Panel data involving longitudinal measurements of the same set of participants taken over multiple time points is common in studies to understand childhood development and disease modeling. Deep hybrid models that marry the predictive power of neural networks with physical simulators such as differential equations, are starting to drive advances in such applications. The task of modeling not just the observations but the hidden dynamics that are captured by the measurements poses interesting statistical/computational questions. We propose a probabilistic model called ME-NODE to incorporate (fixed + random) mixed effects for analyzing such panel data. We show that our model can be derived using smooth approximations of SDEs provided by the Wong-Zakai theorem. We then derive Evidence Based Lower Bounds for ME-NODE, and develop (efficient) training algorithms using MC based sampling methods and numerical ODE solvers. We demonstrate ME-NODE's utility on tasks spanning the spectrum from simulations and toy data to real longitudinal 3D imaging data from an Alzheimer's disease (AD) study, and study its performance in terms of accuracy of reconstruction for interpolation, uncertainty estimates and personalized prediction.


翻译:与神经网络与物理模拟器(如差异方程式)的预测力相结合的深混合模型,开始推动这些应用的进展。建模的任务不仅包括观测,而且还包括测量所捕捉到的隐藏动态,这带来了有趣的统计/计算问题。我们提出了一个称为ME-NODE的概率模型,以纳入(固定的+随机的)混合效应来分析此类板数据。我们表明,我们的模型可以使用黄扎凯理论提供的SDE的平稳近似值来生成。我们随后为ME-NODE获取基于证据的低功能,并利用基于取样方法和数字的ODE解算器开发(高效的)培训算法。我们展示了ME-NODE在从模拟和玩具数据到来自阿尔茨海默氏病(AD)研究的真实的纵向3D成像数据之间跨越频谱的任务上的实用性模型。我们还研究了该模型在内部预测、不确定性和个人化预测重建的准确性方面的性表现。

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