Niezawodność protokołu elastografii opartej na wibracjach do oceny sztywności ścięgna Achillesa pod różnymi kątami stawów u elitarnych sportowców

Summary

Ten protokół opisuje standaryzowaną, przenośną metodę opartą na ultradźwiękach do ilościowego określania spektrum sztywności funkcjonalnej ścięgna Achillesa pod różnymi kątami stawu skokowego u elitarnych sportowców, umożliwiając niezawodną i powtarzalną ocenę zachowania mechanicznego ścięgna w różnych warunkach obciążenia.

Abstract

Zachowanie mechaniczne ścięgna Achillesa odgrywa krytyczną rolę w wydajności sportowej i ryzyku urazów; jednak ocena in vivo sztywności ścięgna pozostaje wyzwaniem. Konwencjonalne podejścia łączące ultrasonografię z dynamometrią są drogie, ograniczają do laboratorium i zazwyczaj ograniczają do pojedynczych pozycji stawów, podczas gdy istniejące techniki oparte na elastograffii są często ograniczone założeniami metodologicznymi lub ograniczonym znaczeniem funkcjonalnym.

Celem niniejszego badania było przedstawienie i zweryfikowanie zstandardyzowanego, przenośnego protokołu do ilościowego określania spektrum funkcjonalnej sztywności ścięgna Achillesa na wielu ustalonych kątach stawu skokowego. Paradygmat ten przenosi ocenę z pojedynczej wartości sztywności statycznej na ciągły profil mechaniczny, przechwytując nieliniową reakcję ścięgna na obciążenie. Za pomocą systemu fuzji sił i ultradźwięków, mechanicznie wywołano niskoczęstotliwościowe wibracje ścięgna, podczas gdy ultradźwiękowe śledzenie ruchu było wykorzystywane do oszacowania modułu sprężystości ścięgna powierzchniowego. Pomiary wykonano po dwóch stronach u elitarnych męskich sportowców w wcześniej określonych pozycjach stawu skokowego, począwszy od stanów rozluźnionych i zginania podeszwowego, aż po neutralne i zginania grzbietowego.

Protokół wykazał dobrą powtarzalność wewnątrz prób i doskonałą powtarzalność w sesji dla wszystkich kątów stawów, przy czym współczynniki zmienności pozostawały w granicach dopuszczalnych dla elastograffii tkanek miękkich, a współczynniki korelacji wewnątrzklasowych wskazywały na wysoką niezawodność. Sztywność ścięgna Achillesa rosła nieliniowo wraz z progresywnym zginaniem grzbietowym, co wskazuje na zachowanie mechaniczne zależne od kąta. Brak istotnego głównego efektu dominacji strony obserwowano w całym funkcjonalnym zakresie, podczas gdy różnice sportowe pojawiły się na wybranych kątach stawów.

Ten protokół zapewnia praktyczne i powtarzalne podejście do charakteryzacji zachowania mechanicznego ścięgna Achillesa w funkcjonalnie istotnych warunkach obciążenia. Jego przenośność i zstandardyzowany przepływ pracy sprawiają, że jest on odpowiedni do zastosowań laboratoryjnych, klinicznych i terenowych, oferując cenny narzędzie do monitorowania sportowców, oceny ryzyka urazów i długotrwałej oceny adaptacji ścięgna.

Introduction

Ścięgno Achillesa odgrywa krytyczną rolę w ludzkim ruchu wysokowydajnym, przekazując siły mięśniowe oraz magazynując i uwalniając energię elastyczną podczas czynności cyklu rozciągania-skurczania (SSC)¹. Jego sztywność mechaniczna jest kluczowym czynnikiem wpływającym na efektywność ruchu, wpływając na przekazywanie sił, ponowne wykorzystywanie energii sprężystej i ogólny wynik mechaniczny podczas zadań lokomotorycznych i eksplozywnych². U elitarnych sportowców - szczególnie tych zaangażowanych w biegi sprinterskie, skoki i inne sporty dominujące SSC - większa sztywność ścięgna Achillesa była konsekwentnie skorelowana z lepszą prędkością sprintu, przyspieszeniem, efektywnością biegania, wydajnością skoków i szybkością rozwoju siły³. Zarówno długoterminowa ekspozycja na trening, jak i krótkoterminowe obciążenia mechaniczne wykazały zdolność do indukowania mierzalnych zmian w sztywności ścięgien, co odzwierciedla zdolność adaptacyjną tkanki ścięgiennej^4,5. Z kolei, patologiczne stany takie jak tendinopatia Achillesa są często charakteryzowane przez zmienioną sztywność, która może upośledzać przekazywanie sił pomimo zachowania siły mięśni⁶. Wpływ tendinopatii jest znaczny; w elitarnym sporcie prowadzi do znacznej utraty czasu, upośledzenia wydajności i potencjalnie skrócenia karier, podczas gdy wśród rekreacyjnie aktywnych populacji reprezentuje bardzo rozpowszechniony, uporczywy problem, który obniża jakość życia i powoduje znaczne koszty opieki zdrowotnej. Dlatego dokładna i wiarygodna ocena sztywności ścięgna Achillesa jest niezbędna do monitorowania wydajności, zarządzania obciążeniem i oceny związanej z urazami w populacjach sportowców.

Obecnie kombinacja ultrasonografii i dynamometrii jest powszechnie uważana za referencyjne podejście do oceny in vivo sztywności ścięgien^7,8,9. Podczas gdy ta metoda dostarcza cennych informacji na temat właściwości mechanicznych ścięgien w wysoce kontrolowanych warunkach, kilka ograniczeń praktycznych ogranicza jej szerzej zastosowanie¹⁰. Konfiguracja jest czasochłonna, mocno zależna od doświadczenia operatora i zazwyczaj ograniczona do środowisk laboratoryjnych. Co więcej, stanowi znaczną przeszkodę finansową, często wymagającą znacznych inwestycji kapitałowych zarówno w dynamometr izokinetyczny, jak i w sprzęt ultradźwiękowy premium. Dodatkowo, szacunki sztywności są zwykle pochodzone w warunkach izolowanych lub quasi-statycznych przy pojedynczej konfiguracji stawów, co ogranicza ich przydatność do rutynowego monitorowania sportowców, oceny na boisku i ewaluacji wzdłuż cykli treningowych. Te ograniczenia podkreślają potrzebę alternatywnych podejść pomiarowych, które są zarówno metodologicznie solidne, jak i wykonalne w stosowanych ustawieniach sportowych.

Techniki elastografii oparte na ultradźwiękach stały się cennym narzędziem do oceny in vivo właściwości mechanicznych ścięgien. Wśród nich, elastografia fal pociągowych (SWE) została szeroko zastosowana do tkanek miękkich; jednak jej zastosowanie wskazało na istotne wyzwania metodologiczne¹¹. Poprzednie badania wykazały, że pomiary sztywności pochodzące z elastografii są bardzo wrażliwe na kąt stawu, orientację sondy, wstępne ściskanie tkanki, wybór regionu zainteresowania (ROI) i strategie przetwarzania danych, szczególnie w wysoce anizotropicznych strukturach, takich jak ścięgna. Aby zmniejszyć zmienność wywoływaną przez operatora, niektórzy autorzy proponują użycie niestandardowych zewnętrznych uprzęży do zamocowania sondy ultradźwiękowej, chociaż często wiąże się to z kosztem efektywności testowania i szybkiego pozyskiwania danych. W rezultacie, standardy metodologiczne i rygorystyczne protokoły pomiarowe - niezależnie od tego, czy wykorzystują techniki wolnej ręki czy stabilizację zewnętrzną - są silnie rekomendowane, aby zapewnić ważną i powtarzalną ocenę sztywności. Te rozważania metodologiczne nie ograniczają się tylko do SWE, ale są szeroko stosowne do technik opartych na elastografii, które wyprowadzają sztywność tkanki z propagacji fal mechanicznie wywołanej.

W ostatnich latach elastografia ultradźwiękowa oparta na wibracjach zyskała uwagę jako praktyczna i przystosowana do terenu alternatywa do oceny właściwości mechanicznych powierzchownych tkanek miękkich układu ruchowego¹². W tym podejściu, wibracje mechaniczne - z parametrami częstotliwości i amplitudy specjalnie zoptymalizowanymi dla właściwości akustycznych i strukturalnych tkanki docelowej - są zewnętrznie nakładane na tkankę, a wynikająca propagacja fal jest śledzona za pomocą obrazowania ultradźwiękowego, aby wyprowadzić parametry związane ze sztywnością. Podczas gdy poprzednie pionierskie badania z powodzeniem wykorzystywały ultrasonografię sprzężoną z zewnętrznym aktuatorem do oceny mechaniki ścięgien - stosując masywny mechaniczny drążek przymocowany do kończyny, aby generować ciągłe sinusoidalne fale^13,14 - obecny protokół wykorzystuje podej

Protocol

Badanie zostało zatwierdzone przez Komitet Etyki Badań Uniwersytetu Sportowego w Pekinie (Numer zatwierdzenia: 2025608H), a wszystkie procedury przeprowadzono zgodnie z Deklaracją Helsińską. Wszyscy uczestnicy wyrazili pisemną zgodę na udział w badaniu oraz na publikację anonimizowanych obrazów.

Przygotowanie uczestników

Rekrutacja i kwalifikowanie

Uczestnicy rekrutowano z krajowych drużyn sportowych i obejmowało profesjonalnych mężczyzn w wieku 18-26 lat, uprawiających różne dyscypliny sportowe (np. sprint, tenis, koszykówka). Uczestnicy przeszli selekcję, aby upewnić się, że mają normalny wskaźnik masy ciała (BMI)¹⁶. Dominancja nogi określona została poprzez poproszenie uczestników o kopnięcie piłki.

Kryteria dołączania i wykluczania

Uczestnicy spełniali następujące kryteria dołączania: płeć męska, normalny BMI i krajowe kwalifikacje sportowe. Kryteria wykluczenia obejmowały historię urazów kostki lub operacji, choroby neurologiczne lub ogólnoustrojowe, ostre bóle mięśniowo-szkieletowe lub stany zapalne ścięgna Achillesa lub otaczających go struktur, a także samozgłoszone stosowanie środków anabolicznych.

Środowisko testowe i instrukcje przedtestowe

Wszystkie pomiary przeprowadzono w zstandardyzowanych warunkach laboratoryjnych, stosując tę samą salę testową i badaczy dla wszystkich uczestników. Uczestnikom polecono unikanie ćwiczeń o wysokiej intensywności przez 48 godzin przed badaniem¹⁷.

Komponenty sprzętu i połączenia

W badaniu zastosowano przenośny system elastografii ultradźwiękowej oparty na wibracjach. Szczególne komercyjne produkty i oprogramowanie są szczegółowo opisane w Tabeli Materiałów. System składał się z czterech głównych komponentów: (1) główna jednostka z zintegrowanym oprogramowaniem systemowym (wersja 1.0), (2) liniowy przetwornik ultradźwiękowy, (3) zewnętrzny moduł wzbudzający i (4) głowica wibracyjna L15.

Liniowy przetwornik był sondą z 128 elementami o nominalnej częstotliwości centralnej 8,5 MHz i efektywnej szerokości obrazu 4 cm, zaprojektowaną do wysokiej rozdzielczości obrazowania powierzchownych tkanek miękkich. Moduł wzbudzający razem z głowicą wibracyjną L15 generował niskoczęstotliwość wibracje mechaniczne (15 ± 2 mm), które były przekazywane do tkanki w celu wywołania fal mechanicznie propagujących się. Ruch tkanki wynikający z propagacji fal był śledzony przez system ultradźwiękowy, a parametry dotyczące sztywności były wyprowadzane przy użyciu wbudowane oprogramowanie analityczne systemu.

Przetwornik był podłączony do głównej jednostki poprzez dopasowanie złącza do odpowiedniego interfejsu na tylnej panelu głównej jednostki, włożenie go mocno aż do zapadnięcia go na miejscu, gdy guziki złącza całkowicie się zapadły i były na równi z obudową sondy, a następnie lekkie pociągnięcie za kabel sondy, aby potwierdzić bezpieczne połączenie. Moduł wzbudzający był podłączony do wyznaczonego gniazda znajdującego się na dolnej lewej stronie głównej jednostki poprzez dopasowanie złącza blokującego, włożenie go całkowicie i ręczne dokręcenie mechanizmu blokującego, aby zapewnić stabilne połączenie mechaniczne i elektryczne. System był włączany przez włączenie głównego zasilacza i potwierdzenie, że wskaźnik stanu systemu się zaświeci, następnie włączenie interfejsu tabletu, uruchomienie oprogramowania systemu ultradźwiękowego poprzez wybranie wyznaczonego ikony aplikacji i weryfikację, że system wszedł w główny interfejs operacyjny ultradźwięków z wyświetlanym w czasie rzeczywistym obrazem trybu B.

Pobieranie modułu sprężystości stycznej (G)

Przygotowanie i umieszczenie przetwornika

Na powierzchnię przetwornika nałożono jednorodną warstwę nagrzanego żelu sprzęgającego, a sondę lekko przyłożono do miejsca pomiaru, wyrównując punkt docelowego pomiaru pod przednią stroną sondy. Jakość obrazu potwierdzono przed pomiarem, upewniając się, że płaszczyzna sondy była prawie prostopadła do powierzchni skóry (>75°), odległość sonda-skóra wynosiła około 5 mm, nie było widocznych bąbelek powietrza, a powięź i włókna ścięgna były wyraźnie widoczne.

Konfiguracja modułu wzbudzającego

Domyślnie, parametry trybu elastografii (E-mode) były ustawione na częstotliwość 6 MHz, 4 linie pomiarowe, zakres głębokości 5 mm i czas pomiaru 300 ms. Moduł wzbudzający był aktywowany, a końcówka wzbudzająca była ustawiana 3-6 mm przed stroną wystającą sondy, prostopadle do płaszczyzny obrazu sondy.

Obrazy E-mode i regulacja głębokości

Results

Przed interpretacją wyników statystycznych, kluczowe było zdefiniowanie kryteriów dla pomyślnej i nieudanej implementacji tego protokołu. Charakterystyka demograficzna uczestników jest przedstawiona w Tabeli 1. Pomiar udany był wizualnie charakteryzowany przez wysokiej jakości obraz w trybie B, wyświetlający jasną, ciągłą strukturę włókien ścięgna równoległą do powierzchni skóry, w połączeniu ze stabilną, jednorodną mapą barw elastografu w określonym obszarze zainteresowania (ROI) (jak pokazano na

Discussion

Niniejsze badanie przedstawiło standaryzowany protokół do ilościowego określania spektrum sztywności funkcjonalnej ścięgna Achillesa u elitarnych sportowców płci męskiej z wykorzystaniem przenośnego urządzenia do fuzji siły i ultradźwięków. W odróżnieniu od konwencjonalnych obrazów anatomicznych, które oferują ograniczone wglądy funkcjonalne, ta metoda wykorzystywała ultradźwiękową elastografię opartą na wibracjach do nieinwazyjnego mapowania właściwości mechanicznych ścięgna w fizjologicznym zakresie kątów stawu skokowe...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Boots	Ober	AO-36	stosować zgodnie z protokołem
Coupling Gel	Jinya Technology	TM-100	stosować zgodnie z protokołem
Excel	Microsoft	https://www.microsoft.com/microsoft-365/excel	Używane przez autorów do ułożenia danych
Jamovi	The jamovi project	https://www.jamovi.org/	Używane przez autorów do analizy statystycznej
Portable Ultrasound  Device	XiJian Technology	T5C1B101WT	stosować zgodnie z protokołem
Prism	Graphpad	N/A; https://www.graphpad.com	Używane przez autorów do wizualizacji
SPSS	IBM	https://www.ibm.com/products/spss-statistics	Używane przez autorów do analizy statystycznej