Method Article

Dreidimensionales Finger Motion Tracking beim Needling: Eine Lösung für die kinematische Analyse der Akupunkturmanipulation

DOI:

10.3791/62750

⸱

October 28th, 2021

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

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese experimentelle Methode beschreibt eine Lösung für die kinematische Analyse der Akupunkturmanipulation mit dreidimensionaler Fingerbewegungsverfolgungstechnologie.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dreidimensionales (3D) Motion Tracking wurde in vielen Bereichen eingesetzt, wie z.B. bei der Erforschung sportlicher und medizinischer Fähigkeiten. Dieses Experiment zielte darauf ab, die 3D-Bewegungsverfolgungstechnologie zu verwenden, um die kinematischen Parameter der Fingergelenke während der Akupunkturmanipulation (AM) zu messen und drei technische Indikatoren "Amplitude, Geschwindigkeit und Zeit" zu ermitteln. Diese Methode kann die Betriebseigenschaften von AM widerspiegeln und quantitative Parameter entlang von drei Achsen mehrerer Keilzinken liefern. Die aktuellen Beweise zeigen, dass die Methode ein großes Potenzial für zukünftige Anwendungen wie die Untersuchung der Dosis-Wirkungs-Beziehung von Akupunktur, das Lehren und Lernen von AM und die Messung und Erhaltung der AM berühmter Akupunkteure hat.

Introduction

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Als eine Art der klinischen Fähigkeiten der Traditionellen Chinesischen Medizin (TCM) und der körperlichen Stimulation wird die Akupunkturmanipulation (AM) oft als ein wichtiger Faktor angesehen, der die therapeutische Wirkung der Akupunktur beeinflusst1,2. Viele Studien haben bestätigt, dass unterschiedliche AM oder unterschiedliche Stimulationsparameter (Nadelgeschwindigkeit, Amplitude, Frequenz usw.) derselben AM zu unterschiedlichen therapeutischen Wirkungen führten3,4,5,6,7. Daher können die Messung relevanter kinematischer Parameter der AM und die Korrelationsanalyse mit der therapeutischen Wirkung nützliche Datenunterstützung und Referenz für die klinische Behandlung mit Akupunktur liefern8,9.

Die Messung der kinematischen Parameter des AM begann in den 1980er Jahren10. In der Anfangszeit wurde die auf variablem Widerstand basierende elektrische Signalwandlungstechnologie hauptsächlich verwendet, um das Wegsignal des Nadelkörpers in ein Spannungs- oder Stromsignal zur Anzeige und Aufzeichnung der Amplituden- und Frequenzdaten von AM11 umzuwandeln. Darüber hinaus wird der berühmte ATP-II Chinese Medicine Acupuncture Technique Tester II (ATP-II) mit dieser Technologie derzeit von vielen Universitäten für traditionelle chinesische Medizin in China eingesetzt12. Danach, mit der kontinuierlichen Entwicklung und Innovation der Sensortechnologie, wurden verschiedene Arten von Sensoren verwendet, um kinematische Parameter von AM zu sammeln. Zum Beispiel wurde der elektromagnetische Bewegungssensor mit drei Achsen am Nadelgriff befestigt, um die Nadelamplitude und -geschwindigkeit zu erfassen13; Der bioelektrische Signalsensor wurde auf dem Rückenhorn des Rückenmarks des Tieres platziert, um die Nadelfrequenz14 usw. aufzuzeichnen. Obwohl die quantitative Forschung von AM auf der Grundlage der beiden oben genannten Arten von Technologien die Erfassung relevanter kinematischer Parameter während des Vernadelns abgeschlossen hat, sind ihre Hauptnachteile die Unfähigkeit, die nicht-invasive Echtzeitmessung durchzuführen, und die Änderung des Betriebsgefühls, die durch die Modifikation des Nadelkörpers verursacht wird.

In den letzten Jahren wurde die Motion-Tracking-Technologie schrittweise auf die quantitative Forschung von AM15,16 angewendet. Da es auf der Frame-by-Frame-Analyse von Nadelvideo basiert, kann die Messung von Akupunkturparametern während des In-vivo-Betriebs erfasst werden, ohne den Nadelkörper zu verändern. Diese Technologie wurde verwendet, um die kinematischen Parameter wie Amplitude, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Frequenz von vier Tracking-Punkten von Daumen und Zeigefinger während des Nadelns in einer zweidimensionalen (2D) Ebene zu messen und die entsprechende Finger-Stick-Figur zu ermitteln15. Einige Studien maßen auch den Winkeländerungsbereich des interphalangealen (IP) Gelenks von Daumen und Zeigefinger mit ähnlicher Technologie9,17,18. Die aktuellen Studien zur AM-Analyse beschränken sich jedoch immer noch hauptsächlich auf die 2D-Bewegungsebene, und die Anzahl der Tracking-Punkte ist relativ gering. Bisher gibt es keine vollständige dreidimensionale (3D) Kinematik-Mess- und Analysemethode für AM, und es wurden keine entsprechenden Daten veröffentlicht.

Um die oben genannten Probleme zu lösen, wird diese Studie die 3D-Motion-Tracking-Technologie verwenden, um die kinematischen Parameter der sieben Tracking-Handpunkte während des Nadelns zu messen. Dieses Protokoll zielt darauf ab, eine vollständige technische Lösung für die kinematische Analyse von AM sowie die weitere Studie über die Dosis-Wirkungs-Korrelation der Akupunktur bereitzustellen.

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Protocol

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Diese Studie wurde von der Ethikkommission des Yueyang-Krankenhauses genehmigt, das mit der Shanghai University of Traditional Chinese Medicine verbunden ist (Referenznummer 2021-062), und jeder Teilnehmer unterzeichnete eine Einverständniserklärung.

1. Versuchsvorbereitungen

  1. Kameraeinstellungen:
    1. Stellen Sie drei Stative vor den Operationstisch und verbinden Sie sie mit drei Kameras.
    2. Stellen Sie die Aufnahmeparameter der Kameras wie folgt ein: Auflösung 1280 x720 Pixel, Format MP4, voll manueller Modus (M), Blende F1.2, Shutter 1/1000s, ISO 6400, automatischer Weißabgleich, optischer Zoom 0mm.
      HINWEIS: Der Winkel zwischen jeweils zwei Kameras muss auf 60°-120° eingestellt werden (Abbildung 1A).
  2. Platzierung von Tracking-Markierungen:
    1. Befestigen Sie sieben reflektierende Kugeln mit einem Durchmesser von 6,5 mm an der Haltenadelhand jedes Teilnehmers für die Videoaufzeichnung, wie in den Schritten 1.2.2-1.2.4 beschrieben und in Abbildung 2A dargestellt.
    2. Handgelenk: Befestigen Sie einen Ball am Mittelpunkt der Ulna und des radialen Styloids, der als Tracking-Punkt "Handgelenk" (WJ) definiert ist
    3. Daumen: Befestigen Sie jeweils einen Ball an der Mitte des Daumennagels, der als Tracking-Punkt "Daumenspitze" (TT) definiert ist, das IP-Gelenk, das als Tracking-Punkt "Daumenendgelenk" (TEJ) definiert ist, und das Metacarpophalangealgelenk (MCP), das als Tracking-Punkt "Daumenbasisgelenk" (TBJ) definiert ist.
    4. Zeigefinger: Befestigen Sie jeweils eine Kugel an der Mitte des Zeigefingernagels, der als Tracking-Punkt "Zeigefingerspitze" (FT) definiert ist, das proximale Interphalangealgelenk (PIP), das als Tracking-Punkt "Zeigefingermittelgelenk" (FMJ) definiert ist, und das MCP-Gelenk, das als Tracking-Punkt "Zeigefinger-Basisgelenk" (FBJ) definiert ist.

2. Videoaufnahmen und -bearbeitung

  1. Legen Sie einen kleinen 15 cm x 15 cm x 15 cm 3D-Kalibrierrahmen mit 8 Punkten auf den Operationstisch für die 3D-Kalibrierung (Abbildung 1B,C).
  2. Entfernen Sie den Rahmen aus dem Tisch, nachdem Sie mindestens 8 Sekunden lang ein Video des Kalibrierungsrahmens aufgenommen haben.
  3. Weisen Sie die Teilnehmer an, AM am Akupunkturpunkt LI11 (Quchi) des Freiwilligen durchzuführen, einschließlich Hebe-Schub- und Wirbelfähigkeiten, um die Nadel zu steuern, um sich auf und ab zu bewegen und mit Daumen bzw. Zeigefinger zu drehen. Nehmen Sie die Videos der oben genannten Fähigkeiten für mindestens 10 Zyklen auf.
    HINWEIS: Die Ein- und Ausschlusskriterien der Teilnehmer zur Durchführung von AM und der Freiwilligen zur Bereitstellung von Akupunkturpunkten für das Nadeln sind aufgeführt. Teilnehmereinbeziehung: (1) Akupunkturlehrer oder -schüler hat die Kapitel "Hebe-Schub-Fähigkeit" und "Wirbelfähigkeit" im Kurslehrbuch mit dem Titel "Akupunktur- und Moxibustionstechniken und -manipulationen" abgeschlossen19; (2) Der Teilnehmer sollte mehr als 5 Mal praktische Nadelerfahrung mit dem menschlichen Körper haben. Teilnehmerausschluss: (1) Nicht-Akupunkturlehrer oder -schüler; (2) Akupunkturstudenten ohne praktische Nadelerfahrung mit dem menschlichen Körper. Freiwillige Inklusion: (1) Alter zwischen 16-60 Jahren; (2) keine offensichtlichen Hautschäden, Rupturen, Eiterungen oder offensichtlichen Exsudationen um LI11 am rechten Arm. Ausschluss von Freiwilligen: (1) Personen mit einer Vorgeschichte von Rauch-, Alkohol- oder Drogenmissbrauch; (2) Personen mit Erkrankungen des Blutsystems oder offensichtlicher Blutungstendenz; (3) Personen mit chronischen psychischen Erkrankungen oder psychischen Störungen; (4) schwangere Frauen; (5) Personen mit einer Vorgeschichte von Ohnmachtsnadeln.
  4. Exportieren Sie alle Videos von den Kameras auf die angegebene Festplatte des Computers. Benennen Sie die 3D-Kalibrierungsvideos in den Kameras 1, 2, 3 in "ca-1.mp4", "ca-2.mp4" und "ca-3.mp4" um.
  5. Synchronisieren Sie alle Manipulationsvideos in der Videobearbeitungssoftware (z. B. Adobe Premiere Pro) und exportieren Sie sie mit den Namen "lifting-thrusting-1.avi", "lifting-thrusting-2.avi", "lifting-thrusting-3.avi", "twirling-1.avi", "twirling-2.avi" bzw. "twirling-3.avi".
    HINWEIS: Die Videosynchronisierungsanweisungen der in dieser Studie verwendeten Videobearbeitungssoftware finden Sie in der Ergänzenden Datei 1 .

3. Projektkonfiguration des Simi Reality Motion Systems (Motion Capture und Analysesoftware)

  1. Öffnen Sie die Motion-Capture- und Analysesoftware und wählen Sie Neues Projekt erstellen. Legen Sie den Projektnamen unter Projektbezeichnung fest , und klicken Sie auf Erstellen und Speichern , um das Projekt auf dem angegebenen Datenträger zu speichern.
  2. Wählen Sie Spezifikation > Punkte > Rechts/Links , ziehen Sie die oben genannten Tracking-Punkte aus dem Feld Vordefinierte Punkte in das Feld Verwendete Punkte , und klicken Sie dann auf die Schaltfläche Schließen , um fortzufahren.
    HINWEIS: Alle folgenden Schritte nehmen die Tracking-Punkte der rechten Hand als Beispiel.
  3. Wählen Sie Spezifikation > Verbindungen und klicken Sie auf Neue Verbindung
    1. Eingabeanschlussname "Zeigefinger III rechts". Wählen Sie "Zeigefingermittelgelenk rechts" als Startpunkt und Linie zum Punkt "Zeigefingerspitze rechts" im selben Fenster
    2. Klicken Sie auf die Schaltflächen Übernehmen und Schließen , um den Verbindungsaufbau abzuschließen.
  4. Hinzufügen und Umbenennen der Kameragruppen
    1. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Kameras > Kameragruppe hinzufügen , um neue Kameragruppen hinzuzufügen.
    2. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Kameras > Umbenennen , um die Kameragruppen in "Hub-Schub-Kameragruppe" bzw. "Wirbelnde Kameragruppe" umzubenennen.
  5. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die > Kameragruppe "Kamera hinzufügen"
    1. Klicken Sie im Feld Tracking auf die Schaltfläche Datei auswählen.
    2. Klicken Sie auf Vorhandene Datei öffnen und wählen Sie im nächsten Fenster das Operationsvideo "lifting-thrusting-1.avi" aus, dann klicken Sie auf Apply , um den Videoimport abzuschließen.
    3. Klicken Sie ähnlich wie bei den obigen Aktionen im Feld 3D-Kalibrierung auf Datei auswählen und importieren Sie das entsprechende Kalibrierungsvideo "ca-1.mp4".
  6. Importieren Sie gemäß Schritt 3.5 weiterhin die Operationsvideos "Lifting-Thrusting-2.avi" und "Lifting-Thrusting-3.avi" sowie die entsprechenden Kalibrierungsvideos "ca-2.mp4" und "ca-3.mp4" in der Lifting-Thrusting Camera Group.
    HINWEIS: In der Gruppe "Hub-Schub-Kamera" sollten sich im Projektfenster nach den Abschnitten 3.4 und 3.5 3 Kameras befinden.
  7. Importieren Sie gemäß den Schritten 3.4, 3.5 und 3.6 die Twirling-Skill- und Kalibrierungsvideos in die Twirling-Kameragruppe.

4. Videoanalyse

  1. 3D-Kalibrierung für jede Kamera
    1. Erweitern Sie Die Hub-Schub-Kameragruppe und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Lifting-Thrusting-1 > Properties.
    2. Klicken Sie auf die Schaltfläche 3D-Kalibrierung im Feld 3D-Kalibrierung . Geben Sie die Beschreibung ein und fügen Sie 8 Punkte hinzu, indem Sie 8 Mal auf die Schaltfläche Punkt hinzufügen klicken
    3. Klicken Sie auf Übernehmen , nachdem Sie den Namen und den entsprechenden X-, Y-, Z-Wert für jeden Punkt entsprechend den Kalibrierungsparametern festgelegt haben (Tabelle 1).
    4. Nachdem Sie alle Punkte konfiguriert haben, bewegen Sie die Maus, um auf jeden Endpunkt des Kalibrierungsvideos zu klicken, um die 3D-Kalibrierung abzuschließen.
    5. Führen Sie die Schritte 4.1.1-4.1.4 aus, um die 3D-Kalibrierung der anderen Kameras in derselben Gruppe und der Kameras in der Twirling-Kameragruppe abzuschließen.
  2. 3D-Fingerbewegungsverfolgung
    1. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Lifting-Thrusting Camera Group > 3D Tracking, wählen Sie alle Kameras aus und klicken Sie auf die Schaltfläche OK , um das 3D-Tracking-Fenster zu öffnen.
    2. Stellen Sie den Track Using Pattern Matching (alle Punkte) für alle Kameras ein und klicken Sie manuell auf alle Tracking-Punkte im ersten Frame.
    3. Klicken Sie auf die Schaltfläche Automatisch suchen , um die automatische 3D-Verfolgung Frame für Frame zu starten.
    4. Führen Sie die Schritte 4.2.1-4.2.3 aus, um die Bewegungsverfolgung der Twirling Camera Group abzuschließen.
      HINWEIS: Wenn ein Tracking-Punkt während der automatischen 3D-Verfolgung verloren geht, wählen Sie die verlorene Punktlinie aus, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Position von hier verwerfen, und klicken Sie dann erneut auf den Punkt und die Schaltfläche Automatisch suchen . Wählen Sie Ja , wenn die Meldung "Für 3 ausgewählte Kameras wurde kein Startframe für die Nachverfolgung festgelegt" angezeigt wird. es kann individuell in den Kameraeigenschaften eingestellt werden. Möchten Sie Startframe für alle Kameras ohne Startframe auf Frame 0 setzen und jetzt fortfahren?" wird angezeigt.
  3. Datenexport
    1. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Hub-Schub-Kameragruppe > Neue 3D-Berechnung, wählen Sie alle Kameras aus und aktivieren Sie daten kontinuierlich aktualisieren und Daten explizit in Datei speichern im Fenster 3D-Daten erstellen . Klicken Sie auf die Schaltfläche OK , um fortzufahren.
    2. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Ordner Lifting-Thrusting-3D Coordinates Data > Export, überprüfen Sie Spaltenüberschriften, Tracking-Namen, Startzeit und -häufigkeit, Zeitinformationen in der ersten Spalte, X, Y, Z, v(X), v(Y), v(Z) im Exportfenster
    3. Klicken Sie auf die Schaltfläche Exportieren , um die Datendatei (*.txt) mit dem benutzerdefinierten Namen zu exportieren. Exportieren Sie die Datendatei der Twirling Camera Group auf die gleiche Weise.

5. Datenanalyse

HINWEIS: Ein originales PHP-Skript wird verwendet, um die von der Motion-Capture- und Analysesoftware exportierten Datendateien zu durchsuchen und zu analysieren. Der gesamte Quellcode wurde in einem GitHub-Repository20 freigegeben.

  1. Nachdem die aus der Motion-Capture- und Analysesoftware exportierten Datendateien in einen bestimmten Serverordner hochgeladen wurden, in dem dieses Skript ausgeführt wird, öffnen Sie das Skript und geben Sie den Benutzernamen und das Kennwort ein , um sich anzumelden.
  2. Klicken Sie auf Neuen Teilnehmer hinzufügen, wählen Sie den Teilnehmertyp und das Geschlecht aus und geben Sie den Teilnehmernamen, das Alter und die Trainingszeit in die Popup-Seite ein. Klicken Sie auf Senden , um das Hinzufügen eines neuen Teilnehmers abzuschließen.
  3. Klicken Sie auf der Listenseite auf Neuen Datensatz hinzufügen , der dem neu hinzugefügten Teilnehmer entspricht, geben Sie dann den Ordnernamen ein, der die hochgeladenen Datendateien der Motion-Capture- und Analysesoftware enthält, und wählen Sie das Vorgangsdatum aus. Klicken Sie auf Senden , um fortzufahren.
  4. Klicken Sie auf Analyse , die dem neu hinzugefügten Vorgangsdatensatz entspricht, wählen Sie dann Skill und klicken Sie auf Senden. Das Skript identifiziert und zeigt alle gültigen Kämme und Täler zur manuellen Überprüfung an.
    HINWEIS: Ein bestimmter Kamm oder Trog kann manuell in der entsprechenden Dropdown-Liste neu ausgewählt werden, wenn das Skript ihn falsch identifiziert. Basierend auf diesen Kämmen und Tälern können die Durchschnittswerte der Amplituden und Geschwindigkeiten entlang der drei Achsen jedes Nachführpunktes und die Betriebszeit der Aktionen heben, stoßen, nach links wirbeln und rechts wirbeln, vom Skript berechnet und angezeigt werden. Die Berechnungsmethode dieser Parameter ist in Abbildung 3 dargestellt.

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Results

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Nach der Etablierung dieser experimentellen Methode wurden die Hebe-, Schub- und Wirbelfähigkeiten von grundlegenden AM von neunzehn Akupunkturlehrern der School of Acupuncture-Moxibustion und Tuina der Shanghai University of TCM mittels 3D-Bewegungsverfolgung gemessen. Gemäß der vom Standardization and Terminology Committee (STC) der International Society of Biomechanics21 vorgeschlagenen Definition eines gemeinsamen Koordinatensystems (JCS) für Schulter, Ellbogen, Handgelenk und Hand wurden sieb...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Studie etablierte die Messmethode der kinematischen Parameter von AM in vivo und erhielt die Daten von Bewegungsamplitude, Geschwindigkeit und Betriebszeit der sechs wichtigen Tracking-Punkte an Daumen und Zeigefinger entlang von drei Achsen. In der Zwischenzeit wurden basierend auf dem 3D-Kalibrierungsrahmen eine 3D-Stick-Ansicht und eine entsprechende Animation von Daumen und Zeigefinger während des Nadelns generiert. Die Daumen- und Zeigefingerbewegung von AM kann mit der synchronen Wiedergabe von kinem...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts preiszugeben.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant Number. 82174506) unterstützt.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3D-KalibrierrahmenJede Marke15 x 15 x 15 cm
AkupunkturnadelnSuzhou Medical Appliance Factory0,35 x 40 mm
Doppelseitiges KlebebandJede Markemit einem Durchmesser von 1 cm
Simi Reality Motion Systems GmbHSD-Karte mit 6,5 mm Durchmesser
Western Digital CorporationSDXC UHS-I
SD-KartenleserUGREEN Group LimitedUSB 3.0
Simi MotionSimi Reality Motion Systems GmbHVer.8.5.15
TupferJede MarkeDer Volumenanteil von Ethanol beträgt 70%-80%
Drei KamerasVictor Company of Japan, LimitedJVC GC-PX100BAC
Drei StativeJede Marke
Runde reflektierende Kugeln

References

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