Modélisation statistique de données médicales et analyse théorique des algorithmes d’estimation

Statistical modelling of medical data and theoretical analysis of estimation algorithms

• Auteur / Autrice : Vianney Debavelaere
• Direction : Stéphanie Allassonnière, Stanley Durrleman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 25/06/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques Hadamard (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mathématiques appliquées (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Gobet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Allassonnière, Stanley Durrleman, Christophe Andrieu, Jean-Michel Marin, Maria Vakalopoulou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Andrieu, Jean-Michel Marin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Statistique médicale

Mots clés libres

Modélisation stochastique

Algorithme stochastique

Données médicales

Variété Riemannienne

Statistical modeling

Stochastic algorithm

Medical data

Riemannian manifold

Résumé

Dans le domaine médicale, l'usage de caractéristiques extraites d'images est de plus en plus répandu. Ces mesures peuvent être des nombres réels (volume, score cognitifs), des maillages d'organes ou l'image elle-même. Dans ces deux derniers cas, un espace Euclidien ne peut décrire l'espace de mesures et il est nécessaire de se placer sur une variété Riemanienne. En utilisant ce cadre Riemannien et des modèles à effets mixtes, il est alors possible d'estimer un objet représentatif de la population ainsi que la variabilité inter-individuelle.Dans le cas longitudinal (sujets observés de manière répétée au cours du temps), ces modèles permettent de créer une trajectoire moyenne représentative de l’évolution globale de la population. Dans cette thèse, nous proposons de généraliser ces modèles dans le cas d'un mélange de population. Chaque sous-population peut suivre différentes dynamiques au cours du temps et leur trajectoire représentative peut être la même ou différer d'un intervalle temporel à l'autre. Ce nouveau modèle permet par exemple de modéliser l'apparition d'une maladie comme une déviation par rapport à un vieillissement normal.Nous nous intéressons également à la détection d'anomalies (par exemple de tumeurs) dans une population. En disposant d'un objet représentant une population contrôle, nous définissons une anomalie comme ce qui ne peut être reconstruit par déformation difféomorphique de cet objet représentatif. Notre méthode à l'avantage de ne nécessiter ni grand jeu de donnée, ni annotation par des médecins et peut être facilement appliquée à tout organe.Finalement, nous nous intéressons à différentes propriétés théoriques des algorithmes d'estimation utilisés. Dans le cadre des modèles à effets mixtes non linéaires, l'algorithme MCMC-SAEM est utilisé. Nous discuterons de deux limitations théoriques. Premièrement, nous lèverons l'hypothèse d'ergodicité géométrique en la remplaçant par une hypothèse d'ergodicité sous-géométrique. De plus, nous nous intéresserons à une méthode permettant d'appliquer l'algorithme SAEM quand la distribution jointe n'est pas courbe exponentielle. Nous montrerons que cette méthode introduit un biais dans l'estimation que nous mesurerons. Nous proposerons également un nouvel algorithme permettant de le réduire.

In the medical field, the use of features extracted from images is increasingly common to perform diagnostics or measure the effectiveness of a treatment over time. These measures can for example be real numbers (volume, cognitive scores), meshes of an organ or even the image itself. In the latter two cases, a Euclidean space cannot describe the space of measurements and it is necessary to use Riemannian manifolds. Using this Riemannian framework and mixed effects models, it is then possible to estimate a representative object of the population as well as the inter-individual variability.In the longitudinal case (subjects observed repeatedly over time), these models allow to create an average trajectory, representative of the global evolution of the population. In this thesis, we propose to generalize these models in the case of a mixture of populations. Each sub-population can follow different dynamics over time and their representative trajectory can branch or join from one time interval to another. This new model allows, for example, to model the onset of a disease as a deviation from a normal aging.In a second step, we are also interested in the detection of anomalies (e.g. tumours) in a population. Given an object representing a control population, we define an anomaly as a structure that cannot be reconstructed by a diffeomorphic deformation of this representative object. Our method has the advantage of requiring neither a large data set nor annotation by physicians. Moreover, it can be easily applied to any organ.Finally, we are interested in different theoretical properties of the previously used estimation algorithms. In the context of non-linear mixed effects models, the MCMC-SAEM algorithm is used. In this thesis, we will discuss two theoretical limitations. Firstly, we will lift the geometric ergodicity assumption by replacing it with a sub-geometric ergodicity assumption. Furthermore, we will look at a method, often used in practice, allowing to apply the SAEM algorithm when the joint distribution is not exponentially curved. We will show that this method introduces a bias in the estimation that we will measure. We will also propose a new algorithm to reduce it.