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Nature子刊:用「反事实推断」帮模型识别罕见病,跻身专家水平,Judea Pearl力荐

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如果说科学的本质是寻找变量之间的因果关系,那幺过去几年机器学习的研究和努力依然没有触及问题的本质。正如图灵奖获得者、贝叶斯网络之父 Judea Pearl 所言,机器学习不过是在拟合数据和概率分布曲线,而变量的内在因果关系并未得到足够的重视。如果要真正解决科学问题,甚至开发真正意义上的智能机器,因果关系是必然要迈过的一道坎。最近发表在 Nature Communications 上的一项研究通过建立反事实因果诊断模型,提升了机器学习在医疗诊断领域的效果。

 

 

图灵奖获得者、贝叶斯网络之父 Judea Pearl 转发推荐这篇文章。

 

近年来,人工智能和机器学习成为解决不同领域复杂问题的强大工具。在医疗诊断方面,机器学习辅助诊断有望通过大量病人数据提供精确、个性化的诊断,从而革新临床决策和诊断。

 

然而,人类医生的诊断流程与现有的机器学习诊断方法从原理上来说大相径庭。

 

在医疗诊断中,医生需要确定病因,进而向病人解释症状。然而,现有的机器学习诊断方法是完全基于相关性的,它可以识别出与病人症状强相关的疾病。

 

最近,来自英国数字医疗公司 Babylon Health 的研究人员在《Nature Communications》上发表论文,表明无法将相关性与因果性解耦会导致次优甚至危险的诊断结果。为了克服这一点,该研究将诊断重新形式化为反事实推断(counterfactual inference)任务,并得到反事实诊断算法。

 

研究人员将其反事实算法与标准关联算法(associative algorithm)和 44 名医生进行性能对比。结果表明,关联算法的准确率在医生团队中能排到 top 48%,而反事实算法可以排到 top 25%,实现了专家级别的临床准确率。

 

这一结果表明:因果推理是将机器学习应用到医疗诊断中的重要缺失元素。

 

 

论文地址: https://www.nature.com/articles/s41467-020-17419-7#MOESM1

 

这篇论文先介绍了当前算法诊断方法的底层基本原则和假设;然后详述了这类方法由于因果混杂(causal confounding)而崩溃的场景,并提出了设计能够克服这些缺陷的诊断算法的一组原则;最后,研究人员利用这些原则提出了两种诊断算法,它们均基于必要且充分的因果关系。

 

关联诊断

 

因其形式定义,基于模型的诊断等同于:给出发现结果 ϵ,使用模型 θ 估计 fault component D 的似然:

 

 

在医疗诊断中,D 表示疾病,发现结果 ϵ 包括症状、检测结果以及相关病史。在对多种可能疾病进行诊断时(如鉴别诊断),潜在疾病按照后验进行排序。基于模型的诊断算法要幺是判别式的,直接基于输入特征 ϵ 建模疾病 D 的条件分布 (1),要幺是生成式的,建模疾病和发现结果的先验分布,使用贝叶斯规则估计后验:

 

 

判别式诊断模型包括神经网络和深度学习模型,而生成式模型通常是贝叶斯网络。

 

因果诊断

 

基于人类医生的诊断流程,这项研究提出了「因果诊断」的定义:

 

基于病史,识别出最可能导致病人症状的疾病。

 

尽管大量文献将因果推理置于诊断的核心位置,但迄今为止尚未有基于模型的诊断方法使用现代因果分析技术。

 

利用后验来识别因果关系在绝大多数因果场景中会导致谬误的结论(最简单的因果场景除外),这种现象叫做「因果混杂」(confounding)。

 

下图 1 展示了疾病与症状之间的 3 种不同的因果结构,图 b 中的 R 即是 D 和 S 的混杂因素。

 

 

诊断推理三原则

 

关联诊断方法的替代方案是推断因果责任(或因果归因)——目标原因 D 导致目标结果 S 的概率。这就需要一个诊断度量 M(D, ϵ),对存在证据 ϵ 的情况下, D 导致病人症状的概率进行排序。为满足这一诊断度量,研究人员提出了以下三个基本原则:

 

1. 疾病 D 导致病人症状的可能性应与疾病的后验似然成比例, (一致性);

 

2. 未导致病人症状的疾病 D 不构成诊断,M(D, ϵ) = 0(因果性);

 

3. 能够解释更多病状的疾病应具备更高的可能性(简洁性)。

 

反事实诊断

 

为了量化疾病导致病状的似然,该研究使用了反事实推断。研究人员提出两种反事实诊断度量,分别定义了「expected disablement」和「expected sufficiency」。定理 1 表明这两种度量均满足上述三原则。

 

 

expected disablement 定义

 

 

expected sufficiency 定义

 

 

定理 1

 

新型诊断模型:结构因果模型

 

该研究使用的疾病模型是贝叶斯网络(BN),可建模数百种疾病、风险因子和症状之间的关系。

 

BN 是一个有向无环图(DAG),下图 2a 即是 BN 的一个简单示例。

 

 

BN 疾病模型历史悠久,而在因果推断领域中,BN 被更基础的结构因果模型(SCM)取代。现有的疾病诊断 BN(如 BN2O 网络)可被表示为 SCM。

 

Noisy-OR twin 诊断网络

 

在构建疾病模型时,通常会在 DAG 结构以外做出一些额外的建模假设,最常用的就是 noisy-OR ,参见图 2b。

 

这项研究使用 [64,71] 提出的计算反事实的 twin-network 方法,推导出这些模型 expected disablement 和 expected sufficiency 的表达式。该方法在一个 SCM 中表示真实和反事实的变量——即 twin network,基于此我们可以利用标准推断技术计算反事实概率。相比于 abduction 而言,这一方法大幅分摊了计算反事实的推断成本。

 

研究人员将这类诊断模型称作「twin 诊断网络」(twin diagnostic network)。

 

 

定理 2

 

实验

 

诊断模型和数据集

 

该研究使用的测试集包含 1671 个临床场景,这些场景由至少达到全科医生级别的各组医生生成。

 

实验中所用的反事实算法和关联算法均使用相同的疾病模型,以确保诊断准确率的差异可完全归因于所用的 ranking query。

 

反事实算法 vs 关联算法

 

研究人员首先使用后验 (1)、expected disablement 和 expected sufficiency (5) 对比了排名靠前的疾病的诊断准确率。对比结果参见下图 3:

 

 

 

从表 1 中可以看出,研究人员按照真实疾病的先验发生率将临床场景分类为 very common、common、uncommon、rare 和 very rare。在 common 和 rare 疾病中,反事实算法相比关联算法有大幅提升,而在 rare 和 very-rare 疾病中,这一性能提升更加明显,排名分别达到了 29.2% 和 32.9%。

 

这一提升非常重要,因为罕见病通常更难诊断,包含很多重症病例,而诊断误差将对这些病例带来严重后果。

 

与人类医生进行对比

 

第二个实验将反事实算法和关联算法与 44 名医生进行了对比。

 

 

实验表明,反事实算法的诊断准确率远远高于关联算法,尤其是对罕见病的诊断方面。关联算法的性能与医生的平均水平持平,而反事实算法则处于医生水平的前 25%。

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