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Estimation for dynamical systems using a population-based Kalman filter – Applications in computational biology

Authors :
Collin, Annabelle
Prague, Mélanie
Moireau, Philippe
Mathematical and Mechanical Modeling with Data Interaction in Simulations for Medicine (M3DISIM)
Laboratoire de mécanique des solides (LMS)
École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Saclay - Ile de France
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
Statistics In System biology and Translational Medicine (SISTM)
Inria Bordeaux - Sud-Ouest
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)- Bordeaux population health (BPH)
Université de Bordeaux (UB)-Institut de Santé Publique, d'Épidémiologie et de Développement (ISPED)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université de Bordeaux (UB)-Institut de Santé Publique, d'Épidémiologie et de Développement (ISPED)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
Modélisation Mathématique pour l'Oncologie (MONC)
Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB)
Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Bergonié [Bordeaux]
UNICANCER-UNICANCER-Inria Bordeaux - Sud-Ouest
Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Vaccine Research Institute (VRI)
Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 (UPEC UP12)
École polytechnique (X)-Mines Paris - PSL (École nationale supérieure des mines de Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-Mines Paris - PSL (École nationale supérieure des mines de Paris)
Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Bergonié [Bordeaux]
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École polytechnique (X)-Inria Saclay - Ile de France
Collin, Annabelle
Source :
MathematicS In Action, MathematicS In Action, 2022, ⟨10.5802/msia.25⟩, MathematicS In Action, Société de Mathématiques Appliquées et Industrielles, 2022, MathematicS In Action, Société de Mathématiques Appliquées et Industrielles, 2022, ⟨10.5802/msia.25⟩
Publication Year :
2021
Publisher :
HAL CCSD, 2021.

Abstract

International audience; Estimation of dynamical systems - in particular, identification of their parameters - is fundamental in computational biology, e.g., pharmacology, virology, or epidemiology, to reconcile model runs with available measurements. Unfortunately, the mean and variance priorities of the parameters must be chosen very appropriately to balance our distrust of the measurements when the data are sparse or corrupted by noise. Otherwise, the identification procedure fails. One option is to use repeated measurements collected in configurations with common priorities - for example, with multiple subjects in a clinical trial or clusters in an epidemiological investigation. This shared information is beneficial and is typically modeled in statistics using nonlinear mixed-effects models. In this paper, we present a data assimilation method that is compatible with such a mixed-effects strategy without being compromised by the potential curse of dimensionality. We define population-based estimators through maximum likelihood estimation. We then develop an equivalent robust sequential estimator for large populations based on filtering theory that sequentially integrates data. Finally, we limit the computational complexity by defining a reduced-order version of this population-based Kalman filter that clusters subpopulations with common observational backgrounds. The performance of the resulting algorithm is evaluated against classical pharmacokinetics benchmarks. Finally, the versatility of the proposed method is tested in an epidemiological study using real data on the hospitalisation of COVID-19 patients in the regions and departments of France.

Details

Language :
English
ISSN :
21025754
Database :
OpenAIRE
Journal :
MathematicS In Action, MathematicS In Action, 2022, ⟨10.5802/msia.25⟩, MathematicS In Action, Société de Mathématiques Appliquées et Industrielles, 2022, MathematicS In Action, Société de Mathématiques Appliquées et Industrielles, 2022, ⟨10.5802/msia.25⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....43dd22e9c02e3cefe8370ceb57f16996