Structuration de données multidimensionnelles : une approche basée instance pour l'exploration de données médicales

Structuring multidimensional data : exploring medical data with an instance-based approach

• Auteur / Autrice : Joris Falip
• Direction : Michel Herbin, Frédéric Blanchard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Info - Informatique
• Date : Soutenance le 22/11/2019
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Numérique et de l’Ingénieur (Reims, Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (CRESTIC) EA 3804 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Gançarski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Herbin, Frédéric Blanchard, Anne Boyer, Marie-Jeanne Lesot, Zahia Guessoum
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Boyer, Marie-Jeanne Lesot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Médecine

Méthode de traitement de données par groupe

Modélisation des données (informatique)

Mots clés libres

Cas rares

Recommandation

Haute dimensionnalité

High multidimensional

Visualization

Recommendation

Résumé

L'exploitation, a posteriori, des données médicales accumulées par les praticiens représente un enjeu majeur pour la recherche clinique comme pour le suivi personnalisé du patient. Toutefois les professionnels de santé manquent d'outils adaptés leur permettant d'explorer, comprendre et manipuler aisément leur données. Dans ce but, nous proposons un algorithme de structuration d'éléments par similarité et représentativité. Cette méthode permet de regrouper les individus d'un jeu de données autour de membres représentatifs et génériques aptes à subsumer les éléments et résumer les données. Cette méthode, procédant dimension par dimension avant d'agréger les résultats, est adaptée aux données en haute dimension et propose de plus des résultats transparents, interprétables et explicables. Les résultats obtenus favorisent l'analyse exploratoire et le raisonnement par analogie via une navigation de proche en proche : la structure obtenue est en effet similaire à l'organisation des connaissances utilisée par les experts lors du processus décisionnel qu'ils emploient. Nous proposons ensuite un algorithme de détection d'anomalies qui permet de détecter des anomalies complexes et en haute dimensionnalité en analysant des projections sur deux dimensions. Cette approche propose elle aussi des résultats interprétables. Nous évaluons ensuite ces deux algorithmes sur des données réelles et simulées dont les éléments sont décrits par de nombreuses variables : de quelques dizaines à plusieurs milliers. Nous analysant particulièrement les propriétés du graphe résultant de la structuration des éléments. Nous décrivons par la suite un outil de prétraitement de données médicales ainsi qu'une plateforme web destinée aux médecins. Via cet outil à l'utilisation intuitif nous proposons de structurer de manière visuelle les éléments pour faciliter leur exploration. Ce prototype fournit une aide à la décision et au diagnostique médical en permettant au médecin de naviguer au sein des données et d'explorer des patients similaires. Cela peut aussi permettre de vérifier des hypothèses cliniques sur une cohorte de patients.

A posteriori use of medical data accumulated by practitioners represents a major challenge for clinical research as well as for personalized patient follow-up. However, health professionals lack the appropriate tools to easily explore, understand and manipulate their data. To solve this, we propose an algorithm to structure elements by similarity and representativeness. This method allows individuals in a dataset to be grouped around representative and generic members who are able to subsume the elements and summarize the data. This approach processes each dimension individually before aggregating the results and is adapted to high-dimensional data and also offers transparent, interpretable and explainable results. The results we obtain are suitable for exploratory analysis and reasoning by analogy: the structure is similar to the organization of knowledge and decision-making process used by experts. We then propose an anomaly detection algorithm that allows complex and high-dimensional anomalies to be detected by analyzing two-dimensional projections. This approach also provides interpretable results. We evaluate these two algorithms on real and simulated high-dimensional data with up to thousands of dimensions. We analyze the properties of graphs resulting from the structuring of elements. We then describe a medical data pre-processing tool and a web application for physicians. Through this intuitive tool, we propose a visual structure of the elements to ease the exploration. This decision support prototype assists medical diagnosis by allowing the physician to navigate through the data and explore similar patients. It can also be used to test clinical hypotheses on a cohort of patients.