Doctoral Thesis

Research of online handwriting parameterisation in subjects with graphomotor difficulties"

Final Thesis 7.01 MB Summary of Thesis 7.01 MB

Author of thesis: Ing. Michal Gavenčiak

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Jiří Mekyska, Ph.D.

Reviewers: prof. Ing. Peter Drotár, Ph.D., Dr. Ing. Jiří Přibil

Abstract:

Conventional assessment of graphomotor and handwriting difficulties is often constrained by subjectivity, high costs, and lengthy procedures, which can delay critical support for individuals in need. This dissertation aims to develop and validate a suite of novel computational methods for the objective, quantitative assessment of graphomotor, handwriting, and associated cognitive skills using on-line, digitally captured data.

Four primary research avenues were pursued. First, a method based on the directional analysis of movement, enhanced by fractional-order calculus, was developed to assess graphomotor control in drawing tasks. Second, the principle of isochrony, the natural rhythm of handwriting, was quantified to create features assessing writing fluency. Third, a multimodal framework combining on-line handwriting with concurrent eye-tracking was investigated to assess cognitive-motor performance, yielding novel hand-eye coupling biomarkers. Finally, an LSTM-based autoencoder was explored as a data augmentation tool and preprocessing filter to enhance the feature space of limited clinical datasets.

The results demonstrate the significant predictive gains of the proposed methods over conventional approaches. The directional analysis model achieved a balanced accuracy of 87\,\% in identifying children with graphomotor difficulties. The multimodal hand-eye tracking framework reached 90\,\% accuracy in assessing performance on a cognitive task. Isochrony-based features were shown to be highly predictive of handwriting proficiency, and the autoencoder preprocessing step provided an improvement over baseline model performance.

Collectively, this research provides a validated toolkit of objective, powerful, and interpretable methods for analyzing the handwriting process. These contributions lay the groundwork for a new generation of decision support systems, promising more precise, efficient, and accessible assessment of handwriting and graphomotor skills.

Keywords:

On-line Handwriting Analysis, Graphomotor Skills, Developmental Dysgraphia, Machine Learning, Feature Extraction, Fractional Calculus, Multimodal Analysis, Eye-Tracking

Date of defence

17.12.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertant při prezentaci jasně a stručně vysvětlil dosažené výsledky vědecké práce. odpověděl na všechny otázky oponentů i členů komise. Obhajoba proběhla na velmi dobré úrovni.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Telecommunications

Study programme

Teleinformatics (DPC-TLI)

Composition of Committee

prof. Ing. Zdeněk Smékal, CSc. (předseda)
doc. Ing. Otto Dostál, CSc. (člen)
prof. Ing. Radim Burget, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Přinosil, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Kamil Říha, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Peter Drotár, Ph.D. (člen)
Dr. Ing. Jiří Přibil (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Jiří Mekyska, Ph.D.

Ing. Michal Gavenčiak zahájil své doktorské studium v září 2021 a ihned po nástupu se aktivně zapojil do řady odborných činností zajišťovaných Ústavem telekomunikací FEKT Vysokého učení technického v Brně, například do výuky předmětů zabývajících se problematikou zpracování signálů, koordinace studentských prací a řešení výzkumných projektů. Hned od začátku vynikal vysoce profesionální, pečlivou a efektivní prací. V Laboratoři analýzy onemocnění mozku (BDALab, http://bdalab.utko.feec.vutbr.cz/) se zabýval převážně kvantitativní analýzou poruch grafomotoriky a psaní u osob s neurodegenerativními onemocněními nebo s neurovývojovými poruchami. V těchto oblastech dosáhl významných výsledků s mezinárodním ohlasem. Z jeho osmi vědeckých publikací byla jedna publikována v časopise zařazeném do prvního kvartilu (v ní je prvním autorem). Dosažené výsledky rovněž pravidelně prezentoval na mezinárodních konferencích (např. na prestižní konferenci EUSIPCO) a studentských soutěžích, kde mimo jiné získal třetí místo v soutěži STUDENT EEICT 2022. Během svého čtyřletého působení na vědeckém poli se zapojil do čtyř národních projektů (2× MŠMT, TAČR, GAČR).

Z hlediska národní spolupráce participoval především na výzkumu poruch grafomotoriky dětí se specifickými poruchami učení, který probíhá ve spolupráci s týmem PhDr. Kataríny Zvončákové, Ph.D., z Psychologického ústavu Akademie věd České republiky. V rámci Národního institutu pro neurologický výzkum spolupracoval také s týmem prof. MUDr. Ireny Rektorové, Ph.D., z I. neurologické kliniky Fakultní nemocnice u sv. Anny v Brně a ze Středoevropského technologického institutu, a to na výzkumu dysgrafie u pacientů s demencí s Lewyho tělísky. Absolvoval rovněž stáž na Pompeu Fabra University v týmu prof. Marcose Faundeze-Zanuye, Ph.D. (který je zároveň jeho školitel specialista), kde se zabýval multimodální analýzou kognitivních poruch kombinující zpracování digitalizovaného písma a pohybu očí. Díky svým úspěchům na mezinárodním poli dělá dobré jméno jak Vysokému učení technickému v Brně, tak České republice obecně.

Všechny výše uvedené výsledky svědčí o tom, že Ing. Michal Gavenčiak úspěšně prokázal svoji způsobilost samostatně provádět vědeckou činnost, včetně všech souvisejících povinností, zahrnujících zejména předávání nových poznatků svým kolegům, vědecké komunitě i studentům. Současně se stal plně vyzrálou osobností s vysokým potenciálem k samostatné vědecké práci.

Dizertační práci a dosavadní vědecké výsledky Ing. Michala Gavenčiaka považuji za dostatečně rozsáhlé a kvalitní k tomu, aby byly předloženy zkušební komisi k posouzení, a v případě úspěšné obhajoby doporučuji Ing. Michalu Gavenčiakovi udělit akademický titul Ph.D.

Reviewer’s report
prof. Ing. Peter Drotár, Ph.D.

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 1,93 MB

Reviewer’s report
Dr. Ing. Jiří Přibil

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 9,02 MB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová