運動視頻分析技術在針刺提插手法教學中的師生對比研究

唐文超,楊華元,郭義,劉堂義,高明

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運動視頻分析技術在針刺提插手法教學中的師生對比研究

唐文超1,楊華元1,郭義2,劉堂義1,高明1

(1.上海中醫(yī)藥大學,上海 201203;2.天津中醫(yī)藥大學,天津 300193)

目的 通過德國Simi Motion 3D三維運動圖像解析系統(tǒng)對師生提插平補平瀉手法進行量化分析,獲得手法參數(shù),對比手法特征。探索運動視頻技術研究針刺手法的可行性,并指導教學。方法 研究選擇30例針灸教師及60例針灸專業(yè)學生,取一側曲池穴作為施術穴位,記錄兩組成員提插平補平瀉20 s的運動視頻。視頻經由Simi Motion 3D三維運動圖像解析系統(tǒng)分析,得出“拇指指尖”等4個跟蹤標記點位原始運動參數(shù)。通過檢驗或秩和檢驗對比兩組人員在相同手法施術過程中各跟蹤標記點位的物理學參數(shù)差異情況,通過神經網絡分析教師手法分類參數(shù)。結果 針刺手法參數(shù)呈非正態(tài)分布;提插手法近端指間關節(jié)角度的變化與X軸運動幅度呈正相關;教師組拇指指尖點位的力學輸出、運動參數(shù)、食指近端指間關節(jié)開合角度以及X軸向擺動高于學生組;教師組提插手法可分4類,主要根據(jù)曲線外形及周期長短進行。結論 針刺手法參數(shù)總體上表現(xiàn)為非正態(tài)分布的多樣性特征,且操作者拇食指的節(jié)律性雙軸運動顯著,提插手法可簡化為以食指與拇指掌指關節(jié)為轉軸中心的定軸轉動;與學生組相比,提插過程中教師組更為用力、手指關節(jié)開合角度更大。針刺手法參數(shù)曲線為典型“人為控制曲線”,表現(xiàn)出神經網絡分類集中度較低的特點;研究結果顯示教師對于提插手法的特征理解不一,將會影響教學效果。

針刺手法;運動視頻;參數(shù);神經網絡;針灸學;針灸教學

針刺手法作為針灸施術的基礎,是影響針灸治療效果的重要因素,也是針灸教學的重中之重。明代《針灸大成》:“此言補瀉之法,非但呼吸,而在乎手之指法也。法分十四者,循、捫、提、按、彈、捻、搓、盤、推、內、動、搖、爪、切、進、退、出、攝者是也?！闭f明手法紛繁復雜,補瀉施術時,除呼吸配合外,合理的手法選擇對療效的影響頗大[1]。因此如何采用現(xiàn)代科學技術手段總結、分析針刺手法的特征,并在刺灸法教學中進行有效的傳承業(yè)已成為針灸研究領域的熱點之一。

針刺手法參數(shù)的量化分析在國內已開展數(shù)年,已有諸如針刺手法參數(shù)測定儀、針體受力動態(tài)檢測系統(tǒng)等采集設備應用于實驗研究與課堂教學?，F(xiàn)有技術在對針刺手法量化以及評定的過程中,積累有周期、頻率、針體受力等參數(shù),但與臨床實際操作環(huán)境仍存在一定的差異,表現(xiàn)出對施術人員的手法造成不同程度的干擾。因此,如何找到一種還原針刺臨床過程的測試方法成為本學科領域亟待解決的問題之一。本研究選擇運動視頻分析方法對針刺手法進行參數(shù)采集。通過攝像機對手指關節(jié)運動進行視頻捕捉和運算,以獲得速度、加速度、角度等參數(shù)。同時該技術能有效避免參數(shù)采集過程中對施術者的操作影響,獲得最為直觀的結果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本研究受試者選擇上海中醫(yī)藥大學針灸推拿學院針灸教師30例及上海中醫(yī)藥大學針灸推拿學院2010級、2011級5年制或7年制學生60例,所有學生均已完成《刺法灸法學》中提插手法的學習并有在體針刺操作經驗。因小組成員選擇的傾向性,兩組成員年齡經檢驗,差異具有統(tǒng)計學意義(＜0.01);兩組成員性別經卡方檢驗,差異無統(tǒng)計學意義(＞0.05)。

1.2 實驗環(huán)境建立

實驗開始前,將實驗操作臺于平地上放置,攝像機三腳架各腳架調節(jié)至指定長度(79 cm)后,張開腳架到最大張角后放置于地面指定點位;攝像機與固定好位置的腳架進行連接后,通過相機內的水平調節(jié)器進行水平調節(jié),以保證鏡頭的水平位置,并確認鏡頭中心距離地面為84 cm,測量鏡頭位置與實驗操作臺前端邊緣之間的垂直距離應為33 cm。開啟攝像機與補光燈。設定攝像機光圈F7.1、快門1/1000 s、ISO 6400、自動白平衡、光學變焦33 mm。

1.3 實驗方法

1.3.1 視頻拍攝方法

①將小型二維定標框架正對相機鏡頭垂直放置于實驗操作臺的橫軸上,用于三維運動視頻分析軟件Simi Motion 3D進行二維定標操作。②學生組、教師組手法測試人員和被測試者分別坐于實驗操作臺的左右兩側,選擇被測試者的右側曲池穴行提插平補平瀉手法。③在兩組測試人員右手拇指和食指分別用細記號筆描記4個用于視頻拍攝的跟蹤標記點(見圖1),各標記點位置分別為拇指末節(jié)尺側、指甲根角側上方0.1寸為拇指指尖點;食指末節(jié)橈側、距指甲根角0.1寸、約商陽穴處為食指指尖點;食指近端指間關節(jié)橈側、關節(jié)橫紋赤白肉際處為食指近端指間關節(jié)點;食指掌指關節(jié)橈側、關節(jié)橫紋赤白肉際處為食指掌指關節(jié)點。④隨機取出測試用針灸針1枚,放于電子天平上進行稱重后進行20 s的提插平補平瀉手法拍攝。

圖1 手指跟蹤標記點示意圖

1.3.2 視頻處理方法

在Simi Motion 3D 7.5軟件中建立4個“跟蹤點”以對應上述4個跟蹤標記點,分別為thumb right(拇指指尖點,TR)、forefinger tip right(食指指尖點,FTR),forefinger middle joint right(食指近端指間關節(jié)點,FMJR)與forefinger base joint right(食指掌指關節(jié)點,FBJR)。各點定義完成后將FMJR和FBJR、FTR和FMJ各自兩兩連線(Connection),兩線分別命名為forefinger Ⅱ right和forefinger Ⅱ right2。同時該兩線構成了Simi Motion中的二維3點角,即食指近端指間關節(jié)角(forefinger middle joint right angle)。詳見圖2。

圖2 Simi Motion Point、Connection、Angle設置示意圖

在Simi Motion中對二維定標框架與實際拍攝的視頻進行疊加,可獲得手指剛體結構的空間位置圖。詳見圖3。

圖3 二維定標、跟蹤標記點及連線疊加示意圖

通過Simi Motion分析,可獲得每位測試者各跟蹤標記點的X、Y軸坐標(coordinate)、運動距離(distance)、X/Y軸速度(speed)、絕對速度(absolute speed)、X/Y軸加速度(acceleration)、絕對加速度(absolute acceleration),“角度參數(shù)”記錄食指近端指間關節(jié)角角度(degree)、角速度(palstance)、角加速度(angular acceleration),同時通過兩軸的加速度以及針身質量可計算得出在拍攝平面中針身綜合受力情況。

1.3.3 Simi Motion生成的典型提插平補平瀉手法特征曲線(見圖4、5)

注:左上為視頻,右上、左下、右下分別為各點Y軸坐標、速度、加速度曲線

圖4 提插平補平瀉運動參數(shù)及角度參數(shù)曲線

1.4 統(tǒng)計學方法

根據(jù)Simi Motion軟件導出的原始數(shù)據(jù),可計算出各標記點的X、Y軸運動幅度,X、Y軸平均速度,X、Y軸平均加速度,提(T1)插(T2)時程,各時程及速度曲線波峰波谷離散度(即標準差,用于比較手法穩(wěn)定性),針身綜合受力。兩組數(shù)據(jù)通過IBM SPSS19.0軟件進行檢驗或秩和檢驗比較差異性。

注:左上為視頻,右上、左下、右下分別為食指近端指間關節(jié)角角度、角速度、角加速度曲線

圖5 提插平補平瀉角度參數(shù)曲線

本研究基于Matlab開發(fā)了針刺手法參數(shù)自動聚類軟件,其采用自組織特征映射神經網絡(self- organizing feature maps, SOM)的統(tǒng)計方法分析教師拇指指尖點位的Y軸速度單周期速度曲線進行分類研究,以觀察教師手法的不同會對學生產生的影響。

2 結果

2.1 運動幅度參數(shù)

經正態(tài)性分布檢驗,除TR-Y采用獨立樣本的檢驗外,余下各列均采用秩和檢驗方法。結果顯示,兩組測試人員在各個跟蹤標記點位的Y軸運動幅度均無明顯統(tǒng)計學差異(＞0.05),而X軸運動幅度以及食指近端指間關節(jié)角開合幅度均具有統(tǒng)計學差異(＜0.05)。詳見表1。

2.2 運動速度、角速度參數(shù)

經正態(tài)性分布檢驗,各列均采用秩和檢驗方法。結果顯示,兩組拇指指尖點Y軸、X軸平均速度以及食指近端指間關節(jié)角平均角速度比較,差異均具有統(tǒng)計學意義。詳見表2。

2.3 運動加速度、角加速度、針身綜合受力參數(shù)

經正態(tài)性分布檢驗,采用秩和檢驗方法。結果顯示,兩組各點X軸分量、拇指指尖點Y軸分量、角加速度及針身綜合受力值比較,差異均具有統(tǒng)計學意義 (＜0.05)。詳見表3。

2.4 手法穩(wěn)定性參數(shù)

經正態(tài)性分布檢驗,各列均采用秩和檢驗方法。結果顯示,兩組測試人員僅T2具有統(tǒng)計差異(＜0.05),說明穩(wěn)定性基本類似。詳見表4。

表1 兩組提插平補平瀉平均運動幅度比較 (±s)

表1 兩組提插平補平瀉平均運動幅度比較 (±s)

組別例數(shù)TR-X(cm)TR-Y(cm)FTR-X(cm)FTR-Y(cm)FMJR-X(cm)FMJR-Y(cm)FBJR-X(cm)FBJR-Y(cm)FMJRA(°) 學生組600.45±0.191)1.19±0.39 0.52±.0231)1.16±0.42 0.67±0.361)1.00±0.35 0.48±0.211)0.52±0.2118.87±10.151) 教師組300.60±0.261.28±0.530.72±0.331.14±0.420.96±0.371.02±0.380.59±0.290.56±0.4127.23±11.07

注:與教師組比較1)＜0.05

表2 兩組提插平補平瀉平均速度、角速度比較 (±s)

表2 兩組提插平補平瀉平均速度、角速度比較 (±s)

組別例數(shù)TR-X(cm/s)TR-Y(cm/s)FTR-X(cm/s)FTR-Y(cm/s)FMJR-X(cm/s)FMJR-Y(cm/s)FBJR-X(cm/s)FBJR-Y(cm/s)FMJRA(rad/s) 學生組600.32±0.191) 1.26±0.681) 0.40±0.251)1.27±0.77 0.50±0.321)1.07±0.60 0.27±0.131)0.53±0.3318.02±11.541) 教師組300.59±0.501.62±0.870.77±0.591.45±0.781.02±0.591.30±0.690.40±0.230.61±0.6630.18±14.96

注:與教師組比較1)＜0.05

表3 兩組提插平補平瀉平均加速度、角加速度、針身綜合受力比較(學生組例數(shù)=60,教師組例數(shù)=30) (±s,cm/s2)

表3 兩組提插平補平瀉平均加速度、角加速度、針身綜合受力比較(學生組例數(shù)=60,教師組例數(shù)=30) (±s,cm/s2)

組別TR-XTR-YFTR-XFTR-YFMJR-XFMJR-YFBJR-XFBJR-YFMJRA(rad/s2)Force(10﹣6N) 學生組2.38±1.611)7.67±5.501)2.75±1.801)7.65±6.033.29±2.081)6.45±4.601.98±1.101)3.39±2.57110.60±64.001)3.33±2.291) 教師組5.00±5.4011.78±9.926.35±6.2810.61±9.687.36±5.499.39±8.163.02±1.824.80±7.00204.60±130.005.33±4.75

注:與教師組比較1)＜0.05

表4 兩組手法周期與離散度參數(shù)比較 (±s)

表4 兩組手法周期與離散度參數(shù)比較 (±s)

組別例數(shù)T1(s)T2(s)T1離散度T2離散度曲線波峰離散度曲線波谷離散度 學生組600.70±0.44 0.80±0.411)0.12±0.100.13±0.110.005±0.0020.003±0.002 教師組300.57±0.220.61±0.250.11±0.070.08±0.040.005±0.0030.004±0.003

注:與教師組比較1)＜0.05

2.5 SOM神經網絡分型結果

根據(jù)30例教師手法拇指指尖點位的速度單周期曲線,進行神經網絡分型研究,結果顯示可將提插平補平瀉手法分為4型,結果見圖6、7。

注:右側六邊形分類框中數(shù)字代表該類樣本數(shù),邊緣白色部分越多,則分類特征更為一致

圖6 提插平補平瀉手法速度曲線SOM分類結果

注:X軸為時間,Y軸為速度,Z軸為樣本號

圖7 提插平補平瀉單周期速度曲線三維分型圖

3 討論

3.1 提插手法的整體參數(shù)特征

從研究結果可知,手法參數(shù)曲線數(shù)據(jù)多為非正態(tài)分布數(shù)據(jù),標準差較大。可見現(xiàn)行《刺法灸法學》課本雖已細致規(guī)定了提插的周期、頻率、幅度等參數(shù),但實際量化結果則呈現(xiàn)多樣性特征,個體之間不僅幅度差異顯著,周期差異同樣較大。該結果與劉堂義等[2-4]、Davis RT等[5]學者之前的研究報道類似。

究其原因,提插手法與其他諸如走、跑、跳等人體運動類似,具有鮮明的節(jié)律特征,即時間與空間產生周期性對稱運動。目前普遍研究認為,節(jié)律運動為源自于低級周圍神經的自激行為,產生于脊髓(脊柱動物)或胸腹(無脊柱動物)神經節(jié)內部的中樞模式發(fā)生器(central pattern generator, CPG),并受其調控[6]。在節(jié)律性運動的狀態(tài)下,以脊髓為中心的運動控制方式主要是以低位神經系統(tǒng)內部自激振蕩網絡自發(fā)地產生的神經信號調控為主,具有自適應性與穩(wěn)定性的特點[7]。根據(jù)實驗結果,各跟蹤標記點的坐標、速度與加速度成明顯的對稱節(jié)律變化。雖然節(jié)律運動的產生和調控主要經由GPC完成,但高級神經中樞會在動作時空節(jié)律轉換時對GPC網絡的輸出信號產生調節(jié)作用,產生具有不同相位關系的時空序列信號,控制食指和拇指的動作,完成不同幅度或節(jié)律的手法[8]。由于每個人對手法要領的理解不一,高級神經中樞的調節(jié)指令也不盡相同,因此呈現(xiàn)出手法參數(shù)曲線非正態(tài)性分布、呈現(xiàn)多樣性的特點。

3.2 手指小關節(jié)運動特征

除了節(jié)律運動外,提插手法對稱性特征也較為普遍,有研究表明,節(jié)律性運動時程精確性的控制有賴于針對性的訓練和聽覺反饋,運動員和音樂家的節(jié)律性訓練較普通人更多,因此其定時性精密度要高于普通人群[9]。由此可見,針刺手法學習更應注重課外的反復練習,其不僅強化了高級中樞對GPC的調控,同時也能更為有效地應對施術過程中的各類生物反饋。

本次測量定位于X軸和Y軸構成的二維平面,提插手法主要為Y軸方向的上下運動。因此Y軸運動幅度變化較大,常在1 cm以上。各跟蹤標記點上,拇指與食指指尖的運動幅度、速度及加速度較為類似,概因兩者的位置較為接近,因此運動特征亦相似。食指近端關節(jié)與掌指關節(jié)與兩指尖點比較,各參數(shù)表現(xiàn)均相對較小,掌指關節(jié)點為各跟蹤標記點中運動幅度、速度及加速度最小的點位。

各跟蹤標記點均伴隨有X軸方向的左右運動,其運動幅度、速度及加速度相比較Y軸方向而言,在拇指、食指指尖以及食指近端指間關節(jié)點位均較小,且有根據(jù)上述點位順序遞增的趨勢,食指掌指關節(jié)點兩軸運動幅度較為接近,但仍小于近端指間關節(jié)點。通過上述兩軸運動特點總結,可將提插手法總結為以食指與拇指掌指關節(jié)為轉軸中心的定軸轉動。運動過程中,由于食指與拇指長度不一且兩指指間靠攏夾住針柄,因此食指近端指間關節(jié)被迫折疊成120o～140o,關節(jié)角度伴隨手法程節(jié)律性增減,正是由于該角度的產生,增大了各標記點的X軸運動,且該關節(jié)點位的X軸運動最為明顯。

3.3 兩組成員對比分析

教師組與學生組之間主要的差別來自于X軸方向的運動幅度、速度與加速度,尤其是食指與拇指指尖點的區(qū)別更為明顯。參考兩組人員近端掌指關節(jié)角度變化、角速度及角加速度值的不同,可以看出教師組在提插手法過程中,通過近端掌指關節(jié)的開合,具有更大的左右搖擺幅度。因此教師組除了Y軸方向的刺激外,較學生組在X軸向的刺激更為突出。這可能與教師組測試人員經過更多的操作實踐,逐漸擴大了操作幅度有關。在Y軸方向上,兩組人員主要的區(qū)別在于拇指指尖點位,主要體現(xiàn)于教師組拇指指尖點的Y軸操作幅度、速度及加速度普遍高于學生組。參考根據(jù)拇指指尖點位加速度計算得出的針身綜合受力情況,教師組的針身綜合受力高于學生組。綜上所述,提插手法教師組與學生組之間的動作區(qū)別主要為①教師組拇指指尖點位的力學輸出與運動參數(shù)高于學生組;②教師組食指近端指間關節(jié)開合角度大于學生組;③教師組X軸向擺動高于學生組。

在穩(wěn)定性參數(shù)方面,學生組與教師組除T2離散度外,其余各項參數(shù)控制上均較為相似,說明兩組人員具有較為類似的時間、空間節(jié)律控制能力。說明就提插平補平瀉手法而言,通過課堂教學附以一定的課外訓練學生便能熟練控制該手法的時空節(jié)律,教學效果良好。這也從側面說明了提插平補平瀉動作較為簡單,容易掌握。

3.4 基于SOM的教師手法分類特征

針刺手法參數(shù)曲線為周期曲線,因此對于多周期曲線的分類計算存在有一定的困難。首先,曲線起點的不同將影響分類的結果,初始相位(曲線起點)的不同,可被計算機判斷為重要的差異。其次,雖然兩曲線在整體外形上并無明顯差距,但若兩者基線存在Y軸的上下區(qū)別,那么描記的數(shù)值同樣區(qū)別較大,仍會被認為是兩類不同曲線。上述問題可以看出,分類可行性的首要條件是將各條手法曲線的基線及相位通過計算進行統(tǒng)一,而本課題采用的方法為選擇手法主要運動方向上的速度曲線,并只選擇具有穩(wěn)定特征的單一周期曲線。因速度曲線具有統(tǒng)一的基準線,即0 m/s的X軸,因此能消除因曲線不同帶來的分類誤差。而采用由零點位開始的完整單一周期速度曲線,則消除了因相位不同導致的分類錯誤。目前類似的研究方法也已有相關報道,如Hatfield GL等[10]、Erguzel TT等[11],均取得了較好的統(tǒng)計效果。

本研究中采集的教師針刺手法參數(shù)曲線屬人為控制曲線,與生理性曲線相比,大部分情況下并不具有正態(tài)分布特征,離散度較高。根據(jù)SOM軟件導出的六邊形分類圈,各分類的特征密集程度同樣不高,雖然可通過人為擴大分類數(shù)量提高每種分類的特征密集程度,但仍有部分樣本較為離散的特點。通過SOM方法計算的結果顯示,提插平補平瀉手法可分為4類,其分類主要根據(jù)曲線外形及周期長短進行,呈現(xiàn)出周期越短特征越集中之趨勢?？梢娞岵迤窖a平瀉手法雖為最為簡單的針刺技法,但仍有明顯的四類差異,而教師手法的不同勢必會影響學生手法的表達,呈現(xiàn)流派紛呈的教學效果。如何讓學生能更為直觀地了解手法特征,量化參數(shù)的方法選取顯得尤為重要。

3.5 展望

本研究的采集方法較為細致地量化了行針過程中的手指關節(jié)運動特征,因此在針刺手法教學過程中,其不僅能讓學生更為直觀地了解教師的手指動作特點,同時也可對自身的操作動作進行量化考核,發(fā)現(xiàn)自身不足。本研究中發(fā)現(xiàn)的手法標準理解不一的現(xiàn)象應是日后需要著重探究的教學問題。對于提插平補平瀉手法的研究僅僅是運動視頻技術應用于針刺手法研究的初步探索,相信隨著捻轉手法、補瀉手法、復式手法的引入將會得出更多的參數(shù)特征,更為有效地指導針刺手法教學,并為針刺手法的量化研究提出有益的參考。

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Comparative Study on the Moving Object Extraction Technique in Teaching the Lifting-thrusting Needling Manipulations

-1,-1,2,-1,1.

1.,201203,; 2.,,300193,

Objective To compare the manipulation features between teachers and students by quantitatively analyzing the lifting-thrusting manipulations with the German Simi Motion 3D moving object extraction system; to explore the possibility of using moving object extraction technique in studying needling manipulations and guide the teaching. Method Thirty acupuncture- moxibustion teachers and 60 students majored in acupuncture and moxibustion were selected to perform lifting-thrusting manipulations at Quchi (LI 11) for 20s, which were recorded by video. The videos were analyzed by the Simi Motion 3D system for obtaining the primary moving parameters of 4 track markers including the tip of thumb. The differences in the parameters between the two groups of people were analyzed by t-test or rank-sum test, and the parameters of the teachers’ manipulations were analyzed and classified. Result The parameters of acupuncture manipulations were of abnormal distribution; during the lifting-thrusting manipulation, the proximal interphalangeal angles were positively related to the movement amplitude of X-axis; the mechanical output and movement parameters of the tip of thumb, the opening angle of proximal interphalangeal joint of index finger, and the amplitude of X-axis in the teacher group were higher than that in the student group; the lifting-thrusting manipulations of the teacher group can be classified into 4 types, basically according to the curve line and length of the cycle. Conclusion The parameters of acupuncture manipulations are generally featured by variety, the performer’s thumb and index finger present a rhythmic bi-axial movement, and the lifting-thrusting manipulation can be simplified to be a fixed-axis rotation centered by the interphalangeal joints of thumb and index finger; the manipulation is more forceful and the interphalangeal opening is bigger in the teacher group compared with that in the student group. The acupuncture manipulation parameters present a typical man-controlled curve, featured by a low-concentrated neural network classification; the experiment results show that the teachers have different understandings of the lifting-thrusting manipulations, which will influence the teaching results.

Acupuncture manipulations; Video; Parameters; Neural networks; Acupuncture-moxibustion science; Acupuncture- moxibustion education

1005-0957(2016)11-1369-06

R2-03

A

10.13460/j.issn.1005-0957.2016.11.1369

2016-04-11

國家自然科學基金青年科學基金項目(81403469);上海中醫(yī)藥大學第十四期課程建設項目(SHUTCM2015KCJS015);教師發(fā)展專業(yè)工程2015上海高校青年骨干教師國內訪問學者計劃項目

唐文超(1983 - ),男,講師,博士生

楊華元(1952 - ),男,教授,博士生導師,Email:yhyabcd@ sina.com

郭義（1965 - ），男，教授，博士生導師，Email:guoyi_168@ 163.com