각도에서 곡선의 시각적으로 평평해지는 현상은 데이터 시각화에 사용되는 log10 척도의 영향을 받는다는 점을 유의해야 합니다. 절대적으로 강성은 계속 크게 증가하며, 이는 높은 기계적 장력 하에서 점진적인 변형률-강성을 반영합니다. 이러한 특성들은 힘줄 조직이 광범위한 생리학적 범위에 걸쳐 복잡하고 비선형적인 기계적 거동을 보여준다. PF20°에서 0° 사이의 강성 증가는 콜라겐 섬유의 초기 곧게 펴진 것과 일치하며, 높은 배굴각에서의 지속적인 증가는 장력 하에서 점진적인 변형 경직을 반영했다. 이러한 결과는 단일 점 추정보다는 다중 각도 평가의 사용을 지지합니다.

통계적 결과와 관련해, GLMM은 관절 각도의 유의미한 주요 효과를 확인하여 기계적 하중 변화에 대한 프로토콜의 민감도를 뒷받침하였습니다. 사지 우세에 대한 주요 효과나 상호작용은 관찰되지 않아 관절각에서 아킬레스건 강성의 기능적 대칭성을 시사했다²¹. 이는 이동 중 균형 잡힌 힘 전달과 에너지 저장을 위한 생체역학적 요구사항과^{일치합니다.} 그러나 해부학적 측측(왼쪽 대 오른쪽)에 기반한 보조 분석은 특정 조건에서 측면 특이적 차이를 보여주었으며, 이는 근본적인 구조적 비대칭에도 기능적 대칭이 유지될 수 있음을 시사했다²³.

몇 가지 제한 사항을 고려해야 합니다. 첫째, 이 연구는 젊은 엘리트 남성 운동선수들에 한정되었으며, 향후 연구는 여성, 노인, 증상 있는 개인을 포함한 더 넓은 인구를 평가해야 합니다. 둘째, 전단파의 물리적 한계로 인해 최대 장력 위치에서 측정 정밀도가 감소했습니다. 그러나 3회의 시험을 평균 내어 높은 재현성을 보였기 때문에 신뢰도를 허용 불가능한 수준으로 떨어뜨리지는 않았다(ICC > 0.87). 셋째, 프로토콜은 연속적인 동적 측정 대신 정적인 다중 각도 방식을 사용하여 고속 하중 조건을 재현하지 않습니다. 또한, 측정은 수동적 상태에서 수행되었으며 능동적 근육 수축의 영향을 고려하지 않았습니다. 마지막으로, 이 방법은 횡방향 진동 하에서 국소적인 전단 탄성 거동을 특성화하며, 종방향 인장 강성의 직접적인 측정으로 해석해서는 안 됩니다.

결론적으로, 다중 시험 평균(최소 3회 반복)과 실시간 품질 관리(CV < 30%)가 적용되었을 때, 이 표준화된 다중 각도 프로토콜은 아킬레스건 역학 평가에 신뢰할 수 있고 실용적인 도구를 제공했습니다. 다양한 하중 상태에서 힘줄 반응을 포착함으로써 양측 대칭성과 훈련 적응 모니터링이 가능했습니다. 이 방법은 선수의 모니터링과 건병증과 관련된 기계적 변화의 조기 발견을 지원할 수 있습니다.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
부츠	오버	AO-36	프로토콜에서 권장하는 대로 사용
결합 젤	진야 테크놀로지	TM-100	프로토콜에서 권장하는 대로 사용
엑셀	마이크로소프트	https://www.microsoft.com/microsoft-365/excel	저자들이 데이터 배열에 사용하는 방법
야모비	자모비 프로젝트	https://www.jamovi.org/	저자들이 통계 분석에 사용한 자료
휴대용 초음파   장치	시젠 기술	T5C1B101WT	프로토콜에서 권장하는 대로 사용
프리즘	그래프패드	해당 없음; https://www.graphpad.com	저자들이 시각화에 사용하는 방법
SPSS	IBM	https://www.ibm.com/products/spss-statistics	저자들이 통계 분석에 사용한 자료