等速膝伸展最大努力任务对髌腱特性的影响：超声 B 模式与剪切波弹性成像方法

《Journal of Biomechanics》：Effects of an isokinetic knee extension maximum effort task on patellar tendon properties: An ultrasound B-mode and shear wave elastography approach

　　

摘要

带有疲劳方案的等速膝关节伸展任务后髌腱特性的急性改变尚不清楚。为此，19 名（11♂，8♀）经常运动的人群参与了本研究。在膝关节屈曲 30°（0° = 完全伸展）时，使用 B 型和剪切波弹性成像模式的超声检查对髌腱进行评估。从扩展视野 B 型图像中分析肌腱和皮下脂肪组织厚度以及回声强度 (EI)。从 SWE 图像中分析平均剪切波速度 (SWV)。此过程在包含疲劳方案的等速任务之前和之后立即进行。计算前五次和后五次重复的机械功以评估表现疲劳性。使用配对 t 检验进行前后比较，并使用皮尔逊相关分析评估肌腱 EI 和 SWV 之间的相关性。使用组内相关系数 (ICC)、测量标准误 (SEM) 和最小可检测变化 (MDC) 评估可靠性。统计显著性设定为 α = 0.05，并计算 Cohen's d 作为效应量。虽然未观察到肌腱厚度差异 (p = 0.208)，但等速任务后 EI 增加 9% (p < 0.001, ES = 0.73) 且 SWV 减少 5% (p = 0.031, ES = 0.23)。尽管在等速任务前 EI 和 SWV 相关 (r = 0.468, p = 0.043)，但在任务后 (r = 0.279, p = 0.247) 以及 EI 和 SWV 变化之间 (r = -0.419, p = 0.074) 未观察到相关性。等速任务前后均显示出很高的可靠性 (ICC ≥ 0.922, p < 0.001)。然而，任务前后 SWV 平均差异低于 MDC

引言

肌腱是富含胶原蛋白的组织，负责日常活动中从肌肉到骨骼的力传递 (Wiesinger 等。, 2016)。在需要产生膝关节伸展力矩的活动中，人体髌腱承受高负荷 (Finni 等。, 2000)。由于需要股四头肌力产生的运动常在体育练习中执行，髌腱特性的急性反应是一个相关话题。除了与重塑过程的直接关系外 (Dideriksen 等。, 2013; Langberg, Skovgaard 等。, 1999; Tardioli 等。, 2012)，肌腱形态、力学和材料方面的急性反应被认为表明其行为发生了暂时性改变 (Obst 等。, 2013)。然而，关于其形态、力学和材料特性，如厚度、刚度和胶原蛋白排列的急性反应尚未完全阐明。例如，刚度定义为肌腱在施加于肌腱的力作用下的变形（即长度变化）(Wang 等。, 2012)。相同负荷下更大的变形表明肌腱刚度较低，或者说肌腱顺应性更高 (Wang 等。, 2012)。另一方面，胶原蛋白排列影响肌腱的抗拉强度能力，这最终影响肌腱的力学质量 (Wang 等。, 2012)。在这种情况下，由于直接测量具有侵入性，肌腱回声强度 (EI) 被认为与运动前后的胶原蛋白排列有关 (Ishigaki 等。, 2016)。EI 代表声波从感兴趣组织反射回换能器的强度 (Aldrich, 2007)，在肌腱中，这被认为取决于肌腱内胶原蛋白纤维的排列 (Goss 等。, 1979)。因此，通常假设较高的肌腱 EI（例如高回声）表明更高的胶原蛋白排列 (Ishigaki 等。, 2016)。

只有少数尝试评估运动后的形态、力学和材料特性的变化 (Heales 等。, 2018, Pelea 等。, 2023, Schneebeli 等。, 2020, Wearing 等。, 2013, Yin 等。, 2014)。虽然一项研究观察到剪切波速度 [SWV; Heales 等。 (2018)] 增加，其他研究观察到弹性和刚度降低 (Pelea 等。, 2023, Yin 等。, 2014)。然而，这些引用的研究使用了不同的方法。虽然两项研究使用基于超声的剪切波弹性成像 (SWE) 评估肌腱的急性反应 (Heales 等。, 2018, Pelea 等。, 2023)，一项研究结合 B 型超声与等速测力计 (Yin 等。, 2014)。虽然 SWV、弹性和刚度是相关变量，但数据收集和处理的具体方法不同 [每个变量和技术的详细信息可在 Blank 等。 (2022)、Davis 等。 (2019)、Seynnes 等。 (2015) 中找到]，如进一步讨论的那样，基于 SWV 的弹性计算的基本假设不能反映骨骼组织的特性 (Stiver 等。, 2023)。此外，经常观察到肌腱 EI 增加 (Schneebeli 等。, 2020, Wearing 等。, 2013)，关于肌腱厚度报告了冲突的结果 (Heales 等。, 2018, Schneebeli 等。, 2020, Wearing 等。, 2013)。除了评估肌腱对负荷反应的不同技术外，采用了不同的运动，包括深蹲 (Pelea 等。, 2023, Wearing 等。, 2013)、离心膝关节伸展 (Heales 等。, 2018, Yin 等。, 2014)，以及参与滑雪登山赛 (Schneebeli 等。, 2020)。生物医学成像的最新进展使得能够以可靠、省时且更简单的方式在临床环境中测量肌腱的力学特性 (Bastijns 等。, 2020, Pelea 等。, 2023, Taljanovic 等。, 2017)。即，基于超声的 SWE 依赖于高强度聚焦推力波束，产生在组织内传播的剪切波 (Taljanovic 等。, 2017)。剪切波在组织中传播的速度，通过基于相关性的算法测量 (Bastijns 等。, 2020)，在假设各向同性、弹性介质的情况下与组织刚度直接相关 (Bastijns 等。, 2020, Sigrist 等。, 2017)。尽管其具有高潜力应用于临床环境，只有两项研究测量了髌腱对运动后的反应 (Heales 等。, 2018, Pelea 等。, 2023)。因此，为了推进对其理解和在肌腱组织对负荷急性反应中的潜在应用，需要结合 B 型和 SWE 模式的额外研究。急性地，运动后肌腱周围间隙中水分含量 (Lozano 等。, 2019) 和肌腱温度 (Wilson & Goodship, 1994) 的增加可能会降低肌腱 SWV。然而，水分含量和胶原蛋白排列的这些暂时性变化被认为会在运动任务后增加肌腱的 EI (Tower 等。, 2002)。此外，肌腱厚度测量可作为与形态相关的变量，其中肌腱厚度的减少可能与肌腱结构内流体含量的变化有关 (Wearing 等。, 2013)。因此，需要进行额外的调查以改进其在肌腱力学评估中的应用。

虽然上述研究提供了关于肌腱对机械负荷急性反应有影响力的见解，但没有研究调查其在带有疲劳方案的向心等速任务后的行为。这项调查将允许解释在疲劳活动中髌腱可能发生的变化。因此，本研究的主要目标是探索包括表现疲劳诱导方案的等速膝关节伸展任务后髌腱厚度、EI 和 SWV 如何变化。次要目标是调查髌腱 EI 和 SWV 之间的关联，以及这种关联在等速任务后是否改变。此外，评估了等速任务前后的评者内可靠性髌腱厚度、EI 和 SWV 测量。基于先前的研究，假设 (i) 肌腱厚度保持不变，(ii) 肌腱 EI 增加 和 (iii) 等速任务后肌腱 SWV 减少。

章节片段

实验设计

在这项横断面研究中，所有测量均在生物力学实验室进行。人体测量后，使用问卷评估身体活动水平 [IPAQ; Matsudo 等。 (2001)] 和临床病史。受试者签署知情同意书参与本研究，该研究经大学伦理委员会批准 (#6.781.939)，他们仰卧在超声椅上，下肢伸展以进行髌腱

结果

配对 t 检验显示疲劳方案中膝关节伸展期间机械功显著减少 37% (前：592.0 ± 140.6 J; 后：361.4 ± 59.9 J; p < 0.001, ES = 2.13)。虽然未观察到髌腱厚度差异 (p = 0.208, ES = 0.20; 图 2a)，观察到 EI 显著中度增加 9% (p < 0.001, ES = 0.73; 图 2b) 和 SWV 小幅减少 5% (p = 0.031, ES = 0.23; 图 2c)。

观察到髌腱之间显著相关性

讨论

本研究的目的是探索带有疲劳方案的膝关节伸展任务对髌腱厚度、EI 和 SWV 的影响，以及等速任务前后 EI 和 SWV 之间的关联。另一个目标是评估等速任务前后同次会话内髌腱厚度、EI 和 SWV 的可重复性。发现虽然肌腱厚度保持不变，但等速任务后 EI 增加且 SWV 减少，

结论

总之，在带有疲劳方案的等速膝关节向心伸展任务后，髌腱的急性反应包括 EI 增加，疲劳方案后肌腱 SWV 和厚度无变化。此外，图像可靠性不受等速膝关节伸展任务影响。最后，虽然未直接测量，但肌腱内的液体重新分布可能与观察到的改变有关。

资金声明：本研究未收到任何特定

CRediT 作者贡献声明

Heinrich Leon Souza Viera: 写作 - 初稿，可视化，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。 Mateus Rossato: 写作 - 审阅与编辑，可视化，监督，资源，项目管理，方法学，调查，数据整理，概念化。 Daniela Lopes dos Santos: 写作 - 审阅与编辑，可视化，方法学，调查，数据整理。 Fábio Juner Lanferdini: 写作 - 审阅与编辑，可视化，

未引用参考文献

Baumann 等。, 2025, Langberg 等。, 1999a, Langberg 等。, 1999b, Mersmann 等。, 2019。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

作者感谢参与者参与本研究。此外，我们感谢巴西体育部，使得购买执行本研究项目的所有设备成为可能。H. L. S. V. 感谢巴西高等教育人员提升协调处 (CAPES) 的奖学金。

Heinrich Leon Souza Viera|Mateus Rossato|Daniela Lopes dos Santos|Fábio Juner Lanferdini