运动视频分析技术在针刺提插手法教学中的师生对比研究

唐文超,杨华元,郭义,刘堂义,高明



运动视频分析技术在针刺提插手法教学中的师生对比研究

唐文超1,杨华元1,郭义2,刘堂义1,高明1

(1.上海中医药大学,上海 201203;2.天津中医药大学,天津 300193)

目的 通过德国Simi Motion 3D三维运动图像解析系统对师生提插平补平泻手法进行量化分析,获得手法参数,对比手法特征。探索运动视频技术研究针刺手法的可行性,并指导教学。方法 研究选择30例针灸教师及60例针灸专业学生,取一侧曲池穴作为施术穴位,记录两组成员提插平补平泻20 s的运动视频。视频经由Simi Motion 3D三维运动图像解析系统分析,得出“拇指指尖”等4个跟踪标记点位原始运动参数。通过检验或秩和检验对比两组人员在相同手法施术过程中各跟踪标记点位的物理学参数差异情况,通过神经网络分析教师手法分类参数。结果 针刺手法参数呈非正态分布;提插手法近端指间关节角度的变化与X轴运动幅度呈正相关;教师组拇指指尖点位的力学输出、运动参数、食指近端指间关节开合角度以及X轴向摆动高于学生组;教师组提插手法可分4类,主要根据曲线外形及周期长短进行。结论 针刺手法参数总体上表现为非正态分布的多样性特征,且操作者拇食指的节律性双轴运动显著,提插手法可简化为以食指与拇指掌指关节为转轴中心的定轴转动;与学生组相比,提插过程中教师组更为用力、手指关节开合角度更大。针刺手法参数曲线为典型“人为控制曲线”,表现出神经网络分类集中度较低的特点;研究结果显示教师对于提插手法的特征理解不一,将会影响教学效果。

针刺手法;运动视频;参数;神经网络;针灸学;针灸教学

针刺手法作为针灸施术的基础,是影响针灸治疗效果的重要因素,也是针灸教学的重中之重。明代《针灸大成》:“此言补泻之法,非但呼吸,而在乎手之指法也。法分十四者,循、扪、提、按、弹、捻、搓、盘、推、内、动、摇、爪、切、进、退、出、摄者是也。”说明手法纷繁复杂,补泻施术时,除呼吸配合外,合理的手法选择对疗效的影响颇大[1]。因此如何采用现代科学技术手段总结、分析针刺手法的特征,并在刺灸法教学中进行有效的传承业已成为针灸研究领域的热点之一。

针刺手法参数的量化分析在国内已开展数年,已有诸如针刺手法参数测定仪、针体受力动态检测系统等采集设备应用于实验研究与课堂教学。现有技术在对针刺手法量化以及评定的过程中,积累有周期、频率、针体受力等参数,但与临床实际操作环境仍存在一定的差异,表现出对施术人员的手法造成不同程度的干扰。因此,如何找到一种还原针刺临床过程的测试方法成为本学科领域亟待解决的问题之一。本研究选择运动视频分析方法对针刺手法进行参数采集。通过摄像机对手指关节运动进行视频捕捉和运算,以获得速度、加速度、角度等参数。同时该技术能有效避免参数采集过程中对施术者的操作影响,获得最为直观的结果。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本研究受试者选择上海中医药大学针灸推拿学院针灸教师30例及上海中医药大学针灸推拿学院2010级、2011级5年制或7年制学生60例,所有学生均已完成《刺法灸法学》中提插手法的学习并有在体针刺操作经验。因小组成员选择的倾向性,两组成员年龄经检验,差异具有统计学意义(＜0.01);两组成员性别经卡方检验,差异无统计学意义(＞0.05)。

1.2 实验环境建立

实验开始前,将实验操作台于平地上放置,摄像机三脚架各脚架调节至指定长度(79 cm)后,张开脚架到最大张角后放置于地面指定点位;摄像机与固定好位置的脚架进行连接后,通过相机内的水平调节器进行水平调节,以保证镜头的水平位置,并确认镜头中心距离地面为84 cm,测量镜头位置与实验操作台前端边缘之间的垂直距离应为33 cm。开启摄像机与补光灯。设定摄像机光圈F7.1、快门1/1000 s、ISO 6400、自动白平衡、光学变焦33 mm。

1.3 实验方法

1.3.1 视频拍摄方法

①将小型二维定标框架正对相机镜头垂直放置于实验操作台的横轴上,用于三维运动视频分析软件Simi Motion 3D进行二维定标操作。②学生组、教师组手法测试人员和被测试者分别坐于实验操作台的左右两侧,选择被测试者的右侧曲池穴行提插平补平泻手法。③在两组测试人员右手拇指和食指分别用细记号笔描记4个用于视频拍摄的跟踪标记点(见图1),各标记点位置分别为拇指末节尺侧、指甲根角侧上方0.1寸为拇指指尖点;食指末节桡侧、距指甲根角0.1寸、约商阳穴处为食指指尖点;食指近端指间关节桡侧、关节横纹赤白肉际处为食指近端指间关节点;食指掌指关节桡侧、关节横纹赤白肉际处为食指掌指关节点。④随机取出测试用针灸针1枚,放于电子天平上进行称重后进行20 s的提插平补平泻手法拍摄。

图1 手指跟踪标记点示意图

1.3.2 视频处理方法

在Simi Motion 3D 7.5软件中建立4个“跟踪点”以对应上述4个跟踪标记点,分别为thumb right(拇指指尖点,TR)、forefinger tip right(食指指尖点,FTR),forefinger middle joint right(食指近端指间关节点,FMJR)与forefinger base joint right(食指掌指关节点,FBJR)。各点定义完成后将FMJR和FBJR、FTR和FMJ各自两两连线(Connection),两线分别命名为forefinger Ⅱ right和forefinger Ⅱ right2。同时该两线构成了Simi Motion中的二维3点角,即食指近端指间关节角(forefinger middle joint right angle)。详见图2。

图2 Simi Motion Point、Connection、Angle设置示意图

在Simi Motion中对二维定标框架与实际拍摄的视频进行叠加,可获得手指刚体结构的空间位置图。详见图3。

图3 二维定标、跟踪标记点及连线叠加示意图

通过Simi Motion分析,可获得每位测试者各跟踪标记点的X、Y轴坐标(coordinate)、运动距离(distance)、X/Y轴速度(speed)、绝对速度(absolute speed)、X/Y轴加速度(acceleration)、绝对加速度(absolute acceleration),“角度参数”记录食指近端指间关节角角度(degree)、角速度(palstance)、角加速度(angular acceleration),同时通过两轴的加速度以及针身质量可计算得出在拍摄平面中针身综合受力情况。

1.3.3 Simi Motion生成的典型提插平补平泻手法特征曲线(见图4、5)

注:左上为视频,右上、左下、右下分别为各点Y轴坐标、速度、加速度曲线

图4 提插平补平泻运动参数及角度参数曲线

1.4 统计学方法

根据Simi Motion软件导出的原始数据,可计算出各标记点的X、Y轴运动幅度,X、Y轴平均速度,X、Y轴平均加速度,提(T1)插(T2)时程,各时程及速度曲线波峰波谷离散度(即标准差,用于比较手法稳定性),针身综合受力。两组数据通过IBM SPSS19.0软件进行检验或秩和检验比较差异性。

注:左上为视频,右上、左下、右下分别为食指近端指间关节角角度、角速度、角加速度曲线

图5 提插平补平泻角度参数曲线

本研究基于Matlab开发了针刺手法参数自动聚类软件,其采用自组织特征映射神经网络(self- organizing feature maps, SOM)的统计方法分析教师拇指指尖点位的Y轴速度单周期速度曲线进行分类研究,以观察教师手法的不同会对学生产生的影响。

2 结果

2.1 运动幅度参数

经正态性分布检验,除TR-Y采用独立样本的检验外,余下各列均采用秩和检验方法。结果显示,两组测试人员在各个跟踪标记点位的Y轴运动幅度均无明显统计学差异(＞0.05),而X轴运动幅度以及食指近端指间关节角开合幅度均具有统计学差异(＜0.05)。详见表1。

2.2 运动速度、角速度参数

经正态性分布检验,各列均采用秩和检验方法。结果显示,两组拇指指尖点Y轴、X轴平均速度以及食指近端指间关节角平均角速度比较,差异均具有统计学意义。详见表2。

2.3 运动加速度、角加速度、针身综合受力参数

经正态性分布检验,采用秩和检验方法。结果显示,两组各点X轴分量、拇指指尖点Y轴分量、角加速度及针身综合受力值比较,差异均具有统计学意义 (＜0.05)。详见表3。

2.4 手法稳定性参数

经正态性分布检验,各列均采用秩和检验方法。结果显示,两组测试人员仅T2具有统计差异(＜0.05),说明稳定性基本类似。详见表4。

表1 两组提插平补平泻平均运动幅度比较 (±s)

表1 两组提插平补平泻平均运动幅度比较 (±s)

组别例数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(°) 学生组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) 教师组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:与教师组比较1)＜0.05

表2 两组提插平补平泻平均速度、角速度比较 (±s)

表2 两组提插平补平泻平均速度、角速度比较 (±s)

组别例数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) 学生组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) 教师组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:与教师组比较1)＜0.05

表3 两组提插平补平泻平均加速度、角加速度、针身综合受力比较(学生组例数=60,教师组例数=30) (±s,cm/s2)

表3 两组提插平补平泻平均加速度、角加速度、针身综合受力比较(学生组例数=60,教师组例数=30) (±s,cm/s2)

组别TR-XTR-YFTR-XFTR-YFMJR-XFMJR-YFBJR-XFBJR-YFMJRA(rad/s2)Force(10﹣6N) 学生组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) 教师组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:与教师组比较1)＜0.05

表4 两组手法周期与离散度参数比较 (±s)

表4 两组手法周期与离散度参数比较 (±s)

组别例数T1(s)T2(s)T1离散度T2离散度曲线波峰离散度曲线波谷离散度 学生组600.70±0.44 0.80±0.411)0.12±0.100.13±0.110.005±0.0020.003±0.002 教师组300.57±0.220.61±0.250.11±0.070.08±0.040.005±0.0030.004±0.003

注:与教师组比较1)＜0.05

2.5 SOM神经网络分型结果

根据30例教师手法拇指指尖点位的速度单周期曲线,进行神经网络分型研究,结果显示可将提插平补平泻手法分为4型,结果见图6、7。

注:右侧六边形分类框中数字代表该类样本数,边缘白色部分越多,则分类特征更为一致

图6 提插平补平泻手法速度曲线SOM分类结果

注:X轴为时间,Y轴为速度,Z轴为样本号

图7 提插平补平泻单周期速度曲线三维分型图

3 讨论

3.1 提插手法的整体参数特征

从研究结果可知,手法参数曲线数据多为非正态分布数据,标准差较大。可见现行《刺法灸法学》课本虽已细致规定了提插的周期、频率、幅度等参数,但实际量化结果则呈现多样性特征,个体之间不仅幅度差异显著,周期差异同样较大。该结果与刘堂义等[2-4]、Davis RT等[5]学者之前的研究报道类似。

究其原因,提插手法与其他诸如走、跑、跳等人体运动类似,具有鲜明的节律特征,即时间与空间产生周期性对称运动。目前普遍研究认为,节律运动为源自于低级周围神经的自激行为,产生于脊髓(脊柱动物)或胸腹(无脊柱动物)神经节内部的中枢模式发生器(central pattern generator, CPG),并受其调控[6]。在节律性运动的状态下,以脊髓为中心的运动控制方式主要是以低位神经系统内部自激振荡网络自发地产生的神经信号调控为主,具有自适应性与稳定性的特点[7]。根据实验结果,各跟踪标记点的坐标、速度与加速度成明显的对称节律变化。虽然节律运动的产生和调控主要经由GPC完成,但高级神经中枢会在动作时空节律转换时对GPC网络的输出信号产生调节作用,产生具有不同相位关系的时空序列信号,控制食指和拇指的动作,完成不同幅度或节律的手法[8]。由于每个人对手法要领的理解不一,高级神经中枢的调节指令也不尽相同,因此呈现出手法参数曲线非正态性分布、呈现多样性的特点。

3.2 手指小关节运动特征

除了节律运动外,提插手法对称性特征也较为普遍,有研究表明,节律性运动时程精确性的控制有赖于针对性的训练和听觉反馈,运动员和音乐家的节律性训练较普通人更多,因此其定时性精密度要高于普通人群[9]。由此可见,针刺手法学习更应注重课外的反复练习,其不仅强化了高级中枢对GPC的调控,同时也能更为有效地应对施术过程中的各类生物反馈。

本次测量定位于X轴和Y轴构成的二维平面,提插手法主要为Y轴方向的上下运动。因此Y轴运动幅度变化较大,常在1 cm以上。各跟踪标记点上,拇指与食指指尖的运动幅度、速度及加速度较为类似,概因两者的位置较为接近,因此运动特征亦相似。食指近端关节与掌指关节与两指尖点比较,各参数表现均相对较小,掌指关节点为各跟踪标记点中运动幅度、速度及加速度最小的点位。

各跟踪标记点均伴随有X轴方向的左右运动,其运动幅度、速度及加速度相比较Y轴方向而言,在拇指、食指指尖以及食指近端指间关节点位均较小,且有根据上述点位顺序递增的趋势,食指掌指关节点两轴运动幅度较为接近,但仍小于近端指间关节点。通过上述两轴运动特点总结,可将提插手法总结为以食指与拇指掌指关节为转轴中心的定轴转动。运动过程中,由于食指与拇指长度不一且两指指间靠拢夹住针柄,因此食指近端指间关节被迫折叠成120º～140º,关节角度伴随手法程节律性增减,正是由于该角度的产生,增大了各标记点的X轴运动,且该关节点位的X轴运动最为明显。

3.3 两组成员对比分析

教师组与学生组之间主要的差别来自于X轴方向的运动幅度、速度与加速度,尤其是食指与拇指指尖点的区别更为明显。参考两组人员近端掌指关节角度变化、角速度及角加速度值的不同,可以看出教师组在提插手法过程中,通过近端掌指关节的开合,具有更大的左右摇摆幅度。因此教师组除了Y轴方向的刺激外,较学生组在X轴向的刺激更为突出。这可能与教师组测试人员经过更多的操作实践,逐渐扩大了操作幅度有关。在Y轴方向上,两组人员主要的区别在于拇指指尖点位,主要体现于教师组拇指指尖点的Y轴操作幅度、速度及加速度普遍高于学生组。参考根据拇指指尖点位加速度计算得出的针身综合受力情况,教师组的针身综合受力高于学生组。综上所述,提插手法教师组与学生组之间的动作区别主要为①教师组拇指指尖点位的力学输出与运动参数高于学生组;②教师组食指近端指间关节开合角度大于学生组;③教师组X轴向摆动高于学生组。

在稳定性参数方面,学生组与教师组除T2离散度外,其余各项参数控制上均较为相似,说明两组人员具有较为类似的时间、空间节律控制能力。说明就提插平补平泻手法而言,通过课堂教学附以一定的课外训练学生便能熟练控制该手法的时空节律,教学效果良好。这也从侧面说明了提插平补平泻动作较为简单,容易掌握。

3.4 基于SOM的教师手法分类特征

针刺手法参数曲线为周期曲线,因此对于多周期曲线的分类计算存在有一定的困难。首先,曲线起点的不同将影响分类的结果,初始相位(曲线起点)的不同,可被计算机判断为重要的差异。其次,虽然两曲线在整体外形上并无明显差距,但若两者基线存在Y轴的上下区别,那么描记的数值同样区别较大,仍会被认为是两类不同曲线。上述问题可以看出,分类可行性的首要条件是将各条手法曲线的基线及相位通过计算进行统一,而本课题采用的方法为选择手法主要运动方向上的速度曲线,并只选择具有稳定特征的单一周期曲线。因速度曲线具有统一的基准线,即0 m/s的X轴,因此能消除因曲线不同带来的分类误差。而采用由零点位开始的完整单一周期速度曲线,则消除了因相位不同导致的分类错误。目前类似的研究方法也已有相关报道,如Hatfield GL等[10]、Erguzel TT等[11],均取得了较好的统计效果。

本研究中采集的教师针刺手法参数曲线属人为控制曲线,与生理性曲线相比,大部分情况下并不具有正态分布特征,离散度较高。根据SOM软件导出的六边形分类圈,各分类的特征密集程度同样不高,虽然可通过人为扩大分类数量提高每种分类的特征密集程度,但仍有部分样本较为离散的特点。通过SOM方法计算的结果显示,提插平补平泻手法可分为4类,其分类主要根据曲线外形及周期长短进行,呈现出周期越短特征越集中之趋势。可见提插平补平泻手法虽为最为简单的针刺技法,但仍有明显的四类差异,而教师手法的不同势必会影响学生手法的表达,呈现流派纷呈的教学效果。如何让学生能更为直观地了解手法特征,量化参数的方法选取显得尤为重要。

3.5 展望

本研究的采集方法较为细致地量化了行针过程中的手指关节运动特征,因此在针刺手法教学过程中,其不仅能让学生更为直观地了解教师的手指动作特点,同时也可对自身的操作动作进行量化考核,发现自身不足。本研究中发现的手法标准理解不一的现象应是日后需要着重探究的教学问题。对于提插平补平泻手法的研究仅仅是运动视频技术应用于针刺手法研究的初步探索,相信随着捻转手法、补泻手法、复式手法的引入将会得出更多的参数特征,更为有效地指导针刺手法教学,并为针刺手法的量化研究提出有益的参考。

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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

国家自然科学基金青年科学基金项目(81403469);上海中医药大学第十四期课程建设项目(SHUTCM2015KCJS015);教师发展专业工程2015上海高校青年骨干教师国内访问学者计划项目

唐文超(1983 - ),男,讲师,博士生

杨华元(1952 - ),男,教授,博士生导师,Email:yhyabcd@ sina.com

郭义（1965 - ），男，教授，博士生导师，Email:guoyi_168@ 163.com