帕金森病写作技能的技术辅助康复:视觉提示与智能反馈

抽象的

最近的研究表明，视情况而定，视觉提示对帕金森病(PD)患者和健康对照者的笔迹既有有利的影响，也有不利的影响。因此，使用其他感官模式来传递线索或反馈可能是一个有价值的选择。因此，本研究比较了连续视觉线索和间歇性智能言语反馈两种短期训练的效果。10名PD患者和9名健康对照者被随机分配到其中一种训练模式。为了评估学习迁移，在没有线索和反馈的情况下，对训练和未训练的写作序列进行了评估。反馈笔和触控式书写板用于测试。这两种训练类型都提高了训练和未训练序列的写作幅度。总之，这些结果表明，反馈笔是一种有价值的工具，可以为帕金森患者量身定制写作训练。未来的研究应该包括更大的样本量和不同的PD亚组，对反馈笔进行长期训练。

1.介绍

帕金森病(PD)是一种神经退行性疾病，其特征是基底神经节多巴胺能神经元缺失，导致运动和非运动症状的结合[1］．除了主要症状，即震颤、强直、运动迟缓和姿势不稳外，缩微症也是一个经常发生的问题[1］．显微书写症被定义为“一种精细运动技能的损伤，主要表现为在写作任务中幅度的逐渐减少”[2］．对于帕金森病的治疗，多巴胺能药物治疗是金标准，尽管并非所有症状的反应都一样好[3.］．因此，运动康复往往是一种必要的治疗补充[4］．几项研究表明，在PD中可以进行电机学习，尽管学习更慢地发生，但自动化较少（用于评论[5，6])。通过提示和反馈策略，可以进一步提高PD的运动表现和学习潜力[7，8］．线索被定义为生成动作的参考或触发器[9］．反馈是指提供外部信息，补充内部感觉通路，指导在线学习或表演后的学习[10］．这两种输入方式的有益效果通常归因于这样一个事实，即它们诱导了运动控制从习惯性方式向目标导向方式的转变，或者换句话说，诱导了受影响较多的神经回路向受影响较少的神经回路的重定向[11］．

提示和反馈的好处主要表现在PD的步态[12，13］．与步态不同，手写包含了自动和受控的过程[14］．因此，暗示和反馈策略可能会产生另一种效果。有几项研究已经表明，用视觉提示进行短期训练的好处[15，16］．然而，最近的研究表明，视觉线索有时会妨碍书写，特别是当提示较小的书写尺寸时，这就引入了额外的准确性限制[17］．结果，视觉系统可能超载，增加了难度[18］．因此，应该考虑使用其他感官形式来传递线索或反馈。提供补充的感官信息可协助运动学习及运动表现[19］．相比之下，当提示或反馈被移除时，PD患者的运动表现恶化[20.，21］．同样地，当在运动学习过程中反馈提供过于频繁时，即在100%的试验中，会导致依赖性和缺乏迁移[22，23］．为了抵消这个缺点，间歇性地提供外部输入可能是一个有价值的替代方案。随着最近的技术进步，有可能实现根据绩效结果调整的个性化和智能反馈[24- - - - - -28］．据我们所知，这还没有研究上肢任务，如PD写作。

因此，一种智能笔可以提供实时反馈，以间歇的方式来处理显微记录。目前的概念证明研究旨在比较短期训练(一个阶段)与连续视觉线索和间歇智能反馈的效果。我们认为，与智能反馈训练相比，连续视觉提示训练对写作的依赖性更强，对写作幅度的提高更小。

2.方法

２.１.参与者和实验方案

在这项横断面研究中，评估了10名PD患者和10名健康对照(CT)的合格性。患者纳入标准为(i)根据UK Brain Bank criteria诊断为PD [29];(ii) Hoehn和Yahr (H&Y)药物周期的第I-III期[30.];（iii）在稳定的药物上。对两组的排除标准是（i）认知障碍（迷你精神状态检查，MMSE <24）[31和(ii)干扰上肢问题。因此，由于MMSE < 24，一个健康对照组被排除在分析之外。

与会者随机分配给两个培训计划中的一个，即连续提示使用视觉目标区域（提示），或（ii）间歇性智能反馈，即在劣化时提供口头校正（反馈）。会议开始评估基线写作绩效。这是使用两种培训方法之一的短暂培训期。培训课程结束后，再次评估书面表现。除了写作测试外，使用运动障碍社会统一帕金森病评定量表（MDS-UPDRS）第III部分确定疾病特征特征32、步态新冻结(NFOG)问卷[33]和左旋多巴当量剂量(LED) [34］．此外，手动能力测量（MAM-16）[35]和爱丁堡手中库存[36]由患者和对照组完成。对患者来说，书写性能和疾病特异性特征的测试发生在用药周期的初始阶段，即服药后大约1小时。

研究设计和方案经鲁汶大学医院当地伦理委员会批准，符合世界医学协会伦理守则(《赫尔辛基宣言》，1967年)。在对研究方案进行解释后，所有参与者在参与研究前均获得书面知情同意。

２.２.写作评估

在一段短暂的训练期间之前和之后，在触控式书写板上评估书写能力(图)1(一))37)，并使用定制的反馈笔(图1(e)以平衡的次序。。进行了三个练习:(i)写连续的循环，类似于字母“e”(0.6厘米)(图1(b)和1(f));(ii)书写连续的循环，类似于字母“l”(1.0厘米)(图)1(c)和1(g));书写一个8字形的动作(1.0厘米)(图1(d)和1(h))。两个连续的循环在训练期间(即训练任务)进行，而8形运动不进行(即未训练任务)，以研究短期迁移效应。所有的测试之前都是在使用触控式书写板的研究中使用的[38，39并在没有视觉提示和智能反馈的情况下进行。

2.3。干涉

训练持续了大约30分钟，包括短暂的休息。根据主观疲劳程度的不同，所有参与者都进行了至少8次、最多12次的写作练习。每个练习包括写不同类型的前字母，持续90秒。训练课程包括两个以字母“e”为主题的练习，两个以字母“l”为主题的练习，以及4至8个以备选字母为主题的练习(例如，类似于字母“v”或“n”)。在平板上进行连续视觉提示训练。视觉线索由不同颜色的视觉目标区域组成，这些区域表明了所要求的文字大小，与Nackaerts等人的研究中使用的相似。17］．后一项研究仅提供视觉线索，而本研究则鼓励被试利用视觉线索增加振幅。智能反馈使用新开发的反馈笔提供，练习在普通纸上进行。反馈是间歇性提供的，即每6秒提供一次，根据作者的表现，反馈信息分为五种类型:(i)良好;(ii)尽量写大一点;(iii)尽量写得小一点;(iv)尽量写慢一点;(v)试着写快一点。由于缩微法是本研究的重点，因此，相对于书写速度，我们优先考虑书写幅度的反馈信息。受试者被指示注意反馈，并相应地改变他们的表现。

需要注意的是，提示训练只在平板电脑上进行而不是在纸上进行，而反馈训练只在纸上进行而不是在平板电脑上进行。

２.４.系统设计

笔的需求反馈如下:(i)准确地捕捉和处理空间和时间坐标上的圆珠笔写跟踪的普通纸和(2)实时提供口头的信息在一个特定的写作特性(例如,振幅或速度)。因此，一个原型是基于一个商业可用的数字笔，增强了适当的硬件和固件。最后的系统由一个数字笔和一个基于微控制器的附加板组成，旨在实现特征提取和音频反馈。我们选择了Staedtler Digital Pen 990 (Staedtler Mars GmbH & Co.， Nuremberg, Germany)，因为它在工作面积(166 × 125 mm)方面的特点²)、采样频率(66 Hz)、精度(0,126 × 0,126 mm)²/点)在笔模式下使用。更详细的技术信息见Guardati等人，2015 [40］．

最后的系统由三个主要部分组成。第一部分是预印纸，由一个特定的练习(如图所示)组成1）.在每张纸上，为了方便用户，包括笔的接收器的可能位置。此外，本文还用作界面，允许交互式校准。第二部分由Staedtler数字笔和接收器组成。此接收器收集了坐标并通过USB发送到第三部分，即附加栏。附加电路板是系统的新颖性，因为它允许基于校准过程和写入功能的实时处理正确地解释数据。该板基于Cortex M4微控制器，在168 MHz工作，1024 kB闪存和192 kB的RAM。它包括音频编解码器，SD卡读卡器和扬声器。实时操作系统，Nuttx RTOS（http://nuttx.org/)，提供了一个灵活和模块化的环境，易于开发和调试。实现了与系统各部分的接口库，特别是与笔的通信。在此基础上，它运行了基于FiMoSDK (Fine Movement Software Development Kit)的固件，这是一个c++的定制库，用于实现手写练习。

董事会的第一个目的是校准系统，以避免由于纸张上的接收者的预期和实际位置之间的未对准而对数据的解释出现问题。因此，请求用户通过音频引导的启动将笔以五个校准点放入五个校准点。这些点，在纸上加水印（图1)与受控条件下确定的“默认”参考系统进行了比较。这允许旋转平移对齐参考系统。虽然三个点就足够了，但我们选择了冗余方法，以便在采集过程中出现噪声或错误时能够丢弃多达两个点。因此，对用户重复校准的请求被最小化。

附加板的第二个主要功能是生成音频反馈。该系统可以以三种不同的方式配置:(i)没有反馈;(ii)持续提醒(不包括在本研究中);(三)智能反馈。第一种方式用于评估笔迹，而不提供额外的信息。连续提醒是一个不依赖于用户性能的周期性信号，只是提醒主题以某种方式书写(例如，记得写大)。智能反馈取决于实时测量的用户表现。在第三种模式中，当用户在写入时检测某个特性，如写入幅度或速度，并将其与预设的目标性能值进行比较。需要预先定义允许偏离此目标的偏差。目标值和实际表现之间的比较决定了反馈的类型(例如，“好”和“尝试写得更大”)。 Detailed specifications were explained in Guardati et al., 2015 [40］．

2．5．数据处理与统计分析

用4个阶巴特韦尔滤波器以7 Hz过滤钢笔和片剂的所有数据，并使用Matlab R2011b进一步处理。通过计算每个单独行程的局部最小值和最大值之间的差异来确定写幅度（cm）[37］．

使用SPSS (IBM SPSS statistics version 24)进行统计分析。数据的正态性通过夏皮罗-威尔克检验进行评估。的Mann-Whitney采用Pearson x平方检验比较两种培训类型的人口统计学特征差异。配对-测试是用来寻找平板电脑和手写笔之间的系统差异。为了研究训练的效果，我们进行了重复测量方差分析(ANOVA)，以训练类型(线索vs反馈)和组(PD vs CT)作为被试之间的因素，时间(前vs后)作为被试内部的因素。使用两种测量工具分别对三个任务进行了分析。效应大小是通过偏eta平方来测量的。

2.6。可行性和用户满意度

在疗程结束时，所有患者都填写了一份问卷，调查他们在日常生活中写了多少东西，以及他们是否熟悉笔记本电脑、平板电脑或智能手机的使用。此外，他们还被问及是否有兴趣在家里使用该系统进行培训，如果有，培训的频率是多少，以及他们是否有改进建议。

3.结果

３.１.一般特性和工具比较

一般组特征在训练类型之间没有显著差异(表)1）.此外，在训练期间进行的练习量没有显著差异( ， ）.

为了写入较小尺寸（字母“E”），用笔和平板电脑写作之间没有发现差异（ ， ）.对于较大的字体，发现字母“l”( ， )，以及较小程度的8字形运动( ， ），显示用笔写入幅度小于用片剂评估时的写入幅度。

３．２．训练对写作幅度的影响

在训练字母“e”的测试中，时间的主要影响在两个平板上的书写测试中都被发现( ， ； )，用笔写测试( ， ；η²= 0.340)。虽然前者只显示了一种趋势，但两种测试方法都显示了训练后写作幅度的增加，而不管训练类型是什么(图)2(一)和2(b))。对于训练过的字母“l”，时间的主要影响只在平板上评估( ， ；η²= 0.266)，训练后振幅较大。然而，在这种情况下，训练类型和时间之间也有很强的互动趋势( ， ；η²= 0.209）。探索性后HOC分析显示，只有收到反馈培训的小组显着改善了从基线到过训练（ Bonferroni-corrected)(图2（C））。最后，找到了时间的主要效果，为没有训练的任务，这对于在平板电脑上写作（ ， ；η²= 0.322)，用钢笔( ， ；η²= 0.350)。从基线到训练后，两者的振幅都有所增加(图)2(e)和2(f))。

３．3.可行性和用户满意度

所有患者都能使用电脑，其中5人还使用平板电脑或智能手机。在各种训练类型中，患者对长期的在家训练计划感兴趣，如果训练不仅包括字母，而且会逐渐变得更困难。两名患者报告了笔握笔的问题，一名在提示组，另一名在反馈组。此外，应针对使用反馈笔的练习表进行校正，以确保在每次练习开始时不需要进行新的校正。参与者没有建议改善线索或反馈的传递。

4.讨论

本研究首次比较了连续视觉提示和间歇智能反馈对书写的影响。结果显示，提示和反馈的短期训练均可提高PD患者和健康对照者的书写幅度。与视觉提示对小幅度(0.6厘米)书写的直接不利影响相反[17，因此，目前的研究表明，通过适当的训练，可以克服视觉线索的准确性限制，参与者可以学习如何利用线索的优势。随着训练和非训练任务以及两种测量工具的改进，这些结果也表明了学习的转移，与之前的工作一致[39］．此外，振幅的改善是在没有线索或反馈的情况下发现的。这与运动学习的指导假设相反，该假设认为在运动学习的习得阶段，感官信息的增强会导致依赖性，当提示或反馈被撤销时，导致表现更差[19］．

然而，对大训练任务的训练类型和时间之间的相互作用的相互作用的强烈倾向描绘了更精致的视图。患者和健康的对照在连续视觉提示后，在未出现的测试中没有恶化它们的写作振幅，但它们也没有改善。另一方面，在用反馈笔的训练之后，幅度增加，反映了缺乏依赖性和具有间歇类型的反馈类型的培训的可能优势[22］．尽管样本量太小，无法得出明确的结论，但智能反馈可能会迫使参与者关注任务的特定方面，刺激认知投入，减少习惯控制[11，41］．未来在更大样本中的研究需要证实这是否会导致更稳健的学习。此外，使用智能反馈笔的训练因此可以用于促进帕金森病更高级阶段的训练转移到日常生活中，这在以前的研究中被证明更加困难[42］．使用反馈笔的另一个好处是，它更像在日常生活中写作，因为它依赖笔和纸，而不是平板电脑环境。

参与这项研究的PD患者都是技术通才，并表示有兴趣进行长期的培训计划，使用触摸敏感平板或反馈笔。尽管校准程序和笔握还需要进一步改进，但所有参与者都对这两种应用程序具有良好的耐受性，并认为它们是用户友好的工具。这表明，这两种方法都有潜力成为家庭使用的训练工具，提供了这样的优势:患者可以在不需要送往康复诊所的情况下练习精细运动技能。

5.未来研究的限制和建议

目前的研究有几个可能影响结果的局限性。最重要的缺点是小样本大小，这可能有限统计功率。因此，未来的研究应包括更大的样本尺寸，以研究疾病严重程度差异的间歇性智能反馈的特定益处。在这方面，反馈笔具有额外的优点，即它还允许逐步撤销反馈，因为可以容易地改变反馈消息之间的时间。虽然这在目前的研究中没有应用，但未来的研究应该调查这种方法是否可以用于进一步减少PD中的提示和反馈依赖性[23］．其次，用笔写字和在平板上写字之间有系统的差异，表明用笔写字的倾向更小。一种可能的解释是，与更光滑的触控平板相比，笔和纸之间的摩擦增加了，所以用这种笔写字更像自然手写。43，44］．这可能导致更好的迁移，但牺牲了性能。在这方面，如果未来的研究能够结合和比较不同类型的提示和反馈传递，即在触摸敏感平板和纸上的提示训练和在纸上和触摸敏感平板上的反馈训练，将是非常有趣的。

6.结论

总之，本研究提出了一种新颖的反馈笔，并将其与视觉提示写作训练进行了比较。这支笔可以在写作练习中断断续续地收到个性化的口头反馈。在写作练习中进行在线口头纠正比持续的视觉提示训练具有更强的学习效果。这表明反馈笔是一个很有价值的工具，可以为PD患者量身定制写作训练。因此，研究结果令人鼓舞，未来的研究应该集中在更大的样本量和不同的PD亚组进行长期训练。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者非常感谢本研究的所有参与者。他们要感谢Ir。Leonardo Guardati和Ir。Filippo Casamassima负责开发反馈系统和Ir。Marc beirincx负责开发这款触控平板电脑。这项工作得到了弗兰德斯研究基金会(FWO)的支持，E. Nackaerts是该基金会的博士研究员。

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