兒童手寫運動分析方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、手寫運動由于蘊含豐富的認知、生理以及病理信息而被廣泛用于認知特點、精細運動控制機制和相關(guān)疾病病理的研究之中。盡管圍繞手寫運動展開了大量的基礎(chǔ)性研究工作，但主要還是集中在疾病群體手寫特點分析上，對健康群體的關(guān)注較少，而且對手寫特征的描述較為局限，同時也缺乏應(yīng)用層面的手寫運動分析探究。因此，本研究分別選取健康兒童和以自閉癥為代表的疾病兒童為研究對象，基于新的手寫穩(wěn)定性維度，結(jié)合傳統(tǒng)特征進行手寫特點分析;同時，在此基礎(chǔ)上引入機器學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)

2、手寫特征在疾病對象量化分類過程中的有效應(yīng)用。論文的主要研究內(nèi)容包括:
　　1.健康兒童漢字書寫特點研究
　　了解健康兒童手寫特點對兒童書寫過程中的教學(xué)指導(dǎo)，以及書寫困難的量化評估具有重要意義。目前，對于健康兒童的手寫研究關(guān)注較少，而且，缺乏基于寫字任務(wù)的中國兒童寫字發(fā)展特點研究。
　　因此，本文采用漢字書寫任務(wù)，分析1-5年級兒童手寫發(fā)展趨勢?；谥貜?fù)性書寫活動，提取手寫特征的標準差進行穩(wěn)定性度量;同時，引入動態(tài)時間規(guī)

3、整算法(Dynamic time warping，DTW)進行書寫軌跡及速度特征序列的穩(wěn)定性評估。研究結(jié)果表明，隨著年級的變化，兒童以非線性的方式逐漸掌握手寫技能，1、2、3年級是手寫能力變化快速發(fā)展時期。簽名能力的提高主要體現(xiàn)在，書寫時間與運動幅度的下降，手寫壓力增大與手寫穩(wěn)定性提高。本文提取的包括特征標準差和DTW距離在內(nèi)的穩(wěn)定性特征的變化，驗證了其在手寫穩(wěn)定性量化上的有效性。
　　2.自閉癥兒童手寫特點分析
　　自閉癥

4、是兒童書寫困難的高發(fā)群體，但針對自閉癥手寫特點的量化研究較少。此外，通過對健康兒童手寫穩(wěn)定性的量化研究，了解了兒童手寫穩(wěn)定性發(fā)展特點，但疾病對于手寫穩(wěn)定性的影響仍不明確。
　　本文采用阿拉伯數(shù)字書寫任務(wù)首次分析中國自閉癥兒童的手寫表現(xiàn)。通過分別提取自閉癥兒童和正常對照組兒童書寫時的時空、運動學(xué)與動力學(xué)特征展開手寫系統(tǒng)研究。采用重復(fù)書寫任務(wù)提取包括DTW距離在內(nèi)的穩(wěn)定性指標。數(shù)據(jù)分析表明:自閉癥兒童手寫的異質(zhì)性主要表現(xiàn)在數(shù)字序列任務(wù)

5、中，較大的書寫尺寸、較高的書寫速度與加速度;以及重復(fù)書寫任務(wù)中，較差的穩(wěn)定性。手寫特征在不同任務(wù)中的差異性驗證了手寫任務(wù)對手寫表現(xiàn)的影響，結(jié)合自閉癥的大腦神經(jīng)機制，發(fā)現(xiàn)自閉癥兒童可能在復(fù)雜的手寫運動中存在運動障礙。研究結(jié)果進一步驗證了包括DTW距離在內(nèi)的穩(wěn)定性特征在手寫評估中的有效性，同時為自閉癥有效教學(xué)及干預(yù)訓(xùn)練提供了參考。
　　3.手寫量化分類研究
　　疾病的輔助診斷是手寫應(yīng)用中重點關(guān)注的問題，但目前針對實際應(yīng)用問題開展

6、的手寫運動分析研究有限。為了實現(xiàn)手寫在自閉癥量化分類中的有效應(yīng)用，本文基于對自閉癥兒童手寫特點的分析結(jié)果，采用機器學(xué)習(xí)算法進行手寫量化分類研究。為了提高自閉癥群體的分類準確度，從圖像的角度出發(fā)，首次嘗試提取能夠表現(xiàn)自閉癥兒童手寫局部信息的圖像特征;結(jié)合傳統(tǒng)的手寫時空特征、運動學(xué)特征，提出了一種基于特征融合的度量學(xué)習(xí)算法。實證分析不同特征提取方法對分類準確率的影響，同時對比了經(jīng)典的分類算法與本文的基于多特征的度量學(xué)習(xí)算法在分類方面的表現(xiàn)。