Quantitative analysis of graphomotor fluency in primary school children with a smart ink pen

Handwriting is an intricate activity that involves the coordination of cognitive and motor processes. Estimated handwriting difficulties in primary school children range from 5% to 30%. Recognizing these challenges is crucial, as individuals with poor handwriting often encounter various obstacles, affecting academic achievement and self-esteem. Traditional assessments, employing a pen-and-paper setup, primarily focus on the quality and speed of handwriting based on the final product. Handwriting skills development during primary school years is indeed documented in the literature considering these two aspects. Emerging technologies address this limitation by providing a more comprehensive analysis of the underlying handwriting process. Therefore, this study employed an innovative and ecological smart ink pen (SIP) to investigate handwriting development in primary school. The SIP, equipped with sensors that permit the acquisition of both kinematic and dynamic signals, allows the quantitative characterization of the writing process. The research adopted a cross-sectional approach, involving 536 children from 1st to 5th grade. At school, participants completed four tests from the BVSCO-3 battery, the Italian gold standard for graphomotor fluency assessment. These tests entail writing the sequence of numbers in letters and the sequence of the word "uno" in both italic and uppercase fonts within a one-minute interval. The test scores were computed as the number of correctly written graphemes and converted into Z-scores according to the BVSCO-3 normative data for each of the four tests. From the SIP raw data, 22 indicators were extracted to describe time, force, fluency and tilt domains of the handwriting process. The available data were statistically analysed to: I) assess SIP indicators validity with respect to the gold standard, through a correlation analysis; II-III) evaluate handwriting learning curves; IV) investigate SIP sensitivity to handwriting difficulties, revealed by Z-score < -2; V-VI) examine the impact of gender and socioeconomic status (SES) on the developmental process; VII) evaluate the effect of potential risks factor in relation to the presence of handwriting difficulties. Validity results, especially of temporal domain indicators, demonstrated SIP indicators concurrent validity with respect to the BVSCO-3 gold standard, in particular, for the uppercase font. As for the learning curves, a significant evolution in most indicators across all four domains was observed, with the 3rd grade identified as a turning point of handwriting development, followed by a plateau in the last two years, in line with the existing literature. When examining handwriting difficulties, proficient and poor writers demonstrated various statistically significant differences: prolonged time in air on the sheet, disfluent pen movements, and decreased control in applied force were prominent in poor writers. Gender differences, particularly in the first grade, revealed fluent gestures, reduced time spent in air, and an increased number of strokes in females compared to males, confirming the literature. Moreover, the examination of different risk factors highlighted a significant connection between exposure to other languages and handwriting difficulties. The obtained results support the use of the data collected in the current study as a digital normative for Italian graphomotor fluency assessment: the SIP can empower the standard clinical evaluation thanks to the access to objective information on the handwriting process, allowing the planning of targeted interventions even in the early stages of handwriting development

La scrittura è un'attività complessa che coinvolge la coordinazione di componenti cognitive e percettuali motorie. La prevalenza di difficoltà nella scrittura in età scolare si stima vari dal 10 al 34% Riconoscere queste complessità è fondamentale, poiché soggetti con competenze di scrittura non completamente sviluppate spesso si trovano ad affrontare diverse sfide, che possono influenzare il rendimento accademico e la propria autostima. Le valutazioni tradizionali svolte con carta e penna, si concentrano principalmente sulla qualità e la velocità della scrittura basata sul prodotto finale. Lo sviluppo della scrittura durante gli anni della scuola primaria è documentato in letteratura considerando questi due aspetti. Le tecnologie emergenti superano tale limitazione, fornendo un'analisi più approfondita del processo sottostante alla scrittura. Pertanto, questo studio ha impiegato un’innovativa penna smart ad inchiostro (SIP) per investigare lo sviluppo della scrittura nella scuola primaria. La SIP, dotata di sensori che consentono l'acquisizione di segnali cinetici e dinamici, consente la caratterizzazione quantitativa del processo di scrittura. Lo studio è caratterizzato da un approccio trasversale, e ha visto il coinvolgimento di 536 bambini dalla 1ª alla 5ª elementare. A scuola, i partecipanti hanno completato quattro test della batteria BVSCO-3, riconosciuta come lo standard italiano per la valutazione della velocità di scrittura. Ogni bambino doveva scrivere la sequenza di numeri in lettere e la sequenza della parola "uno" sia in corsivo che in stampato in un intervallo di tempo di un minuto. I punteggi dei test sono stati prima calcolati come il numero di grafemi scritti correttamente e in seguito convertiti in punteggi Z in base ai dati normativi della batteria BVSCO-3 per ciascuno dei quattro test. Dai dati grezzi della penna sono stati estratti 22 indicatori per descrivere i domini di tempo, forza, fluidità e inclinazione del processo di scrittura. I dati disponibili sono stati analizzati statisticamente per: I) valutare la validità degli indicatori SIP rispetto allo standard, attraverso un'analisi delle correlazioni; II-III) valutare le curve di apprendimento della scrittura a mano ; IV) indagare la sensibilità degli indicatori SIP alle difficoltà di scrittura, rivelate da punteggi Z < -2; V-VI) esaminare l'impatto di genere e status socioeconomico (SES) sul processo di sviluppo; VII) valutare l'effetto di potenziali fattori di rischio in relazione alla presenza di difficoltà di scrittura. Per quanto riguarda le curve di apprendimento, è stata osservata un’evoluzione significativa nel profilo globale degli indicatori di tutti e quattro i domini. Questa evoluzione è emersa principalmente crescendo fino alla terza elementare, per poi raggiunger un plateau negli ultimi due anni, risultando in linea con la letteratura esistente. Nell'esaminare le difficoltà di scrittura, sono emerse varie differenze statisticamente significative tra i bambini con gesto di scrittura già maturato e bambini con scrittura scadente: il tempo prolungato sia in aria che sulla superficie, i movimenti della penna non fluidi e la diminuzione del controllo nella forza applicata sono stati evidenti negli scrittori con più difficoltà. Curiosamente, le caratteristiche degli scrittori con difficoltà sono state osservate anche nei bambini della prima e della seconda elementare Le differenze di genere, soprattutto nella prima elementare, hanno rivelato gesti fluidi, riduzione del tempo trascorso in aria e aumento del numero di tratti scritti nelle femmine rispetto ai maschi, confermando la letteratura. Inoltre, la valutazione di potenziali fattori di rischio ha evidenziato una relazione significativa tra l'esposizione a lingue diverse e le difficoltà di scrittura. I risultati ottenuti supportano l'uso dei dati raccolti nello studio attuale come normativa digitale per la valutazione della competenza grafomotoria italiana: la SIP può potenziare la valutazione clinica standard tramite l’inclusione di informazioni oggettive sul processo di scrittura, consentendo la pianificazione di interventi mirati anche nelle prime fasi dello sviluppo della scrittura.