5 research outputs found

    Android Library for Recognition of Activities of Daily Living: Implementation Considerations, Challenges, and Solutions

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    Background: Off-the-shelf-mobile devices have several sensors available onboard that may be used for the recognition of Activities of Daily Living (ADL) and the environments where they are performed. This research is focused on the development of Ambient Assisted Living (AAL) systems, using mobile devices for the acquisition of the different types of data related to the physical and physiological conditions of the subjects and the environments. Mobile devices with the Android Operating Systems are the least expensive and exhibit the biggest market while providing a variety of models and onboard sensors. Objective: This paper describes the implementation considerations, challenges and solutions about a framework for the recognition of ADL and the environments, provided as an Android library. The framework is a function of the number of sensors available in different mobile devices and utilizes a variety of activity recognition algorithms to provide a rapid feedback to the user. Methods: The Android library includes data fusion, data processing, features engineering and classification methods. The sensors that may be used are the accelerometer, the gyroscope, the magnetometer, the Global Positioning System (GPS) receiver and the microphone. The data processing includes the application of data cleaning methods and the extraction of features, which are used with Deep Neural Networks (DNN) for the classification of ADL and environment. Throughout this work, the limitations of the mobile devices were explored and their effects have been minimized. Results: The implementation of the Android library reported an overall accuracy between 58.02% and 89.15%, depending on the number of sensors used and the number of ADL and environments recognized. Compared with the results available in the literature, the performance of the library reported a mean improvement of 2.93%, and they do not differ at the maximum found in prior work, that based on the Student’s t-test. Conclusion: This study proves that ADL like walking, going upstairs and downstairs, running, watching TV, driving, sleeping and standing activities, and the bedroom, cooking/kitchen, gym, classroom, hall, living room, bar, library and street environments may be recognized with the sensors available in off-the-shelf mobile devices. Finally, these results may act as a preliminary research for the development of a personal digital life coach with a multi-sensor mobile device commonly used daily.This work was supported by FCT project UID/EEA/50008/2013 (Este trabalho foi suportado pelo projecto FCT UID/EEA/50008/2013). The authors would also like to acknowledge the contribution of the COST Action IC1303 – AAPELE – Architectures, Algorithms and Protocols for Enhanced Living Environments

    Multi-sensor data fusion in mobile devices for the identification of Activities of Daily Living

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    Following the recent advances in technology and the growing use of mobile devices such as smartphones, several solutions may be developed to improve the quality of life of users in the context of Ambient Assisted Living (AAL). Mobile devices have different available sensors, e.g., accelerometer, gyroscope, magnetometer, microphone and Global Positioning System (GPS) receiver, which allow the acquisition of physical and physiological parameters for the recognition of different Activities of Daily Living (ADL) and the environments in which they are performed. The definition of ADL includes a well-known set of tasks, which include basic selfcare tasks, based on the types of skills that people usually learn in early childhood, including feeding, bathing, dressing, grooming, walking, running, jumping, climbing stairs, sleeping, watching TV, working, listening to music, cooking, eating and others. On the context of AAL, some individuals (henceforth called user or users) need particular assistance, either because the user has some sort of impairment, or because the user is old, or simply because users need/want to monitor their lifestyle. The research and development of systems that provide a particular assistance to people is increasing in many areas of application. In particular, in the future, the recognition of ADL will be an important element for the development of a personal digital life coach, providing assistance to different types of users. To support the recognition of ADL, the surrounding environments should be also recognized to increase the reliability of these systems. The main focus of this Thesis is the research on methods for the fusion and classification of the data acquired by the sensors available in off-the-shelf mobile devices in order to recognize ADL in almost real-time, taking into account the large diversity of the capabilities and characteristics of the mobile devices available in the market. In order to achieve this objective, this Thesis started with the review of the existing methods and technologies to define the architecture and modules of the method for the identification of ADL. With this review and based on the knowledge acquired about the sensors available in off-the-shelf mobile devices, a set of tasks that may be reliably identified was defined as a basis for the remaining research and development to be carried out in this Thesis. This review also identified the main stages for the development of a new method for the identification of the ADL using the sensors available in off-the-shelf mobile devices; these stages are data acquisition, data processing, data cleaning, data imputation, feature extraction, data fusion and artificial intelligence. One of the challenges is related to the different types of data acquired from the different sensors, but other challenges were found, including the presence of environmental noise, the positioning of the mobile device during the daily activities, the limited capabilities of the mobile devices and others. Based on the acquired data, the processing was performed, implementing data cleaning and feature extraction methods, in order to define a new framework for the recognition of ADL. The data imputation methods were not applied, because at this stage of the research their implementation does not have influence in the results of the identification of the ADL and environments, as the features are extracted from a set of data acquired during a defined time interval and there are no missing values during this stage. The joint selection of the set of usable sensors and the identifiable set of tasks will then allow the development of a framework that, considering multi-sensor data fusion technologies and context awareness, in coordination with other information available from the user context, such as his/her agenda and the time of the day, will allow to establish a profile of the tasks that the user performs in a regular activity day. The classification method and the algorithm for the fusion of the features for the recognition of ADL and its environments needs to be deployed in a machine with some computational power, while the mobile device that will use the created framework, can perform the identification of the ADL using a much less computational power. Based on the results reported in the literature, the method chosen for the recognition of the ADL is composed by three variants of Artificial Neural Networks (ANN), including simple Multilayer Perceptron (MLP) networks, Feedforward Neural Networks (FNN) with Backpropagation, and Deep Neural Networks (DNN). Data acquisition can be performed with standard methods. After the acquisition, the data must be processed at the data processing stage, which includes data cleaning and feature extraction methods. The data cleaning method used for motion and magnetic sensors is the low pass filter, in order to reduce the noise acquired; but for the acoustic data, the Fast Fourier Transform (FFT) was applied to extract the different frequencies. When the data is clean, several features are then extracted based on the types of sensors used, including the mean, standard deviation, variance, maximum value, minimum value and median of raw data acquired from the motion and magnetic sensors; the mean, standard deviation, variance and median of the maximum peaks calculated with the raw data acquired from the motion and magnetic sensors; the five greatest distances between the maximum peaks calculated with the raw data acquired from the motion and magnetic sensors; the mean, standard deviation, variance, median and 26 Mel- Frequency Cepstral Coefficients (MFCC) of the frequencies obtained with FFT based on the raw data acquired from the microphone data; and the distance travelled calculated with the data acquired from the GPS receiver. After the extraction of the features, these will be grouped in different datasets for the application of the ANN methods and to discover the method and dataset that reports better results. The classification stage was incrementally developed, starting with the identification of the most common ADL (i.e., walking, running, going upstairs, going downstairs and standing activities) with motion and magnetic sensors. Next, the environments were identified with acoustic data, i.e., bedroom, bar, classroom, gym, kitchen, living room, hall, street and library. After the environments are recognized, and based on the different sets of sensors commonly available in the mobile devices, the data acquired from the motion and magnetic sensors were combined with the recognized environment in order to differentiate some activities without motion, i.e., sleeping and watching TV. The number of recognized activities in this stage was increased with the use of the distance travelled, extracted from the GPS receiver data, allowing also to recognize the driving activity. After the implementation of the three classification methods with different numbers of iterations, datasets and remaining configurations in a machine with high processing capabilities, the reported results proved that the best method for the recognition of the most common ADL and activities without motion is the DNN method, but the best method for the recognition of environments is the FNN method with Backpropagation. Depending on the number of sensors used, this implementation reports a mean accuracy between 85.89% and 89.51% for the recognition of the most common ADL, equals to 86.50% for the recognition of environments, and equals to 100% for the recognition of activities without motion, reporting an overall accuracy between 85.89% and 92.00%. The last stage of this research work was the implementation of the structured framework for the mobile devices, verifying that the FNN method requires a high processing power for the recognition of environments and the results reported with the mobile application are lower than the results reported with the machine with high processing capabilities used. Thus, the DNN method was also implemented for the recognition of the environments with the mobile devices. Finally, the results reported with the mobile devices show an accuracy between 86.39% and 89.15% for the recognition of the most common ADL, equal to 45.68% for the recognition of environments, and equal to 100% for the recognition of activities without motion, reporting an overall accuracy between 58.02% and 89.15%. Compared with the literature, the results returned by the implemented framework show only a residual improvement. However, the results reported in this research work comprehend the identification of more ADL than the ones described in other studies. The improvement in the recognition of ADL based on the mean of the accuracies is equal to 2.93%, but the maximum number of ADL and environments previously recognized was 13, while the number of ADL and environments recognized with the framework resulting from this research is 16. In conclusion, the framework developed has a mean improvement of 2.93% in the accuracy of the recognition for a larger number of ADL and environments than previously reported. In the future, the achievements reported by this PhD research may be considered as a start point of the development of a personal digital life coach, but the number of ADL and environments recognized by the framework should be increased and the experiments should be performed with different types of devices (i.e., smartphones and smartwatches), and the data imputation and other machine learning methods should be explored in order to attempt to increase the reliability of the framework for the recognition of ADL and its environments.Após os recentes avanços tecnológicos e o crescente uso dos dispositivos móveis, como por exemplo os smartphones, várias soluções podem ser desenvolvidas para melhorar a qualidade de vida dos utilizadores no contexto de Ambientes de Vida Assistida (AVA) ou Ambient Assisted Living (AAL). Os dispositivos móveis integram vários sensores, tais como acelerómetro, giroscópio, magnetómetro, microfone e recetor de Sistema de Posicionamento Global (GPS), que permitem a aquisição de vários parâmetros físicos e fisiológicos para o reconhecimento de diferentes Atividades da Vida Diária (AVD) e os seus ambientes. A definição de AVD inclui um conjunto bem conhecido de tarefas que são tarefas básicas de autocuidado, baseadas nos tipos de habilidades que as pessoas geralmente aprendem na infância. Essas tarefas incluem alimentar-se, tomar banho, vestir-se, fazer os cuidados pessoais, caminhar, correr, pular, subir escadas, dormir, ver televisão, trabalhar, ouvir música, cozinhar, comer, entre outras. No contexto de AVA, alguns indivíduos (comumente chamados de utilizadores) precisam de assistência particular, seja porque o utilizador tem algum tipo de deficiência, seja porque é idoso, ou simplesmente porque o utilizador precisa/quer monitorizar e treinar o seu estilo de vida. A investigação e desenvolvimento de sistemas que fornecem algum tipo de assistência particular está em crescente em muitas áreas de aplicação. Em particular, no futuro, o reconhecimento das AVD é uma parte importante para o desenvolvimento de um assistente pessoal digital, fornecendo uma assistência pessoal de baixo custo aos diferentes tipos de pessoas. pessoas. Para ajudar no reconhecimento das AVD, os ambientes em que estas se desenrolam devem ser reconhecidos para aumentar a fiabilidade destes sistemas. O foco principal desta Tese é o desenvolvimento de métodos para a fusão e classificação dos dados adquiridos a partir dos sensores disponíveis nos dispositivos móveis, para o reconhecimento quase em tempo real das AVD, tendo em consideração a grande diversidade das características dos dispositivos móveis disponíveis no mercado. Para atingir este objetivo, esta Tese iniciou-se com a revisão dos métodos e tecnologias existentes para definir a arquitetura e os módulos do novo método de identificação das AVD. Com esta revisão da literatura e com base no conhecimento adquirido sobre os sensores disponíveis nos dispositivos móveis disponíveis no mercado, um conjunto de tarefas que podem ser identificadas foi definido para as pesquisas e desenvolvimentos desta Tese. Esta revisão também identifica os principais conceitos para o desenvolvimento do novo método de identificação das AVD, utilizando os sensores, são eles: aquisição de dados, processamento de dados, correção de dados, imputação de dados, extração de características, fusão de dados e extração de resultados recorrendo a métodos de inteligência artificial. Um dos desafios está relacionado aos diferentes tipos de dados adquiridos pelos diferentes sensores, mas outros desafios foram encontrados, sendo os mais relevantes o ruído ambiental, o posicionamento do dispositivo durante a realização das atividades diárias, as capacidades limitadas dos dispositivos móveis. As diferentes características das pessoas podem igualmente influenciar a criação dos métodos, escolhendo pessoas com diferentes estilos de vida e características físicas para a aquisição e identificação dos dados adquiridos a partir de sensores. Com base nos dados adquiridos, realizou-se o processamento dos dados, implementando-se métodos de correção dos dados e a extração de características, para iniciar a criação do novo método para o reconhecimento das AVD. Os métodos de imputação de dados foram excluídos da implementação, pois não iriam influenciar os resultados da identificação das AVD e dos ambientes, na medida em que são utilizadas as características extraídas de um conjunto de dados adquiridos durante um intervalo de tempo definido. A seleção dos sensores utilizáveis, bem como das AVD identificáveis, permitirá o desenvolvimento de um método que, considerando o uso de tecnologias para a fusão de dados adquiridos com múltiplos sensores em coordenação com outras informações relativas ao contexto do utilizador, tais como a agenda do utilizador, permitindo estabelecer um perfil de tarefas que o utilizador realiza diariamente. Com base nos resultados obtidos na literatura, o método escolhido para o reconhecimento das AVD são as diferentes variantes das Redes Neuronais Artificiais (RNA), incluindo Multilayer Perceptron (MLP), Feedforward Neural Networks (FNN) with Backpropagation and Deep Neural Networks (DNN). No final, após a criação dos métodos para cada fase do método para o reconhecimento das AVD e ambientes, a implementação sequencial dos diferentes métodos foi realizada num dispositivo móvel para testes adicionais. Após a definição da estrutura do método para o reconhecimento de AVD e ambientes usando dispositivos móveis, verificou-se que a aquisição de dados pode ser realizada com os métodos comuns. Após a aquisição de dados, os mesmos devem ser processados no módulo de processamento de dados, que inclui os métodos de correção de dados e de extração de características. O método de correção de dados utilizado para sensores de movimento e magnéticos é o filtro passa-baixo de modo a reduzir o ruído, mas para os dados acústicos, a Transformada Rápida de Fourier (FFT) foi aplicada para extrair as diferentes frequências. Após a correção dos dados, as diferentes características foram extraídas com base nos tipos de sensores usados, sendo a média, desvio padrão, variância, valor máximo, valor mínimo e mediana de dados adquiridos pelos sensores magnéticos e de movimento, a média, desvio padrão, variância e mediana dos picos máximos calculados com base nos dados adquiridos pelos sensores magnéticos e de movimento, as cinco maiores distâncias entre os picos máximos calculados com os dados adquiridos dos sensores de movimento e magnéticos, a média, desvio padrão, variância e 26 Mel-Frequency Cepstral Coefficients (MFCC) das frequências obtidas com FFT com base nos dados obtidos a partir do microfone, e a distância calculada com os dados adquiridos pelo recetor de GPS. Após a extração das características, as mesmas são agrupadas em diferentes conjuntos de dados para a aplicação dos métodos de RNA de modo a descobrir o método e o conjunto de características que reporta melhores resultados. O módulo de classificação de dados foi incrementalmente desenvolvido, começando com a identificação das AVD comuns com sensores magnéticos e de movimento, i.e., andar, correr, subir escadas, descer escadas e parado. Em seguida, os ambientes são identificados com dados de sensores acústicos, i.e., quarto, bar, sala de aula, ginásio, cozinha, sala de estar, hall, rua e biblioteca. Com base nos ambientes reconhecidos e os restantes sensores disponíveis nos dispositivos móveis, os dados adquiridos dos sensores magnéticos e de movimento foram combinados com o ambiente reconhecido para diferenciar algumas atividades sem movimento (i.e., dormir e ver televisão), onde o número de atividades reconhecidas nesta fase aumenta com a fusão da distância percorrida, extraída a partir dos dados do recetor GPS, permitindo também reconhecer a atividade de conduzir. Após a implementação dos três métodos de classificação com diferentes números de iterações, conjuntos de dados e configurações numa máquina com alta capacidade de processamento, os resultados relatados provaram que o melhor método para o reconhecimento das atividades comuns de AVD e atividades sem movimento é o método DNN, mas o melhor método para o reconhecimento de ambientes é o método FNN with Backpropagation. Dependendo do número de sensores utilizados, esta implementação reporta uma exatidão média entre 85,89% e 89,51% para o reconhecimento das AVD comuns, igual a 86,50% para o reconhecimento de ambientes, e igual a 100% para o reconhecimento de atividades sem movimento, reportando uma exatidão global entre 85,89% e 92,00%. A última etapa desta Tese foi a implementação do método nos dispositivos móveis, verificando que o método FNN requer um alto poder de processamento para o reconhecimento de ambientes e os resultados reportados com estes dispositivos são inferiores aos resultados reportados com a máquina com alta capacidade de processamento utilizada no desenvolvimento do método. Assim, o método DNN foi igualmente implementado para o reconhecimento dos ambientes com os dispositivos móveis. Finalmente, os resultados relatados com os dispositivos móveis reportam uma exatidão entre 86,39% e 89,15% para o reconhecimento das AVD comuns, igual a 45,68% para o reconhecimento de ambientes, e igual a 100% para o reconhecimento de atividades sem movimento, reportando uma exatidão geral entre 58,02% e 89,15%. Com base nos resultados relatados na literatura, os resultados do método desenvolvido mostram uma melhoria residual, mas os resultados desta Tese identificam mais AVD que os demais estudos disponíveis na literatura. A melhoria no reconhecimento das AVD com base na média das exatidões é igual a 2,93%, mas o número máximo de AVD e ambientes reconhecidos pelos estudos disponíveis na literatura é 13, enquanto o número de AVD e ambientes reconhecidos com o método implementado é 16. Assim, o método desenvolvido tem uma melhoria de 2,93% na exatidão do reconhecimento num maior número de AVD e ambientes. Como trabalho futuro, os resultados reportados nesta Tese podem ser considerados um ponto de partida para o desenvolvimento de um assistente digital pessoal, mas o número de ADL e ambientes reconhecidos pelo método deve ser aumentado e as experiências devem ser repetidas com diferentes tipos de dispositivos móveis (i.e., smartphones e smartwatches), e os métodos de imputação e outros métodos de classificação de dados devem ser explorados de modo a tentar aumentar a confiabilidade do método para o reconhecimento das AVD e ambientes

    Assessment of ambient assisted living systems for patients with mild cognitive impairment

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    According to the World Health Organization, about 50 million people worldwide suffer from dementia. Ten million new cases added every year. Mild Cognitive Impairment (MCI) affects more than 15% of the population aged 65. Technological solutions, such as smart home technology with ubiquitous computing devices, 24/7 telemedical observation and support can alleviate the growing problem and lower pressure on the healthcare system. This approach is also preferable for homecare patients in distant and rural areas. MCI patients are mostly home-based. Ambient Assisted Living (AAL) systems provide tools for automatic registration of vital signs and other medically and socially important information. AAL system for MCI patients is a logical answer to the problem. At the same time, many of the proposed AAL systems are proprietary, technically complicated and have a high price tag for implementation and service. Also, some proposed technical solutions not entirely reflect the opinion of healthcare stakeholders. The current study was proposed as a way to bridge the possible differences in the positions. An online anonymous questionnaire for healthcare professionals was created to prove or disprove the number of interconnected hypotheses about the necessity and feasibility of AAL system for MCI patients. The main focus was made on the hypotheses: "There is necessity of AAL systems for the healthcare" and "AAL systems are capable of providing assistance for patients with Mild Cognitive Impairment". The questionnaire was presented to more than three hundred potential respondents. Around a hundred and twenty agreed to fill it, and sixty completed the whole questionnaire. Results were analyzed to produce some directions guideline for future technical applications of AAL systems for MCI patients and future research. Descriptive statistics show support for the implementation of general AAL and variants for MCI patients. Comparative analysis of ordinal data for specific groups of respondents is done with help of non-parametric tests. Mann–Whitney–Wilcoxon test and Kruskal-Wallis test are applied. Table questions results are analyzed with chisquare for frequency tables. Group analysis demonstrated relative positive uniformity in of responses in the support of AAL of MCI patients.Segundo a Organização Mundial da Saúde, cerca de 50 milhões de pessoas em todo o mundo sofrem de demência. Dez milhões de novos casos adicionados a cada ano. O comprometimento cognitivo leve (MCI) afeta mais de 15% da população com 65 anos. Soluções tecnológicas, como tecnologia de casa inteligente com dispositivos de computação onipresentes, observação e suporte telemédico 24 horas por dia, 7 dias por semana, podem aliviar o problema crescente e diminuir a pressão sobre o sistema de saúde. Essa abordagem também é preferível para pacientes de cuidados domiciliares em áreas distantes e rurais. Os pacientes com CCL são, em sua maioria, domiciliares. Os sistemas Ambient Assisted Living (AAL) fornecem ferramentas para registro automático de sinais vitais e outras informações médicas e socialmente importantes. O sistema AAL para pacientes com MCI é uma resposta lógica para o problema. Ao mesmo tempo, muitos dos sistemas AAL propostos são proprietários, tecnicamente complicados e têm um alto preço para implementação e serviço. Além disso, algumas soluções técnicas propostas não refletem inteiramente a opinião das partes interessadas na área da saúde. O presente estudo foi proposto como forma de colmatar as possíveis diferenças nas posições. Um questionário anônimo online para profissionais de saúde foi criado para comprovar ou refutar o número de hipóteses interligadas sobre a necessidade e viabilidade do sistema AAL para pacientes com CCL. O foco principal foi feito nas hipóteses: "Há necessidade de sistemas de AAL para a saúde" e "Os sistemas de AAL são capazes de prestar assistência a pacientes com Comprometimento Cognitivo Leve". O questionário foi apresentado a mais de trezentos respondentes potenciais. Cerca de cento e vinte concordaram em preenchê-lo e sessenta preencheram todo o questionário. Os resultados foram analisados para produzir algumas diretrizes para futuras aplicações técnicas de sistemas AAL para pacientes com MCI e pesquisas futuras. Estatísticas descritivas mostram suporte para a implementação de AAL geral e variantes para pacientes com CCL. A análise comparativa de dados ordinais para grupos específicos de respondentes é feita com a ajuda de testes não paramétricos. Aplicam-se os testes de Mann-Whitney-Wilcoxon e Kruskal-Wallis. Os resultados das questões da tabela são analisados com qui-quadrado para tabelas de frequência. A análise do grupo demonstrou relativa uniformidade positiva nas respostas no suporte de AAL de pacientes com CCL.Selon l'Organisation mondiale de la santé, environ 50 millions de personnes dans le monde souffrent de démence. Dix millions de nouveaux cas ajoutés chaque année. Les troubles cognitifs légers (MCI) touchent plus de 15 % de la population âgée de 65 ans. Les solutions technologiques, telles que la technologie de la maison intelligente avec des appareils informatiques omniprésents, l'observation et le soutien télémédicaux 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, peuvent atténuer le problème croissant et réduire la pression sur le système de santé. Cette approche est également préférable pour les patients en soins à domicile dans les régions éloignées et rurales. Les patients MCI sont pour la plupart à domicile. Les systèmes Ambient Assisted Living (AAL) fournissent des outils pour l'enregistrement automatique des signes vitaux et d'autres informations importantes sur le plan médical et social. Le système AAL pour les patients MCI est une réponse logique au problème. Dans le même temps, bon nombre des systèmes AAL proposés sont propriétaires, techniquement compliqués et ont un prix élevé pour la mise en oeuvre et le service. De plus, certaines solutions techniques proposées ne reflètent pas entièrement l'opinion des acteurs de santé. L'étude actuelle a été proposée comme un moyen de combler les différences possible dans les positions. Un questionnaire anonyme en ligne destiné aux professionnels de la santé a été créé pour prouver ou réfuter le nombre d'hypothèses interconnectées sur la nécessité et la faisabilité du système AAL pour les patients MCI. L'accent a été mis principalement sur les hypothèses: "Il existe une nécessité de systèmes AAL pour les soins de santé" et "Les systèmes AAL sont capables de fournir une assistance aux patients atteints de troubles cognitifs légers". Le questionnaire a été présenté à plus de trois cents répondants potentiels. Environ cent vingt ont accepté de le remplir, et soixante ont rempli tout le questionnaire. Les résultats ont été analysés pour produire des lignes directrices pour les futures applications techniques des systèmes AAL pour les patients MCI et l'avenir de la recherche. Les statistiques descriptives montrent un soutien à la mise en oeuvre de l'AAL général et des variantes pour les patients MCI. L'analyse comparative des données ordinales pour des groupes spécifiques de répondants est effectuée à l'aide de tests non paramétriques. Le test de Mann-Whitney-Wilcoxon et le test de Kruskal-Wallis sont appliqués. Les résultats des questions de tableau sont analysés avec le chi carré pour les tableaux de fréquence. L'analyse de groupe a démontré une uniformité positive relative dans les réponses à l'appui de l'AAL des patients MCI
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