Analisi digitale della grafia dei caratteri nei pazienti cinesi con lieve deficit cognitivo

Questo studio ha proposto un'analisi digitale della calligrafia dei personaggi in individui con lieve deficit cognitivo per trovare più informazioni di quelle rivelate dalla tradizionale analisi della calligrafia a matita.

Una quantità crescente di prove mostra che i deficit cognitivi e le disfunzioni del movimento non sono separati. I pazienti con lieve deficit cognitivo (MCI) possono manifestare disturbi motori fini degli arti superiori. La calligrafia è un'attività umana complessa e unica che coinvolge sia la coordinazione motoria che cognitiva. I ricercatori dei paesi occidentali hanno scoperto che i pazienti con MCI hanno caratteristiche anormali di calligrafia. Tuttavia, non sono stati condotti studi pertinenti nella popolazione cinese. A causa del fenomeno cross-culture della scrittura a mano, lo scopo di questo studio è quello di trovare nuovi compiti di scrittura a mano per dimostrare le differenze nelle caratteristiche di scrittura a mano tra pazienti anziani con MCI e individui sani abbinati all'età.

Il lieve deficit cognitivo (MCI) è considerato una fase cognitiva transitoria ma progressivamente degenerativa che precede l'insorgenza del morbo di Alzheimer (AD)¹. È stato riferito che il tasso di progressione dell'AD all'anno è del 15%, mentre quasi il 75% dei casi di MCI moderati e gravi potrebbe rimanere non^{diagnosticato 2}. Recenti studi hanno riferito che i pazienti con MCI hanno difficoltà in alcuni aspetti delle attività motorie fini³e quei pazienti che hanno mostrato disturbi motori, come l'andatura lenta, avevano un alto rischio di demenza⁴.

La calligrafia è un'attività umana complessa che comporta un'intricata miscela di componenti cognitivi, cinestetici e percettivo-motori tra cui percezione visiva e cinestetica, pianificazione motoria, coordinazione occhio-mano, integrazione visivo-motoria, destrezza e abilità manuali¹. L'analisi della grafia è stata utilizzata per rilevare disfunzioni cognitive e motorie in molti tipi di malattie neurodegenerative, come l'AD e il morbo di Parkinson (PD)⁵. Inoltre, alcuni aspetti dei problemi di scrittura a mano sono stati segnalati come un indicatore per mci e relativi alla progressione della malattia⁶. Poiché la maggior parte della popolazione usa la lingua, mancano ancora studi che studiano l'analisi della grafia nei parlanti cinesi (specialmente caratteri cinesi semplificati).

Ci sono stati diversi articoli che hanno studiato anomalie della calligrafia o "agraphia" in individui con MCI. Ad esempio, utilizzando i tradizionali metodi carta a matita, Zhou e colleghi hanno cercato di svelare le distinte capacità di scrittura tra pazienti con MCI e individui senza MCI. Le differenze tra i gruppi non erano evidenti, ad eccezione degli errori di scrittura⁷. ha trovato funzionalità di scrittura a mano nei pazienti con MCI utilizzando una penna intelligente, che potrebbe analizzare dinamicamente la velocità di corsa e penna durante la scrittura². L'hardware WACOM e il software MovAlyzeR sono in grado di rilevare più informazioni in tempo reale rispetto ai tradizionali metodi di matita e carta e ai metodi di carta smartpen. Pertanto, i dati dinamici della grafia, ad esempio pressione di pen-down, velocità, accelerazione e jerk, sono risultati essere un nuovo obiettivo dell'analisi della grafia rispetto ai dati statici, ad esempio le dimensioni della lettera e lo spazio tra^{le parole 2}.

Tuttavia, un altro fenomeno che non può essere trascurato è l'effetto interculturale della calligrafia. I sistemi di scrittura di nazioni diverse non sono sempre gli stessi (ad esempio, le lettere inglesi sono scritte da sinistra a destra mentre le lettere ebraiche sono scritte da destra a sinistra)⁸. In questo numero, anche le recensioni hanno confermato l'efficacia dell'analisi della^{grafia 9,10} nelle lingue alfabetiche e l'ampio divario tra caratteri cinesi e lettere occidentali ha ostacolato la capacità di scambio dell'analisi della grafia nei metodi e nei risultati¹¹ di questi studi.

Esistono diverse dissomiglianze principali tra le lingue occidentali (ad esempio, l'inglese) e il cinese. In primo luogo, ci sono molti altri movimenti orizzontali della punta della penna durante la scrittura del carattere cinese rispetto alla scrittura di lettere¹². In secondo luogo, a differenza della lingua dell'alfabeto, che è associata ai fonemi, il cinese è considerato^{logografico 7}. Di conseguenza, la maggior parte dei caratteri cinesi ha il proprio ordine di tratto univoco e la larghezza e l'altezza dei tratti devono essere rigorosamente limitate. Altrimenti, larghezze e altezze illimitate potrebbero causare una maggiore illeggibilit๹ (" " e " " sono caratteri cinesi completamente diversi. Inoltre, " ", " ", e " " sono diversi caratteri cinesi).

" " (pronunciato "Zheng") è un personaggio cinese tipico, semplice e comunemente usato che quasi tutti i parlante cinesi con un livello di istruzione di due anni possono leggere e scrivere. È stato selezionato come compito di scrittura in precedenti studi di analisi della grafia cinese^6,12. I ricercatori hanno deciso di usare " " come compito di scrittura perché è "quadrato" e composto da cinque tratti, tutti orizzontali (^#1, ^#3, ^#5 tratto, da sinistra a destra) o verticali^(#2, ^#4 tratto, da alto agiù) (Figura 1). Secondo molti studi motori di fine, soddisfare ^{la corsa #}3 (orizzontale) e la corsa ^#4 (verticale) richiede movimenti puri del polso e delle dita,^{rispettivamente 6,12,13}. Di conseguenza, la velocità di corsa di entrambi i tratti potrebbe essere una manifestazione corretta¹⁴.

Inoltre, la pressione della penna durante la grafia è una funzione di grafia che ha dimostrato di sovraperformare altre caratteristiche cinematiche nel riflettere il controllo del^{motore 5,15}. Tuttavia, non ci sono studi pertinenti su pazienti cinesi, anche se risultati positivi sono stati confermati da gruppi di ricerca della Repubblica Ceca, Spagna, Israele e^{altri paesi 8,16,17}.

La firma è stata comunemente utilizzata come compito di scrittura a mano in numerosi studi⁵. In generale, una firma richiede poco pensiero o tempo in aria¹⁸. "In-air" è definito come quando la pressione della punta della penna sullo schermo è 0 durante la grafia e "tempo in aria" è la somma del tempo "in aria" durante la grafia. Gli individui che soffrono di molti disturbi neuropsichiatrici potrebbero avere deficit nel controllo psicomotorio, e quindi mostrano un aumento del tempo nell'aria della firma. Ad esempio, Rosenblum et al. Poiché i caratteri cinesi hanno la loro forma, in questo studio, si è deciso di utilizzare la tortuosità della lunghezza nell'aria nella segmentazione tra i caratteri durante la scrittura del nome come potenziale parametro indicativo. La tortuosità, definita dal rapporto tra la lunghezza dell'arco e la distanza euclidea tra i punti finali, è una misura della curvatura, e quindi indicizza la levigabilità di uno specifico output di scrittura²⁰.

Il nostro studio è stato approvato dal Comitato etico accademico della divisione di scienze biologiche dell'ospedale generale cinese PLA di Pechino, in Cina.

1. Aspetti generali dello sviluppo dei metodi

1. Utilizzare un digitalizzatore USB (ad esempio, Wacom Cintiq Pro 16) e una penna stilo portatile per i movimenti di grafia. Le specifiche dettagliate del digitalizzatore sono le seguenti: dimensioni esterne (larghezza x profondità x altezza) 410 x 265 x 17,5 mm, risoluzione spaziale 3840 x 2160 punti, dimensione pixel 0,090 x 0,090 mm, risoluzione temporale 30 ms e un livello di pressione di 8.192.
2. Collega un PC portatile al digitalizzatore per raccogliere ed esporre le tracce della grafia.
3. Utilizzare un software (ad esempio Neuroscript MovAlyzeR) per la registrazione, l'elaborazione e l'analisi dei dati.
4. Criteri di inclusione/esclusione del paziente
   1. Recluta i partecipanti MCI che presentano un reclamo alla memoria, una funzione di memoria oggettivamente compromessa, attività intatte della vita quotidiana e l'assenza di demenza²¹. Inoltre, dovrebbero avere il livello di istruzione di oltre 2 anni di scuola preliminare nella Cina continentale, altrimenti potrebbero avere difficoltà a scrivere caratteri cinesi.
   2. Escludere i partecipanti con evidente disabilità visiva e degli arti superiori.

2. Attività di grafia

1. Eseguire il software e una penna stilo non inchiodente.
2. Creare un esempio di caratteri cinesi nell'area di scrittura del digitalizzatore (vedere figura 1).
3. Consentire ai soggetti di posizionare l'area di scrittura in una posizione comoda.
4. Consentire ai soggetti di scrivere sull'area di scrittura e ospitare la penna e la superficie dell'area di scrittura.
5. Impostare la frequenza di campionamento nel software a 200 Hz.
6. Istruisi i soggetti a scrivere il suo nome in cinese con la mano dominante.
   NOTA: Una firma in versione corsiva o stampata è accettabile, come il soggetto desiderava.
7. Istruisci i soggetti a scrivere il carattere cinese " " (pronunciato "Zheng") con la mano dominante.
   NOTA: Il carattere cinese " " in una versione stampata è accettabile.
   1. Ricorda ai soggetti di scrivere in una versione stampata prima di iniziare la grafia.
      NOTA: Assicurarsi che il soggetto si sieda e scriva in posizione verticale.
8. Mantenere le istruzioni visibili durante ogni prova.
   1. Ripetere la prova di grafia tre volte.
   2. Se il carattere " " era scritto nell'ordine del tratto sbagliato, interrompere la prova e tracciare e mostrare al soggetto come scrivere il carattere nell'ordine corretto del tratto.
   3. Se qualche esitazione è stata derivata da una mancanza di conoscenza, interrompere la prova e mostrare al soggetto come scrivere correttamente il personaggio.

3. Analisi dei dati

1. Eseguire il software; Fare clic con il pulsante destro del mouse su Esperimento e scegliere Proprietà.
2. Selezionare Elaborazione, quindi Segmentazione.
3. Fare clic su Aggiungi prima segmentazionein ogni caso , Aggiungi ultima segmentazionein ogni caso e Sposta punto di segmentazione al pendown più vicino se si trova su un carrello a penna in Flag di segmentazione.
4. Fate clic su Traiettorie a penna at (At pendown trajectories) in Metodi di segmentazione (Segmentation Methods).
   NOTA: tutte queste regolazioni per la modalità predefinita sono state fatte per migliorare l'analisi della grafia cinese.

4. Calcolo dei parametri

1. Eseguire il software, selezionare i soggetti in " ", quindi fare clic su Prove di grafia.
2. Utilizzare il sistema di tracciamento e tracciare il processo di grafia e l'ordine dei tratti di " " passo dopo passo.
3. Trova la segmentazione del tratto ^#3 di " " e leggi la "Velocità assoluta media" in "dati estratti".
   NOTA: Il software di analisi della grafia calcolerà automaticamente la "Velocità assoluta media" di ogni segmentazione.
   ATTENZIONE: Il ^{tratto #}3 di " " è un movimento orizzonteico (da sinistra a destra) della punta della penna che è più corto del carattere 1 e del carattere 5 (Figura 1A).
4. Trova la segmentazione del ^{tratto #}4 di " " e leggi fuori dalla "Velocità Assoluta Media" nei "dati estratti".
   ATTENZIONE: Il ^{tratto #}4 di " " è un movimento verticale (dall'alto verso il basso) della punta della penna più corto del carattere 2 (Figura 1).
5. Leggi la "Pressione penna" di ogni segmentazione nei "dati estratti" e ottieni una "Pressione media della penna" di " ".
   NOTA: Il software di analisi della grafia calcolerà automaticamente la "Pressione media della penna" di ogni segmentazione.
6. Eseguire il software, selezionare i soggetti in " ", quindi fare clic su Prove di grafia.
7. Utilizzando il sistema di tracciatura, tracciare il processo di grafia e l'ordine dei tratti della firma passo dopo passo.
8. Trova la segmentazione del tratto tra i caratteri e leggi le "Dimensioni Assolute" e "Lunghezza strada" nei "dati estratti".
9. Ottenere la tortuosità della lunghezza in-air nella segmentazione tra caratteri in base all'equazione.
   NOTA: La segmentazione del tratto tra caratteri è stata una segmentazione in-air (Figura 2).
   1. Calcola la tortuosità della lunghezza dell'aria: 1-Dimensione assoluta/Lunghezza strada %.
      NOTA: Tortuosità, definita dal rapporto tra la lunghezza dell'arco e la distanza euclidea tra i punti finali, è una misura della curvatura, e quindi indicizza la levigabilità di una specifica uscita di scrittura²⁰. Una curva altamente tortuosa ha diverse curve o curve, mentre una curva tortuosa bassa è una curva con anelli /curve relativamente larghi e più rettilineità.
      ATTENZIONE: la maggior parte dei nomi cinesi sono composti da due o tre caratteri. Se la firma ha due caratteri, esiste una sola segmentazione del tratto tra i caratteri. Se la firma ha tre caratteri, sono disponibili due segmentazioni di tratti tra caratteri. La tortuosità della lunghezza dell'aria nella segmentazione tra caratteri sarebbe un valore medio.

5. Analisi statistica

1. Valutare le differenze di gruppo utilizzando il test t diuno studente. Un valore P inferiore a 0,05 è stato considerato statisticamente significativo. Condurre tutte le analisi statistiche utilizzando il pacchetto software statistico SPSS 22.0.

I dati demografici delle materie hanno dimostrato che tutti i gruppi corrispondevano bene in età, sesso, livello di istruzione, mano dominante e altri parametri.

Come mostrato nella Tabella 1, durante la scrittura del carattere cinese " ", i soggetti anziani con MCI mostravano una velocità assoluta media inferiore ^{del #}3 (2,46 ± 0,40 vs 1,82 ± 0,55, P = 0,001) ^{e #}4 tratti (2,61 ± 0,46 contro 1,93 ± 0,50, P < 0,001) e una pressione media della penna più elevata (237,43 ± 39,77 contro 281,99 ± 37,70, P = 0,001) rispetto ai soggetti anziani sani. Inoltre, durante la firma dei nomi cinesi, i soggetti anziani con MCI hanno mostrato una maggiore tortuosità di lunghezza nell'aria nelle segmentazioni tra i personaggi rispetto ai soggetti anziani sani (12,57 ± 6,96 vs 31,66 ± 7,53, P < 0,001).

Figura 1: Carattere cinese " " scritto nel software. (A). Il carattere cinese " " con solo le segmentazioni sullo schermo esposte. I cerchi rossi sono gli inizi e le estremità delle segmentazioni. Le linee blu sono le tracce di segmentazione sullo schermo. (B). Il carattere cinese " " con le segmentazioni in-air e in-screen esposte. Le linee blu sono le tracce di segmentazione sullo schermo. Le linee grigie sono le tracce di segmentazione nell'aria. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Firme cinesi di soggetti anziani sani e soggetti anziani con MCI. (A). La firma cinese " " (un soggetto del gruppo di anziani sani) con solo le segmentazioni sullo schermo esposte. I cerchi rossi sono gli inizi e le estremità delle segmentazioni. Le linee blu sono le tracce di segmentazione sullo schermo. (B). La firma cinese " " (un soggetto del gruppo di anziani sani) con segmentazioni sia nell'aria che nello schermo esposte. Le linee blu sono le tracce di segmentazione sullo schermo. Le linee grigie sono le tracce di segmentazione nell'aria. Le aree rosse enfatizzano le segmentazioni della lunghezza dell'aria tra i caratteri (tortuosità = 5,34%). L'area sinistra è la segmentazione tra " " e " " (dimensione assoluta = 2,2226; lunghezza della strada = 2,4658; tortuosità = 9,98%). L'area destra è la segmentazione tra " " e " " (dimensione assoluta = 2,9607; lunghezza della strada = 2,9821; tortuosità = 0,71%). (C). La firma cinese " " (un soggetto degli anziani con gruppo MCI) con solo le segmentazioni sullo schermo esposte. I cerchi rossi sono gli inizi e le estremità delle segmentazioni. Le linee blu sono le tracce di segmentazione sullo schermo. (D). La firma cinese " " (un soggetto degli anziani con gruppo MCI) con segmentazioni sia in-air che in-screen esposte. Le linee blu sono le tracce di segmentazione sullo schermo. Le linee grigie sono le tracce di segmentazione nell'aria. L'area rossa enfatizza le segmentazioni della lunghezza nell'aria tra caratteri (dimensione assoluta = 1,2100; lunghezza della strada = 1,7072; tortuosità = 29,12%). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

	Anziani sani	Anziani con MCI	Valore P
	N=20	N=20
Sesso (maschio/femmina)	10/10	8/12	0.74
Età (anni)	69.70±4.51	70.39±3.42	0.602
Mano dominante (destra%)	100	100
Istruzione (anni)	9.60±3.72	8.22±3.30	0.237
MMSE (punteggio)	28.90±0.79	26.33±0.77	<0,001
Velocità assoluta media di 3# corsa di " "	2.46±0.40	1.82±0.55	0.001
Velocità assoluta media di 4# corsa di " "	2.61±0.46	1,93±0,50	<0,001
Pressione media della penna di " "	237.43±39.77	281.99±37.70	0.001
Tortuosità della lunghezza dell'aria "Signature" (%)	12.57±6.96	31.66±7.53	<0,001
MCI: Lieve deficit cognitivo
Il carattere 3 " è un movimento horizonale.
Il carattere 4 " è un movimento verticale.

Tabella 1: Dati di analisi demografica e di grafia degli argomenti.

I passaggi critici del protocollo confermano la leggibilità di " ". Nel dettaglio, all'interno di un intero ^{personaggio, il tratto #}3 deve essere più corto degli altri tratti orizzontali e ^{il tratto #}4 deve essere più corto del ^{tratto #}2. Più specificamente, sono necessarie risorse più attenzioni durante la scrittura ^{del tratto #}3 e ^#4 tratti^6,12ed entrambi i tratti hanno un limite di lunghezza simile. Una lunghezza inappropriata della corsa potrebbe aver dato origine a una distorsione nel rilevamento della velocità.

Il software con lo schermo del digitalizzatore è un software di raccolta dati on-line senza una forma simile a una carta a matita. Per iniziare e smettere di scrivere, i soggetti dovevano seguire le istruzioni dei ricercatori o gli strumenti di suggerimento. Queste condizioni esplicite potrebbero essere fattori di stress per i soggetti, distraendo le loro risorse di attenzione e influenzando le prestazioni della grafia. La risoluzione dei problemi di questo metodo è ancora più grave nei pazienti provenienti da aree rurali che non hanno familiarità con i dispositivi elettronici. Abbastanza tempo di riscaldamento potrebbe essere utile. Un altro modo per ridurre al minimo gli effetti di questa limitazione è posizionare un foglio di carta sopra il digitalizzatore. Inoltre, i dispositivi in grado di raccogliere dati off-line con forme simili a carta a matita, come smartpen più notebook Livescribe, potrebbero essere un'altra modifica. Per quanto ne sappiamo, i dati del software MovAlyzeR e smartpen saranno compatibili nel prossimo futuro.

In primo luogo, poiché l'attenzione principale era sull'analisi dinamica della grafia, i parametri statici, come la larghezza e l'altezza dei caratteri, non sono stati inclusi e analizzati nello studio corrente. In realtà, " " è stato confermato come un buon compito di scrittura per rilevare la micrografia nel PD¹². In secondo luogo, alcuni ricercatori hanno scelto di limitare le dimensioni del carattere durante l'attività di scrittura a mano (ad esempio, 1 cm, 2 cm e 4 cm di ampiezza)¹⁹. Come è stato trovato, i soggetti richiedono più tempo per scrivere in un'ampiezza più piccola rispetto a una più grande. Un'ampiezza definita non è stata impostata in questo studio mentre la forma dei caratteri cinesi potrebbe essere un limite implicito per un particolare tratto.

Per quanto ne so, questo è il primo studio di un'analisi della grafia digitale per gli utenti di caratteri cinesi semplificati. Più compiti di scrittura a mano riguardanti caratteri cinesi semplificati possono essere utilizzati per trovare deficit cognitivi e disfunzioni motorie in pazienti con disturbi neuropsichiatrici.

Un'analisi digitale della grafia può integrare i tradizionali test cognitivi su carta a matita, come Trail-Making Test, MMSE, Montreal Cognitive Assessment e^{altri 17,22}. L'analisi delle funzionalità di scrittura a mano durante un test cognitivo è un nuovo paradigma per le attività duali motorie-cognitive²³. Questo metodo potrebbe essere di aiuto per diagnosticare la sindrome da rischio cognitivo motorio e la malattia cerebrale dei piccoli vasi.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamo il professor Hans-Leo Teulings di Neuroscript LLD per il supporto alla tecnologia digitale.

Questo studio è stato sostenuto dalla Wu Jieping Foundation (Grant No.: 320.6750.18456).