Pokročilé metody parametrizace online písma osob s grafomotorickými obtížemi

Abstract

Grafomotorické obtíže (GD) výrazně ovlivňují kvalitu života školním věkem počínajíc, kde se vyvíjejí grafomotorické schopnosti, až do důchodového věku. Včasná diagnóza těchto obtíží a terapeutický zásah mají velký význam k jejich zlepšení. Vzhledem k tomu, že GD souvisí z vícerými symptomy v oblasti kinematiky, základní kinematické parametry jako rychlost, zrychlení a švih prokázaly efektivní kvantizaci těchto symptomů. Objektivní výpočetní systém podpory rozhodování pro identifikaci a vyšetření GD však není dostupný. A proto je hlavním cílem mé disertační práce výzkum pokročilé metody parametrizace online písma pro analýzu GD se speciálním zaměřením na využití metod zlomkového kalkulu. Tato práce je první, která experimentuje s využitím derivací neceločíselného řádu (FD) pro analýzu GD pomocí online písma získaného od pacientů s Parkinsonovou nemocí a u dětí školního věku. Byla navržena a evaluována nová metoda parametrizace online písma založena na FD využitím Grünwald-Letnikova přístupu. Bylo dokázáno, že navržená metoda významně zlepšuje diskriminační sílu a deskriptivní schopnosti v oblasti Parkinsonické dysgrafie. Stejně tak metoda pozitivně ovlivnila i nejmodernější techniky v oblasti analýzy GD u dětí školního věku. Vyvinutá parametrizace byla optimalizována s ohledem na výpočetní náročnost (až o 80 %) a také na vyladění řádu FD. Ke konci práce byly porovnány víceré přístupy výpočtu FD, jmenovitě Riemann-Liouvillův, Caputův společně z Grünwald-Letnikovým přístupem za účelem identifikace těch nejvhodnějších pro jednotlivé oblasti analýzy GD.

Graphomotor disabilities (GD) significantly affect the quality of life beginning from the school-age, when the graphomotor skills are developed, until the elderly age. The timely diagnosis of these difficulties and therapeutic interventions are of great importance. As GD are associated with several symptoms in the field of kinematics, the basic kinematic features such as velocity, acceleration, and jerk were proved to effectively quantify these symptoms. Nevertheless, an objective computerized decision support system for the identification and assessment of GD is still missing. Therefore, the main objective of my dissertation is the research of an advanced online handwriting parametrization utilized in the field of GD analysis, with a special focus on methods based on fractional calculus. This work is the first to experiment with fractional-order derivatives (FD) in the GD analysis by online handwriting of Parkinson’s disease (PD) patients and school-age children. A new online handwriting parametrization technique based on the Grünwald-Letnikov approach of FD has been proposed and evaluated. In the field of PD dysgraphia, a significant improvement in the discrimination power and descriptive abilities was proven. Similarly, the proposed methodology improved current state-of-the-art techniques of GD analysis in school-aged children. The newly designed parametrization has been optimized in the scope of the computational performance (up to 80 %) as well as in FD order fine-tuning. Finally, various FD-approaches were compared, namely Riemann-Liouville, Caputo’s, together with Grünwald-Letnikov approximation to identify the most suitable approach for particular areas of GD analysis.