Summary
Denna studie föreslog en digital handskrift analys av tecken hos individer med mild kognitiv svikt för att hitta mer information än vad som framgår av traditionell penna-papper handskrift analys.
Abstract
En ökande mängd bevis visar att kognitiva underskott och rörelse dysfunktioner inte separeras. Patienter med mild kognitiv svikt (MCI) kan manifestera fina motoriska störningar i de övre extremiteterna. Handstil är en komplex och unik mänsklig aktivitet som involverar både motorisk och kognitiv koordination. Forskare från västländer har upptäckt att patienter med MCI har onormala handstilsfunktioner. Inga relevanta studier har dock utförts i den kinesiska befolkningen. På grund av det tvärkulturerade fenomenet handstil är syftet med denna studie att hitta nya handskriftsuppgifter för att visa skillnaderna i handstilsfunktioner mellan äldre patienter med MCI och åldersmatchade friska individer.
Introduction
Mild kognitiv svikt (MCI) anses vara en övergångsfas men gradvis degenerativ kognitiv fas som föregår uppkomsten av Alzheimers sjukdom (AD)1. det har rapporterats att AD progressionsfrekvensen per år är 15% medan nästan 75% av måttliga och allvarliga MCI fall kan förbli odiagnostiserade2. Nyligen genomförda studier har rapporterat att patienter med MCI har svårigheter i vissa aspekter av finmotoriskauppgifter 3, och de patienter som visade motoriska störningar, såsom långsam gång, hade en hög risk för demens4.
Handstil är en komplex mänsklig aktivitet som innebär en invecklad blandning av kognitiva, kinestetiska och perceptuella-motoriska komponenter inklusive visuell och kinestetisk uppfattning, motorisk planering, ögonhandskoordinering, visuell-motorisk integration, fingerfärdighet och manuella färdigheter1. Handskriftsanalys har använts för att upptäcka kognitiva och motoriska dysfunktioner i många typer av neurodegenerativa sjukdomar, såsom AD och Parkinsons sjukdom (PD)5. Dessutom har vissa aspekter av handstilsproblem rapporterats vara en indikator för MCI och relaterade till sjukdomsprogression6. Eftersom en majoritet av befolkningen använder språk saknas fortfarande studier som undersöker handskriftsanalys i kinesiska talare (särskilt förenklade kinesiska tecken).
Det har funnits flera artiklar som har undersökt handskrift avvikelser eller "agraphia" hos individer med MCI. Till exempel, genom att använda de traditionella blyertspappersmetoderna, försökte Zhou och kollegor avtäcka de distinkta skrivförmågorna mellan patienter med MCI och individer utan MCI. Skillnaderna mellan grupperna var inte uppenbara, med undantag för skrivfel7. Kawa et al. hittade handskriftsfunktioner hos patienter med MCI med hjälp av en smart penna, som dynamiskt kunde analysera slag- och pennhastigheten under skrivning2. WACOM hårdvara och MovAlyzeR programvara kan upptäcka mer realtidsinformation jämfört med traditionella penna och pappersmetoder och smartpen pappersmetoder. Därför har dynamiska handskriftsdata, till exempel penntryck, hastighet, acceleration och ryck, visat sig vara ett nytt fokus för handskriftsanalys i förhållande till statiska data, till exempel bokstavsstorlek och utrymme mellan ord2.
Ett annat fenomen som dock inte kan förbises är handstilens tvärkulturella effekt. Skrivsystemen i olika nationer är inte alltid desamma (t.ex. engelska bokstäver skrivs från vänster till höger medan hebreiska bokstäver skrivs från höger till vänster)8. I det här numret har även recensioner bekräftat effektiviteten av handskriftsanalys9,10 på alfabetiska språk, och det stora gapet mellan kinesiska tecken och västerländska bokstäver har hindrat utbytesförmågan för handskriftsanalys i metoderna ochresultaten 11 av dessa studier.
Det finns flera stora skillnader mellan västerländska språk (t.ex. engelska) och kinesiska. För det första finns det många fler horisontella rörelser av pennspetsen under kinesisk teckenskrivning jämfört med brevskrivning12. För det andra, till skillnad från alfabetets språk, som är förknippat med telefonem, anses kinesiska varalogografisk 7. Som ett resultat har de flesta kinesiska tecken sin egen unika slagordning, och bredden och höjden på slag måste vara strikt begränsad. Annars kan obegränsade bredder och höjder orsaka ökad oläslighet11 (" 
och " " är helt olika kinesiska 
tecken. Dessutom är " 
", " " och " " olika kinesiska 
tecken).
" 
" (uttalas "Zheng") är en typisk, enkel och allmänt använd kinesisk karaktär som nästan varje kinesisk talare med en tvåårig utbildningsnivå kan läsa och skriva. Det har valts som en skrivuppgift i tidigare kinesiska handskriftsanalysstudier6,12. Forskarna bestämde sig för att använda " " som skrivuppgift eftersom den är "fyrkantig" och består av fem slag, som alla är horisontella (#1, #3, #5 slag, från vänster till höger) eller vertikal (#2, #4 slag, från upp till ner) (Figur 1). Enligt många finmotoriska studier kräver uppfyllandet av #3-slaget (horisontellt) och #4-slaget (vertikalt) rena handleds- respektive fingerrörelser,respektive 6,12,13. Som ett resultat kan strokehastigheten för båda slagen vara en riktig manifestation14.
Dessutom är penntryck under handskrift en handskriftsfunktion som har visat sig överträffa andra kinematiska funktioner för att reflektera motorstyrning5,15. Det finns dock inga relevanta studier på kinesiska patienter, även om positiva resultat har bekräftats av forskargrupper från Tjeckien, Spanien, Israel och andra länder8,16,17.
Signaturen har ofta använts som handskriftsuppgift i många studier5. I allmänhet kräver en signatur lite tänkande eller i luften tid18. "In-air" definieras som när pennspetsens tryck mot skärmen är 0 under handskriften, och "in-air time" är summan av tiden "in-air" under handskriften. Individer som lider av många neuropsykiatriska störningar kan ha underskott i psykomotorisk kontroll, och därmed uppvisar de ökad lufttid för signaturen. Till exempel fann Rosenblum et al. att israeliska patienter med depression och Parkinsons sjukdom visade längre lufttid jämfört med friska kontroller under att skriva sitt eget namn på hebreiska8,19. Eftersom kinesiska tecken har sin egen form bestämdes det i denna studie att använda tortuositeten i luftlängd i segmentering mellan tecken under skrivandet av namnet som en potentiell indikativ parameter. Tortuositet, definierad av förhållandet mellan båglängden och det euklidiska avståndet mellan slutpunkterna, är ett mått på krökning och indexerar därför jämnheten hos en specifik skrivutgång20.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Vår studie godkändes av Academic Ethics Committee of the Biological Sciences Division vid Chinese PLA General Hospital i Peking, Kina.
1. Allmänna aspekter av metodutveckling
- Använd en USB-digitizer (t.ex. Wacom Cintiq Pro 16) och en handhållen penna för handskriftsrörelserna. De detaljerade specifikationerna för digitizern är följande: yttre dimensioner (bredd x djup x höjd) 410 x 265 x 17,5 mm, rumslig upplösning 3840 x 2160 punkter, pixelstorlek 0,090 x 0,090 mm, temporal upplösning 30 ms och en trycknivå på 8 192.
- Anslut en bärbar dator till digitizern för att samla in och ställa ut handskriftsspåren.
- Använd en programvara (t.ex. Neuroscript MovAlyzeR) för dataregistrering, bearbetning och analys.
- Kriterier för patientinkludering/uteslutning
- Rekrytera MCI-deltagare som presenterar med ett minnesklagomål, en objektivt nedsatt minnesfunktion, intakta aktiviteter i det dagliga livet och frånvaron av demens21. Dessutom bör de ha utbildningsnivå på mer än 2 års preliminär skola i Kina, annars kan de ha svårt att skriva kinesiska tecken.
- Exkludera deltagare som har uppenbar syn- och övre extremitetsnedsättning.
2. Handskriftsuppgift
- Kör programvaran och en penna utan penna.
- Skapa ett exempel på kinesiska tecken i digitaliseringens skrivområde (se figur 1).
- Låt försökspersonerna placera skrivområdet i en bekväm position.
- Låt försökspersonerna skriva på skrivområdet och rymma pennan och ytan på skrivområdet.
- Ställ in samplingshastigheten i programvaran på 200 Hz.
- Instruera försökspersonerna att skriva sitt namn på kinesiska med den dominerande handen.
OBS: En signatur i antingen kursiv eller tryckt version är acceptabel, som ämnet önskade. - Instruera försökspersonerna att skriva den kinesiska karaktären
" " (uttalas "Zheng") med den dominerande handen.
Obs: Det kinesiska tecknet " " i en tryckt version är acceptabelt.- Påminn ämnena om att skriva i en utskriven version innan handskriften påbörjas.
OBS: Se till att motivet sitter och skriver i upprätt läge.
- Påminn ämnena om att skriva i en utskriven version innan handskriften påbörjas.
- Håll instruktionerna synliga under varje provperiod.
- Upprepa handskriftsprövningen tre gånger.
- Om tecknet " " var skrivet i fel slagordning, stoppa försöket och spåra och visa ämnet hur man skriver tecknet i rätt slagordning.
- Om någon tvekan härrörde från brist på kunskap, stoppa rättegången och visa ämnet hur man skriver karaktären korrekt.
3. Dataanalys
- Kör programvaran; högerklicka på Experimentera och välj Egenskaper.
- Välj Bearbetningoch välj sedan Segmentering.
- Klicka på Lägg till första segmenteringen i alla fall, Lägg till den senaste segmenteringen i alla falloch Flytta segmenteringspunkt till närmaste pendown om du är på en penna i segmenteringsflaggor.
- Klicka på Vid pendown-banor i segmenteringsmetoder.
Obs: Alla dessa justeringar för standardläget gjordes för att förbättra analysen av den kinesiska handskriften.
4. Parameterberäkning
- Kör programvaran, välj ämnena i " ", och klicka på Handskriftsförsök.
- Använd spårningssystemet och spåra handskriftsprocessen och slagordningen för " " steg för steg.
- Hitta segmenteringen av stroke #3 i " " och läs upp "Genomsnittlig absolut hastighet" i "extraherade data".
Obs: Handskriftsanalysprogramvaran beräknar automatiskt "Genomsnittlig absolut hastighet" för varje segmentering.
VARNING: Slaglängd #3 i " " är en horisontell rörelse (från vänster till höger) på pennspetsen som är kortare än tecken 1 och tecken 5 ( figur1A). - Hitta segmenteringen av stroke #4 av " " och läs ur "Genomsnittlig absolut hastighet" i "extraherade data".
VARNING: Slaglängd #4 av " " är en vertikal rörelse (uppifrån och ned) på pennspetsen som är kortare än tecken 2 ( bild1). - Läs "Penntrycket" för varje segmentering i "extraherade data" och få ett "genomsnittligt penntryck" på " ".
OBS: Handskriftsanalysprogramvaran beräknar automatiskt "Genomsnittligt penntryck" för varje segmentering. - Kör programvaran, välj ämnena i " ", och klicka på Handskriftsförsök.
- Använd spårningssystemet och spåra handskriftsprocessen och linjeordningen för signaturen steg för steg.
- Hitta segmenteringen av linjen mellan tecknen och läs upp "Absolut storlek" och "Väglängd" i "extraherade data ".
- Få tortuositeten i luftlängden i segmenteringen mellan tecken enligt ekvationen.
Obs: Segmenteringen av linjen mellan tecknen var en segmentering i luften (figur 2).- Beräkna tortuositeten i luftlängd: 1-absolut storlek/väglängd %.
OBS: Tortuositet, definierad av förhållandet mellan båglängden och det euklidiska avståndet mellan ändpunkterna, är ett mått på krökning och indexerar därför jämnheten hos en specifik skrivutgång20. En mycket tortuous kurva har flera böjar eller kurvor, medan en låg tortuous kurva är en med relativt breda slingor / kurvor och mer rakhet.
VARNING: De flesta kinesiska namn består av två eller tre tecken. Om signaturen har två tecken finns det bara en segmentering av linjen mellan tecknen. Om signaturen har tre tecken finns det två linjesegmenteringar mellan tecken. Tortuositet i luftlängden i segmenteringen mellan tecken skulle vara ett genomsnittsvärde.
- Beräkna tortuositeten i luftlängd: 1-absolut storlek/väglängd %.
5. Statistisk analys
- Utvärdera gruppskillnader med hjälp av en deltagarest-test. Ett P-värde under 0,05 ansågs vara statistiskt signifikant. Genomföra alla statistiska analyser med hjälp av SPSS 22.0 statistiska programvarupaket.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De demografiska uppgifterna för försökspersonerna visade att alla grupper matchade bra i ålder, kön, utbildningsnivå, dominerande hand och andra parametrar.
Som visas i tabell 1, under skrivandet av den kinesiska karaktären " ", uppvisade äldre ämnen med MCI en lägre genomsnittlig absolut hastighet på #3 (2,46 ± 0,40 vs 1,82 ± 0,55, P = 0,001) och #4 slag (2,61 ± 0,46 jämfört med 1,93 ± 0,50, P < 0,001) och ett högre genomsnittligt penntryck (237,43 ± 39,77 jämfört med 281,99 ± 37,70, P = 0,001) jämfört med friska äldre försökspersoner. Under undertecknandet av kinesiska namn uppvisade de äldre försökspersonerna med MCI dessutom en högre tortuositet i luftlängd i segmenteringar mellan karaktärerna jämfört med de friska äldre försökspersonerna (12,57 ± 6,96 jämfört med 31,66 ± 7,53, P < 0,001).
Figur 1: Kinesisk karaktär " " skrivet i programvaran. (A). Det kinesiska tecknet " " med endast de segmenteringar på skärmen som ställts ut. De röda cirklarna är början och ändarna av segmenteringarna. De blå linjerna är segmenteringsspåren på skärmen. (B). Det kinesiska tecknet " " med både segmenteringarna i luften och på skärmen utställda. De blå linjerna är segmenteringsspåren på skärmen. De grå linjerna är segmenteringsspåren i luften. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 2: Kinesiska underskrifter av friska äldre försökspersoner och äldre personer med MCI. (A). Den kinesiska signaturen 
" " (ett ämne för den friska äldre gruppen) med endast de segmenteringar på skärmen som ställts ut. De röda cirklarna är början och ändarna av segmenteringar. De blå linjerna är segmenteringsspåren på skärmen. (B). Den kinesiska signaturen " " (ett ämne för den friska äldre gruppen) med både segmenteringar i luften och på skärmen uppställda. De blå linjerna är segmenteringsspåren på skärmen. De grå linjerna är segmenteringsspåren i luften. De röda områdena betonar segmenteringarna i luftens längd mellan tecken (tortuositet = 5,34 %). Det vänstra området är segmenteringen mellan " 
" och " " 
(absolut storlek = 2,2226; väglängd = 2,4658; tortuositet = 9,98 %). Det högra området är segmenteringen mellan " " och " " 
(absolut storlek = 2,9607; väglängd = 2,9821; tortuositet = 0,71 %). (C). Den kinesiska signaturen 
" " (ett ämne för äldre med MCI-grupp) med endast de segmenteringar på skärmen som ställts ut. De röda cirklarna är början och ändarna av segmenteringarna. De blå linjerna är segmenteringsspåren på skärmen. (D). Den kinesiska signaturen " " (ett ämne för äldre med MCI-grupp) med både segmenteringar i luften och i skärmen. De blå linjerna är segmenteringsspåren på skärmen. De grå linjerna är segmenteringsspåren i luften. Det röda området betonar segmenteringarna i luften mellan tecken (absolut storlek = 1.2100; väglängd = 1.7072; tortuositet = 29.12%). Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
| Friska äldre | Äldre med MCI | P-värde | |
| N=20 | N=20 | ||
| Kön (man/kvinna) | 10/10 | 8/12 | 0.74 |
| Ålder (år) | 69.70±4.51 | 70.39±3.42 | 0.602 |
| Dominerande hand (höger%) | 100 | 100 | |
| Utbildning (år) | 9.60±3.72 | 8.22±3.30 | 0.237 |
| MMSE (poäng) | 28.90±0.79 | 26.33±0.77 | <0.001 |
|
Genomsnittlig absolut hastighet på 3" slaglängd " "
|
2.46±0.40 | 1.82±0.55 | 0.001 |
|
Genomsnittlig absolut hastighet på 4" slaglängd " "
|
2.61±0.46 | 1.93±0.50 | <0.001 |
|
Genomsnittligt penntryck på " "
|
237.43±39.77 | 281.99±37.70 | 0.001 |
| Tortuositet i luftlängd "Signatur" (%) | 12.57±6.96 | 31.66±7.53 | <0.001 |
| MCI: Mild kognitiv svikt | |||
| Karaktär 3 " " är en horisontell rörelse. |
|||
| Tecken 4 " " är en vertikal rörelse. |
|||
Tabell 1: Demografiska analysdata och handskriftsanalysuppgifter för försökspersoner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De kritiska stegen i protokollet bekräftar läsbarheten av " ". I detalj, inom ett helt tecken, måste #3-linjen vara kortare än de andra horisontella linjeerna, och #4-linjen måste vara kortare än #2-linjen. Mer specifikt behövs mer uppmärksamhetsresurser under skrivandet av #3-slaget och #4 slag6,12, och båda slag har en liknande längdgräns. En olämplig slaglängd kan ha gett upphov till en partiskhet i detektion av hastighet.
Programvaran med digitizer-skärmen är en online-programvara för datainsamling utan en blyertspappersliknande form. För att börja och sluta skriva behövde försökspersonerna följa forskarnas instruktioner eller de manande instrumenten. Dessa uttryckliga villkor kan vara stressfaktorer för ämnen, distrahera deras uppmärksamhetsresurser och påverka handskriftens prestanda. Felsökningen av denna metod är ännu allvarligare hos patienter från landsbygdsområden som inte är bekanta med elektroniska enheter. Tillräckligt med uppvärmningstid kan vara till hjälp. Ett annat sätt att minimera effekterna av denna begränsning är att placera ett pappersark ovanpå digitizern. Dessutom kan enheter som kan samla in off-line-data med pennpappersliknande former, till exempel Smartpen plus Livescribe notebook, vara en annan ändring. Såvitt vi vet kommer data från MovAlyzeR-programvara och Smartpen att vara kompatibla inom en snar framtid.
För det första, eftersom det primära fokuset låg på den dynamiska analysen av handskrift, inkluderades inte statiska parametrar, såsom teckenbredd och höjd, och analyserades i den aktuella studien. Egentligen har " " " bekräftats som en bra skrivuppgift för att upptäcka mikrografi i PD12. För det andra valde vissa forskare att begränsa karaktärens storlek under handskriftsuppgiften (t.ex. 1 cm, 2 cm och 4 cm i amplitud)19. Som har hittats kräver ämnen mer tid att skriva i en mindre amplitud i förhållande till en större. En bestämd amplitud sattes inte i denna studie medan formen på kinesiska tecken kan vara en implicit gräns för en viss stroke.
Vår kännedom om detta är den första studien av en digital handskriftsanalys för förenklade kinesiska karaktärsanvändare. Fler handskriftsuppgifter om förenklade kinesiska tecken kan användas för att hitta kognitiva underskott och motoriska dysfunktioner hos patienter med neuropsykiatriska störningar.
En digital handskriftsanalys kan komplettera traditionella kognitiva tester av pennpapper, till exempel Trail-Making Test, MMSE, Montreal Cognitive Assessment och andra17,22. Att analysera handskriftsfunktioner under ett kognitivt test är ett nytt paradigm för motor kognitiva dubbla uppgifter23. Denna metod kan vara till hjälp för att diagnostisera motor kognitiv risk syndrom och cerebral liten fartygssjukdom.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Vi tackar professor Hans-Leo Teulings från Neuroscript LLD för det digitala teknikstödet.
Denna studie stöddes av Wu Jieping Foundation (anslag nr: 320.6750.18456).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Microsoft | Surface Pro 2 | computer | |
| MovAlyeR | 3.4 | software | |
| WACOM | Cintiq | digitizer |
References
- Werner, P., et al. Handwriting process variables discriminating mild Alzheimer's disease and mild cognitive impairment. Journals of Gerontology. 61 (4), 228-236 (2006).
- Kawa, J., et al. Spatial and dynamical handwriting analysis in mild cognitive impairment. Computers in Biology and Medicine. 82, 21-28 (2017).
- De Paula, J. J., et al. Impairment of fine motor dexterity in mild cognitive impairment and Alzheimer's disease dementia: association with activities of daily living. Revista Brasilra De Psiquiatria. 38 (3), 235-238 (2016).
- Takehiko, D., et al. Combined effects of mild cognitive impairment and slow gait on risk of dementia. Experimental Gerontology. 110, 146-150 (2018).
- Impedovo, D., et al. Dynamic handwriting analysis for the assessment of neurodegenerative diseases: a pattern recognition perspective. IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 12, 209-220 (2019).
- Yu, N. Y., et al. Characterization of the fine motor problems in patients with cognitive dysfunction - A computerized handwriting analysis. Human Movement Science. 65 (17), 30841-30842 (2019).
- Zhou, J., et al. Characteristics of agraphia in Chinese patients with Alzheimer's disease and amnestic Mild Cognitive Impairment. Chinese Medical Journal. 129 (13), 1553-1557 (2016).
- Rosenblum, S., et al. Handwriting process variables among elderly people with mild major depressive disorder: a preliminary study. Aging Clinical & Experimental Research. 22 (2), 141-147 (2010).
- Caligiuri, M. P., et al. Signature dynamics in Alzheimer's disease. Forensic Science International. 302, 109880 (2019).
- Thomas, M., et al. Handwriting analysis in Parkinson's disease: current status and future directions. Movement Disorders Clinical Practice. 4 (6), 806-818 (2017).
- Leung, S. C., et al. A comparative approach to the examination of Chinese handwriting-The Chinese character. Journal of the Forensic Science Society. 25, 255-267 (1985).
- Ma, H. I., et al. Progressive micrographia shown in horizontal, but not vertical, writing in Parkinson's disease. Behavioural Neurology. 27 (2), 169-174 (2013).
- Yan, J. H., et al. Alzheimer's disease and mild cognitive impairment deteriorate fine movement control. Journal of Psychiatric Research. 42, 1203-1212 (2008).
- Johnson, B. P., et al. Understanding macrographia in children with autism spectrum disorders. Research in Developmental Disabilities. 34 (9), 2917-2926 (2013).
- Afonso, O., et al. Writing difficulties in Alzheimer's disease and Mild Cognitive Impairment. Reading and Writing. 32 (1), 217-233 (2019).
- Drotár, P., et al. Evaluation of handwriting kinematics and pressure for differential diagnosis of Parkinson's disease. Artificial Intelligence in Medicine. 67, 39-46 (2016).
- Garre-Olmo, J., et al. Kinematic and pressure features of handwriting and drawing: preliminary results between patients with mild cognitive impairment, Alzheimer disease and healthy controls. Current Medicinal Chemistry. 14, 960-968 (2017).
- Cohen, J., et al. Digital clock drawing: differentiating "thinking" versus "doing" in younger and older adults with depression. Journal of the International Neuropsychological Society. 20 (9), 920-928 (2014).
- Rosenblum, S., et al. Handwriting as an objective tool for Parkinson's disease diagnosis. Journal of Neurology. 260 (9), 2357-2361 (2013).
- Grace, N., et al. Do handwriting difficulties correlate with core symptomology, motor proficiency and attentional behaviours. Journal of Autism and Developmental Disorders. 47 (4), 1-12 (2017).
- Petersen, R. C. Mild cognitive impairment as a diagnostic entity. Journal of Interactive Marketing. 256 (3), 183-194 (2004).
- Ishikawa, T., et al. Handwriting features of multiple drawing tests for early detection of Alzheimer's Disease: A preliminary result. Studies in Health Technology and Informatics. 264, 168-172 (2019).
- Herold, F., et al. Thinking while moving or moving while thinking-concepts of motor-cognitive training for cognitive performance enhancement. Frontiers in Aging Neuroscience. 10, 228 (2018).
