Method Article

ニードリング中の3次元指の動きの追跡:鍼治療操作の運動学的解析のためのソリューション

DOI:

10.3791/62750

⸱

October 28th, 2021

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

In This Article

Summary

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

本実験法は、3次元指動軌跡技術を用いた鍼治療操作の運動学的解析のための解法を説明する。

Abstract

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

3次元(3D)モーショントラッキングは、スポーツや医療技術の研究など、多くの分野で使用されてきました。この実験は、3Dモーショントラッキング技術を用いて、鍼治療操作(AM)の間に指の関節の運動学的パラメータを測定し、3つのテクニカル指標「振幅、速度、時間」を確立することを目的としました。この方法は、AMの動作特性を反映し、複数の指関節の3つの軸に沿って定量的パラメータを提供することができる。現在の証拠は、この方法が鍼治療の用量効果関係の研究、AMの教えと学習、および有名な鍼灸師のAMの測定と保存などの将来の応用のための大きな可能性を持っていることを示しています。

Introduction

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

伝統的な漢方薬(TCM)と物理的刺激の臨床技術の一種として、鍼治療(AM)は、しばしば鍼治療効果に影響を与える重要な因子とみなされる1,2。多くの研究は、同じAMの異なるAMまたは異なる刺激パラメータ(必要速度、振幅、周波数など)が異なる治療効果を生じさせたことを確認しました3,4,5,6,7。従って、治療効果を有するAMおよび相関分析の関連運動学的パラメータの測定は、鍼治療における臨床処置のための有用なデータ支持および参照を提供することができる8,9。

AMの運動学的パラメータの測定は1980s10に始まった。初期の頃、可変抵抗に基づく電気信号変換技術は、主に、AM11の振幅および周波数データを表示および記録するための電圧または電流信号に針体の変位信号を変換するために使用された。また、この技術を用いた有名なATP-II中国医学鍼治療技術テスターII(ATP-II)は、現在、中国の多くの伝統的な中国医学の大学で使用されています12。その後、センサー技術の継続的な開発と革新により、AMの運動学的パラメータを収集するためにさまざまなタイプのセンサーが使用されました。例えば、3軸電磁モーションセンサーは、必要な振幅と速度13を獲得するために針ハンドルに取り付けられました。生物電気信号センサーは、必要な周波数14などを記録するために、動物の脊髄の裏角に置かれました。上記2種類の技術に基づくAMの定量的研究は、必要時に関連する運動学的パラメータの取得を完了しましたが、その主な欠点は、リアルタイムの非侵襲的測定を行う能力と、針体の改変によって生じる操作感触の変化です。

近年、モーショントラッキング技術は、AM15,16の定量的研究に徐々に応用されました。必要な映像のフレームごとの分析に基づいているため、鍼治療パラメータの測定は、針体を変更することなく、生体内操作中に取得することができます。この技術は、2次元(2D)面での必要時の親指と人差し指の4つの追跡点の振幅、速度、加速度、周波数などの運動学的パラメータを測定するために使用され、対応する指スティック図15を確立した。いくつかの研究はまた、同様の技術を有する親指と人差し指の間面切合体(IP)関節の角度変化範囲を測定した9,17,18。しかし、AM解析に関する現在の研究は、主に2Dモーションプレーンに限られており、追跡点の数は比較的少ないです。これまでのところ、AMの完全な3次元(3D)キネマティクスの運動学の測定と分析方法はなく、関連データは公開されていない。

上記の問題を解決するために、この研究は3Dモーショントラッキング技術を使用して、必要なときに手の7つの追跡ポイントの運動学的パラメータを測定します。このプロトコルは、AMの運動学的分析のための完全な技術的解法と、鍼治療の用量効果相関に関するさらなる研究を提供することを目的としている。

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Protocol

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

本研究は、上海伝統医科大学(参考2021-062)に所属する玉陽病院の倫理委員会によって承認され、各参加者はインフォームド・コンセントフォームに署名した。

1. 実験準備

  1. カメラ設定:
    1. 操作テーブルの前に三脚を3つ置き、3台のカメラに接続します。
    2. カメラの撮影パラメータを次のように設定します: 解像度 1280 x720 ピクセル、フォーマット MP4、フルマニュアルモード(M)、絞り F1.2、シャッター 1/1000s、ISO 6400、自動ホワイトバランス、光学ズーム 0mm。
      メモ:2台のカメラ間の角度は60°-120°に設定する必要があります(図1A)。
  2. トラッキングマーカーの配置:
    1. ステップ 1.2.2~1.2.4 で説明したように、図 2A に示すように、ビデオ録画用に各参加者の保持針の手に直径6.5mmの反射ボールを7個取り付けます。
    2. 手首:尺骨の中点にボールを1つ取り付け、トラッキングポイント「手首関節」と定義したラジアル・スタイロイドを取り付ける
    3. 親指: トラッキングポイント「サムチップ」(TT)、トラッキングポイント「親指端関節」(TEJ)として定義されたIPジョイント、およびトラッキングポイント「親指ベースジョイント」(TBJ)として定義されたメタカルポパランジアル(MCP)ジョイントとして定義された、親指の爪の中心にそれぞれ1つのボールを取り付けます。
    4. 人差し指:追跡点「人差し指先端」(FT)、近位インターファランジアル(PIP)関節を追跡点「人差し指中関節」(FMJ)と定義し、MCPジョイントをそれぞれ追跡点「人差し指ベースジョイント」(FBJ)と定義して、人差し指爪の中央にそれぞれ1つのボールを取り付けます。

2. 動画撮影・編集

  1. 3Dキャリブレーション用に、操作テーブルに8ポイントの小さな15 cm x 15 cm x 15 cm 3Dキャリブレーションフレームを配置します(図1B,C)。
  2. 少なくとも8 sのキャリブレーションフレームのビデオを撮影した後、テーブルからフレームを取り外します。
  3. 参加者に対して、持ち上げスラストスキルや旋回スキルを含むボランティアの鍼治療ポイントLI11(Quchi)でAMを実行し、針を親指と人差し指で上下に動かしたり回転させたりするように指示します。少なくとも10サイクルの上記のスキルのビデオを取る。
    注:AMを実施する参加者とボランティアが必要とするための鍼治療ポイントを提供する参加者の包含および除外基準が記載されています。参加者の包含:(1)鍼治療の教師または学生は、「鍼灸術と操作19」と題するコース教科書の「持ち上げスラストスキル」と「旋回スキル」の章を終えました。(2)参加者は、5回以上、人体との実践的な必要な経験を持っている必要があります。参加者の除外: (1) 非鍼治療の教師または生徒;(2)鍼治療学生は、人体に関する実践的な必要な経験を持たない。ボランティア参加:(1)16歳から60歳までの年齢。(2)右腕のLI11の周りに明らかな皮膚損傷、破裂、破裂または明らかな滲出がない。ボランティアの除外:(1)喫煙、アルコールまたは薬物乱用の歴史を持つ個人。(2) 血液系疾患または明らかな出血傾向を有する個人;(3) 慢性精神疾患または精神障害を有する者(4) 妊婦(5)失神針の既往歴のある個人。
  4. カメラからすべてのビデオをコンピュータの指定ディスクにエクスポートします。カメラ 1,2,3 の 3D キャリブレーションビデオの名前を「ca-1.mp4」、「ca-2.mp4」、「ca-3.mp4」と変更します。
  5. ビデオ編集ソフトウェア(例えば、Adobe Premiere pro)のすべての操作ビデオを同期し、「持ち上げ推力-1.avi」、「持ち上げ-2.avi」、「持ち上げ-スラスト-3.avi」、「twirling-1.avi」、「twirling-2」、.avi「twirling-3.avi」と命名します。
    注: このスタディで使用するビデオ編集ソフトウェアのビデオ同期手順については 、補足ファイル 1 を参照してください。

3. シミリアリティモーションシステム(モーションキャプチャと解析ソフトウェア)のプロジェクト構成

  1. モーション キャプチャと解析ソフトウェアを開き、[ 新しいプロジェクトを作成]を選択します。プロジェクト名を プロジェクト ラベル に設定し、[ 作成して保存 ] をクリックして、指定したディスクにプロジェクトを保存します。
  2. [ 指定>点]を選択し、[右/左手> 定義ポイント]ボックスから上記のトラッキング ポイント を [使用 ポイント]ボックスにドラッグしてから、[ 閉じる ]ボタンをクリックして続行します。
    注: 次の手順はすべて、例として右手のトラッキング ポイントを取ります。
  3. [仕様>接続] を選択し、[新しい接続] をクリックします。
    1. 入力接続名 "人差し指 III 右"同じウィンドウの「人差し指先端右」の点に対する開始点と線として「人差し指中関節右」を選択します。
    2. [ 適用 ] ボタンと [閉じる ] ボタンをクリックして、接続の確立を完了します。
  4. カメラグループの追加と名前の変更
    1. カメラ>追加カメラグループを右クリックして、新しいカメラグループを追加します。
    2. カメラを右クリック >名前を変更 して、カメラグループを「リフティングカメラグループ」と「旋回カメラグループ」に変更します。
  5. リフティングスラストカメラグループを右クリック>カメラを追加
    1. [トラッキング] ボックスの [ファイルの選択] ボタンをクリックします。
    2. [既存のファイルを開く] をクリックし、次のウィンドウで操作ビデオ 「リフティング-1.avi」を選択し、[適用] をクリックしてビデオのインポートを完了します。
    3. 上記の操作と同様に、3Dキャリブレーションボックスで[ファイルを選択]をクリックし、対応するキャリブレーションビデオ「ca-1.mp4」をインポートします。
  6. ステップ3.5によると、操作ビデオ「リフティングスラスト-2.avi」と「持ち上げ推力-3.avi」と、それぞれ リフティングスラストカメラグループの対応するキャリブレーションビデオ「ca-2.mp4」と「ca-3.mp4」をインポートし続けます。
    注: プロジェクト ウィンドウの 3.4 とセクション 3.5 の後に 、リフティング スラスト カメラ グループ に 3 台のカメラが必要です。
  7. 手順 3.4、3.5、および 3.6 に従って、Twirling スキルとキャリブレーション ビデオを Twirling カメラ グループにインポートします。

4. 映像分析

  1. 各カメラの3Dキャリブレーション
    1. リフティングスラストカメラグループを展開し、リフティング-スラスト-1>プロパティを右クリックします。
    2. 3Dキャリブレーションボックスの3Dキャリブレーションボタンをクリックします。説明を入力し、8回の[ポイントの追加]ボタンをクリックして8ポイントを追加
    3. キャリブレーションパラメータに従って各ポイントの名前と対応するX、Y、Z値を設定した後に [適用 ]をクリックします(表1)。
    4. すべてのポイントを設定した後、マウスを動かしてキャリブレーションビデオの各端点をクリックして、3Dキャリブレーションを完了します。
    5. 手順 4.1.1~4.1.4 に従って、同じグループ内の他のカメラと Twirling カメラ グループのカメラの 3D キャリブレーションを完了します。
  2. 3Dフィンガーモーショントラッキング
    1. 3D トラッキング>リフティング-スラストカメラグループを右クリックし、すべてのカメラを選択して[OK]ボタンをクリックして3Dトラッキングウィンドウを開きます。
    2. すべてのカメラの パターンマッチング(すべてのポイント)を使用してトラック を設定し、最初のフレーム内のすべてのトラッキングポイントを手動でクリックします。
    3. 自動 3D トラッキング フレームをフレームごとに開始するには、[ 自動的に検索 ] ボタンをクリックします。
    4. 手順 4.2.1~4.2.3 に従って、 Twirling カメラ グループのモーション トラッキングを完了します。
      注: 自動 3D トラッキング中にトラッキング ポイントが失われた場合は、失われたポイント ラインを選択し、[ ここからポイントを破棄]を右クリックして、ポイントを再度クリックし、[ 自動的に検索 ]ボタンをクリックします。「3 つの選択したカメラに対して、トラッキングの開始フレームが設定されていない場合は、[ はい ]を選択します。カメラのプロパティで個別に設定できます。開始フレームなしですべてのカメラの開始フレームをフレーム 0 に設定し、今すぐ続行しますか?" と表示されます。
  3. データエクスポート
    1. 新しい3D計算>リフティング-スラストカメラグループを右クリックし、すべてのカメラを選択し、[データを継続的に更新]をオンにし、[3Dデータを作成]ウィンドウで[ファイルにデータを明示的に保存]をオンにします。[OK] をクリックして続行します。
    2. エクスポート>のリフティング-スラスト-3D座標データをフォルダ上で右クリックし、エクスポートウィンドウで列見出し、追跡名、開始時間と頻度、最初の列の時間情報、X、Y、Z、v(X)、v(Y)、v(Z)をチェックします。
    3. [ エクスポート ] ボタンをクリックして、カスタマイズした名前のデータ ファイル (*.txt) をエクスポートします。同じ方法で 、Twirling カメラ グループ のデータ ファイルをエクスポートします。

5. データ分析

メモ:オリジナルのPHPスクリプトは、モーションキャプチャと解析ソフトウェアによってエクスポートされたデータファイルを参照して分析するために使用されます。すべてのソースコードは GitHub リポジトリ20で共有されています。

  1. モーション キャプチャおよび解析ソフトウェアからエクスポートされたデータ ファイルがこのスクリプトを実行している特定のサーバー フォルダにアップロードされたら、スクリプトを開き、ログインする ユーザー名 と パスワード を入力します。
  2. [新しい参加者の追加] をクリックし、[参加者の種類] と [性別] を選択して、ポップアップ ページに参加者名、年齢、および練習時間を入力します。[送信] をクリックして、新しい参加者の追加を完了します。
  3. リストページに新しく追加された参加者に対応する 新規レコードの追加 をクリックし、モーションキャプチャと解析ソフトウェアのアップロードされたデータファイルを含む フォルダ名 を入力し、 操作日を選択します。[ 送信 ] をクリックして続行します。
  4. 新しく追加された操作レコードに対応する 分析 をクリックし、 スキル を選択して [送信]をクリックします。スクリプトは、手動で確認するために有効なすべての紋章と谷を識別して表示します。
    メモ: スクリプトで間違って識別される場合は、対応するドロップダウン リストで特定の凸または谷を手動で選択し直すことができます。これらの紋章と谷に基づいて、各トラッキングポイントの3つの軸に沿った振幅と速度の平均値と、リフティング、スラスト、左旋回、右の動きの動作時間を計算し、スクリプトによって表示することができます。これらのパラメータの計算方法を 図3に示します。

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Results

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

この実験方法を確立した後、TCM上海大学鍼灸師学とTuinaの19人の鍼灸教師の基本的なAMの持ち上げと旋回スキルを3Dモーショントラッキングを使用して測定した。国際バイオメカニクス21学会の標準化・用語委員会(STC)が提唱する肩、肘、手首、手の共同座標系(JCS)の定義によれば、7つの指追跡ポイントが選択されている。これらの点の解剖学的位置に基づいてモーションキャプチャおよび解析ソフトウェアによって生成されたスティックビューを 図2Bに示す。各点の3つの軸に沿った典型的な座標時間曲線を 図4に示し、スティックビュー(ビデオ1 および ビデオ2)を持つリフティングスラストスキルと旋回スキルの2つのビデオを示します。

図4C、Eに示すように、手首関節(WJ)...

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Discussion

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

本研究では 、AM in vivo の運動学的パラメータの測定方法を確立し、親指と人差し指の6つの重要な追跡点の運動振幅、速度、動作時間のデータを3軸に沿って取得した。一方、3Dキャリブレーションフレームに基づいて、3Dスティックビューと、ニードリング中の親指と人差し指の対応するアニメーションが生成されました。AMの親指と人差し指の動きは、運動学的パラメータ曲線とスティックアニメーションの同期再生で完全に表示することができ、研究者は動きの特徴を探求し、異なるAMスキルの類似点と相違点を比較するのに役立ちます。

実験プロセス全体を通して、解析結果に影響を与える重要なステップを、実験環境構成をまず要約することができる。実験環境の推奨温度は22〜25°Cで、相対湿度は部屋の中で明らかな空気の流れなしで約60%です。一方、周囲の環境には強いノイズや電磁波の干渉はありません。第二に、カメラと三脚の配置。モーショントラッキングのプロセスでは、すべてのトラッキングポイントをすべてのカメラで記録して高精度データを取得する必要があります。したがって、実験誤差を減らすには、合理的なカ...

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Disclosures

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

著者らは開示するものは何もない。

Acknowledgements

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

この研究は、中国国立自然科学財団(助成金番号82174506)によって支援されました。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3Dキャリブレーションフレーム任意のブランド15 x 15 x 15 cm
鍼 蘇州医療機器工場0.35 x 40 mm
両面テープ任意のブランド丸型、直径1 cm
の反射ボールSimi Reality Motion Systems GmbH直径6.5 mmの
SDカードウエスタンデジタルコーポレーションSDXC UHS-I(英語
SDカードリーダーUGREEN Group LimitedUSB 3.0
Simi MotionSimi Reality Motion Systems GmbHVer.8.5.15
スワブ任意のブランドエタノールの体積分率は70%-80%3台の
カメラクター株式会社JVC GC-PX100BAC
三脚3本任意のブランド
) ビ

References

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