Data- og ekspertdreven variabelseleksjon for prediktive modeller i helsevesenet : mot økt tolkbarhet i underbestemte maskinlæringsproblemer

Modern data acquisition techniques in healthcare generate large collections of data from multiple sources, such as novel diagnosis and treatment methodologies. Some concrete examples are electronic healthcare record systems, genomics, and medical images. This leads to situations with often unstructured, high-dimensional heterogeneous patient cohort data where classical statistical methods may not be sufficient for optimal utilization of the data and informed decision-making. Instead, investigating such data structures with modern machine learning techniques promises to improve the understanding of patient health issues and may provide a better platform for informed decision-making by clinicians. Key requirements for this purpose include (a) sufficiently accurate predictions and (b) model interpretability. Achieving both aspects in parallel is difficult, particularly for datasets with few patients, which are common in the healthcare domain. In such cases, machine learning models encounter mathematically underdetermined systems and may overfit easily on the training data. An important approach to overcome this issue is feature selection, i.e., determining a subset of informative features from the original set of features with respect to the target variable. While potentially raising the predictive performance, feature selection fosters model interpretability by identifying a low number of relevant model parameters to better understand the underlying biological processes that lead to health issues. Interpretability requires that feature selection is stable, i.e., small changes in the dataset do not lead to changes in the selected feature set. A concept to address instability is ensemble feature selection, i.e. the process of repeating the feature selection multiple times on subsets of samples of the original dataset and aggregating results in a meta-model. This thesis presents two approaches for ensemble feature selection, which are tailored towards high-dimensional data in healthcare: the Repeated Elastic Net Technique for feature selection (RENT) and the User-Guided Bayesian Framework for feature selection (UBayFS). While RENT is purely data-driven and builds upon elastic net regularized models, UBayFS is a general framework for ensembles with the capabilities to include expert knowledge in the feature selection process via prior weights and side constraints. A case study modeling the overall survival of cancer patients compares these novel feature selectors and demonstrates their potential in clinical practice. Beyond the selection of single features, UBayFS also allows for selecting whole feature groups (feature blocks) that were acquired from multiple data sources, as those mentioned above. Importance quantification of such feature blocks plays a key role in tracing information about the target variable back to the acquisition modalities. Such information on feature block importance may lead to positive effects on the use of human, technical, and financial resources if systematically integrated into the planning of patient treatment by excluding the acquisition of non-informative features. Since a generalization of feature importance measures to block importance is not trivial, this thesis also investigates and compares approaches for feature block importance rankings. This thesis demonstrates that high-dimensional datasets from multiple data sources in the medical domain can be successfully tackled by the presented approaches for feature selection. Experimental evaluations demonstrate favorable properties of both predictive performance, stability, as well as interpretability of results, which carries a high potential for better data-driven decision support in clinical practice.Moderne datainnsamlingsteknikker i helsevesenet genererer store datamengder fra flere kilder, som for eksempel nye diagnose- og behandlingsmetoder. Noen konkrete eksempler er elektroniske helsejournalsystemer, genomikk og medisinske bilder. Slike pasientkohortdata er ofte ustrukturerte, høydimensjonale og heterogene og hvor klassiske statistiske metoder ikke er tilstrekkelige for optimal utnyttelse av dataene og god informasjonsbasert beslutningstaking. Derfor kan det være lovende å analysere slike datastrukturer ved bruk av moderne maskinlæringsteknikker for å øke forståelsen av pasientenes helseproblemer og for å gi klinikerne en bedre plattform for informasjonsbasert beslutningstaking. Sentrale krav til dette formålet inkluderer (a) tilstrekkelig nøyaktige prediksjoner og (b) modelltolkbarhet. Å oppnå begge aspektene samtidig er vanskelig, spesielt for datasett med få pasienter, noe som er vanlig for data i helsevesenet. I slike tilfeller må maskinlæringsmodeller håndtere matematisk underbestemte systemer og dette kan lett føre til at modellene overtilpasses treningsdataene. Variabelseleksjon er en viktig tilnærming for å håndtere dette ved å identifisere en undergruppe av informative variabler med hensyn til responsvariablen. Samtidig som variabelseleksjonsmetoder kan lede til økt prediktiv ytelse, fremmes modelltolkbarhet ved å identifisere et lavt antall relevante modellparametere. Dette kan gi bedre forståelse av de underliggende biologiske prosessene som fører til helseproblemer. Tolkbarhet krever at variabelseleksjonen er stabil, dvs. at små endringer i datasettet ikke fører til endringer i hvilke variabler som velges. Et konsept for å adressere ustabilitet er ensemblevariableseleksjon, dvs. prosessen med å gjenta variabelseleksjon flere ganger på en delmengde av prøvene i det originale datasett og aggregere resultater i en metamodell. Denne avhandlingen presenterer to tilnærminger for ensemblevariabelseleksjon, som er skreddersydd for høydimensjonale data i helsevesenet: "Repeated Elastic Net Technique for feature selection" (RENT) og "User-Guided Bayesian Framework for feature selection" (UBayFS). Mens RENT er datadrevet og bygger på elastic net-regulariserte modeller, er UBayFS et generelt rammeverk for ensembler som muliggjør inkludering av ekspertkunnskap i variabelseleksjonsprosessen gjennom forhåndsbestemte vekter og sidebegrensninger. En case-studie som modellerer overlevelsen av kreftpasienter sammenligner disse nye variabelseleksjonsmetodene og demonstrerer deres potensiale i klinisk praksis. Utover valg av enkelte variabler gjør UBayFS det også mulig å velge blokker eller grupper av variabler som representerer de ulike datakildene som ble nevnt over. Kvantifisering av viktigheten av variabelgrupper spiller en nøkkelrolle for forståelsen av hvorvidt datakildene er viktige for responsvariablen. Tilgang til slik informasjon kan føre til at bruken av menneskelige, tekniske og økonomiske ressurser kan forbedres dersom informasjonen integreres systematisk i planleggingen av pasientbehandlingen. Slik kan man redusere innsamling av ikke-informative variabler. Siden generaliseringen av viktighet av variabelgrupper ikke er triviell, undersøkes og sammenlignes også tilnærminger for rangering av viktigheten til disse variabelgruppene. Denne avhandlingen viser at høydimensjonale datasett fra flere datakilder fra det medisinske domenet effektivt kan håndteres ved bruk av variabelseleksjonmetodene som er presentert i avhandlingen. Eksperimentene viser at disse kan ha positiv en effekt på både prediktiv ytelse, stabilitet og tolkbarhet av resultatene. Bruken av disse variabelseleksjonsmetodene bærer et stort potensiale for bedre datadrevet beslutningsstøtte i klinisk praksis

RENT: A Python Package for Repeated Elastic Net Feature Selection

publishedVersio

RENT: A Python Package for Repeated Elastic Net Feature Selection

publishedVersio

RENT—Repeated Elastic Net Technique for Feature Selection

publishedVersio

Towards Understanding the Survival of Patients with High-Grade Gastroenteropancreatic Neuroendocrine Neoplasms: An Investigation of Ensemble Feature Selection in the Prediction of Overall Survival

Determining the most informative features for predicting the overall survival of patients diagnosed with high-grade gastroenteropancreatic neuroendocrine neoplasms is crucial to improve individual treatment plans for patients, as well as the biological understanding of the disease. Recently developed ensemble feature selectors like the Repeated Elastic Net Technique for Feature Selection (RENT) and the User-Guided Bayesian Framework for Feature Selection (UBayFS) allow the user to identify such features in datasets with low sample sizes. While RENT is purely data-driven, UBayFS is capable of integrating expert knowledge a priori in the feature selection process. In this work we compare both feature selectors on a dataset comprising of 63 patients and 134 features from multiple sources, including basic patient characteristics, baseline blood values, tumor histology, imaging, and treatment information. Our experiments involve data-driven and expert-driven setups, as well as combinations of both. We use findings from clinical literature as a source of expert knowledge. Our results demonstrate that both feature selectors allow accurate predictions, and that expert knowledge has a stabilizing effect on the feature set, while the impact on predictive performance is limited. The features WHO Performance Status, Albumin, Platelets, Ki-67, Tumor Morphology, Total MTV, Total TLG, and SUVmax are the most stable and predictive features in our study.submittedVersio