Надёжность протокола эластографии на основе вибрации для оценки жёсткости ахиллова сухожилия по нескольким углам суставов у элитных спортсменов

Summary

Этот протокол описывает стандартизированный, портативный метод на основе ультразвука для количественной оценки спектра функциональной жесткости ахиллова сухожилия по множеству углов голеностопного сустава у элитных спортсменов, что позволяет надёжно и воспроизводимо оценить механическое поведение сухожилия при различных условиях нагрузки.

Abstract

Механическое поведение ахиллова сухожилия играет критическую роль в спортивных результатах и риске травм; Однако оценка жёсткости сухожилия in vivo остаётся сложной. Традиционные методы, сочетающие ультрасонографию с динамометрией, дорогие, лабораторно ограничены и обычно ограничены положениями одного сустава, тогда как существующие методы на основе эластографии часто ограничены методологическими предположениями или ограниченной функциональной значимостью.

Целью этого исследования было представить и подтвердить стандартизированный портативный протокол для количественной оценки спектра функциональной жесткости ахиллова сухожилия по нескольким фиксированным углам голеностопного сустава. Эта парадигма смещает оценку с одного статического значения жёсткости на непрерывный механический профиль, отражая нелинейную реакцию сухожилия на нагрузку. С помощью системы синтеза силы и ультразвука на сухожилие применялись механически индуцированные низкочастотные вибрации, а ультразвуковое отслеживание движения использовалось для оценки сдвига эластичного модуля поверхностной сухожильной ткани. Измерения проводились двусторонним у элитных мужчин-спортсменов в заранее определённых положениях голеностопного сустава — от расслабленных и подошвенных сгибаемых состояний до нейтральных и дорсифлективных положений.

Протокол продемонстрировал хорошую повторяемость внутри испытаний и отличную воспроизводимость внутрисессии по всем углам суставов, при этом коэффициенты вариации оставались в допустимых пределах для эластографии мягких тканей и коэффициенты корреляции внутриклассов, что указывает на высокую надёжность. Жёсткость ахиллова сухожилия увеличилась нелинейно с прогрессивным дорсифлгибанием (dorsiflexence), что указывает на механическое поведение, зависящее от угла. Значимого основного эффекта бокового доминирования по всему функциональному диапазону не наблюдалось, в то время как спортивно-специфические различия проявились на выбранных углах суставов.

Этот протокол предоставляет практичный и повторяемый подход к характеристике механического поведения ахиллова сухожилия при функционально релевантных условиях нагрузки. Его портативность и стандартизированный рабочий процесс делают его подходящим для лабораторных, клинических и полевых применений, предоставляя ценный инструмент для мониторинга спортсменов, оценки риска травм и долгосрочной оценки адаптации сухожилий.

Introduction

Ахиллово сухожилие играет ключевую роль в высокоэффективных движениях человека, передавая мышечные силы и сохраняя и высвобождая упругую энергию во время цикла растяжения и сокращения (SSC^{) 1}. Его механическая жесткость является ключевым фактором эффективности движения, влияя на передачу силы, повторное использование упругой энергии и общий механический выход при движущих и взрывных^{задачах 2}. У элитных спортсменов — особенно тех, кто занимается спринтом, прыжками и другими видами спорта, доминирующими SSC — большая жёсткость ахиллова сухожилия постоянно ассоциируется с превосходной скоростью спринта, ускорением, экономичностью бега, прыжками и развитием скорости^{силы 3}. Как длительное тренировочное воздействие, так и краткосрочная механическая нагрузка вызывают измеримые изменения жёсткости сухожилий, отражающие адаптивную способность сухожильной^{ткани 4,5}. Напротив, патологические состояния, такие как тендинопатия ахиллова, часто характеризуются изменённой скованностью, что может ухудшать передачу силы несмотря на сохранение^{мышечной силы 6}. Влияние тендинопатии значительно; В элитном спорте это приводит к значительной потере времени, снижению эффективности и потенциально сокращению карьеры, тогда как в рекреационно активных популяциях это очень распространённая и упрямая проблема, которая снижает качество жизни и влечёт за собой значительные расходы на здравоохранение. Точная и надежная оценка скованности ахиллова сухожилия крайне важна для мониторинга результатов, управления нагрузкой и оценки травм, связанных с травмами, у спортсменов.

В настоящее время сочетание ультразвуковой и динамометрии широко рассматривается как эталонный подход для оценки жёсткости сухожилия in ^{vivo 7,8,9}. Хотя этот метод даёт ценные знания о механических свойствах сухожилий в строго контролируемых условиях, ряд практических ограничений ограничивает его более широкое^{применение 10}. Эта установка занимает много времени, сильно зависит от опыта оператора и обычно ограничивается лабораторными условиями. Кроме того, это представляет собой значительный финансовый барьер, часто требующий значительных капитальных вложений как для изокинетического динамометра, так и для премиального ультразвукового оборудования. Кроме того, оценки жёсткости обычно получаются при изолированных или квазистатических нагрузках при конфигурации одного сустава, что ограничивает их применение для рутинного мониторинга спортсменов, полевых и продольных оценок на протяжении тренировочных циклов. Эти ограничения подчёркивают необходимость альтернативных методов измерения, которые были бы методологически устойчивыми и осуществимыми в прикладных спортивных условиях.

Ультразвуковые эластографические методы стали ценными инструментами для in vivo оценки механических свойств сухожилий. Среди них эластография сдвиговых волн (SWE) широко применялась к тканям опорно-двигательного аппарата; однако его использование выявило важные^{методологические проблемы 11}. Предыдущие исследования показали, что измерения жесткости, полученные с помощью эластографии, очень чувствительны к углу сустава, ориентации зонда, предварительной компрессии ткани, выбору интересующих областей (ROI) и стратегиям обработки данных, особенно в сильно анизотропных структурах, таких как сухожилия. Для снижения изменчивости, вызванной оператором, некоторые авторы выступают за использование индивидуальных внешних жгутов для защиты ультразвукового зонда, хотя это часто происходит за счёт эффективности тестирования и быстрого сбора данных. В результате методологические стандарты и строгие протоколы измерения — будь то с использованием свободных методов или внешней стабилизации — активно рекомендуются для обеспечения достоверной и воспроизводимой оценки жесткости. Эти методологические соображения не ограничиваются только SWE, но и широко актуальны для эластографических методов, которые выводят жёсткость тканей за счёт механически индуцированного распространения волн.

В последние годы вибрационная ультразвуковая эластография привлекла внимание как практическая и адаптируемая к полю альтернатива для оценки механических свойств поверхностных опорно-двигательных^{тканей 12}. В этом подходе механические колебания — с параметрами частоты и амплитуды специально оптимизированными для акустических и структурных свойств целевой ткани — применяются внешне к ткани, а распространение волн отслеживается с помощью ультразвуковой визуализации для определения параметров, связанных с жесткостью. В то время как предыдущие новаторские исследования успешно использовали ультрасонографию в сочетании с внешним актуатором для оценки механики сухожилий — с использованием громоздкого механического встряхивателя, закреплённого на конечности, для генерации непрерывных синусоидальных^{волн 13,14} — настоящая протокол использует метод транзиентной вибрации. Используя гибкую ручную конфигурацию, при которой механический наконечник возбуждения вручную размещается непосредственно рядом с ультразвуковым преобразователем для передачи крайне коротких (300 мс) переходных импульсов, эта система устраняет необходимость сложных и трудоёмких внешних креплений. Этот прогресс значительно снижает нагрузку на испытуемых и, по сравнению с традиционными лабораторными комбинациями динамометрии и ультразвука, делает вибрационные эластографические системы более портативными, неинвазивными и приемлемыми для многократных измерений в спортивных условиях. Однако, несмотря на эти преимущества, существующие исследования обычно оценивают жёсткость ахиллова сухожилия при конфигурации одного сустава, предоставляя лишь ограниченный обзор механического поведения сухожилия.

Жёсткость сухожилия по своей сути зависит от конфигурации мышца–сухожилия, меняясь в зависимости от угла сустава и длины мышцы. Таким образом, измерение под одним углом не позволяет отразить функциональную изменчивость скованности сухожилия, которая наблюдается по всему диапазону движений голеностопа и во время спортивно-специфических поз. Это ограничение снижает практическую значимость измерений жесткости для спортсменов, подвергшихся многоугловой нагрузке и быстрым переходам сил. На сегодняшний день немногие исследования систематически количественно определяли жёсткость ахиллова сухожилия по множеству стандартизированных углов суставов с использованием воспроизводимого эластографического^{протокола 15}.

Чтобы устранить этот методологический пробел, мы предлагаем парадигму спектра функциональной жесткости. Этот подход переосмысливает жёсткость сухожилия не как скалярное свойство, а как непрерывную функцию положения сустава, количественно оценивая механическую мощность сухожилия в физиологическом диапазоне нагрузочных состояний. Изолируя модуль сдвига эластичности свободного сухожилия по нескольким углам, этот метод обеспечивает специфическую для ткани оценку, дополняющую традиционную динамометрию мышечно-сухожильной единицы. Цель этой рукописи — представить подробный, пошаговый протокол реализации этого метода, включая позиционирование объекта, стандартизацию угла суставов, обработку зонда, выбор ROI и процедуры сбора данных. Этот протокол разработан для облегчения воспроизводимой оценки спектра функциональной жесткости ахиллова сухожилия и для предоставления исследователям и практикующим практическим инструментом для изучения специфических для спорта адаптаций сухожилий и функциональной биомеханики у элитных спортсменов. Важно, чтобы дать практические рекомендации по полезности этого метода, границы его применимости должны быть чётко определены. Этот подход весьма подходит для неинвазивного, статического или квазистатического профилирования локальной механики сухожилий — например, для мониторинга продольных адаптаций, скрининга на боковые асимметрии или отслеживания реабилитации тендинопатии. Однако он не подходит для высокодинамичных, непрерывных движений, где поддерживать стабильное акустическое соединение невозможно, и не применим в острой фазе полных разрывов сухожилий, когда базовое напряжение отсутствует. Кроме того, специалистам следует отметить, что из-за эффекта насыщения сдвигающей волны при экстремальном натяжении тканей абсолютная точность измерений может снижаться на экстремальных диапазонах движения (например, при максимальном дорсифлгибии).

Protocol

Это исследование было одобрено Комитетом по этике исследований Пекинского спортивного университета (номер одобрения: 2025608H), и все процедуры проводились в соответствии с Хельсинкской декларацией. Все участники предоставили письменное информированное согласие на участие в исследовании и публикацию анонимных изображений.

Подготовка участников

Набор и право на участие

Участники были набраны из национальных спортивных команд и включали профессиональных спортсменов-мужчин в возрасте от 18 до 26 лет, выступавших в различных видах спорта (например, спринт, теннис, баскетбол). Участников обследовали для обеспечения нормального индекса массы тела (ИМТ⁾¹⁶. Доминирующая нога определялась путём просьбы к участникам ударить мяч.

Критерии включения и исключения

Участники соответствовали следующим критериям включения: мужской пол, нормальный ИМТ и спортивная квалификация национального уровня. Критерии исключения включали анамнез травмы голеностопа или операции, неврологические или системные заболевания, острую опорно-двигательную боль или воспаление ахиллова сухожилия или окружающих структур, а также самосообщаемое анаболическое употребление наркотиков.

Тестовая среда и инструкции предтестирования

Все измерения проводились в стандартизированных лабораторных условиях с использованием одной и той же комнаты для тестирования и экзаменаторов для всех участников. Участникам было рекомендовано избегать интенсивных физических нагрузок в течение 48 часов перед^{тестом 17}.

Компоненты и соединения оборудования

В этом исследовании использовалась портативная система ультразвуковой эластографии на основе вибрации. Конкретные коммерческие продукты и используемое программное обеспечение подробно описаны в Таблице материалов. Система состояла из четырёх основных компонентов: (1) основного блока с интегрированным системным программным обеспечением (версия 1.0), (2) линейного ультразвукового преобразователя, (3) внешнего модуля возбуждения и (4) вибрационной головки L15.

Линейный преобразователь был 128-элементным зонд с номинальной центральной частотой 100 Гц и амплитудой 1 мм, предназначенным для высокоразрешающей визуализации поверхностных опорно-двигательных тканей. Возбуждающий модуль вместе с колебательной головкой L15 генерировал низкочастотные механические колебания (15 ± 2 мм), которые передавались ткани для индуцирования механически распространяющихся волн. Движение тканей, возникающее в результате распространения волн, отслеживалось ультразвуковой системой, а параметры, связанные с жесткостью, получались с помощью встроенного программного обеспечения для анализа системы.

Преобразователь подключался к основному блоку путём выравнивания разъёма с соответствующим интерфейсом на задней панели основного блока, плотного вставления его до фиксации при полном подключении кнопок разъёма и заподлицования с корпусом зонда, а также аккуратного натяжения кабеля преобразователя для подтверждения надёжного соединения. Модуль возбуждения был подключён к назначенному гнезду, расположенному в нижней левой части основного блока, путём выравнивания запирающего разъёма, полного вставления и ручного затягивания блокировочного механизма для обеспечения стабильного механического и электрического соединения. Система включалась за счёт включения основного блока питания и подтверждения загорания индикатора состояния системы, затем включения интерфейса планшета, запуска программного обеспечения ультразвуковой системы выбором назначенного значка приложения и проверки входа системы в основной операционный интерфейс ультразвука с изображением в режиме B в реальном времени.

Получение модуля сдвига упругости (G)

Подготовка и установка преобразователя

На поверхность преобразователя наносили однородный слой предварительно подогреного геля, а зонд легко размещался у места измерения с точкой цели под передней стороной зонда. Качество визуализации было подтверждено до снятия, что гарантировало, что плоскость преобразователя была почти перпендикулярна поверхности кожи (>75°), расстояние между трансдьюсером и кожей составляло примерно 5 мм, не было видимых воздушных пузырьков, а также чётко визуализированы волокна фасции и сухожилия.

Конфигурация модуля возбуждения

Параметры режима эластографии (режим E) были установлены на частоте 7,5 МГц, 4 линии захвата, диапазон глубины 5 мм и время набора 300 мс. Активировался модуль возбуждения, и наконечник возбуждения располагался в 3–6 мм перед выступающей стороной зонда, перпендикулярно плоскости визуализации зонда.

Изображение в режиме E и корректировка глубины

Ультразвуковая система была переведена в режим E, а опорная линия была размещена так, что диапазон глубины приобретения начинался чуть ниже поверхностной фасции сухожилия. Область интереса (ROI) была скорректирована с учетом толщины сухожилия, строго избегая кожи, подкожной ткани и жировой подушечки Кейгера.

Сбор данных и контроль качества

Непрерывное измерение инициировалось нажатием кнопки «Включить », и система автоматически вычисляла модуль сдвига (G), обеспечивая средние значения ± SD действительных данных. Поза участников и операторов поддерживалась постоянной во время сбора данных, чтобы получить не менее 10 действительных непрерывных точек данных. Сбор данных останавливался нажатием функции Freeze после сбора достаточного количества точек данных. Набор данных был проверен на предмет выбросов, а аномальные точки данных были удалены с помощью функции редактирования системы.

Измерения повторялись не менее трёх раз на каждом углу голеностопа. Измерение считалось действительным только в том случае, если стандартное отклонение (SD) непрерывных точек данных составляло менее 10% от среднего, в соответствии с внутренними требованиями по валидности устройства; в противном случае измерение отбрасывалось и повторялось. Изображения в режиме B и механические карты изображения были сохранены для документации (рисунок 1).

Рисунок 1. Схематическое представление экспериментальной установки и протокола получения спектра функциональной жёсткости. (A) Экспериментальная установка. (B) Специфические зоны измерения на ахилловом сухожилии. (C) Углы голеностопного сустава в экспериментальной последовательности. Аббревиатуры: PF = подошвенное сгибание, DF = дорсифлексия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Процедура сбора данных

Регистрация субъекта и анатомическая локализация

Демографическая и спортивная информация участников фиксировалась при прибытии. Участникам было предложено снять обувь и носки и лечь на диване для осмотра, полностью вытянув лодыжки за край примерно на 5 см. Верхняя вершина пятчатой бугоркости была обнаружена с помощью пальпации, а точка в 5 см проксимально от этого ориентира отмечалась кожным маркером для определения начального места измерения. Отмеченное место было подтверждено с помощью ультразвуковой визуализации в продольной перспективе.

Исходное измерение

Начальное набирание жёсткости проводилось в базовом состоянии (расслабленное состояние без загрузки) согласно описанным выше процедурам.

Многоугольное измерение (спектр функциональной жесткости)

Измерения проводились последовательно на обоих ахиллових сухожилиях при следующих условиях: расслабленные, 0° (нейтраль), 20° подошвенное сгибание (PF), 40° PF, 20° дорсифлексия (DF) и 40° DF. Рандомизированный порядок тестирования был сознательно избежан, так как проверка экстремального дорсифлексиального положения перед посадкой подошвенного сгибания вызывала бы гистерезис тканей и предварительные кондиционирования, искусственно изменяя базовую механику и влияя на последующие измерения.

Рисунок 2. Репрезентативный интерфейс системы во время сбора данных. Центральная панель показывает продольное изображение ультразвукового обзора ахиллова сухожилия, показывающее чёткое, параллельное выравнивание волокон. Жёлтая панель справа отображает в реальном времени количественное определение модуля сдвига упругости (G). Система автоматически вычисляет среднее значение (20,46 кПа в этом примере) и стандартное отклонение (0,37 кПа) из списка действительных измерений, приведённого ниже. Этот показатель демонстрирует высокую стабильность измерения с низким стандартным отклонением (SD < 10% от среднего), что соответствует критериям контроля качества протокола. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Установка загрузки и настройка угла

Нога участника помещалась в регулируемый ботинок для тестирования лодыжки, обеспечивая, чтобы пятка полностью прилегала к задней чашевидной части основания ботинка. Передняя часть стопы, средняя часть стопы и нижняя часть ноги фиксировались с помощью прикреплённых ремней с крючком и петлями, чтобы предотвратить подъём пятки или боковое смещение во время испытаний. Двусторонние фиксирующие ручки на механизме петли ботинка были ослаблены, а лодыжка вручную направлялась к целевой углу путём выравнивания структурных маркеров с гониометрической шкалой. Затем фиксирующие ручки были плотно затянуты, чтобы закрепить лодыжочный сустав под углом цели. Ультразвуковое измерение проводилось сразу после фиксации угла для предотвращения расслабления вязкоэластичного сухожилия.

После процедуры

Участникам было поручено снять ботинок на щиколотке, а все приборы и ультразвуковые зонды были очищены и продезинфицированы.

Обработка данных и статистический анализ

Агрегация данных

Для каждого измерительного испытания внутренний SD точек данных был проверен как <10% от среднего. Межпробный коэффициент вариации (CV) по трём действительным испытаниям рассчитывался для каждого угла измерения и должен был составлять <30%; в противном случае набор данных отбрасывался и измерялся заново. Общее среднее по трёх успешным испытаниям было рассчитано и использовано для последующих анализов.

Статистическое моделирование

Внутриклассовый коэффициент корреляции (ICC) был рассчитан для оценки воспроизводимости измерений. Влияние переменных на жесткость ахиллова сухожилия было проанализировано с помощью обобщённых смешанных моделей (GLMM). Жёсткость ахиллова сухожилия (G) была указана как зависимая переменная, при этом угол голеностопного сустава, спортивный тип и доминирующая нога — фиксированными. Идентификатор субъекта был включён как случайный эффект для учёта повторных измерений. Проводились пост-хок анализы с коррекцией Бонферрони.

Визуализация данных

Обработанные данные экспортировались и визуализировались с помощью линейных графиков для анализа спектра жёсткости и столбчатых диаграмм для сравнения групп.

Results

Перед интерпретацией статистических результатов было критически важно определить критерии успешной или неудачной реализации этого протокола. Демографические характеристики участников представлены в Таблице 1. Успешное измерение было визуально охарактеризовано высококачественным изображением в режиме B, показывающим чёткую, непрерывную фибриллярную структуру сухожилия, параллельную поверхности кожи, в сочетании со стабильной, однородной эластографической цветовой картой в...

Discussion

В данном исследовании был представлен стандартизированный протокол количественного определения спектра функциональной жесткости ахиллова сухожилия у элитных мужчин-спортсменов с использованием портативного устройства для силовой ультразвуковой фузии. В отличие от традиционной анатомической визуализации, которая даёт ограниченное функциональное понимание, этот метод использовал вибрационную ультразвуковую эластографию для неинвазивного картирования механических свойств сухожилия по физиол...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Сапоги	Ober	AO-36	использовать согласно предложениям в протоколе
Сцепное гельное средство	Jinya Technology	TM-100	использовать согласно предложениям в протоколе
Excel	Microsoft	https://www.microsoft.com/microsoft-365/excel	Используется авторами для расположения данных
Jamovi	Проект jamovi	https://www.jamovi.org/	Используется авторами для статистического анализа
Портативное ультразвуковое  устройство	XiJian Technology	T5C1B101WT	использовать согласно предложениям в протоколе
Prism	Graphpad	N/A; https://www.graphpad.com	Используется авторами для визуализации
SPSS	IBM	https://www.ibm.com/products/spss-statistics	Используется авторами для статистического анализа