張若愚 衛(wèi)珠琴 王麗娜 祁亨年

(湖州師范學(xué)院 1信息工程學(xué)院,浙江 湖州 313000;2護(hù)理學(xué)院)

人口老齡化刺激了與年齡有關(guān)的疾病和精神疾病領(lǐng)域的研究〔1,2〕。統(tǒng)計(jì)顯示,中國(guó)老年人癡呆的患病率2.7%～7.3%,據(jù)報(bào)道,我國(guó)約6 750萬60歲以上老人患有癡呆〔3,4〕。其中,阿爾茨海默病(AD)患者占比最高。目前為止,多數(shù)診斷方法都由醫(yī)生通過血或腦脊液檢測(cè)〔5,6〕、影像學(xué)檢測(cè)〔7〕、電生理檢查(如腦電圖)〔8,9〕、神經(jīng)心理測(cè)驗(yàn)(如簡(jiǎn)易精神狀態(tài)量表)〔10〕等工具輔助進(jìn)行。AD的特征是癥狀逐漸出現(xiàn),并不可逆地下降到接近植物狀態(tài)〔11〕。而輕度認(rèn)知障礙(MCI)被認(rèn)為是癡呆的高危因素,是無癥狀期向癡呆的過渡階段〔12～15〕。我國(guó)65歲以上的老年人,每年大約有20%的老年人患MCI,6年后約80%的人進(jìn)展為癡呆,認(rèn)知正常的老年人患病率僅為1%～2%〔16,17〕。由于一些因素的影響,對(duì)應(yīng)AD的心理測(cè)試的測(cè)評(píng)也是有限的〔18〕。往往在發(fā)病后才會(huì)被發(fā)現(xiàn)和治療,不僅延遲了適當(dāng)?shù)闹委煏r(shí)機(jī)并且增加了醫(yī)療保健的成本〔19〕。因此,迫切需要改進(jìn)目前診斷這些疾病所采用的方法。

書寫是一種復(fù)雜的人類活動(dòng),是認(rèn)知、動(dòng)覺和知覺運(yùn)動(dòng)成分的復(fù)雜混合〔20〕,其中包括了視覺和動(dòng)覺感知、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、眼手協(xié)調(diào)、視覺運(yùn)動(dòng)整合、靈活性和手動(dòng)技能〔21〕。有證據(jù)表明,一個(gè)人健康與否可以通過其對(duì)簡(jiǎn)單書寫活動(dòng)的完成能力來進(jìn)行區(qū)分〔22〕。書寫的獨(dú)特性能表示,一些受認(rèn)知性疾病影響而產(chǎn)生的書寫筆跡差異有可能為這些疾病的診斷提供一些依據(jù)。早在1907年,Alois Alzheimer在首例AD患者中就發(fā)現(xiàn)其存在嚴(yán)重的書寫困難〔23〕。事實(shí)上,早期的研究試圖解開神經(jīng)退行性疾病和書寫能力之間的聯(lián)系,且這些研究已經(jīng)檢測(cè)到AD患者有輕微運(yùn)動(dòng)功能障礙〔24,25〕,其中最常見的異常是動(dòng)作移動(dòng)較慢等〔26〕。

目前為止,大多數(shù)筆跡在AD與MCI方面的研究是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和心理學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行的,這些領(lǐng)域通常使用統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)方法來尋找病人筆跡中有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的特征〔27〕。除此之外,在計(jì)算機(jī)和人工智能等領(lǐng)域也有針對(duì)AD與MCI患者筆跡的研究,主要使用各類算法來進(jìn)行筆跡特征的篩選與分類模型〔28〕的構(gòu)建。本文就筆跡分析輔助AD和MCI診斷的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 數(shù)據(jù)采集和常用特征

早期,AD與MCI患者的筆跡分析利用傳統(tǒng)紙筆進(jìn)行數(shù)據(jù)采集〔25,29〕。隨著科技的進(jìn)步,研究人員開始使用數(shù)位板和其配套的壓感筆〔21,24,26,27,30～41〕采集數(shù)據(jù),使用時(shí)通常要在數(shù)位板上鋪一張印有書寫任務(wù)的普通白紙來進(jìn)行視覺反饋。也有研究者選擇使用平板電腦和其配套的觸控筆來采集數(shù)據(jù)〔23〕。近幾年,更貼近日常書寫的智能點(diǎn)陣紙筆也逐漸應(yīng)用于筆跡分析領(lǐng)域〔26〕。

通過數(shù)字采集工具,既可以采集到筆跡的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),如某時(shí)刻的坐標(biāo)位置、壓力、時(shí)間戳等〔15,38,41〕;也可以采集筆跡的靜態(tài)數(shù)據(jù),如筆跡的圖像〔29〕;還可以采集到動(dòng)態(tài)增強(qiáng)的靜態(tài)信息,即通過在筆跡生成過程中附加相應(yīng)的動(dòng)態(tài)信息,獲得不太逼真但更有區(qū)分度的圖像。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前,需要將采集的信息轉(zhuǎn)化為與書寫筆跡相關(guān)的特征,常用的特征類型包括：運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、動(dòng)力學(xué)特征、自定義特征。運(yùn)動(dòng)學(xué)特征主要由時(shí)間類(任務(wù)總時(shí)間、置空時(shí)間、紙上時(shí)間、置空時(shí)間與紙上時(shí)間的比值等〔32,37〕)、空間類(筆劃長(zhǎng)度、行高、行寬等)、速度類(平均速度、速度峰值等)和加速度類(平均加速度、加速度峰值等)特征組成;動(dòng)力學(xué)特征主要由壓力和能量類特征組成;自定義特征主要由自定義的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到,如書寫得分、整齊度、書寫流暢度與錯(cuò)誤率等〔25,27～29,31,35〕。

2 筆跡分析在AD與MCI診斷中的研究方法

通過查閱過去幾十年的研究文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析方法可以分為兩大類。在第一類中,通過評(píng)估選擇的筆跡特征在不同對(duì)照組之間是否存在差異及如何存在差異,或者測(cè)量所考慮的特征與所考慮的病例之間的相關(guān)性,分析了筆跡特征與AD或MCI之間的關(guān)系。這些研究通常使用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的方法進(jìn)行檢測(cè)與分析,如對(duì)人口統(tǒng)計(jì)學(xué)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述、根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)選擇適合的檢驗(yàn)方法〔30〕、計(jì)算相關(guān)系數(shù)來評(píng)估其結(jié)果的統(tǒng)計(jì)顯著性〔21,22,25,28,31,32,34,35〕、通過判別分析〔24,26,32,37〕、被試者工作特征(ROC)曲線分析〔23,27,33,36〕和回歸分析〔23,34〕等來評(píng)估所選特征的有效性。第一類研究中觀察到正常老年對(duì)照組(HC)、MCI組、AD組的健康狀況是依次遞減的。這些結(jié)果普遍支持壓力、紙上時(shí)間、置空時(shí)間等特征有很好的區(qū)分度。而第二類則將選取的筆跡特征作為輸入提供給分類器,使用分類算法來區(qū)分不同被試組。并用準(zhǔn)確率、誤接受率、誤拒絕率等測(cè)評(píng)指標(biāo)對(duì)算法的泛化能力進(jìn)行評(píng)估性〔36,38,41,42〕。

2.1統(tǒng)計(jì)研究 Nan等〔35〕提出通過比較模板模型和書寫筆跡之間的筆劃運(yùn)動(dòng)來評(píng)估MCI和AD患者的精細(xì)運(yùn)動(dòng)問題。書寫運(yùn)動(dòng)任務(wù)包括畫四條直線(垂直、水平和兩條對(duì)角線)以及用簡(jiǎn)單的垂直、水平和對(duì)角線筆劃寫中文詞組。使用每個(gè)筆劃的暫停時(shí)間(PTS)、空中與紙上時(shí)間之比(RAPT)、空中與紙上軌跡長(zhǎng)度之比(RAPL)來描述書寫任務(wù)的動(dòng)作流程性。使用字符大小的變化(CSV)、字符對(duì)齊控制(CAC)、筆劃位置(SPC)、筆劃長(zhǎng)度(SLC)和筆劃方向(SOC)來描述筆跡的準(zhǔn)確性。AD組和MCI組PTS、RAPT與RAPL的增大顯示出其書寫時(shí)的停頓和猶豫,同時(shí)SPC、SLC和SOC在組間的顯著差異體現(xiàn)了其控制筆劃位置方面出現(xiàn)顯著惡化。由此看出AD組和MCI組圖形繪制的準(zhǔn)確性控制顯著低于正常組,且在進(jìn)行書寫時(shí)表現(xiàn)出手腕運(yùn)動(dòng)的困難和不平衡性,這反映了AD和MCI患者書寫所需的精細(xì)運(yùn)動(dòng)控制有所損傷。Schr?ter等〔36〕研究是否可以通過亞臨床強(qiáng)度的書寫運(yùn)動(dòng)功能障礙的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析區(qū)分AD、MCI和抑郁癥。任務(wù)1為用參與者的慣用手盡可能快速流暢地畫出直徑為12 mm的同心疊加圓,持續(xù)30 s;任務(wù)2要求參與者用他們的慣用手盡可能快速流暢地畫出直徑為12 mm的同心疊加圓,同時(shí)用非慣用手執(zhí)行一項(xiàng)額外的分散注意力的任務(wù)(盡可能頻繁地按下計(jì)數(shù)裝置)10 s。使用速度方向發(fā)生變化的次數(shù)(NCV)衡量書寫運(yùn)動(dòng)平滑度。NCV和書寫頻率(每秒的書寫次數(shù))也是運(yùn)動(dòng)自動(dòng)化的指標(biāo)。使用速度的標(biāo)準(zhǔn)差(V-SD)、相對(duì)速度(V-SD與V的比值,V-Rel)作為運(yùn)動(dòng)序列協(xié)調(diào)和規(guī)律的指標(biāo)。此外,還測(cè)算了平均峰值速度(所有沖程的速度峰值的算術(shù)平均值,V)。與對(duì)照組相比,患者組V-Rel和NCV顯著增大。研究的結(jié)果表明,定量運(yùn)動(dòng)筆跡參數(shù)與老年患者的認(rèn)知狀態(tài)有關(guān)。AD患者和MCI患者在自動(dòng)化參數(shù)和運(yùn)動(dòng)順序的規(guī)律性方面不同于正常老年被試者。Müller等〔37〕使用數(shù)字化平板電腦采集被試者繪制三維房屋時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息。選擇置空時(shí)間、紙上時(shí)間、總時(shí)間作為目標(biāo)變量。對(duì)目標(biāo)變量使用ROC曲線測(cè)試其對(duì)對(duì)照組和患者組的診斷準(zhǔn)確性,并用邏輯回歸分析評(píng)估其效用。發(fā)現(xiàn)紙上時(shí)間僅在HCs和早期AD患者之間存在差異,而在HC和遺忘型MCI(aMCI)組之間沒有差異。此外,總時(shí)間在aMCI患者和早期AD患者之間沒有差異。結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)學(xué)在區(qū)分MCI組與正常老年對(duì)照組之間具有極好的敏感性和中度特異性,在區(qū)分輕度AD組和正常老年對(duì)照組方面具有極好的敏感性和特異性。Garre-Olmo等〔38〕是比較AD組、MCI組和正常老年對(duì)照組書寫和繪畫的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,并用年齡、壓力、置空時(shí)間、速度、加速度、復(fù)雜度等特征區(qū)分三組被試者的筆跡。任務(wù)為：抄寫一句話、聽寫一個(gè)句子和自發(fā)性寫一個(gè)句子;復(fù)制二維和三維圖畫;執(zhí)行時(shí)鐘繪圖測(cè)試。通過判別分析探討了所選運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的價(jià)值,以便根據(jù)參與者的認(rèn)知功能程度對(duì)參與者進(jìn)行分類。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于壓力和運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量的判別分析,在區(qū)分對(duì)照組和認(rèn)知受損組(包含AD組和MCI組)時(shí)特異性較高,在區(qū)分認(rèn)知水平受損時(shí)敏感性較高。作者認(rèn)為,書寫和繪圖的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征是對(duì)臨床評(píng)估認(rèn)知障礙患者的一個(gè)有用且客觀的補(bǔ)充。Delazer等〔39〕為了評(píng)估AD與正常老化在書寫運(yùn)動(dòng)特征上的差異,闡明AD書寫缺陷,執(zhí)行按字母順序排列和非按字母順序排列的書寫任務(wù)分別是：①聽寫句子;②寫連續(xù)的字母L;③快速的重復(fù)上下筆劃;④固定手的位置,僅運(yùn)動(dòng)手指,快速重復(fù)上下筆劃;⑤快速畫直徑約5 cm的圈。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析顯示AD組和對(duì)照組在大多數(shù)參數(shù)上有顯著差異。有61% AD患者出現(xiàn)書寫困難,如遺漏、替換字母或字形不工整。字母書寫時(shí),患者的動(dòng)作流暢度較低,在紙上的書寫速度較低,上下筆劃的頻率也較低。亞組分析顯示,除書寫壓力外,圖形患者與對(duì)照組在所有測(cè)量上均有顯著差異。說明寫作障礙不是單方面引起的,更是由多種因素所引起。在Yan等〔40〕的研究中,四種書寫模式按此順序執(zhí)行：①需要手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的上下垂直運(yùn)動(dòng);②主要要求腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的左右水平運(yùn)動(dòng);③向前傾斜;④向后傾斜的動(dòng)作,需要手指和手腕的協(xié)調(diào)動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)時(shí)間和平滑度(位移的三階導(dǎo)數(shù),反映了運(yùn)動(dòng)的平滑性),可以提供關(guān)于手指和手腕運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性信息。作者發(fā)現(xiàn)MCI組的運(yùn)動(dòng)速度比AD快13%左右。正常老年對(duì)照組在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行上比MCI組平滑約45%,MCI組比中度認(rèn)知障礙者平滑約25%。與對(duì)照組相比,AD和MCI組表現(xiàn)出更慢、更不流暢、更不協(xié)調(diào)和更不一致的書寫運(yùn)動(dòng)。Luzzatti等〔41〕對(duì)輕度到中度AD患者進(jìn)行了一項(xiàng)聽寫測(cè)試,根據(jù)常規(guī)詞和非詞之間以及規(guī)則詞和不規(guī)則詞之間出現(xiàn)的分離損傷模式,對(duì)每個(gè)患者的表現(xiàn)進(jìn)行分類。測(cè)試內(nèi)容為常規(guī)單詞、無法預(yù)測(cè)拼寫的單詞和非單詞的拼寫。雖然各種類型單詞的準(zhǔn)確率和總成績(jī)顯示,AD患者比對(duì)照組犯了更多的拼寫錯(cuò)誤。但進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn),書寫困難的類型和癡呆的嚴(yán)重程度之間的相關(guān)性非常少,患者不太符合病情會(huì)最初影響語(yǔ)義方面、然后是詞匯和表達(dá)能力的漸進(jìn)性退化的假設(shè)。Kawa等〔42〕收集了MCI組和正常老年對(duì)照組完成的三項(xiàng)任務(wù)：常規(guī)書寫、全大寫字母書寫、單字母重復(fù)書寫。與其相類似的轉(zhuǎn)碼任務(wù),Afonso等〔43〕也有使用,雖然抄寫模板中有小寫字母,但被試者書寫時(shí)必須轉(zhuǎn)換成大寫字母。結(jié)果顯示,全大寫字母的任務(wù)產(chǎn)生了大部分區(qū)分特征,更適合作為書寫任務(wù)。MCI組的時(shí)間類特征、行高度的平均值、文本高度、行平均高度等較大,說明患有MCI的被試者書寫明顯更慢、任務(wù)時(shí)間更久,書寫文本也明顯較大。Garre-Olmo等〔38〕、Chan等〔44〕和后面的Evyapan Akku等〔45〕的任務(wù)中也含有抄寫任務(wù)。Wang等〔46〕對(duì)AD和VaD患者采用了中國(guó)失語(yǔ)癥檢查量表(1994)的書面語(yǔ)言部分,要求他們用右手和左手進(jìn)行自發(fā)書寫、抄寫和聽寫。使用鏡像書寫所占的比重(鏡像書寫單詞數(shù)除以總書寫單詞數(shù))做為特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn),AD和血管性癡呆(VaD)患者都有鏡像書寫,且VaD組的發(fā)生率高于AD組,并指出鏡像書寫嚴(yán)重程度的等級(jí)可能間接反映了患者腦功能退化的程度。Garre-Olmo等〔38〕、Wang等〔46〕的任務(wù)中也設(shè)計(jì)了自發(fā)性書寫。Zhào等〔47〕設(shè)置了“正”字和簽名兩個(gè)書寫任務(wù)來探究老年MCI患者與對(duì)照組之間的書寫特征的差異。采用“正”字的平均筆壓力、“正”字第3筆的平均絕對(duì)速度、“正”字第4筆的平均絕對(duì)速度、空中長(zhǎng)度彎曲度(1-絕對(duì)尺寸/筆劃長(zhǎng)度)做為書寫特征。發(fā)現(xiàn)MCI患者的書寫壓力、空中長(zhǎng)度彎曲度更大,書寫速度較慢。Evyapan Akku等〔45〕進(jìn)行了一個(gè)針對(duì)土耳其語(yǔ)定義的測(cè)試。內(nèi)容包括簽名、自發(fā)寫作、聽寫和抄寫。特征選擇是測(cè)試表得分。結(jié)果顯示正常老年對(duì)照組、MCI組和AD組的表現(xiàn)得分和錯(cuò)誤類型之間存在顯著差異。作者在分析中指出,在研究中可能隨著被試者認(rèn)知障礙的惡化,寫作技能也變得更差,導(dǎo)致測(cè)試分?jǐn)?shù)更低,并支持MCI病例中的書寫障礙是AD的過渡期的觀點(diǎn)。王蔭華等〔48〕研究調(diào)查了不同癡呆嚴(yán)重程度的測(cè)試者在詞命名、復(fù)述、口令指令及書寫(寫姓名地址、抄寫、聽寫、系列書寫、看圖書寫、自發(fā)書寫)等任務(wù)中的表現(xiàn)。選擇用完成率衡量結(jié)果,發(fā)現(xiàn)輕度AD患者的書寫障礙與其他語(yǔ)言方面的障礙相比更為明顯,主要表現(xiàn)為構(gòu)字障礙及字詞錯(cuò)寫。并得出了AD的語(yǔ)言障礙在各階段表現(xiàn)為不同程度的流利型失語(yǔ),其變化與不同程度的腦萎縮有關(guān)的結(jié)論。Afonso等〔43〕讓AD、MCI患者和正常對(duì)照者進(jìn)行了圖片命名任務(wù)的書寫和一個(gè)轉(zhuǎn)碼抄寫任務(wù)。統(tǒng)計(jì)了書寫延遲時(shí)間、字母間持續(xù)時(shí)間、平均壓力、單詞錯(cuò)誤數(shù)量。結(jié)果顯示,對(duì)照組與兩組患者在書寫延遲時(shí)間和錯(cuò)誤數(shù)量上有顯著性差異。然而,在字母間隔持續(xù)時(shí)間或平均筆壓力方面,只有AD組與其他組之間有顯著性差異。結(jié)果顯示,AD組比對(duì)照組產(chǎn)生了更多的錯(cuò)誤,更長(zhǎng)的書寫延遲時(shí)間和字母間持續(xù)時(shí)間,且平均筆壓更低。Sitek等〔49〕旨在分析Logopenic型原發(fā)性進(jìn)行性失語(yǔ)(lvPPA)、AD和MCI患者的書面描述性輸出。任務(wù)為對(duì)3張圖片中的一張進(jìn)行了不限時(shí)的書面描述。所有的圖片描述隨后由兩名專門從事語(yǔ)言病理學(xué)的獨(dú)立評(píng)分者進(jìn)行評(píng)分。其結(jié)果顯示所有患者組均存在拼寫錯(cuò)誤。但只有插入字母的錯(cuò)誤能區(qū)分lvPPA、AD和MCI,因?yàn)樵?4%的lvPPA患者中存在插入錯(cuò)誤,而AD和MCI組中沒有插入錯(cuò)誤。結(jié)論為描述性寫作評(píng)估有助于lvPPA、AD和MCI的鑒別診斷,這可能對(duì)神經(jīng)心理學(xué)的評(píng)估進(jìn)行補(bǔ)充,并作為診斷過程中的輔助工具。Chan等〔44〕對(duì)MCI患者進(jìn)行了為期8 w的書法訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)。在基線、訓(xùn)練后和六個(gè)月的隨訪時(shí)對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量,研究結(jié)果支持為期8 w的書法訓(xùn)練改善了MCI被試者特定認(rèn)知功能的假設(shè)。最顯著的發(fā)現(xiàn)是,治療效果對(duì)增強(qiáng)工作記憶有適度的影響,并在注意控制功能上有較小程度的影響。書法訓(xùn)練對(duì)改善言語(yǔ)情景記憶也有普遍的影響,但與對(duì)照組的計(jì)算機(jī)訓(xùn)練沒有區(qū)別。見表1。

表1 基于統(tǒng)計(jì)研究的實(shí)驗(yàn)任務(wù)及結(jié)論

2.2分類研究 Ghaderyan等〔50〕提出了一種AD早期檢測(cè)算法。其研究目的是讓被試者在單任務(wù)和雙任務(wù)條件下用四種筆跡測(cè)試來分析運(yùn)動(dòng)特征。任務(wù)包括：寫一個(gè)字、畫四個(gè)螺旋線、畫連續(xù)的L曲線、畫草書正弦圖等。采用了獨(dú)立于小變化的噪聲魯棒性范例,它基于奇異值分解技術(shù)和稀疏非負(fù)最小二乘分類器。為了找出最佳結(jié)果,研究了單任務(wù)和雙任務(wù)條件以及水平、垂直和絕對(duì)速度、加速度、壓力和軌跡曲率等幾個(gè)書寫特征的影響。根據(jù)檢測(cè)的準(zhǔn)確率顯示,在任務(wù)三中,利用垂直加速度可以得到AD早期檢測(cè)的最佳效果,準(zhǔn)確率為100%;在雙任務(wù)條件下所提出的特征檢測(cè)率更高。結(jié)果顯示,與正常被試者相比,AD和MCI患者的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)較差。Kahindo等〔51〕提出了一種無監(jiān)督的早期AD分類算法。書寫任務(wù)為寫連續(xù)的字母L。為了模擬完整循環(huán)的動(dòng)力學(xué),考慮對(duì)書寫L的速度軌跡使用K-medoids聚類,并使用動(dòng)態(tài)時(shí)間扭曲作為相異度度量,以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)序列。使用貝葉斯框架來從概率上組合每個(gè)聚類的貢獻(xiàn)。選擇速度作為特征時(shí),在驗(yàn)證集上的準(zhǔn)確率為74%。Werner等〔52〕分析了筆跡運(yùn)動(dòng)學(xué)以量化早期AD、MCI患者和正常老年對(duì)照組在精細(xì)手部運(yùn)動(dòng)功能方面的差異。該實(shí)驗(yàn)要求參與者執(zhí)行五項(xiàng)功能性寫作任務(wù)：復(fù)制一串電話號(hào)碼、復(fù)制一份購(gòu)物清單(由五個(gè)單詞組成)、復(fù)制支票中的細(xì)節(jié)信息、按字母表的順序復(fù)制字母和復(fù)制一個(gè)段落(由107個(gè)字符組成)。選擇紙上時(shí)間、置空時(shí)間、平均速度、筆跡長(zhǎng)度、平均壓力做為筆跡特征。為了評(píng)估簡(jiǎn)易智力狀態(tài)檢查量表(MMSE)評(píng)分和運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量的獨(dú)立影響,檢查了3個(gè)獨(dú)立的方程。在第1個(gè)等式中,輸入MMSE評(píng)分作為唯一的獨(dú)立特征,以評(píng)估其對(duì)診斷組正確分類的貢獻(xiàn)。在第2個(gè)方程中,進(jìn)行了逐步判別分析,以評(píng)估所選的5個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的相對(duì)貢獻(xiàn)。最后,在第3個(gè)方程中,評(píng)估了MMSE評(píng)分和在第2個(gè)方程中發(fā)現(xiàn)的具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的預(yù)測(cè)因子的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的貢獻(xiàn)。根據(jù)識(shí)別率發(fā)現(xiàn)平均壓力、MMSE評(píng)分、置空時(shí)間是重要的預(yù)測(cè)因素。發(fā)現(xiàn)在認(rèn)知能力更差的組,書寫時(shí)間更久,書寫壓力更低。Kahindo等〔53〕還提出了一種半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法,該方法采用歸一化互信息(NMI)選擇方案指導(dǎo)分層聚類算法在聚類數(shù)量和每個(gè)分類器在3個(gè)認(rèn)知特征的區(qū)分能力之間進(jìn)行最佳權(quán)衡。書寫任務(wù)為復(fù)制一個(gè)法語(yǔ)段落。特征提取時(shí),在筆跡的每一點(diǎn)上提取了局部運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),如速度及其導(dǎo)數(shù)。還提取了一些時(shí)間參數(shù),如連續(xù)單詞之間的持續(xù)時(shí)間、單詞內(nèi)部的持續(xù)時(shí)間,最終得到46個(gè)特征。由準(zhǔn)確率發(fā)現(xiàn),書寫時(shí)空參數(shù)的半全局參數(shù)化比全局參數(shù)化更能區(qū)分HC、MCI和早期AD。El Yacoubi等〔54〕在一個(gè)數(shù)據(jù)集上提出了一種新的范式來研究與MCI和早期AD相關(guān)的且由認(rèn)知能力下降所導(dǎo)致的書寫變化,這個(gè)數(shù)據(jù)集由法國(guó)作家書寫的字符、數(shù)字和草書組成。首先通過半監(jiān)督或無監(jiān)督學(xué)習(xí)來發(fā)現(xiàn)同質(zhì)群體,然后分析這些群體攜帶的關(guān)于認(rèn)知特征(或年齡組)的信息。其次通過半全局參數(shù)化,或通過建模每個(gè)參數(shù)的完整動(dòng)態(tài)來細(xì)化編碼,得到更多的運(yùn)動(dòng)信息。方法效果通過3項(xiàng)研究來證明,一項(xiàng)是關(guān)于年齡的,兩項(xiàng)是關(guān)于AD的。研究發(fā)現(xiàn)聚類的兩個(gè)主要集群,一組主要由正常老年對(duì)照組和MCI患者構(gòu)成,另一組主要由MCI患者和早期AD患者組成。從而揭示了MCI患者具有傾向于正常老年對(duì)照組和AD組其中任何一種的精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能。見表2。

表2 基于分類研究的實(shí)驗(yàn)任務(wù)及結(jié)論

3 筆跡分析輔助AD和MCI診斷研究中存在的問題

3.1特征選擇 選擇有效的特征可以更好地研究AD和MCI患者的書寫筆跡。在前面回顧的文章中可以看出,目前大多數(shù)研究?jī)H分析了某一種特征與疾病的關(guān)系,忽略了特征之間或者多個(gè)特征與疾病的關(guān)系。因此,可以先擴(kuò)大筆跡特征的種類,再采用典型的特征選擇方法進(jìn)行選擇,對(duì)產(chǎn)生的特征子集進(jìn)一步篩選和評(píng)價(jià),最終選出最優(yōu)特征子集。

3.2分類模型的構(gòu)建 一方面,在各類模型的使用中存在的局限是,目前各研究者采集的樣本數(shù)量不夠多,不利于使用需要大量數(shù)據(jù)支持的分類模型(如深度學(xué)習(xí)中的各類網(wǎng)絡(luò))。另一方面,在對(duì)算法進(jìn)行創(chuàng)新的同時(shí),也要考慮和相關(guān)的醫(yī)學(xué)專業(yè)知識(shí)相結(jié)合。

3.3識(shí)別不同階段的筆跡 利用筆跡信息進(jìn)行分類時(shí),一些研究表明可以根據(jù)筆跡區(qū)分對(duì)照組與患者組,并且取得了不錯(cuò)的成果。目前存在的挑戰(zhàn)是需要利用筆跡識(shí)別不同階段的患者,尤其是識(shí)別早期病人的筆跡。另一方面,在時(shí)間跨度上,可以長(zhǎng)期跟蹤測(cè)量同一患者的筆跡,以便更好地掌握患者病情變化后的書寫情況。同時(shí)要注意,筆跡分析并不能取代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的檢測(cè)和診斷,只能起到輔助性診斷的作用,在實(shí)際中,因?yàn)榘V呆的不可治愈性,還需盡早發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行治療。

3.4數(shù)據(jù)庫(kù) 盡管目前已經(jīng)建立了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的書寫模式數(shù)據(jù)庫(kù),但還沒有針對(duì)認(rèn)知障礙人群設(shè)計(jì)的大型數(shù)據(jù)庫(kù)。在前面回顧的研究中,被試的納入排除標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)的書寫內(nèi)容、數(shù)據(jù)采集的環(huán)境等其他因素的不同也增加了方法優(yōu)異性對(duì)比的難度。在數(shù)據(jù)集的收集階段,大部分研究者根據(jù)自己設(shè)定的條件來篩選被試,采用的篩查工具也有所不同。各研究者對(duì)書寫任務(wù)的制定也不同,一些設(shè)計(jì)了圖畫任務(wù),一些設(shè)計(jì)了文字任務(wù),還有一些兩者皆有。這些因素的不同,也導(dǎo)致無法便利地比較各研究者所提議的不同方法。一個(gè)大型數(shù)據(jù)庫(kù)的建立還需要很多努力,需要包含大量多階段患者不同書寫任務(wù)的書寫。

綜上,在面臨的各種挑戰(zhàn)中可以發(fā)現(xiàn),筆跡分析還有很大的發(fā)展?jié)摿?能進(jìn)行一系列進(jìn)一步的探究,比如在特征選擇、分類模型的構(gòu)建、識(shí)別不同階段患者的筆跡、數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建等方面值得進(jìn)一步探索。并且相關(guān)研究應(yīng)該進(jìn)行多種任務(wù)間的比較,以了解到哪些任務(wù)能更好地區(qū)分患者組的書寫筆跡。在上面的文獻(xiàn)中我們可以看出,任務(wù)的劃分有多種形式,例如從圖文角度,可以將任務(wù)分為圖形類任務(wù)與和文字類任務(wù);從難易程度上,可以將任務(wù)分為簡(jiǎn)單類任務(wù)與復(fù)雜類任務(wù),甚至可以增加難度等級(jí),并按照難易程度依次劃分;從空間視圖角度,可以將任務(wù)設(shè)為對(duì)二維空間、三維空間執(zhí)行能力的考查等。

筆跡分析是支持上述疾病診斷和檢測(cè)的有效工具。AD患者和輕度認(rèn)知障礙患者的筆跡顯示出其精細(xì)活動(dòng)的退化,以及空間組織的變化,患者最常見的書寫特征的異常是書寫速度較慢、書寫時(shí)間較長(zhǎng)。相較于國(guó)外在筆跡分析與AD、MCI診斷的關(guān)系方面開展了較多的研究,我們國(guó)家進(jìn)行的研究較少,希望今后能開展更多這方面的研究工作。從健康監(jiān)測(cè)的角度看,筆跡預(yù)警可以為社區(qū)或養(yǎng)老院等場(chǎng)所進(jìn)行初步AD與MCI篩查提供便利,這種技術(shù)在未來有著較好的發(fā)展前景。