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方法文章

针刺过程中三维手指运动追踪：针灸手法运动学分析的解决方案

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DOI：

10.3791/62750

⸱

2021年10月28日

 ,  ,  , 
1School of Acupuncture-Moxibustion and Tuina, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine

本文内容

摘要

本实验方法描述了一种利用三维手指运动追踪技术对针灸操作进行运动学分析的解决方案。

摘要

三维（3D）运动追踪技术已被广泛应用于多个领域，例如运动科学和医学技能研究。本实验旨在利用三维运动追踪技术测量针刺手法操作（AM）过程中手指各关节的运动学参数，并建立“幅度、速度和时间”三项技术指标。该方法能够反映针刺手法的操作特征，并提供多手指关节在三个轴向上的定量参数。现有证据表明，该方法在未来具有广阔的应用前景，例如可用于针灸剂量-效应关系研究、针刺手法的教学与学习，以及著名针灸医师针刺手法的量化测量与传承保存。

引言

作为中医临床技能和物理刺激的一种，针刺手法（AM）常被视为影响针灸疗效的重要因素1,2。许多研究已证实，不同的针刺手法或同一手法下不同的刺激参数（如进针速度、幅度、频率等）会产生不同的治疗效果3,4,5,6,7。因此，对针刺手法相关运动学参数的测量及其与疗效的相关性分析，可为针灸临床治疗提供有用的数据支持和参考依据8,9。

对针刺手法运动学参数的测量始于20世纪80年代10。早期主要采用基于可变电阻的电信号转换技术，将针体的位移信号转化为电压或电流信号，以显示和记录针刺手法的幅度和频率数据11。目前，采用该技术的著名中医针刺手法测试仪ATP-II（ATP-II）已在中国多家中医药大学中广泛应用12。此后，随着传感器技术的不断发展与创新，各类传感器被用于采集针刺手法的运动学参数。例如，将三轴电磁运动传感器固定在针柄上以获取进针的幅度和速度13；将生物电信号传感器置于动物脊髓背角以记录针刺频率14等。尽管基于上述两种技术的针刺手法定量研究已实现了针刺过程中相关运动学参数的采集，但其主要缺点在于无法实现无创实时测量，且因对针体进行改装而改变了操作手感。

近年来，运动追踪技术逐渐被应用于运动医学的定量研究15,16由于该方法基于对进针视频的逐帧分析，因此可在过程中获取针灸参数的测量结果 体内 在不改变针体的情况下进行操作。该技术已用于测量进针过程中拇指和示指四个追踪点在二维（2D）平面内的运动学参数，如幅度、速度、加速度和频率，并建立了相应的手指示意图15一些研究还采用类似技术测量了拇指与食指指间关节（IP关节）的角度变化范围。9,17,18然而，目前关于AM分析的研究仍主要局限于二维运动平面，且追踪点的数量相对较少。迄今为止，尚未建立完整的AM三维（3D）运动学测量与分析方法，亦无相关数据发表。

为解决上述问题，本研究将采用三维运动追踪技术，测量针刺过程中手部七个追踪点的运动学参数。该方案旨在为针灸手法的运动学分析以及针灸剂量-效应相关性的进一步研究提供完整的技术解决方案。

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方案

本研究经上海中医药大学附属岳阳医院伦理委员会批准（批件编号：2021-062），所有参与者均签署了知情同意书。

1. 实验准备

  1. 相机设置：
    1. 在手术台前方放置三个三脚架，并将它们与三台相机连接。
    2. 将相机的拍摄参数设置如下：分辨率 1280 × 720 像素，格式 MP4，全手动模式（M），光圈 F1.2，快门速度 1/1000 s，ISO 6400，自动白平衡，光学变焦 0 mm。
      注意：每两台相机之间的夹角应设置为 60°–120°（图 1A）。
  2. 追踪标记点放置：
    1. 在每位参与者的持针手部粘贴七个直径为 6.5 mm 的反光球，用于视频记录，具体操作详见步骤 1.2.2–1.2.4，并参见 图 2A。
    2. 手腕：在尺骨和桡骨茎突中点处粘贴一个反光球，定义为追踪点 "腕关节 "（WJ）
    3. 拇指：在拇指指甲中心粘贴一个反光球，定义为追踪点 "拇指指尖"（TT）；在指间关节（IP 关节）处粘贴一个反光球，定义为追踪点 "拇指末端关节"（TEJ）；在掌指关节（MCP 关节）处粘贴一个反光球，定义为追踪点 "拇指基底关节"（TBJ）。
    4. 食指：在食指指甲中心粘贴一个反光球，定义为追踪点 "食指指尖"（FT）；在近端指间关节（PIP 关节）处粘贴一个反光球，定义为追踪点 "食指中节关节"（FMJ）；在掌指关节（MCP 关节）处粘贴一个反光球，定义为追踪点 "食指基底关节"（FBJ）。

2. 视频拍摄与编辑

  1. 在手术台上放置一个带有8个点的小型15 cm × 15 cm × 15 cm三维校准框架，用于三维校准（图1B, C).
  2. 在对校准框进行至少8秒的视频拍摄后，从桌面上移除该框架。
  3. 指导参与者在志愿者的曲池穴（LI11）上进行针刺手法操作，包括提插和捻转技术，分别用拇指和食指控制针具进行上下移动和旋转。对上述手法操作至少连续拍摄10个周期的视频。
    注意：以下列出了进行 AM 的参与者以及提供针刺穴位的志愿者的纳入与排除标准。参与者纳入标准：（1）已完成针灸学习的针灸教师或学生； "提插手法" 和 "旋转技巧" 课程教材中题为“针刺与艾灸技术及操作”的章节19；（2）参与者需具备超过5次在人体上的实际针刺操作经验。排除标准：（1）非针灸专业教师或学生；（2）无任何人体针刺实操经验的针灸专业学生。志愿者纳入标准：（1）年龄在16至60岁之间；（2）右侧臂部LI11穴周围无明显皮肤损伤、破裂、化脓或明显渗出。志愿者排除标准：（1）有吸烟、酗酒或药物滥用史者；（2）患有血液系统疾病或有明显出血倾向者；（3）患有慢性精神疾病或精神障碍者；（4）孕妇；（5）有晕针史者。
  4. 将所有摄像机中的视频导出至计算机的指定磁盘。将摄像机1、2、3中的三维校准视频重命名为 "ca-1.mp4", "ca-2.mp4" 和 "ca-3.mp4".
  5. 在视频编辑软件（如 Adobe Premiere Pro）中同步所有操作视频，并导出命名为 "提插-1.avi", "提插-2.avi", "提插-3.avi", "twirling-1.avi", "twirling-2.avi" 和 "twirling-3.avi"分别。
    ​注意：请参阅 补充文件 1 有关本研究中所用视频编辑软件的视频同步操作说明。

3. Simi Reality Motion System 项目配置（运动捕捉与分析软件）

  1. 打开动作捕捉与分析软件，选择创建新项目。在项目标签中设置项目名称，然后点击创建并保存，将项目保存至指定磁盘。
  2. 选择设定 > 点 > 右/左手，将上述跟踪点从预定义点框拖动到已使用点框中，然后点击关闭按钮继续。
    注意：以下所有步骤均以右手的跟踪点为例。
  3. 选择设定 > 连接，然后点击新建连接
    1. 输入连接名称"右手中指III"。在同一窗口中，选择"右手中指中关节"作为起始点，并连线至点"右手中指指尖"
    2. 点击应用和关闭按钮，完成该连接的建立。
  4. 添加并重命名相机组
    1. 右键点击相机 > 添加相机组，以添加新的相机组。
    2. 右键点击相机 > 重命名，将相机组分别重命名为"提插相机组"和"捻转相机组"。
  5. 右键点击提插相机组 > 添加相机
    1. 在跟踪框中点击选择文件按钮。
    2. 点击打开现有文件，在下一个窗口中选择操作视频"lifting-thrusting-1.avi"，然后点击应用完成视频导入。
    3. 参照上述操作，在3D校准框中点击选择文件，并导入相应的校准视频"ca-1.mp4"。
  6. 根据步骤3.5，继续在提插相机组中导入操作视频"lifting-thrusting-2.avi"和"lifting-thrusting-3.avi"，以及对应的校准视频"ca-2.mp4"和"ca-3.mp4"。
    注意：在完成3.4和3.5节后，项目窗口中的提插相机组应包含3台相机。
  7. 根据步骤3.4、3.5和3.6，将捻转手法操作视频及其校准视频导入捻转相机组。

4. 视频分析

  1. 每台相机的 3D 校准
    1. 展开 Lifting-Thrusting Camera Group，右键单击 Lifting-Thrusting-1 > Properties。
    2. 在 3D Calibration 对话框中点击 3D Calibration 按钮；输入描述信息，并通过连续 8 次点击 Add Point 按钮添加 8 个点。
    3. 根据校准参数（表 1）为每个点设置名称及对应的 X、Y、Z 值后，点击 Apply。
    4. 完成所有点的配置后，移动鼠标并依次点击校准视频的每个端点，以完成 3D 校准。
    5. 按照步骤 4.1.1–4.1.4 完成同组内其他相机以及 Twirling Camera Group 中各相机的 3D 校准。
  2. 3D 手指运动追踪
    1. 右键单击 Lifting-Thrusting Camera Group > 3D Tracking，选择所有相机，然后点击 OK 按钮以打开 3D tracking 窗口。
    2. 为所有相机设置 Track Using Pattern Matching (all points)，并在第一帧中手动点击所有追踪点。
    3. 点击 Search Automatically 按钮，开始逐帧自动进行 3D 追踪。
    4. 按照步骤 4.2.1–4.2.3 完成 Twirling Camera Group 的运动追踪。
      注意：若在自动 3D 追踪过程中丢失某个追踪点，请选中该丢失点对应的行，右键点击 Discard Point From Here，然后重新点击该点并再次点击 Search Automatically 按钮。如果弹出提示信息 "No start frame for tracking has been set for 3 selected camera(s). it can be set individually in camera properties. Do you want to set start frame to frame 0 for all cameras without start frame and continue now?"，请选择 Yes。
  3. 数据导出
    1. 右键单击 Lifting-Thrusting Camera Group > New 3D Calculation，选择所有相机，在 Create 3D Data 窗口中勾选 Update Data Continuously 和 Store Data Explicitly in File，然后点击 OK 按钮继续。
    2. 右键单击文件夹 Lifting-Thrusting-3D Coordinates Data > Export，在 Export 窗口中勾选“列标题”、“追踪名称”、“开始时间与频率”、“第一列为时间信息”、“X”、“Y”、“Z”、“v(X)”、“v(Y)”、“v(Z)”。
    3. 点击 Export 按钮，以自定义文件名导出数据文件（*.txt）。以相同方式导出 Twirling Camera Group 的数据文件。

5. 数据分析

注意：使用一个原始的 PHP 脚本来浏览和分析动作捕捉与分析软件导出的数据文件。所有源代码已共享在 GitHub 代码仓库中20。

  1. 将运动捕捉与分析软件导出的数据文件上传至运行该脚本的指定服务器文件夹后，打开脚本并输入 用户名 和 密码 登录
  2. 点击 添加新参与者，选择 参与者类型 和 性别，输入 参与者姓名，年龄，以及 练习时间 在弹出页面中；点击 提交 完成添加新参与者。
  3. 点击 添加新记录 对应于列表页面中新增的参与者，然后输入 文件夹名称 包含运动捕捉与分析软件的上传数据文件，并选择 手术日期；点击 提交 继续。
  4. 点击 分析 对应新添加的操作记录，然后选择 技能 并点击 提交该脚本将识别并显示所有有效的波峰和波谷，以供人工复核。
    注意：如果脚本错误识别了波峰或波谷，可在相应的下拉列表中手动重新选择。基于这些波峰和波谷，脚本可计算并显示每个追踪点在三个轴向上的振幅和速度的平均值，以及提插、捻转（左转和右转）操作的持续时间。这些参数的计算方法如图所示。 图3.

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结果

在建立该实验方法后，采用三维运动捕捉技术测量了来自上海中医药大学针灸推拿学院的19位针灸教师的基本针刺手法中的提插和捻转技能。根据国际生物力学学会标准化与术语委员会（STC）提出的肩、肘、腕和手关节坐标系（JCS）定义21，共选取了七个手指追踪点。基于这些点的解剖位置，由动作捕捉与分析软件生成的杆状视图如图2B所示。各点在三个轴向上典型的时间-坐标曲线如图4所示，并提供了提插和捻转技能的杆状视图视频两段（视频1 和 视频2）。

如图4C、E所示，由于在进行不同手法操作时，腕关节（WJ）沿主要运动轴的移动幅度极小（提插手法沿Z轴，捻转手法沿Y轴），因此腕关节可视为固定，运动似乎主要来自拇指和示指。因此，通过运动捕捉与分析软件导出其余六个标记点的数据，用于对AM...

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讨论

本研究建立了AM运动学参数的测量方法 体内 并获取了拇指和食指在三维方向上六个重要追踪点的运动幅度、速度及操作时间数据。同时，基于三维校准框架，生成了进针过程中拇指和食指的三维棍状图及相应动画。通过运动参数曲线与棍状动画的同步回放，可完整展示 AM 手法中拇指与食指的运动过程，有助于研究人员深入探究其运动特征，并比较不同 AM 手法之间的异同。

在整个实验过程中，一些影响分析结果的关键步骤可以总结如下：首先，实验环境的配置。建议实验环境的温度保持恒定在22–25 °C，相对湿度约为60%，室内无明显气流。同时，周围环境应避免强噪声和电磁源干扰。其次，相机与三脚架的放置。在运动追踪过程中，所有相机应完整记录全部追踪点，以获得高精度数据。因此，合理的相机位置是减少实验误差的关键。此外，三脚架应调整至适当高度（高于实验台面，并确保能清晰记录台面上的实验装置及受试者的手部动作）。第三，校准与自动运动追踪。所有分析数据均基于运动视频每一帧中各追踪点在三维校准系统中的位置计算得出；因此，成功的校准以及对每个点的自动追踪是进行后续计算的前提条件。最后，波峰与波谷的识别。主动运动...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作由国家自然科学基金（项目编号：82174506）资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
三维校准框架任意品牌15 x 15 x 15 cm
针灸针苏州医疗器械厂0.35 x 40 mm
双面胶带任意品牌圆形，直径1 cm
反光球Simi Reality Motion Systems GmbH直径6.5 mm
SD卡Western Digital CorporationSDXC UHS-I
SD卡读卡器UGREEN Group LimitedUSB 3.0
Simi MotionSimi Reality Motion Systems GmbHVer.8.5.15
棉签任意品牌乙醇体积分数为70%-80%
三台摄像机日本胜利公司JVC GC-PX100BAC
三个三脚架任意品牌

参考文献

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