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Medicine

Análise de Caligrafia Digital de Personagens em Pacientes Chineses com Prejuízo Cognitivo Leve

doi: 10.3791/61841 Published: March 11, 2021
* These authors contributed equally

Summary

Este estudo propôs uma análise de caligrafia digital de personagens em indivíduos com prejuízo cognitivo leve para encontrar mais informações do que é revelada pela análise tradicional de caligrafia lápis-papel.

Abstract

Uma quantidade crescente de evidências mostra que déficits cognitivos e disfunções de movimento não são separados. Pacientes com prejuízo cognitivo leve (IMC) podem manifestar distúrbios motores finos das extremidades superiores. A caligrafia é uma atividade humana complexa e única que envolve coordenação motora e cognitiva. Pesquisadores de países ocidentais descobriram que pacientes com IMC têm características de caligrafia anormais. No entanto, nenhum estudo relevante foi realizado na população chinesa. Devido ao fenômeno transcultural da caligrafia, o objetivo deste estudo é encontrar novas tarefas de caligrafia para demonstrar as diferenças nas características da caligrafia entre pacientes idosos com IMC e indivíduos saudáveis com idade compatível.

Introduction

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O prejuízo cognitivo leve (IMC) é considerado como uma fase cognitiva transitória, mas progressivamente degenerativa, que precede o aparecimento da doença de Alzheimer (DA)1. Foi relatado que a taxa de progressão de AD por ano é de 15%, enquanto quase 75% dos casos moderados e graves de IMC podem permanecer não diagnosticados2. Estudos recentes têm relatado que pacientes com IMC têm dificuldade em alguns aspectos de tarefas motoras finas3, e aqueles pacientes que apresentaram distúrbios motores, como marcha lenta, apresentaram alto risco de demência4.

A caligrafia é uma atividade humana complexa que implica uma intrincada mistura de componentes cognitivos, cinestésicos e perceptivos-motores, incluindo percepção visual e cinestésica, planejamento motor, coordenação olho-mão, integração visual-motora, destreza e habilidades manuais1. A análise da caligrafia tem sido utilizada para detectar disfunções cognitivas e motoras em muitos tipos de doenças neurodegenerativas, como da DA e da Doença de Parkinson (DP)5. Além disso, alguns aspectos dos problemas de caligrafia têm sido relatados como indicadores para o IMC e relacionados à progressão da doença6. Como a maioria da população usa a linguagem, estudos que investigam a análise da caligrafia em falantes chineses (especialmente caracteres chineses simplificados) ainda carecem.

Houve vários artigos que investigaram anormalidades de caligrafia ou "agrafia" em indivíduos com IMC. Por exemplo, utilizando os métodos tradicionais de lápis-papel, Zhou e colegas tentaram revelar as distintas habilidades de escrita entre pacientes com IMC e indivíduos sem IMC. As diferenças entre os grupos não eram óbvias, com exceção dos erros de escrita7. Kawa et al. encontraram características de caligrafia em pacientes com MCI usando uma caneta inteligente, que poderia analisar dinamicamente o curso e a velocidade da caneta durante a escrita2. O hardware WACOM e o software MovAlyzeR podem detectar informações mais em tempo real em comparação com métodos tradicionais de lápis e papel e métodos de papel smartpen. Portanto, dados dinâmicos de caligrafia, como pressão de pen-down, velocidade, aceleração e empurrão, têm sido encontrados como um novo foco de análise de caligrafia em relação a dados estáticos, como tamanho da letra e espaço entre as palavras2.

No entanto, outro fenômeno que não pode ser negligenciado é o efeito transcultural da caligrafia. Os sistemas de escrita de diferentes nações nem sempre são os mesmos (por exemplo, as letras em inglês são escritas da esquerda para a direita enquanto as letras hebraicas são escritas da direita para a esquerda)8. Nesta edição, mesmo as revisões confirmaram a eficácia da análise da caligrafia9,10 em línguas alfabéticas, e a ampla distância entre caracteres chineses e letras ocidentais tem dificultado a capacidade de intercâmbio da análise da caligrafia nos métodos e resultados11 desses estudos.

Existem várias grandes diferenças entre as línguas ocidentais (por exemplo, inglês) e o chinês. Primeiro, há muito mais movimentos horizontais da ponta da caneta durante a escrita de caracteres chineses em comparação com a letraescrita 12. Em segundo lugar, ao contrário da linguagem do alfabeto, que está associada a fonemas, o chinês é considerado logográfico7. Como resultado, a maioria dos caracteres chineses tem sua própria ordem de traçado única, e a largura e altura dos traços precisam ser estritamente limitadas. Caso contrário, larguras e alturas ilimitadas podem causar maior ilegibilidade11 (" Equation 1 e " são Equation 2 caracteres chineses completamente diferentes. Além disso, " Equation 3 ", " e " são Equation 4 Equation 5 diferentes caracteres chineses).

Equation 6" (pronuncia-se "Zheng") é um personagem típico, simples e comumente usado chinês que quase todos os falantes chineses com um nível educacional de dois anos podem ler e escrever. Foi selecionado como uma tarefa de escrita em estudos de análise de caligrafia chinêsanteriores 6,12. Os pesquisadores decidiram usar Equation 6 " como a tarefa de escrita porque é "quadrado-like" e composto de cinco traços, todos os quais são horizonais (#1, #3, #5 traçado, da esquerda para a direita) ou vertical(#2, #4 traçado, de cima para baixo) (Figura 1). De acordo com muitos estudos motores finos, cumprir o traçado #3(horizonal) e o traçado #4 (vertical) requer movimentos puros de pulso e dedo,respectivamente 6,12,13. Como resultado, a velocidade de derrame de ambos os tempos pode ser uma manifestação adequada14.

Além disso, a pressão da caneta durante a caligrafia é um recurso de caligrafia que tem sido mostrado para superar outras características cinemáticas na reflexão do controle do motor5,15. No entanto, não há estudos relevantes em pacientes chineses, embora os resultados positivos tenham sido confirmados por grupos de pesquisa da República Tcheca, Espanha, Israel e outros países8,16,17.

A assinatura tem sido comumente usada como tarefa de caligrafia em inúmeros estudos5. Em geral, uma assinatura requer pouco pensamento ou tempo no ar18. "No ar" é definido como quando a pressão da ponta da caneta para a tela é 0 durante a caligrafia, e "tempo no ar" é a soma do tempo "no ar" durante a caligrafia. Indivíduos que sofrem de muitas doenças neuropsiquiátricas podem ter déficits no controle psicomotor e, assim, apresentam aumento do tempo no ar da assinatura. Por exemplo, Rosenblum et al. descobriram que pacientes israelenses com depressão e doença de Parkinson apresentaram maior tempo no ar em comparação com controles saudáveis durante a escrita de seu próprio nome em hebraico8,19. Como os caracteres chineses têm sua própria forma, neste estudo, decidiu-se usar a tortuosidade no ar na segmentação entre personagens durante a escrita do nome como um parâmetro indicativo potencial. A tortuosidade, definida pela razão do comprimento do arco com a distância euclidiana entre os pontos finais, é uma medida de curvatura e, portanto, indexa a suavidade de uma produção de escrita específica20.

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Protocol

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Nosso estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética Acadêmica da Divisão de Ciências Biológicas do Hospital Geral do PLA chinês em Pequim, China.

1. Aspectos gerais do desenvolvimento de métodos

  1. Use um digitalizador USB (por exemplo, Wacom Cintiq Pro 16) e uma caneta de caneta portátil para os movimentos da caligrafia. As especificações detalhadas do digitalizador são as seguintes: dimensões externas (largura x profundidade x altura) 410 x 265 x 17,5 mm, resolução espacial 3840 x 2160 pontos, tamanho do pixel 0,090 x 0,090 mm, resolução temporal de 30 ms, e nível de pressão de 8.192.
  2. Conecte um PC portátil ao digitalizador para coletar e exibir os traços da caligrafia.
  3. Use um software (por exemplo, Neuroscript MovAlyzeR) para registro, processamento e análise de dados.
  4. Critérios de inclusão/exclusão do paciente
    1. Recrute os participantes do MCI que apresentem uma queixa de memória, uma função de memória objetivamente prejudicada, atividades intactas da vida diária e ausência de demência21. Além disso, eles devem ter o nível educacional de mais de 2 anos de escola preliminar na China continental, caso contrário, eles podem ter dificuldade em escrever caracteres chineses.
    2. Exclua os participantes que têm deficiência visual e superior óbvia.

2. Tarefa de caligrafia

  1. Execute o software e uma caneta stylus não insing.
  2. Crie um exemplo de caracteres chineses na área de escrita do digitalizador (ver Figura 1).
  3. Permita que os sujeitos posicionem a área de escrita em uma posição confortável.
  4. Permita que os sujeitos escrevam sobre a área de escrita e acomode a caneta e a superfície da área de escrita.
  5. Defina a taxa de amostragem no software em 200 Hz.
  6. Instrua os sujeitos a escrever seu nome em chinês com a mão dominante.
    NOTA: Uma assinatura em versão cursiva ou impressa é aceitável, como o sujeito desejava.
  7. Instrua os sujeitos a escrever o caractere chinês " Equation 6 (pronuncia-se "Zheng") com a mão dominante.
    NOTA: O caractere chinês " Equation 6 " em uma versão impressa é aceitável.
    1. Lembre os assuntos para escrever em uma versão impressa antes de começar a caligrafia.
      NOTA: Certifique-se de que o sujeito se senta e escreve em uma posição vertical.
  8. Mantenha as instruções visíveis durante cada teste.
    1. Repita o teste de caligrafia três vezes.
    2. Se o personagem " Equation 6 estava escrito na ordem de derrame errado, pare o julgamento e trace e mostre ao sujeito como escrever o personagem na ordem correta do golpe.
    3. Se alguma hesitação foi derivada de uma falta de conhecimento, pare o julgamento e mostre ao sujeito como escrever o personagem corretamente.

3. Análise de dados

  1. Executar o software; clique com o botão direito do mouse em Experimentar e selecione Propriedades.
  2. Selecione Processamentoe selecione Segmentação.
  3. Clique em Adicionar primeira segmentação de qualquer forma, Adicionar a última segmentação de qualquer formae mover ponto de segmentação para pendown mais próximo se em um penlift em Bandeiras de Segmentação.
  4. Clique em Em trajetórias de pendown em Métodos de Segmentação.
    NOTA: Todos esses ajustes para o modo padrão foram feitos para melhorar a análise da caligrafia chinesa.

4. Cálculo do parâmetro

  1. Execute o software, selecione os sujeitos em " Equation 6 ", e clique em Handwriting Trials.
  2. Use o sistema de rastreamento e rastreie o processo de caligrafia e a ordem de traçado de Equation 6 " passo a passo.
  3. Encontre a segmentação do traçado #3 de Equation 6 " e leia a "Velocidade Absoluta Média" em "dados extraídos".
    NOTA: O software de análise de caligrafia calculará automaticamente a "Velocidade Absoluta Média" de cada segmentação.
    CUIDADO: O AVC #3 de Equation 6 " é um movimento horizontal (da esquerda para a direita) da ponta da caneta que é menor que o Caractere 1 e o Caractere 5(Figura 1A).
  4. Encontre a segmentação do traçado #4 de Equation 6 " e leia a "Velocidade Absoluta Média" nos "dados extraídos".
    CUIDADO: O AVC #4 de Equation 6 " é um movimento vertical (de cima para baixo) da ponta da caneta que é menor que o Caractere 2(Figura 1).
  5. Leia a "Pressão da Caneta" de cada segmentação nos "dados extraídos" e obtenha uma "Pressão média da caneta" de " Equation 6 ".
    NOTA: O software de análise de caligrafia calculará automaticamente a "Pressão média da caneta" de cada segmentação.
  6. Execute o software, selecione os sujeitos em " Equation 6 ", e clique em Handwriting Trials.
  7. Usando o sistema de rastreamento, rastreie o processo de caligrafia e a ordem de curso da assinatura passo a passo.
  8. Encontre a segmentação do traçado entre os caracteres e leia o "Tamanho Absoluto" e " Comprimento daEstrada" nos "dados extraídos".
  9. Obtenha a tortuosidade de comprimento no ar na segmentação entre caracteres de acordo com a equação.
    NOTA: A segmentação do traçado entre os caracteres foi uma segmentação no ar(Figura 2).
    1. Calcule a tortuosidade do comprimento do ar: 1-Tamanho Absoluto/Comprimento da Estrada %.
      NOTA: A tortuosidade, definida pela razão do comprimento do arco com a distância euclidiana entre os pontos finais, é uma medida de curvatura e, portanto, indexa a suavidade de uma saída de escrita específica20. Uma curva altamente tortuosa tem várias curvas ou curvas, enquanto uma curva tortuosa baixa é uma com laços/curvas relativamente largas e mais retidão.
      ATENÇÃO: A maioria dos nomes chineses são compostos de dois ou três caracteres. Se a assinatura tiver dois caracteres, há apenas uma segmentação de traçado entre caracteres. Se a assinatura tiver três caracteres, há duas segmentações de traçado entre caracteres. A tortuosidade no ar na segmentação entre caracteres seria um valor médio.

5. Análise estatística

  1. Avalie as diferenças de grupo usando o teste tde um aluno. Um valor P inferior a 0,05 foi considerado estatisticamente significante. Realizar todas as análises estatísticas utilizando o pacote de software estatístico SPSS 22.0.

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Representative Results

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Os dados demográficos dos sujeitos demonstraram que todos os grupos combinavam bem em idade, sexo, escolaridade, mão dominante e outros parâmetros.

Como mostrado na Tabela 1, durante a escrita do personagem chinês " Equation 6 ", os idosos com MCI exibiram uma velocidade absoluta média menor do número3 (2,46 ± 0,40 vs 1,82 ± 0,55, P = 0,001) e #4 traçado (2,61 ± 0,46 vs 1,93 ± 0,50, P < 0,001) e maior pressão média da caneta (237,43 ± 39,77 vs 281,99 ± 37,70, P = 0,001) em comparação com idosos saudáveis. Além disso, durante a assinatura de nomes chineses, os idosos com IMC apresentaram maior tortuosidade no ar nas segmentações entre os personagens em comparação com os idosos saudáveis (12,57 ± 6,96 vs 31,66 ± 7,53, P < 0,001).

Figure 1
Figura 1: Caractere chinês " Equation 6 ", escreveu no software. (A). O personagem chinês " Equation 6 " com apenas as segmentações na tela exibidas. Os círculos vermelhos são os começos e extremidades das segmentações. As linhas azuis são os traços de segmentação na tela. (B). O personagem chinês " Equation 6 " com as segmentações no ar e na tela exibidas. As linhas azuis são os traços de segmentação na tela. As linhas cinzentas são os traços de segmentação no ar. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Assinaturas chinesas de idosos saudáveis e idosos com IMC. (A). A assinatura chinesa Equation 7 " (um assunto do grupo de idosos saudáveis) com apenas as segmentações na tela exibidas. Os círculos vermelhos são o início e o fim das segmentações. As linhas azuis são os traços de segmentação na tela. (B) A assinatura chinesa Equation 7 " (um assunto do grupo de idosos saudáveis) com segmentações tanto no ar quanto na tela exibidas. As linhas azuis são os traços de segmentação na tela. As linhas cinzentas são os traços de segmentação no ar. As áreas vermelhas enfatizam as segmentações de comprimento no ar entre os caracteres (tortuosidade = 5,34%). A área esquerda é a segmentação entre Equation 8 " e Equation 9 " (tamanho absoluto = 2,2226; comprimento da estrada = 2,4658; tortuosidade = 9,98%). A área certa é a segmentação entre " Equation 9 e Equation 10 " (tamanho absoluto = 2,9607; comprimento da estrada = 2,9821; tortuosidade = 0,71%). (C). A assinatura chinesa Equation 11 " (um assunto dos idosos com grupo MCI) com apenas as segmentações na tela exibidas. Os círculos vermelhos são os começos e extremidades das segmentações. As linhas azuis são os traços de segmentação na tela. (D) A assinatura chinesa Equation 11 " (um assunto dos idosos com grupo MCI) com segmentações tanto no ar quanto na tela exibidas. As linhas azuis são os traços de segmentação na tela. As linhas cinzentas são os traços de segmentação no ar. A área vermelha enfatiza as segmentações de comprimento no ar entre os caracteres (tamanho absoluto = 1,2100; comprimento da estrada = 1,7072; tortuosidade = 29,12%). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Idosos Saudáveis Idosos com MCI Valor P
N=20 N=20
Gênero (masculino/feminino) 10/10 8/12 0.74
Idade (anos) 69,70±4,51 70.39±3.42 0.602
Mão dominante (Direita%) 100 100
Educação (anos) 9.60±3.72 8.22±3.30 0.237
MMSE (pontuação) 28.90±0.79 26.33±0.77 <0.001
Velocidade absoluta média de 3# curso de " Equation 6 " 2.46±0.40 1,82±0,55 0.001
Velocidade absoluta média de 4# curso de " Equation 6 " 2.61±0.46 1.93±0,50 <0.001
Pressão média da caneta de " Equation 6 " 237,43±39,77 281,99±37,70 0.001
Tortuosidade em comprimento de ar "Assinatura" (%) 12.57±6.96 31,66±7,53 <0.001
MCI: Prejuízo cognitivo leve
Personagem 3 " Equation 6 é um movimento horizontal.
O personagem 4 " Equation 6 é um movimento vertical.

Tabela 1: Dados demográficos e de análise de caligrafia dos sujeitos.

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Discussion

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Os passos críticos no protocolo confirmam a legibilidade de " Equation 6 ". Em detalhes, dentro de um personagem inteiro, o traçado #3 precisa ser mais curto do que os outros traços horizontais, e o traçado #4 precisa ser mais curto que o traçado #2. Mais especificamente, mais recursos atencionais são necessários durante a escrita do traçado #3 e #4 traçado6,12, e ambos os traços têm um limite de comprimento semelhante. Um comprimento de derrame inapropriado pode ter dado origem a um viés na detecção de velocidade.

O software com a tela digitalizadora é um software de coleta de dados on-line sem uma forma de papel lápis. Para iniciar e parar de escrever, os sujeitos precisavam seguir as instruções dos pesquisadores ou os instrumentos de solicitação. Essas condições explícitas podem ser estressores para os sujeitos, distraindo seus recursos atencionais e afetando o desempenho da caligrafia. A solução de problemas desse método é ainda mais grave em pacientes de áreas rurais que não estão familiarizados com dispositivos eletrônicos. Tempo suficiente de aquecimento pode ser útil. Outra forma de minimizar os efeitos dessa limitação é colocar uma folha de papel em cima do digitalizador. Além disso, dispositivos que podem coletar dados off-line com formas semelhantes a lápis- papel, como o notebook Smartpen mais Livescribe, podem ser outra modificação. Até onde sabemos, os dados do software MovAlyzeR e do Smartpen serão compatíveis em um futuro próximo.

Primeiro, porque o foco principal foi a análise dinâmica da caligrafia, parâmetros estáticos, como largura e altura do caractere, não foram incluídos e analisados no presente estudo. Na verdade, Equation 6 " foi confirmada como uma boa tarefa de escrita para detectar micrografia em PD12. Em segundo lugar, alguns pesquisadores optaram por limitar o tamanho do personagem durante a tarefa de caligrafia (por exemplo, 1 cm, 2 cm e 4 cm de amplitude)19. Como foi encontrado, os sujeitos requerem mais tempo para escrever em uma amplitude menor em relação a uma maior. Uma amplitude definitiva não foi definida neste estudo, enquanto a forma dos caracteres chineses pode ser um limite implícito para um determinado derrame.

Para nosso conhecimento, este é o primeiro estudo de uma análise de caligrafia digital para usuários de caracteres chineses simplificados. Mais tarefas de caligrafia em relação a caracteres chineses simplificados podem ser usadas para encontrar déficits cognitivos e disfunções motoras em pacientes com distúrbios neuropsiquiátricos.

Uma análise de caligrafia digital pode complementar testes cognitivos tradicionais de lápis e papel, como Teste de Trail-Making, MMSE, Montreal Cognitive Assessment, e outros17,22. Analisar características da caligrafia durante um teste cognitivo é um novo paradigma para tarefas motor-cognitivas duplas23. Este método pode ajudar a diagnosticar a síndrome do risco cognitivo motor e a doença cerebral do pequeno vaso.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Agradecemos ao professor Hans-Leo Teulings, da Neuroscript LLD, pelo suporte à tecnologia digital.

Este estudo foi apoiado pela Fundação Wu Jieping (Grant No.: 320.6750.18456).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Microsoft Surface Pro 2 computer
MovAlyeR 3.4 software
WACOM Cintiq digitizer

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Zhào, H., Zhang, Y., Xia, C., Liu, Y., Li, Z., Huang, Y. Digital Handwriting Analysis of Characters in Chinese Patients with Mild Cognitive Impairment. J. Vis. Exp. (169), e61841, doi:10.3791/61841 (2021).More

Zhào, H., Zhang, Y., Xia, C., Liu, Y., Li, Z., Huang, Y. Digital Handwriting Analysis of Characters in Chinese Patients with Mild Cognitive Impairment. J. Vis. Exp. (169), e61841, doi:10.3791/61841 (2021).

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