Biclustering electronic health records to unravel disease presentation patterns

Tese de mestrado, Ciência de Dados, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019A Esclerose Lateral Amiotrófica (ELA) é uma doença neurodegenerativa heterogénea com padrões de apresentação altamente variáveis. Dada a natureza heterogénea dos doentes com ELA, aquando do diagnóstico os clínicos normalmente estimam a progressão da doença utilizando uma taxa de decaimento funcional, calculada com base na Escala Revista de Avaliação Funcional de ELA (ALSFRS-R). A utilização de modelos de Aprendizagem Automática que consigam lidar com este padrões complexos é necessária para compreender a doença, melhorar os cuidados aos doentes e a sua sobrevivência. Estes modelos devem ser explicáveis para que os clínicos possam tomar decisões informadas. Desta forma, o nosso objectivo é descobrir padrões de apresentação da doença, para isso propondo uma nova abordagem de Prospecção de Dados: Descoberta de Meta-atributos Discriminativos (DMD), que utiliza uma combinação de Biclustering, Classificação baseada em Biclustering e Prospecção de Regras de Associação para Classificação. Estes padrões (chamados de Meta-atributos) são compostos por subconjuntos de atributos discriminativos conjuntamente com os seus valores, permitindo assim distinguir e caracterizar subgrupos de doentes com padrões similares de apresentação da doença. Os Registos de Saúde Electrónicos (RSE) utilizados neste trabalho provêm do conjunto de dados JPND ONWebDUALS (ONTology-based Web Database for Understanding Amyotrophic Lateral Sclerosis), composto por questões standardizadas acerca de factores de risco, mutações genéticas, atributos clínicos ou informação de sobrevivência de uma coorte de doentes e controlos seguidos pelo consórcio ENCALS (European Network to Cure ALS), que inclui vários países europeus, incluindo Portugal. Nesta tese a metodologia proposta foi utilizada na parte portuguesa do conjunto de dados ONWebDUALS para encontrar padrões de apresentação da doença que: 1) distinguissem os doentes de ELA dos seus controlos e 2) caracterizassem grupos de doentes de ELA com diferentes taxas de progressão (categorizados em grupos Lentos, Neutros e Rápidos). Nenhum padrão coerente emergiu das experiências efectuadas para a primeira tarefa. Contudo, para a segunda tarefa os padrões encontrados para cada um dos três grupos de progressão foram reconhecidos e validados por clínicos especialistas em ELA, como sendo características relevantes de doentes com progressão Lenta, Neutra e Rápida. Estes resultados sugerem que a nossa abordagem genérica baseada em Biclustering tem potencial para identificar padrões de apresentação noutros problemas ou doenças semelhantes.Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a heterogeneous neurodegenerative disease with a high variability of presentation patterns. Given the heterogeneous nature of ALS patients and targeting a better prognosis, clinicians usually estimate disease progression at diagnosis using the rate of decay computed from the Revised ALS Functional Rating Scale (ALSFRS-R). In this context, the use of Machine Learning models able to unravel the complexity of disease presentation patterns is paramount for disease understanding, targeting improved patient care and longer survival times. Furthermore, explainable models are vital, since clinicians must be able to understand the reasoning behind a given model’s result before making a decision that can impact a patient’s life. Therefore we aim at unravelling disease presentation patterns by proposing a new Data Mining approach called Discriminative Meta-features Discovery (DMD), which uses a combination of Biclustering, Biclustering-based Classification and Class Association Rule Mining. These patterns (called Metafeatures) are composed of discriminative subsets of features together with their values, allowing to distinguish and characterize subgroups of patients with similar disease presentation patterns. The Electronic Health Record (EHR) data used in this work comes from the JPND ONWebDUALS (ONTology-based Web Database for Understanding Amyotrophic Lateral Sclerosis) dataset, comprised of standardized questionnaire answers regarding risk factors, genetic mutations, clinical features and survival information from a cohort of patients and controls from ENCALS (European Network to Cure ALS), a consortium of diverse European countries, including Portugal. In this work the proposed methodology was used on the ONWebDUALS Portuguese EHR data to find disease presentation patterns that: 1) distinguish the ALS patients from their controls and 2) characterize groups of ALS patients with different progression rates (categorized into Slow, Neutral and Fast groups). No clear pattern emerged from the experiments performed for the first task. However, in the second task the patterns found for each of the three progression groups were recognized and validated by ALS expert clinicians, as being relevant characteristics of slow, neutral and fast progressing patients. These results suggest that our generic Biclustering approach is a promising way to unravel disease presentation patterns and could be applied to similar problems and other diseases