엘리트 선수의 여러 관절 각도에서 아킬레스건 강성을 평가하는 진동 기반 탄성학 프로토콜의 신뢰성
2026년 6월 16일
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.
우리는 새로운 엘라스그래피 프로토콜을 활용하여 여러 관절 각도에서 아킬레스건의 강성을 평가하며, 다양한 스포츠의 엘리트 선수들의 생체역학적 적응을 특성화하는 것을 목표로 합니다. 기존 방법과 달리, 저희의 진동 기반 탄성학은 전체 운동 범위 전반에 걸친 연속적인 힘줄 강성과 변화를 신뢰성 있게 평가합니다. 우선, 여러 스포츠 종목에서 18세에서 26세 사이의 프로 남성 선수들을 포함한 국가 단위 스포츠 팀에서 참가자를 모집하세요.
참가자에게 공을 차보라고 요청하여 우세 다리를 결정하세요. 장비, 9L3에서 8.5메가헤르츠 선형 배열 프로브가 장착된 M5 연조직 탄성계, 그리고 기계식 여기 모듈을 준비하세요. 아킬레스건 부츠, 초음파 젤, 진료 침대 등 추가 장비를 준비하세요.
주 전원 공급 장치를 켜고 시스템 상태 표시기가 켜지는지 확인하세요. 그 후 태블릿 인터페이스를 켜고, 지정된 애플리케이션 아이콘을 선택하여 초음파 시스템 소프트웨어를 실행한 후, 시스템이 실시간 B 모드 영상이 표시되는 주요 초음파 운영 인터페이스에 진입하는지 확인하세요. B 모드 매개변수를 7.5메가헤르츠 주파수, 4개의 획득 라인, 5밀리미터 깊이 범위, 300밀리초 획득 시간으로 설정하세요.
다음으로, 참가자에게 신발을 벗으라고 지시한 뒤, 참가자를 진료용 소파에 엎드려 발목을 약 5센티미터 정도 완전히 뻗어 있습니다. 종골결절의 상부 꼭대기를 찾기 위해 촉진합니다. 이 랜드마크에서 0.5센티미터 지점을 피부 마커로 표시하여 초기 측정 지점을 정의합니다.
트랜스듀서 표면에 미리 가열된 결합 젤을 균일하게 바릅니다. 프로브를 측정 부위에 가볍게 대고 목표 지점을 프로브 앞쪽 아래에 정렬합니다. 이제 초음파 시스템을 탄성촬영 모드로 전환하세요.
기준선을 표면 힘줄 근막 바로 아래에서 획득 깊이 범위가 시작되도록 위치하세요. 관심 부위를 조정하여 피부, 피하 조직, Kager 지방 패드는 피하면서 힘줄 두께를 가리세요. 획득 전에는 트랜스듀서 평면이 피부 표면과 거의 수직일 때 75도 이상 위치하는지 확인하여 영상 품질을 확인하세요.
트랜스듀서와 피부 간 거리가 약 5밀리미터인지 확인하세요. 눈에 띄는 공기 방울이 없는지, 근막과 힘줄 섬유가 명확히 보이는지 확인하세요. 여기 장치가 켜지면, 시스템이 자동으로 전단 모듈러스를 계산하고 유효한 데이터의 평균 및 표준편차 값을 표시하도록 합니다.
획득 시 참가자와 운영자의 자세를 일정하게 유지하여 최소 10개의 유효한 연속 데이터 포인트를 확보하세요. 충분한 데이터 포인트가 수집되면 프리즈 기능을 눌러 데이터 수집을 중단하세요. 이상 변수를 검토하고 시스템 편집 기능을 사용해 이상 데이터 포인트를 제거하세요.
양쪽 아킬레스건에 대해 이완된 0도 중립, 20도 족저 굴곡, 40도 족저 굴곡, 20도 배굴, 40도 배굴 조건에서 순차적으로 측정을 실시하세요. 각 발목 각도마다 최소 세 번 이상 측정을 반복하세요. 각 측정값은 장치 내부 검증 기준에 따라 연속 데이터 포인트의 표준편차가 평균의 10% 미만일 때만 검증하세요.
문서 작성을 위해 B 모드 이미지와 기계 영상 지도를 저장하세요. 이완 상태 측정을 마친 후, 참가자의 발을 조절 가능한 발목 테스트 부츠에 넣고, 뒤꿈치가 부츠 바닥의 뒤쪽 뒤꿈치 컵에 완전히 밀착되도록 합니다. 테스트 중 뒤꿈치 들리기나 옆으로 이동하는 것을 방지하기 위해 부착된 후크 및 루프 스트랩으로 앞발, 중족부, 하퇴부를 고정하세요.
부츠 힌지 메커니즘의 양쪽 잠금 노브를 느슨하게 하세요. 구조 마커를 고니오메트릭 스케일과 정렬하여 발목을 수동으로 목표 각도로 안내하세요. 잠금 노브를 단단히 조여 발목 관절을 목표 각도에 맞게 고정하세요.
각도를 고정한 직후 초음파 측정을 수행하여 점탄성 힘줄 이완을 방지하세요. 그 다음에는 참가자에게 발목 부츠를 벗으라고 지시하세요. 모든 기구와 초음파 탐침을 청소하고 소독하세요.
성공적인 측정은 피부 표면과 평행한 선명한 연속된 힘줄 섬유 구조와 미리 정의된 관심 영역 내에서 안정적이고 균일한 탄성학 색상 지도를 가진 고품질 B 모드 이미지로 시각적으로 특징지어졌습니다. 평균 변동 계수는 서로 다른 접합 각도에서 0.14에서 0.25 사이였습니다. 평가된 모든 접합각에서 클래스 간 상관계수 값은 0.871에서 0.974 사이였습니다.
가장 높은 신뢰도는 이완 상태에서, 가장 낮은 신뢰도는 중립 0도 위치에서 관찰되었습니다. 아킬레스건 경직은 모든 참가자에서 족저 굴곡에서 배굴까지 비선형적으로 증가했습니다. 일반화된 혼합 모델은 관절 각도의 유의미한 주효과를 발견한 반면, 측면 및 스포츠 유형에서는 주요 효과가 없었습니다.
이 각도와 스포츠 간 상호작용은 중요했으며, 특정 발목 각도에서 스포츠별 강성 차이를 나타냈습니다. 이 프로토콜은 비침습적으로 아킬레스건의 기능적 강성 스펙트럼을 측정하여 동적 각도에 따른 비선형 기계적 거동을 포착합니다. 동적 획득 시 가장 큰 도전 과제는 일정한 접촉 압력과 수직성을 유지하여 모션 아티팩트를 피하는 것입니다.
향후 연구들은 힘줄 행동을 지도화하여 건 재활 모니터링, 훈련 적응 평가, 동적 스포츠 수행 능력을 예측할 수 있습니다.
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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.
