Exctraction de chroniques discriminantes

Discriminant chronicle mining

• Auteur / Autrice : Yann Dauxais
• Direction : David Gross-Amblard, Thomas Guyet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 13/04/2018
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes) - DRUID
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Gross-Amblard, Thomas Guyet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage supervisé (intelligence artificielle)

Exploration de données

Mots clés libres

Fouille de données

Données temporelles

Extraction de motifs temporels

Apprentissage supervisé

Data mining

Temporal data

Temporal pattern mining

Supervised machine learning

Résumé

De nombreuses données sont enregistrées dans le cadre d'applications variées et leur analyse est un challenge abordé par de nombreuses études. Parmi ces différentes applications, cette thèse est motivée par l'analyse de parcours patients pour mener des études de pharmaco-épidémiologie. La pharmaco-épidémiologie est l'étude des usages et effets de produits de santé au sein de populations définies. Le but est donc d'automatiser ce type d'étude en analysant des données. Parmi les méthodes d'analyses de données, les approches d'extraction de motifs extraient des descriptions de comportements, appelées motifs, caractérisant ces données. L'intérêt principal de telles approches est de donner un aperçu des comportements décrivant les données. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'extraction de motifs temporels discriminants au sein de séquences temporelles, c'est-à-dire une liste d'évènements datés. Les motifs temporels sont des motifs représentant des comportements par leur dimension temporelle. Les motifs discriminants sont des motifs représentant les comportements apparaissant uniquement pour une sous-population bien définie. Alors que les motifs temporels sont essentiels pour décrire des données temporelles et que les motifs discriminants le sont pour décrire des différences de comportement, les motifs temporels discriminants ne sont que peu étudiés. Dans cette thèse, le modèle de chronique discriminante est proposé pour combler le manque d'approches d'extraction de motifs temporels discriminants. Une chronique est un motif temporelle représentable sous forme de graphe dont les nœuds sont des évènements et les arêtes sont des contraintes temporelles numériques. Le modèle de chronique a été choisi pour son expressivité concernant la dimension temporelle. Les chroniques discriminantes sont, de ce fait, les seuls motifs temporels discriminants représentant numériquement l'information temporelle. Les contributions de cette thèse sont : (i) un algorithme d'extraction de chroniques discriminantes (DCM), (ii) l'étude de l'interprétabilité du modèle de chronique au travers de sa généralisation et (iii) l'application de DCM sur des données de pharmaco-épidémiologie. L'algorithme DCM est dédié à l'extraction de chroniques discriminantes et basé sur l'algorithme d'extraction de règles numériques Ripperk . Utiliser Ripperk permet de tirer avantage de son efficacité et de son heuristique incomplète évitant la génération de motifs redondants. La généralisation de cet algorithme permet de remplacer Ripperk par n'importe quel algorithme de machine learning. Les motifs extraits ne sont donc plus forcément des chroniques mais une forme généralisée de celles-ci. Un algorithme de machine learning plus expressif extrait des chroniques généralisées plus expressives mais impacte négativement leur interprétabilité. Le compromis entre ce gain en expressivité, évalué au travers de la précision de classification, et cette perte d'interprétabilité, est comparé pour plusieurs types de chroniques généralisées. L'intérêt des chroniques discriminantes à représenter des comportements et l'efficacité de DCM est validée sur des données réelles et synthétiques dans le contexte de classification à base de motifs. Des chroniques ont finalement été extraites à partir des données de pharmaco-épidémiologie et présentées aux cliniciens. Ces derniers ont validés l'intérêt de celles-ci pour décrire des comportements d'épidémiologie discriminants.

Data are recorded for a wide range of application and their analysis is a great challenge addressed by many studies. Among these applications, this thesis was motivated by analyzing care pathway data to conduct pharmaco-epidemiological studies. Pharmaco-epidemiology is the study of the uses and effects of healthcare products in well defined populations. The goal is then to automate this study by analyzing data. Within the data analysis approaches, pattern mining approaches extract behavior descriptions, called patterns, characterizing the data. Patterns are often easily interpretable and give insights about hidden behaviors described by the data. In this thesis, we are interested in mining discriminant temporal patterns from temporal sequences, i.e. a list of timestamped events. Temporal patterns represent expressively behaviors through their temporal dimension. Discriminant patterns are suitable adapted for representing behaviors occurring specifically in small subsets of a whole population. Surprisingly, if temporal patterns are essential to describe timestamped data and discriminant patterns are crucial to identify alternative behaviors that differ from mainstream, discriminant temporal patterns received little attention up to now. In this thesis, the model of discriminant chronicles is proposed to address the lack of interest in discriminant temporal pattern mining approaches. A chronicle is a temporal pattern representable as a graph whose nodes are events and vertices are numerical temporal constraints. The chronicle model was choosen because of its high expressiveness when dealing with temporal sequences and also by its unique ability to describe numerically the temporal dimension among other discriminant pattern models. The contribution of this thesis, centered on the discriminant chronicle model, is threefold: (i) a discriminant chronicle model mining algorithm (DCM), (ii) the study of the discriminant chronicle model interpretability through its generalization and (iii) the DCM application on a pharmaco-epidemiology case study. The DCM algorithm is an efficient algorithm dedicated to extract discriminant chronicles and based on the Ripperk numerical rule learning algorithm. Using Ripperk allows to take advantage to its efficiency and its incomplete heuristic dedicated to avoid redundant patterns. The DCM generalization allows to swap Ripperk with alternative machine learning algorithms. The extracted patterns are not chronicles but a generalized form of chronicles. More expressive machine learning algorithms extract more expressive generalized chronicles but impact negatively their interpretability. The trade-off between this expressiveness gain, evaluated by classification accuracy, and this interpretability loss, is compared for several types of generalized chronicles. The interest of the discriminant chronicle model and the DCM efficiency is validated on synthetic and real datasets in pattern-based classification context. Finally, chronicles are extracted from a pharmaco-epidemiology dataset and presented to clinicians who validated them to be interesting to describe epidemiological behaviors.