Inférence statistique avec des données incomplètes et de grandes dimensions - modélisation des polytraumatisés graves

Statistical inference with incomplete and high-dimensional data - modeling polytraumatized patients

• Auteur / Autrice : Wei Jiang
• Direction : Julie Josse, Marc Lavielle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 21/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques Hadamard
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mathématiques appliquées (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Thirion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Yekutieli, Adeline Leclercq-Samson, Pierre Neuvial
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Yekutieli, Adeline Leclercq-Samson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse des données

Statistique mathématique

Statistique médicale

Dépendance (statistique)

Analyse de régression

Algorithmes EM

Modèles linéaires généralisés

Observations manquantes (statistique)

Mots clés libres

Observations manquantes (statistique)

Modèles linéaires généralisés

Algorithmes EM

Analyse de régression

Dépendance (statistique)

Statistique médicale

Missing Observations

Generalized Linear Models

EM Algorithms

Regression Analysis

Dependence

Medical Statistics

Résumé

Le problème des données manquantes existe depuis les débuts de l'analyse des données, car les valeurs manquantes sont liées au processus d'obtention et de préparation des données. Dans les applications des statistiques modernes et de l'apprentissage machine, où la collecte de données devient de plus en plus complexe et où de multiples sources d'information sont combinées, les grandes bases de données présentent souvent un nombre extraordinairement élevé de valeurs manquantes. Ces données présentent donc d'importants défis méthodologiques et techniques pour l'analyse : de la visualisation à la modélisation, en passant par l'estimation, la sélection des variables, les capacités de prédiction et la mise en oeuvre par des implémentations. De plus, bien que les données en grande dimension avec des valeurs manquantes soient considérées comme des difficultés courantes dans l'analyse statistique aujourd'hui, seules quelques solutions sont disponibles.L'objectif de cette thèse est de développer de nouvelles méthodologies pour effectuer des inférences statistiques avec des données manquantes et en particulier pour des données en grande dimension. La contribution la plus importante est de proposer un cadre complet pour traiter les valeurs manquantes, de l'estimation à la sélection d'un modèle, en se basant sur des approches de vraisemblance. La méthode proposée ne repose pas sur un dispositif spécifique du manque, et permet un bon équilibre entre qualité de l'inférence et implémentations efficaces.Les contributions de la thèse se composent en trois parties. Dans le chapitre 2, nous nous concentrons sur la régression logistique avec des valeurs manquantes dans un cadre de modélisation jointe, en utilisant une approximation stochastique de l'algorithme EM. Nous étudions l'estimation des paramètres, la sélection des variables et la prédiction pour de nouvelles observations incomplètes. Grâce à des simulations complètes, nous montrons que les estimateurs sont non biaisés et ont de bonnes propriétés en termes de couverture des intervalles de confiance, ce qui surpasse l'approche populaire basée sur l'imputation. La méthode est ensuite appliquée à des données pré-hospitalières pour prédire le risque de choc hémorragique, en collaboration avec des partenaires médicaux - le groupe Traumabase des hôpitaux de Paris. En effet, le modèle proposé améliore la prédiction du risque de saignement par rapport à la prédiction faite par les médecins.Dans les chapitres 3 et 4, nous nous concentrons sur des questions de sélection de modèles pour les données incomplètes en grande dimension, qui visent en particulier à contrôler les fausses découvertes. Pour les modèles linéaires, la version bayésienne adaptative de SLOPE (ABSLOPE) que nous proposons dans le chapitre 3 aborde ces problématiques en intégrant la régularisation triée l1 dans un cadre bayésien 'spike and slab'. Dans le chapitre 4, qui vise des modèles plus généraux que celui de la régression linéaire, nous considérons ces questions dans un cadre dit de “model-X”, où la distribution conditionnelle de la réponse en fonction des covariables n'est pas spécifiée. Pour ce faire, nous combinons une méthodologie “knockoff” et des imputations multiples. Grâce à une étude complète par simulations, nous démontrons des performances satisfaisantes en termes de puissance, de FDR et de biais d'estimation pour un large éventail de scénarios. Dans l'application de l'ensemble des données médicales, nous construisons un modèle pour prédire les niveaux de plaquettes des patients à partir des données pré-hospitalières et hospitalières.Enfin, nous fournissons deux logiciels libres avec des tutoriels, afin d'aider la prise de décision dans le domaine médical et les utilisateurs confrontés à des valeurs manquantes.

The problem of missing data has existed since the beginning of data analysis, as missing values are related to the process of obtaining and preparing data. In applications of modern statistics and machine learning, where the collection of data is becoming increasingly complex and where multiple sources of information are combined, large databases often have an extraordinarily high number of missing values. These data therefore present important methodological and technical challenges for analysis: from visualization to modeling including estimation, variable selection, predictive capabilities, and implementation through implementations. Moreover, although high-dimensional data with missing values are considered common difficulties in statistical analysis today, only a few solutions are available.The objective of this thesis is to provide new methodologies for performing statistical inferences with missing data and in particular for high-dimensional data. The most important contribution is to provide a comprehensive framework for dealing with missing values from estimation to model selection based on likelihood approaches. The proposed method doesn't rely on a specific pattern of missingness, and allows a good balance between quality of inference and computational efficiency.The contribution of the thesis consists of three parts. In Chapter 2, we focus on performing a logistic regression with missing values in a joint modeling framework, using a stochastic approximation of the EM algorithm. We discuss parameter estimation, variable selection, and prediction for incomplete new observations. Through extensive simulations, we show that the estimators are unbiased and have good confidence interval coverage properties, which outperforms the popular imputation-based approach. The method is then applied to pre-hospital data to predict the risk of hemorrhagic shock, in collaboration with medical partners - the Traumabase group of Paris hospitals. Indeed, the proposed model improves the prediction of bleeding risk compared to the prediction made by physicians.In chapters 3 and 4, we focus on model selection issues for high-dimensional incomplete data, which are particularly aimed at controlling for false discoveries. For linear models, the adaptive Bayesian version of SLOPE (ABSLOPE) we propose in Chapter 3 addresses these issues by embedding the sorted l1 regularization within a Bayesian spike-and-slab framework. Alternatively, in Chapter 4, aiming at more general models beyond linear regression, we consider these questions in a model-X framework, where the conditional distribution of the response as a function of the covariates is not specified. To do so, we combine knockoff methodology and multiple imputations. Through extensive simulations, we demonstrate satisfactory performance in terms of power, FDR and estimation bias for a wide range of scenarios. In the application of the medical data set, we build a model to predict patient platelet levels from pre-hospital and hospital data.Finally, we provide two open-source software packages with tutorials, in order to help decision making in medical field and users facing missing values.