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
2021年10月28日
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。
针刺手法众所周知是针灸治疗的重要基础。对针刺手法进行定量分析可为其临床应用提供数据支持。该运动方法的建立基于三维运动追踪技术。
这为针刺手法的定量研究开辟了新的途径。该实验方法为手工针刺刺激量的确定以及针刺手法教学与学习的定量评估提供了可行方案。首先，取七个直径为6.5毫米的反光球，粘附于受试者持针手。
在桡骨茎突和尺骨茎突中点处放置一个标记球，定义为腕关节追踪点；在拇指掌指关节处放置一个标记球，定义为拇指基节关节追踪点；在拇指指间关节处放置一个标记球，定义为拇指末节关节追踪点；在拇指指甲中心处放置一个标记球，定义为拇指指尖追踪点。接着，在示指掌指关节处放置一个标记球，定义为示指基节关节追踪点；在示指近端指间关节处放置一个标记球，定义为示指中节关节追踪点；在示指指甲中心处放置一个标记球，定义为示指指尖追踪点。
进行三维校准时，将一个带有八个点的小型三维校准框放置在手术台上。拍摄校准框视频至少八秒后，将其从台面上移除。指导受试者在志愿者的针灸穴位LI11处进行针刺手法操作，包括提插和捻转手法，以控制针体在拇指与示指之间上下移动和旋转。
接下来，将摄像机中的视频导出至计算机的指定磁盘，并将一号摄像机中的三维校准视频重命名为 ca-1.mp4。同样地，将二号和三号摄像机的视频进行重命名。在视频编辑软件中同步所有操作视频，并将其导出并命名为 lifting-thrusting-1。
提插-2.avi，提插-3.avi，捻转-1.avi
分别为 avid、twirling-2.avi 和 twirling-3.avi。
打开动作捕捉与分析软件，选择创建一个新项目。设置项目名称和项目标签，然后单击创建并保存，将项目保存到指定磁盘。选择规格，随后选择点，再选择右手，将预定义点框中的跟踪点拖动到已使用点框中。
单击关闭按钮以继续。接下来，在同一窗口中依次选择“specification”和“connections”，然后单击新连接，并将连接名称输入为 forefinger III right。选择右手食指中节指关节作为起点，右手食指指尖作为第二点。
单击应用和关闭按钮以完成连接的建立。要添加新的相机组，请在相机上单击右键，然后选择添加相机组。接着再次在相机上单击右键，选择重命名，将相机组分别命名为提插相机组和旋转相机组。
右键单击提插相机组，选择添加相机，然后在跟踪框中点击选择文件按钮。接着点击打开现有文件，在下一个窗口中选择手术视频 lifting-thrusting-1.avi，并点击应用以完成视频导入。
同样，通过点击三维校准框中的“选择文件”来导入相应的校准视频 ca-1.mp4，并继续导入其他操作视频及其对应的校准视频。接下来，将旋转技巧视频及其校准视频导入到旋转摄像机组中，操作方式与导入提插摄像机组的视频类似。
对于每台相机的三维校准，展开提插相机组，右键单击提插1并选择属性。在三维校准框中，单击三维校准按钮，然后输入描述信息，并通过单击“添加点”按钮八次来添加八个点。根据校准参数设置每个点的名称及对应的XYZ值，然后单击应用。
完成所有点的配置后，单击校准视频的每个端点以完成该组内所有相机的三维校准，并以相同方式完成旋转相机组中各相机的三维校准。进行三维手指运动追踪时，右键单击提插相机组，选择三维追踪，选中所有相机，然后单击“确定”以打开三维追踪窗口。为所有相机设置使用模式匹配全部点的追踪方式，并在第一帧中手动单击所有追踪点。
单击“自动搜索”按钮，以逐帧开始自动 3D 跟踪。同样地，完成旋转相机组的运动跟踪。要导出数据，右键单击提插相机组，选择新建 3D 计算，选择所有相机，勾选持续更新数据、将数据显式存储到文件并创建 3D 数据窗口，然后单击“确定”继续。
接下来，右键单击提插捻转摄像机组三维坐标文件夹，选择“导出”以打开导出窗口，并勾选列标题、追踪名称、开始时间与频率、第一列中的时间信息，以及X、Y、Z、VX、VY、VZ参数。单击“导出”按钮，以自定义文件名导出数据文件，并以相同方式导出捻转摄像机组的数据文件。本研究在提插和捻转操作过程中，记录了各点沿三个轴向的典型坐标-时间曲线。
实验数据的初步分析显示，掌指关节的运动、幅度和速度参数最小，指间关节较大，而近端指间关节的参数最大。由于腕关节在不同操作技能中的运动幅度很小，其主运动轴方向的幅度可视为固定，运动似乎主要由拇指和食指产生。通过比较ATP2采集的数据与运动捕捉及分析软件导出的数据，发现TT在z轴方向上的坐标-时间曲线形态与ATP2在提插操作过程中产生的电压-时间曲线相似。
与此同时，在旋转技能过程中，TT 的 y 轴方向上的振幅-时间曲线形状也与 ATP2 的电压-时间曲线相似，且这两类曲线的平均运行周期相同。在运动追踪过程中，必须正确识别所有追踪点，以获得高精度的数据。建议采用模式匹配算法进行自动 3D 追踪，以快速定位目标点。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
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手法进行运动学分析的解决方案。该方法有助于推动针灸手法的定量研究，提升其临床应用价值。
关键研究组成部分
科学领域
- 针灸
- 运动追踪技术
- 定量分析
背景
- 针刺手法是针灸治疗的基础。
- 定量分析为临床应用提供数据支持。
- 本分析采用三维运动追踪技术。
- 该方法有助于评估手工针刺技术。
研究目的
- 建立一种针刺手法的操作方法。
- 确定手法针刺的刺激量。
- 对针刺技术的教学与学习进行定量评估。
使用的方法
- 在受试者持针手的七个位置粘贴反光球。
- 采用三维运动追踪技术。
- 对针灸手法操作过程中的手指运动进行定量分析。
- 采集数据以支持临床应用。
主要结果
- 建立一种可靠的运动学分析方法。
- 加深对针灸操作技术的理解。
- 为临床应用提供定量数据支持。
- 支持针灸方法的教学与学习。
结论
- 该方法为针灸研究开辟了新的途径。
- 定量分析可改善临床实践。
- 三维追踪技术在实现这一目标方面具有有效性。
常见问题
行业高管相关性
三维手指运动追踪可实现对手动操作的定量运动学分析，有助于基于技能的干预措施的客观评估与标准化。在生物制药研发领域，此类定量运动捕捉可提供可重复的量化指标，为转化研究、培训以及手动治疗技术的机制性风险降低提供依据。该能力可增强预测的可信度，并在手动操作技能差异影响实验或治疗结果的情况下，支持研发组合决策。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 定量运动追踪可阐明手法干预的生物力学基础，用于假设验证。
- 客观的运动学参数有助于降低操作者依赖性操作中的机制性风险。
- 标准化指标支持在与疾病相关的模型中进行可重复的目标验证。
筛选与检测方法开发
- 经过验证的运动捕捉系统可为手动操作步骤的整合提供定量分析工作流程的准备。
- 可重复的幅度、速度和时间输出有助于实现检测方法的标准化以及不同操作者之间的结果可比性。
- 定量数据有助于可靠评估依赖干预措施的生物学反应。
转化与临床前研究
- 运动学分析将手动操作参数与转化生物标志物研究相匹配。
- 定量输出支持从发现到临床前验证的连续性，其中手动操作技能为可变因素。
- 客观测量减少了跨研究和跨机构比较中的模糊性。
流程与工作流整合
该方法将定量运动追踪技术应用于发现生物学、检测方法开发以及人工干预的转化研究之间的交叉领域。
- 发现生物学：能够对人工技术对生物系统的影响进行假设驱动型分析。
- 筛选：提供可重复、定量的输出结果，可整合到筛选与验证工作流程中。
- 分析：提供时间分辨的振幅和速度数据，支持不同条件间的稳健统计比较。
- 转化研究：支持将人工干预参数与临床前及生物标志物终点对齐。
- 企业级复用：建立一个可复用的平台，用于跨治疗领域对人工操作技能进行定量评估。
运营与企业影响
- 科学价值：提高手动干预措施的预测可信度，并降低机制上的模糊性。
- 操作价值：实现基于技能的操作流程的标准化、可重复性和可扩展性。
- 战略价值：支持基于信息的决策（通过/不通过），并减少因操作者差异带来的后期风险。
- 项目组合影响：促进涉及手动技术项目的基于风险调整的优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备运动捕捉技术和运动学数据分析的专业知识。
- 需要多摄像头系统、反光标记点以及专用分析软件。
- 要求跨团队对追踪协议和校准进行严格的标准化。
- 针对不同的手动操作或解剖部位，可能需要进行调整。
- 高精度追踪依赖于标记点的正确放置以及算法的准确性。
