Wiarygodność protokołu elastografii opartej na wibracjach do oceny sztywności ścięgna Achillesa w wielu kątach stawów u elitarnych sportowców

Podsumowanie

Ten protokół opisuje zstandaryzowaną, 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.

Streszczenie

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

Celem niniejszego badania było przedstawienie i zweryfikowanie zstandardyzowanego, przenośnego protokołu służącego określaniu spektrum sztywności funkcjonalnej ścięgna Achillesa w wielu ustalonych pozycjach stawu skokowego. To paradygmat przesuwa ewaluację od pojedynczej wartości sztywności statycznej do ciągłego profilu mechanicznego, rejestrując nieliniową reakcję ścięgna na obciążenie. Za pomocą systemu fuzji siły i ultradźwięków, mechanicznie wywoływano niskoczęstotliwościowe wibracje w ścięgnie, podczas gdy oparte na ultradźwiękach śledzenie ruchu było wykorzystywane do oszacowania modułu sprężystości ścinania powierzchniowego tkanki ścięgna. Pomiary były przeprowadzane dwustronnie u elitarnych sportowców płci męskiej w ustalonych pozycjach stawu skokowego, od stanów rozluźnionych i plantacyjnych do neutralnych i dorsafleksyjnych.

Protokół wykazał dobrą powtarzalność w obrębie pojedynczego badania i doskonałą powtarzalność w obrębie sesji dla wszystkich kątów stawowych, przy czym współczynniki zmienności pozostawały w granicach dopuszczalnych dla elastografii tkanek miękkich, a współczynniki korelacji wewnątrzklasowych wskazywały na wysoką niezawodność. Sztywność ścięgna Achillesa zwiększała się nieliniowo z postępującą dorsafleksją, co wskazuje na zachowanie mechaniczne zależne od kąta. Brak istotnego efektu głównego dominacji strony nie został zaobserwowany w całym funkcjonalnym zakresie, podczas gdy różnice związane ze sportem pojawiły się w wybranych kątach stawowych.

Niniejszy 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 nadaje się do zastosowań laboratoryjnych, klinicznych i terenowych, oferując cennym narzędziem do monitorowania sportowców, oceny ryzyka urazów i długotrwałej ewaluacji adaptacji ścięgna.

Wprowadzenie

Ścięgna Achillesa odgrywają krytyczną rolę w ludzkim ruchu wysokowydajnościowym poprzez przekazywanie sił mięśniowych oraz magazynowanie i uwalnianie energii elastycznej podczas czynności cyklu rozciągania-skurczania (SSC)¹. Jego sztywność mechaniczna jest kluczowym czynnikiem wpływającym na efektywność ruchu, wpływając na przekazywanie sił, ponowne wykorzystanie energii elastycznej oraz ogólny efekt mechaniczny podczas zadań lokomocyjnych i eksplozywnych². U elitarnych sportowców – szczególnie tych zaangażowanych w bieganie, skakanie i inne sporty dominujące SSC – większa sztywność ścięgna Achillesa była konsekwentnie związana z lepszą prędkością sprinterską, przyspieszeniem, oszczędnością energii podczas biegu, wydajnością skoku i szybkością rozwoju siły³. Zarówno długoterminowa ekspozycja na trening, jak i krótkoterminowe obciążenia mechaniczne wykazały, że indukują mierzalne zmiany w sztywności ścięgien, co odzwierciedla zdolność adaptacyjną tkanki ścięgna^4,5. Z kolei, patologiczne stany, takie jak tendinopatia Achillesa, są często charakteryzowane przez zmienioną sztywność, co może upośledzać przekazywanie sił pomimo zachowanej siły mięśni⁶. Wpływ tendinopatii jest znaczny; w elitarnym sporcie prowadzi do znacznego braku czasu, upośledzenia wydajności i potencjalnie skrócenia karier, podczas gdy w populacjach aktywnych rekreacyjnie, stanowi on bardzo powszechny, 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 związanych z urazami wśród sportowców.

Obecnie kombinacja ultrasonografii i dynamometrii jest powszechnie uważana za referencyjne podejście do oceny in vivo sztywności ścięgien^7,8,9. Mimo że ta metoda zapewnia cenne informacje na temat właściwości mechanicznych ścięgien w bardzo kontrolowanych warunkach, kilka ograniczeń praktycznych ogranicza jej szersze zastosowanie¹⁰. Konfiguracja jest czasochłonna, silnie zależy od doświadczenia operatora i zazwyczaj ograniczona do środowisk laboratoryjnych. Ponadto stanowi znaczną barierę finansową, często wymagając znacznych inwestycji kapitałowych zarówno w dynamometr izokineticzny, jak i w wysokiej klasy sprzęt ultradźwiękowy. Dodatkowo, oszacowano sztywność zwykle w warunkach izolowanego lub quasi-statycznego obciążenia w pojedynczej konfiguracji stawu, co ogranicza ich przydatność do rutynowego monitorowania sportowców, oceny w terenie i ewaluacji wzdłużnej w cyklach treningowych. Te ograniczenia podkreślają potrzebę alternatywnych podejść pomiarowych, które są zarówno mocne metodologicznie, jak i wykonalne w stosowanych ustawieniach sportowych.

Techniki elastografu oparte na ultradźwiękach pojawiły się jako cenne narzędzia do oceny in vivo właściwości mechanicznych ścięgien. Wśród nich, elastograf falowań ścinających (SWE) był szeroko stosowany do tkanek miękkich; jednak jego zastosowanie wskazało na ważne wyzwania metodologiczne¹¹. Poprzednie badania wykazały, że pomiary sztywności pochodzące z elastografu 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 spowodowana przez operatora, niektórzy autorzy opowiadali się za stosowaniem niestandardowych zewnętrznych uprzęży do zamocowania sondy ultradźwiękowej, choć często jest to kosztowne w kwestii wydajności testowania i szybkiego pozyskiwania danych. W rezultacie, standardy metodologiczne i rygorystyczne protokoły pomiarowe – czy już wykorzystując techniki wolnej ręki, czy stabilizację zewnętrzną – były mocno zalecane, aby zapewnić ważną i powtarzalną ocenę sztywności. Te zagadnienia metodologiczne nie ograniczają się do SWE, ale są szeroko istotne dla technik opartych na elastografu, które wyprowadzają sztywność tkanki z propagacji fal indukowanych mechanicznie.

W ostatnich latach elastograf ultradźwiękowy oparty na wibracjach zyskał uwagę jako praktyczna i przystosowana do terenu alternatywa dla oceny właściwości mechanicznych powierzchownych tkanek miękkich¹². W tym podejściu, wibracje mechaniczne – z parametrami częstotliwości i amplitudy specjalnie zoptymalizowanymi dla właściwości akustycznych i strukturalnych docelowej tkanki – są zewnętrznie nakładane na tkankę, a wynikająca propagacja fal jest śledzona za pomocą obrazowania ultradźwiękowego, aby wyprowadzić parametry związane ze sztywnością. Podczas gdy wcześniejsze pionierskie badania z powodzeniem wykorzystywały ultrasonografię sprzężoną z zewnętrznym aktuatorem do oceny mechaniki ścięgien – stosując obszerny mechaniczny drgający zestaw przypięty do kończyny, aby wygenerować ciągłe fale sinusoidalne^13,14 – obecny protokół wyko

Protokół

To studium 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 i publikację anonimizowanych obrazów.

Przygotowanie uczestników

Rekrutacja i kwalifikowanie

Uczestnicy zostali zwerbowani z narodowych zespołów sportowych i obejmowały profesjonalnych mężczyzn w wieku 18-26 lat z różnych dyscyplin sportowych (np. bieg na krótkie dystanse, tenis, koszykówka). Uczestników przesiewowano, aby upewnić się, że mają prawidłową masę ciała (BMI)¹⁶. Dominują nogę wyznaczono poprzez poproszenie uczestników o kopnięcie piłki.

Kryteria inkluzji i ekskluzji

Uczestnicy spełniali następujące kryteria inkluzji: płeć męska, prawidłowa masa ciała (BMI) oraz kwalifikacje sportowe na poziomie narodowym. Kryteria wykluczenia obejmowały wywiad o urazie kostki lub operacji, chorobie neurologicznej lub ogólnoustrojowej, ostrej bólu lub stanie zapalnym tkanki łącznej obejmującym ścięgno Achillesa lub otaczające struktury oraz samozgłaszanym stosowaniem substancji anabolicznych.

Środowisko badawcze i instrukcje przedbadań

Wszystkie pomiary przeprowadzano w znormalizowanych warunkach laboratoryjnych, za pomocą tej samej sali badań i badaczy dla wszystkich uczestników. Uczestnikom polecono unikanie wysiłku o dużej intensywności przez 48 godzin przed badaniem¹⁷.

Komponenty sprzętu i połączenia

W tym badaniu zastosowano przenośny system elastografii ultradźwiękowej oparty na wibracjach. Szczegółowe informacje o stosowanych komercyjnych produktach i oprogramowaniu znajdują się w Tabeli materiałów. System składał się z czterech głównych komponentów: (1) głównej jednostki ze zintegrowanym oprogramowaniem systemowym (wersja 1.0), (2) liniowego przetwornika ultradźwiękowego, (3) zewnętrznego modułu pobudzającego i (4) głowicy wibracyjnej L15.

Liniowy przetwornik był 128-elementowym sondem o nominalnej częstotliwości środkowej 8,5 MHz i efektywnej szerokości obrazu 4 cm, zaprojektowanym do wysokiej rozdzielczości obrazowania tkanek łącznych powierzchownych. Moduł pobudzający wraz z głowicą wibracyjną L15 generował niskoczęstotliwościowe wibracje mechaniczne (15 ± 2 mm), które były przenoszone do tkanki w celu wywołania fal propagujących się mechanicznie. Ruch tkanki wynikający z propagacji fal był śledzony przez system ultradźwiękowy, a parametry związane z sztywnością były wyprowadzane za pomocą oprogramowania analitycznego wbudowane w system.

Przetwornik był podłączany do głównej jednostki poprzez wyrównanie złącza z odpowiednim interfejsem na tylnej ścianie głównej jednostki, włożenie go mocno, aż zamknie się na miejscu, z pełnym zaciśnięciem przycisków złącza i pełnym przyleganiem do obudowy sondy oraz delikatne pociągnięcie za kabel sondy w celu potwierdzenia bezpiecznego połączenia. Moduł pobudzający był podłączany do wyznaczonego gniazda znajdującego się na dolnej lewej stronie głównej jednostki poprzez wyrównanie złącza blokującego, włożenie go w całości i ręczne dokręcenie mechanizmu blokującego, aby zapewnić stabilne mechaniczne i elektryczne połączenie. System był włączany poprzez włączenie głównego zasilacza i potwierdzenie, że wskaźnik stanu systemu się zaświecił, następnie włączanie interfejsu tabletu, uruchomienie oprogramowania systemu ultradźwiękowego poprzez wybranie wyznaczonego ikony aplikacji i sprawdzenie, czy system przeszedł do głównego interfejsu działania ultradźwięków z wyświetlanym w czasie rzeczywistym obrazem trybu B.

Nabywanie modułu sprężystości stycznej (G)

Przygotowanie i umieszczenie przetwornika

Na powierzchnię przetwornika nałożono jednolitą warstwę przegrzanego żelu sprzężącego, a sondę lekko umieszczono na miejscu pomiaru, wyrównując punkt docelowy pod przednią stroną sondy. Przed nabywaniem potwierdzono jakość obrazu, upewniając się, że płaszczyzna sondy była prawie prostopadła do powierzchni skóry (>75°), odległość sondy od skóry wynosiła około 5 mm, nie było widocznych pęcherzyków powietrza, a powięź i włókna ścięgna były wyraźnie widoczne.

Konfiguracja modułu pobudzającego

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

O

Wyniki

Przed interpretacją wyników statystycznych kluczowe było zdefiniowanie kryteriów dla udanej i nieudanej implementacji tego protokołu. Charakterystyka demograficzna uczestników przedstawiona jest w Tabeli 1. Pomiar udany był wizualnie charakteryzowany przez wysokiej jakości obraz B-mode przedstawiający jasną, ciągłą strukturę włókien ścięgna równoległą do powierzchni skóry, połączony ze stabilną, jednorodną mapą barw elastograficznych w określonym Region of Interest (ROI) (jak pokazano na

Dyskusja

To study przedstawiło zstandardyzowany protokół do ilościowego określania spektrum sztywności funkcjonalnej ścięgna Achillesa u elitarnych męskich sportowców za pomocą przenośnego urządzenia fuzyjnego siły i ultradźwięków. W przeciwieństwie do konwencjonalnego obrazu anatomicznego, który oferuje ograniczone wglądy funkcjonalne, ta metoda wykorzystywała opartą na wibracjach ultradźwiękową elastografię do nieinwazyjnego mapowania właściwości mechanicznych ścięgna w fizjologicznym zakresie kątów stawu skokowego. Całkowity c...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Boots	Ober	AO-36	stosować zgodnie z sugestią w protokołach
Coupling Gel	Jinya Technology	TM-100	stosować zgodnie z sugestią w protokołach
Excel	Microsoft	https://www.microsoft.com/microsoft-365/excel	używane przez autorów do układania danych
Jamovi	The jamovi project	https://www.jamovi.org/	używane przez autorów do analizy statystycznej
Portable Ultrasound  Device	XiJian Technology	T5C1B101WT	stosować zgodnie z sugestią w protokołach
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