54名注意缺陷多動障礙兒童數(shù)字劃消測試的時空特征分析

陳雨欣，王洪安，劉福臨，姚夢夢 ，張 蕾 ，洪 琴 ，池 霞 ，禹東川*

1. 東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（中國南京 210096）；2. 南京醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院 ( 中國南京 211166 ) ；3. 南京醫(yī)科大學(xué)附屬婦產(chǎn)醫(yī)院 ( 中國南京 210004 )

劃消測試（cancellation tests）［1-2］又被稱為劃消任務(wù)（cancellation tasks），廣泛用于測量個體搜索某一類型刺激物（即目標(biāo)），并同時忽略所有其他類型刺激物（即干擾物）的能力，因此被廣泛用于包括注意缺陷多動障礙（attention-deficit/hyperactivity disorder, ADHD）［3-4］、孤獨癥譜系障礙［5］、學(xué)習(xí)障礙［6］、視覺空間忽視綜合征［1,7］、腦卒中［8-9］、阿爾茨海默病［10-11］、輕度認(rèn)知障礙［10］、帕金森病［12］、癲癇［13］、抑郁癥［14］和創(chuàng)傷性腦損傷［15］等在內(nèi)的眾多神經(jīng)精神疾病的臨床評估。

根據(jù)目標(biāo)與干擾物的類型不同（包括數(shù)字、英文字母、幾何形狀、圖形等）以及排列方式（包括隨機(jī)排列和矩陣排列等）的差異，劃消測試所覆蓋的內(nèi)容十分豐富［9,15-16］。在眾多劃消測試項目中，數(shù)字劃消測試（其目標(biāo)物與干擾物是數(shù)字，而排列方式為矩陣排列）是其中最經(jīng)典的測試范式，自20世紀(jì)90年代起已經(jīng)在我國兒童發(fā)育行為臨床實踐中被使用。但遺憾的是，我國目前尚未建立數(shù)字劃消的全國性常模數(shù)據(jù)，而且對于其臨床應(yīng)用也沒有被充分報道。另一方面，數(shù)字劃消測試任務(wù)的完成在傳統(tǒng)上是依賴于紙筆測試，在測量指標(biāo)和評分過程等方面均存在一些不足。首先，傳統(tǒng)紙筆測試只能獲得正確數(shù)、錯誤數(shù)、漏劃數(shù)等靜態(tài)指標(biāo)，無法從手寫動力學(xué)角度獲得劃消測試過程中紙筆交互的時空特征（即描述筆在紙上運動模式的時間和空間特性）；其次，傳統(tǒng)方法需要人工記錄時間并對正確數(shù)、錯誤數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行人工統(tǒng)計。

為克服數(shù)字劃消任務(wù)采用傳統(tǒng)紙筆測試存在的不足，本文提出采用智能數(shù)字劃消測試工具，以獲得數(shù)字劃消任務(wù)中紙筆交互過程的時空特征指標(biāo)，并通過對ADHD臨床數(shù)據(jù)的分析，來證實這些時空特征指標(biāo)比傳統(tǒng)評定指標(biāo)凈分（net score,NS）［16］具備更加良好的性能。

1 對象與方法

1.1 研究對象

2020年12月—2021年4月，在南京市婦幼保健院兒童保健科心理行為門診部，隨機(jī)選取被診斷為ADHD的兒童54名（其中男童42名）作為實驗組，平均年齡為（7.25±1.71）歲；同時，從當(dāng)?shù)仄胀ㄐW(xué)和幼兒園中隨機(jī)挑選性別和年齡均與實驗組兒童匹配的54名健康兒童作為對照組。實驗組納入標(biāo)準(zhǔn)：① 根據(jù)美國《精神障礙診斷與統(tǒng)計手冊（第5版）》［Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders （Fifth Edition）, DSM-5］的診斷標(biāo)準(zhǔn)，由專業(yè)醫(yī)師明確診斷為ADHD；② 能完成韋氏幼兒智力量表第4版或韋氏兒童智力量表第4版；③ 能獨立完成紙筆測試。對照組納入標(biāo)準(zhǔn)：① 無神經(jīng)精神疾病病史；② 按正常年齡入學(xué)，沒有出現(xiàn)留級或跳級；③ 韋氏智力測試正常（即總智商大于85且小于115），學(xué)業(yè)成績處于年級中位數(shù)水平；④ 能獨立完成紙筆測試。

實驗要求所有被試在劃消測試任務(wù)開始之前充分了解實驗細(xì)則，在征得其監(jiān)護(hù)人或康復(fù)醫(yī)師的同意后，自愿簽署知情同意書，并被告知實驗過程中可以隨時宣布退出。在實驗結(jié)束后，為他們提供一份詳細(xì)的劃消測試評分報告。該研究得到了東南大學(xué)倫理委員會的審查批準(zhǔn)，實驗程序符合《赫爾辛基宣言》。

1.2 方法

1.2.1 智能數(shù)字劃消測試工具 采用課題組自主研發(fā)的智能數(shù)字劃消測試工具。該工具主要由以下三部分構(gòu)成。① 數(shù)字劃消測試紙：標(biāo)準(zhǔn)的B5印刷紙；目標(biāo)數(shù)字是“3”，其余數(shù)字為干擾項；每頁任務(wù)紙共有26行40列數(shù)字，采取的是有序排列；在測試紙上布滿了能反映空間位置的碼點編碼。②智慧筆：在筆尖上方嵌入了微型智能攝像頭，可精確識別筆尖在紙面位置處的碼點編碼，進(jìn)而識別出筆尖的實時坐標(biāo)與時間信息，為數(shù)字劃消測試評估指標(biāo)的設(shè)定提供原始數(shù)據(jù)信息。③ 主機(jī)：通過藍(lán)牙設(shè)備與智慧筆連接，獲得筆尖的實時坐標(biāo)和時間信息，實現(xiàn)對數(shù)字劃消測試評定指標(biāo)的提取。

1.2.2 數(shù)字劃消測試的評定指標(biāo) 選取了6項指標(biāo)。① 劃消準(zhǔn)確度（Acc），定義為Acc=（n-w）/（n+o）。其中n代表劃掉的符號總數(shù)，o代表漏劃數(shù)，w代表錯劃數(shù)。因此漏劃數(shù)和錯劃數(shù)越少，Acc越高（越接近1）。② 劃消速度（SpC），定義為SpC=M其中M代表一行所包含的符號數(shù)量，N代表一列中所包含的符號數(shù)量；如果第i行符號中包含劃掉的符號，那么Ri= 1，否則Ri= 0。因此劃掉符號（數(shù)字）的行數(shù)越多，SpC越高。③ 注意力指數(shù)（SA），定義為SA = Acc×SpC。Acc和/或SpC越高，SA越高。④ 視覺搜索策略指數(shù)（VSS），定義為其中γi=arscin（|yi+1-yi|/di）；yi代表第i個劃消符號的y軸坐標(biāo)，di代表第i個劃消符號和第i+1個劃消符號之間的歐氏距離，n代表所有劃掉的符號數(shù)量；VSS刻畫的是劃消符號的先后順序，如果劃消符號的過程是有序和按照統(tǒng)一的順序，那么就能獲得高分，相反就會獲得低分。⑤ 視覺運動整合指數(shù)（VMI），定義為其中ti代表第i個圈的畫圈時間，n代表所有劃掉的符號數(shù)量。VMI刻畫的是符號劃消的平均時間，能反映被試的筆控能力和視覺運動加工的準(zhǔn)確性。⑥ 多劃指數(shù)（MNC），定義為其中nci= 1表示將第i個目標(biāo)和其余數(shù)字同時都圈上的情況，否則為nci= 0；MNC反映的是被試筆控能力和視覺運動加工的準(zhǔn)確性。

值得說明的是，為了去除年齡因素的影響，本文利用前期獲得的各年齡段常模數(shù)據(jù)，將各項評估指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，用Z分?jǐn)?shù)作為各評估指標(biāo)的測量結(jié)果。

1.2.3 實驗步驟 利用智能數(shù)字劃消測試工具，實驗組和對照組兒童需要在2 min內(nèi)從矩陣排列的數(shù)字中找到目標(biāo)數(shù)字“3”并“圈”上該數(shù)字，而抑制其余數(shù)字的干擾。可以評定實驗組和對照組兒童的注意力指數(shù)、劃消準(zhǔn)確度、劃消速度、視覺搜索策略指數(shù)、視覺運動整合指數(shù)、多劃指數(shù)這6項指標(biāo)。為了與傳統(tǒng)數(shù)字劃消算法進(jìn)行比較，我們也同步計算了NS這個被廣泛采用的傳統(tǒng)數(shù)字劃消評定指標(biāo)。NS = r-（w+0.5o），其中r代表劃掉的正確符號個數(shù)；o代表漏劃數(shù)；w代表錯劃數(shù)。

1.2.4 受試者工作特征曲線（receiver operating characteristic curve, ROC曲線） 應(yīng)用ROC曲線分析方法［17］，本文將比較7種劃消指標(biāo)（包括本文提出的6種評定指標(biāo)，以及1種傳統(tǒng)的評定指標(biāo)）在鑒別ADHD上的性能差異。ROC曲線分析的指標(biāo)包括：ROC曲線下面積（area under curve, AUC）、最佳閾值及其對應(yīng)的特異度、靈敏度、約登指數(shù)以及準(zhǔn)確率。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

在正式進(jìn)入統(tǒng)計分析之前，本文首先利用Shapiro-Wilk檢驗和Levene’s檢驗查看統(tǒng)計變量的正態(tài)性和方差齊性。在未通過檢驗的情況下，優(yōu)先使用非配對Wilcoxon秩和檢驗檢查變量的組間差異。本文重點檢查NS（傳統(tǒng)評定指標(biāo)）和基于智能數(shù)字劃消測試工具的6種評定指標(biāo)是否存在組間差異，以及這些差異是否受性別的影響。以上顯著性水平α都設(shè)為0.05。整個統(tǒng)計分析過程在R包“rstatix”和“pROC”中進(jìn)行（R版本為4.1.1）。

2 結(jié)果

2.1 不同劃消測試評定指標(biāo)的組間差異分析

分析結(jié)果顯示：① 實驗組NS、劃消準(zhǔn)確度、劃消速度與對照組的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；② 與NS相比，注意力指數(shù)和多劃指數(shù)這2個指標(biāo)的組間差異更加顯著（P＜0.000 1）；③ 視覺搜索策略指數(shù)與視覺運動整合指數(shù)這2個指標(biāo)的組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。詳見圖1。

圖1 不同劃消指標(biāo)的組間差異分析

2.2 不同性別的組間差異分析

分析結(jié)果顯示：① 在NS、劃消速度、視覺搜索策略指數(shù)和視覺運動整合指數(shù)這4個指標(biāo)上，男童和女童的組間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；② 在劃消準(zhǔn)確度、注意力指數(shù)、多劃指數(shù)這3個指標(biāo)上，男童和女童的組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。 詳見圖2。

圖2 不同性別的組間差異分析

2.3 不同劃消測試評定指標(biāo)的ROC曲線分析

為展現(xiàn)和比較各劃消測試評定指標(biāo)在鑒別ADHD方面的性能差異，本研究給出了不同劃消測試評定指標(biāo)的ROC曲線分析（涉及AUC值、最佳閾值及其對應(yīng)的特異度、靈敏度、約登指數(shù)以及準(zhǔn)確率等指標(biāo)的計算）。分析結(jié)果顯示：① NS（傳統(tǒng)評定指標(biāo)）和劃消準(zhǔn)確度、劃消速度、視覺搜索策略指數(shù)、視覺運動整合指數(shù)的ROC曲線幾乎混疊在一起，它們的約登指數(shù)在1.18～1.26，準(zhǔn)確率和AUC值僅在0.6左右，這似乎很難將實驗組兒童和對照組兒童鑒別開來；② 相比之下，更具顯著性差異的注意力指數(shù)和多劃指數(shù)的ROC曲線在圖中更加凸顯，兩者的約登指數(shù)均高于1.40，準(zhǔn)確率和AUC值均高于0.7，比NS（傳統(tǒng)評定指標(biāo)）均提升了超過10個百分點。詳見圖3和表1。

圖3 不同劃消指標(biāo)的ROC曲線

表1 不同劃消指標(biāo)的ROC曲線分析比較

3 討論

數(shù)字劃消測試在國際上被廣泛用于包括ADHD在內(nèi)的眾多精神疾病相關(guān)的臨床評估，但遺憾的是，我國目前尚未建立數(shù)字劃消的全國性常模數(shù)據(jù)，而且對于其臨床應(yīng)用也沒有被充分報道。本文旨在探索數(shù)字劃消測試在ADHD篩查診斷中的應(yīng)用。為此，本文提出利用智能數(shù)字劃消測試工具，該工具具備兩大技術(shù)優(yōu)點：① 可以獲得傳統(tǒng)紙筆測試中的靜態(tài)指標(biāo)（如NS），還能夠發(fā)掘手寫過程的時空特征，進(jìn)一步得到更為豐富的測評觀察指標(biāo)（如本文已經(jīng)展示的注意力指數(shù)、劃消準(zhǔn)確度、劃消速度、視覺搜索策略指數(shù)、視覺運動整合指數(shù)和多劃指數(shù)等）；② 可以實現(xiàn)測試評估流程的自動化監(jiān)管和數(shù)據(jù)的自動化處理，節(jié)省人力資源，這將有助于自動化地生成評估報告，提高臨床診斷的效益和準(zhǔn)確性。

實驗組和對照組的組間差異分析結(jié)果顯示：① 與NS（傳統(tǒng)評定指標(biāo)）相比，注意力指數(shù)和多劃指數(shù)這2個指標(biāo)的組間差異更加顯著；② 實驗組和對照組的男童在NS（傳統(tǒng)評定指標(biāo)）上的差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但在劃消準(zhǔn)確度、注意力指數(shù)、多劃指數(shù)這3個指標(biāo)上的差異有統(tǒng)計學(xué)意義；2組女童在NS上的差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但在注意力指數(shù)上的差異有統(tǒng)計學(xué)意義；這表明NS無法區(qū)分性別對組間差異的影響，但劃消準(zhǔn)確度、注意力指數(shù)、多劃指數(shù)這3個指標(biāo)具有更高的性別敏感性，能區(qū)分性別對組間差異的影響。同時，不同劃消測試評定指標(biāo)的ROC曲線分析結(jié)果顯示：① NS的約登指數(shù)為1.22，準(zhǔn)確率和AUC值僅在0.6左右，很難將實驗組兒童和對照組兒童鑒別開來；② 注意力指數(shù)和多劃指數(shù)的約登指數(shù)均高于1.40，準(zhǔn)確率和AUC值均高于0.7。上述結(jié)果均表明，與傳統(tǒng)靜態(tài)評定指標(biāo)NS相比，本文提出的時空特征指標(biāo)在鑒別ADHD患兒方面具備更加良好的性能。

眾多學(xué)者［18-21］對ADHD兒童的認(rèn)知特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明ADHD兒童的智力、記憶力、注意力等均低于正常兒童。本文的研究結(jié)果與前期的結(jié)論是一致的。實際上，本文證實實驗組NS、劃消準(zhǔn)確度、劃消速度、注意力指數(shù)均顯著低于對照組，而對照組的多劃指數(shù)明顯高于實驗組。這些結(jié)果均表明ADHD患兒在劃消測試任務(wù)中，其注意力不能集中，劃消速度偏低，劃消準(zhǔn)確度偏低，更容易出現(xiàn)錯劃、漏劃和多劃等情況。與此同時，我們也發(fā)現(xiàn)，對于視覺搜索策略指數(shù)和視覺運動整合指數(shù)這兩項評估指標(biāo)，實驗組與對照組不存在顯著差異，具體的原因與機(jī)制有待進(jìn)一步研究分析。

有學(xué)者［22］探討了男女ADHD患兒的智力與認(rèn)知功能差異，發(fā)現(xiàn)了ADHD男孩比ADHD 女孩有更嚴(yán)重的智力受損，記憶力、注意力受損程度相近，執(zhí)行功能中的計劃、選擇性抑制能力則相對保持較好。由于在兒童發(fā)展的相當(dāng)長時間內(nèi)，女孩比男孩具備更高的發(fā)展水平，因此有必要研究ADHD女孩和健康女孩、ADHD男孩和健康女孩在智力與認(rèn)知結(jié)構(gòu)方面的差異。但遺憾的是，很少有學(xué)者開展相關(guān)研究。本文通過數(shù)字劃消測試任務(wù)，嘗試探討了性別對實驗組和對照組差異的影響。本文證實，在劃消準(zhǔn)確度、注意力指數(shù)、多劃指數(shù)這3個指標(biāo)上，ADHD男童和健康男童存在顯著的組間差異；但對ADHD女童和健康女童而言，只在注意力指數(shù)這一個指標(biāo)上存在顯著的組間差異。由此，我們似乎可以推斷：與健康兒童相比，ADHD男童在劃消測試任務(wù)中的表現(xiàn)更差；而注意力低下是ADHD男童和ADHD女童共有的特點。

ADHD不僅損害學(xué)習(xí)功能，還存在其他多方面、涉及生命全周期的損害，因此ADHD的早期識別意義重大［23-24］。本研究利用劃消測試任務(wù)，并借助ROC曲線分析方法，證實了兩大測評指標(biāo)（即注意力指數(shù)和多劃指數(shù)）的約登指數(shù)均高于1.40，準(zhǔn)確率和AUC值均高于0.7，這表明這兩個指標(biāo)有望用于ADHD患兒的早期篩查。

有學(xué)者［20］證實，在數(shù)字劃消測驗中，ADHD三個亞型組的總分均低于對照組，而失誤率均高于對照組，但ADHD三個亞型組的總分和失誤率不存在顯著的組間差異。這表明ADHD 的各亞型不僅有共同的臨床特征，而且也有共同的神經(jīng)心理學(xué)特征。ADHD各亞型的異質(zhì)性可能表現(xiàn)在執(zhí)行功能的各方面［20］。

綜上所述，本文提出了利用智能數(shù)字劃消測試工具的快速認(rèn)知評估方法（只需2 min），可實現(xiàn)對數(shù)字劃消任務(wù)中紙筆交互的時空特征分析，其獲得的劃消準(zhǔn)確度、劃消速度、注意力指數(shù)、多劃指數(shù)這4個指標(biāo)能較好地反映ADHD兒童與健康兒童的差異，特別是注意力指數(shù)和多劃指數(shù)，具備更加良好的鑒別ADHD的性能，具備用于ADHD患兒早期篩查的潛力。因此，通過設(shè)定合適的截斷值，本文所提出的方法可作為一種快速的ADHD篩查工具供臨床參考。在未來的研究中將考慮擴(kuò)大樣本量，分析不同亞型ADHD患兒在數(shù)字劃消測試中的表現(xiàn)差異，并深入探討ADHD患兒的性別差異等問題。