模拟器为因果效应估计制作独特的基准，因为它们不依赖于无法验证的假设或干预现实世界的能力，但往往太简单，无法捕获实际应用的重要方面。我们提出了Alzheimer疾病的模拟器，旨在建模医疗保健数据的复杂性，同时实现因果效应和政策估算的基准。我们将系统拟合到阿尔茨海默病神经影像倡议（ADNI）数据集和地面手工制作组件，从比较治疗试验和观察治疗模式的结果中。模拟器包括改变因果推理任务的性质和难度，例如潜在变量，效果异质性，观察到的历史长度，行为策略和样本大小的参数。我们使用模拟器比较平均和条件治疗效果的估计。
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为目标疾病开发新药物是一项耗时且昂贵的任务，药物重新利用已成为药物开发领域的流行话题。随着许多健康索赔数据可用，已经对数据进行了许多研究。现实世界的数据嘈杂，稀疏，并且具有许多混杂因素。此外，许多研究表明，药物的作用在人群中是异质的。近年来已经出现了许多有关估计异构治疗效果（HTE）（HTE）的高级机器学习模型，并已应用于计量经济学和机器学习社区。这些研究将医学和药物开发视为主要应用领域，但是从HTE方法论到药物开发的转化研究有限。我们旨在将HTE方法介绍到医疗保健领域，并在通过基准实验进行医疗保健行政索赔数据进行基准实验时提供可行性考虑。另外，我们希望使用基准实验来展示如何将模型应用于医疗保健研究时如何解释和评估模型。通过将最近的HTE技术引入生物医学信息学社区的广泛读者，我们希望通过机器学习促进广泛采用因果推断。我们还希望提供HTE具有个性化药物有效性的可行性。
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选择每个患者的最佳治疗计划需要随着时间的推移而准确地预测其结果轨迹的函数。虽然大型观察数据集构成丰富的信息来源，但他们也包含偏差，因为处理很少在实践中随机分配。为了提供准确和无偏见的预测，我们介绍了解除戒备的反事实经常性网络（DCRN），一种新的序列到序列架构，其通过学习患者历史的时间随时间估计治疗结果，这些历史记录被解除为三个单独的潜在因子：治疗因素，影响只有治疗选择;结果因素，影响结果;和一个混杂因素，影响两者。通过架构，完全受到治疗影响的因果结构随着时间的推移，我们推进预测准确性和疾病的理解，因为我们的建筑允许从业者推断哪个患者的轨迹影响哪些患者的轨迹，对比该领域的其他方法对比其他方法。我们证明DCRN在预测治疗响应中的当前最先进的方法，在实际和模拟数据中优于最新的方法。
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大型观察数据越来越多地提供健康，经济和社会科学等学科，研究人员对因果问题而不是预测感兴趣。在本文中，从旨在调查参与学校膳食计划对健康指标的实证研究，研究了使用非参数回归的方法估算异质治疗效果的问题。首先，我们介绍了与观察或非完全随机数据进行因果推断相关的设置和相关的问题，以及如何在统计学习工具的帮助下解决这些问题。然后，我们审查并制定现有最先进的框架的统一分类，允许通过非参数回归模型来估算单个治疗效果。在介绍模型选择问题的简要概述后，我们说明了一些关于三种不同模拟研究的方法的性能。我们通过展示一些关于学校膳食计划数据的实证分析的一些方法的使用来结束。
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绘制因果推断的基本挑战是，任何单位都没有完全观察到反事实。此外，在观察性研究中，治疗分配可能会混淆。在不满足的条件下，已经出现了许多统计方法，这些方法在给定预处理的协变量下，包括基于倾向得分的方法，基于预后分数的方法和双重稳健方法。不幸的是，对于应用研究人员而言，没有“一定大小的”因果方法可以在普遍上表现出色。实际上，因果方法主要根据手工制作的模拟数据进行定量评估。这样的数据产生程序可能具有有限的价值，因为它们通常是现实的风格化模型。它们被简化为障碍性，缺乏现实世界数据的复杂性。对于应用研究人员，了解方法对手头数据的表现效果很好至关重要。我们的工作介绍了基于生成模型的深层框架，以验证因果推理方法。该框架的新颖性源于其产生锚定在观察到的样品的经验分布上的合成数据的能力，因此与后者几乎没有区别。该方法使用户可以为因果效应的形式和幅度指定地面真理，并将偏见作为协变量的功能。因此，模拟数据集用于评估与观察到的样本相似的数据时，各种因果估计方法的潜在性能。我们证明了Credence在广泛的仿真研究中准确评估因果估计技术的相对性能以及来自Lalonde和Project Star研究的两个现实世界数据应用的能力。
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因果关系的概念在人类认知中起着重要作用。在过去的几十年中，在许多领域（例如计算机科学，医学，经济学和教育）中，因果推论已经得到很好的发展。随着深度学习技术的发展，它越来越多地用于针对反事实数据的因果推断。通常，深层因果模型将协变量的特征映射到表示空间，然后设计各种客观优化函数，以根据不同的优化方法公正地估算反事实数据。本文重点介绍了深层因果模型的调查，其核心贡献如下：1）我们在多种疗法和连续剂量治疗下提供相关指标； 2）我们从时间开发和方法分类的角度综合了深层因果模型的全面概述； 3）我们协助有关相关数据集和源代码的详细且全面的分类和分析。
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估算随机实验的因果效应是临床研究的核心。降低这些分析中的统计不确定性是统计学家的重要目标。注册管理机构，事先审判和健康记录构成了对患者的历史数据汇编，其在可能是可利用至此的患者下的历史数据。但是，大多数历史借贷方法通过牺牲严格的I型错误率控制来达到方差的减少。在这里，我们建议使用利用线性协变调整的历史数据来提高试验分析的效率而不会产生偏见。具体而言，我们在历史数据上培训预后模型，然后使用线性回归估计治疗效果，同时调整试验受试者预测结果（其预后分数）。我们证明，在某些条件下，这种预后调整程序在大类估算仪中获得了最低差异。当不符合这些条件时，预后的协变量调整仍然比原始协变量调整更有效，并且效率的增益与上述预后模型的预测准确性的衡量标准成正比，与原始协变量的线性关系的预测准确性。我们展示了使用模拟的方法和阿尔茨海默病的临床试验的再分析，并观察平均平均误差的有意义减少和估计方差。最后，我们提供了一种简化的渐近方差公式，使得能够计算这些收益的功率计算。在使用预后模型的预后模型中，可以实现10％和30％的样品尺寸减少。
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在这篇扩展的抽象论文中，我们解决了因果机学习模型中的可解释性和针对性正则化的问题。特别是，我们专注于在观察到的混杂因素下估计单个因果/治疗效果的问题，这些问题可以控制并适应治疗对感兴趣结果的影响。针对因果环境调整的Black-Box ML模型在此任务中通常表现良好，但是它们缺乏可解释的输出，无法识别治疗异质性及其功能关系的主要驱动因素。我们提出了一种新型的深层反事实学习结构，用于估计可以同时进行的个人治疗效果：i）传达有针对性的正则化，并产生围绕感兴趣量的量化不确定性（即条件平均治疗效应）； ii）解开协变量的基线预后和调节作用，并输出可解释的分数功能，描述了它们与结果的关系。最后，我们通过简单的模拟实验来证明该方法的使用。
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估计治疗的个性化影响是一个复杂但普遍存在的问题。为了解决这个问题，机器学习（ML）关于异质治疗效果估计的最新发展引起了许多复杂的，但不透明的工具：由于它们的灵活性，模块化和学习受限的表示的能力，尤其是神经网络，因此已成为中心对此文学。不幸的是，这种黑匣子的资产是有代价的：模型通常涉及无数的非平凡操作，因此很难理解他们所学到的知识。然而，理解这些模型可能至关重要 - 例如，在医学背景下，发现有关治疗效果的知识异质性可以在临床实践中为治疗处方提供信息。因此，在这项工作中，我们使用事后特征重要性方法来识别影响模型预测的功能。这使我们能够评估沿着先前工作中忽略的新重要维度的治疗效应估计量：我们构建了一个基准测试环境，以经验研究个性化治疗效果模型鉴定预测协变量的能力 - 确定治疗差异反应的协变量。然后，我们的基准测量环境使我们能够对不同类型的治疗效果模型的优势和劣势提供新的见解，因为我们调节了针对治疗效果估计的不同挑战 - 例如预后与预测信息的比率，潜在结果的可能非线性以及混杂的存在和类型。
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随着时间的流逝，估计反事实结果有可能通过协助决策者回答“假设”问题来解锁个性化医疗保健。现有的因果推理方法通常考虑观察和治疗决策之间的定期离散时间间隔，因此无法自然地模拟不规则采样的数据，这是实践中的共同环境。为了处理任意观察模式，我们将数据解释为基础连续时间过程中的样本，并建议使用受控微分方程的数学明确地对其潜在轨迹进行建模。这导致了一种新方法，即治疗效果神经控制的微分方程（TE-CDE），该方程可在任何时间点评估潜在的结果。此外，对抗性训练用于调整时间依赖性混杂，这在纵向环境中至关重要，这是常规时间序列中未遇到的额外挑战。为了评估解决此问题的解决方案，我们提出了一个基于肿瘤生长模型的可控仿真环境，以反映出各种临床方案的一系列场景。在所有模拟场景中，TE-CDE始终优于现有方法，并具有不规则采样。
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有许多可用于选择优先考虑治疗的可用方法，包括基于治疗效果估计，风险评分和手工制作规则的遵循申请。我们将秩加权平均治疗效应（RATY）指标作为一种简单常见的指标系列，用于比较水平竞争范围的治疗优先级规则。对于如何获得优先级规则，率是不可知的，并且仅根据他们在识别受益于治疗中受益的单位的方式进行评估。我们定义了一系列速率估算器，并证明了一个中央限位定理，可以在各种随机和观测研究环境中实现渐近精确的推断。我们为使用自主置信区间的使用提供了理由，以及用于测试关于治疗效果中的异质性的假设的框架，与优先级规则相关。我们对速率的定义嵌套了许多现有度量，包括QINI系数，以及我们的分析直接产生了这些指标的推论方法。我们展示了我们从个性化医学和营销的示例中的方法。在医疗环境中，使用来自Sprint和Accor-BP随机对照试验的数据，我们发现没有明显的证据证明异质治疗效果。另一方面，在大量的营销审判中，我们在一些数字广告活动的治疗效果中发现了具有的强大证据，并证明了如何使用率如何比较优先考虑估计风险的目标规则与估计治疗效益优先考虑的目标规则。
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Learning individual-level causal effects from observational data, such as inferring the most effective medication for a specific patient, is a problem of growing importance for policy makers. The most important aspect of inferring causal effects from observational data is the handling of confounders, factors that affect both an intervention and its outcome. A carefully designed observational study attempts to measure all important confounders. However, even if one does not have direct access to all confounders, there may exist noisy and uncertain measurement of proxies for confounders. We build on recent advances in latent variable modeling to simultaneously estimate the unknown latent space summarizing the confounders and the causal effect. Our method is based on Variational Autoencoders (VAE) which follow the causal structure of inference with proxies. We show our method is significantly more robust than existing methods, and matches the state-of-the-art on previous benchmarks focused on individual treatment effects.
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传统的因果推理方法利用观察性研究数据来估计潜在治疗的观察到的差异和未观察到的结果，称为条件平均治疗效果（CATE）。然而，凯特就对应于仅第一刻的比较，因此可能不足以反映治疗效果的全部情况。作为替代方案，估计全部潜在结果分布可以提供更多的见解。但是，估计治疗效果的现有方法潜在的结果分布通常对这些分布施加限制性或简单的假设。在这里，我们提出了合作因果网络（CCN），这是一种新颖的方法，它通过学习全部潜在结果分布而超出了CATE的估计。通过CCN框架估算结果分布不需要对基础数据生成过程的限制性假设。此外，CCN促进了每种可能处理的效用的估计，并允许通过效用函数进行特定的特定变异。 CCN不仅将结果估计扩展到传统的风险差异之外，而且还可以通过定义灵活的比较来实现更全面的决策过程。根据因果文献中通常做出的假设，我们表明CCN学习了渐近捕获真正潜在结果分布的分布。此外，我们提出了一种调整方法，该方法在经验上可以有效地减轻观察数据中治疗组之间的样本失衡。最后，我们评估了CCN在多个合成和半合成实验中的性能。我们证明，与现有的贝叶斯和深层生成方法相比，CCN学会了改进的分布估计值，以及对各种效用功能的改进决策。
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在制定政策指南时，随机对照试验（RCT）代表了黄金标准。但是，RCT通常是狭窄的，并且缺乏更广泛的感兴趣人群的数据。这些人群中的因果效应通常是使用观察数据集估算的，这可能会遭受未观察到的混杂和选择偏见。考虑到一组观察估计（例如，来自多项研究），我们提出了一个试图拒绝偏见的观察性估计值的元偏值。我们使用验证效应，可以从RCT和观察数据中推断出的因果效应。在拒绝未通过此测试的估计器之后，我们对RCT中未观察到的亚组的外推性效应产生了保守的置信区间。假设至少一个观察估计量在验证和外推效果方面是渐近正常且一致的，我们为我们算法输出的间隔的覆盖率概率提供了保证。为了促进在跨数据集的因果效应运输的设置中，我们给出的条件下，即使使用灵活的机器学习方法用于估计滋扰参数，群体平均治疗效应的双重稳定估计值也是渐近的正常。我们说明了方法在半合成和现实世界数据集上的特性，并表明它与标准的荟萃分析技术相比。
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重要性采样（IS）通常用于执行违规策略评估，但容易出现几个问题，特别是当行为策略未知并且必须从数据估计时。由于例如高方差和非评估动作，目标和行为策略之间的显着差异可能导致不确定的值估计。如果使用黑盒式模型估计行为策略，则可能很难诊断潜在的问题，并确定哪些输入策略在其建议的动作和结果中不同。为了解决这个问题，我们建议估算使用原型学习的行为策略。我们在评估败血症处理的政策时应用这种方法，展示了原型如何在目标和行为政策之间提供凝聚率的差异摘要，同时保留与基线估计相当的准确性。我们还描述了原型的估计值，以更好地了解目标政策的哪些部分对估计产生最大影响。使用模拟器，我们研究限制模型以使用原型的偏差。
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影响重症患者护理的许多基本问题会带来类似的分析挑战：医生无法轻易估计处于危险的医疗状况或治疗的影响，因为医疗状况和药物的因果影响是纠缠的。他们也无法轻易进行研究：没有足够的高质量数据来进行高维观察性因果推断，并且通常无法在道德上进行RCT。但是，机械知识可获得，包括如何吸收人体药物，并且这些知识与有限数据的结合可能就足够了 - 如果我们知道如何结合它们。在这项工作中，我们提出了一个框架，用于在这些复杂条件下对重症患者的因果影响估算：随着时间的流逝，药物与观察之间的相互作用，不大的患者数据集以及可以代替缺乏数据的机械知识。我们将此框架应用于影响重症患者的极其重要的问题，即癫痫发作和大脑中其他潜在有害的电气事件的影响（称为癫痫样活动 - EA）对结局。鉴于涉及的高赌注和数据中的高噪声，可解释性对于解决此类复杂问题的故障排除至关重要。我们匹配的小组的解释性使神经科医生可以执行图表审查，以验证我们的因果分析的质量。例如，我们的工作表明，患者经历了高水平的癫痫发作般的活动（75％的EA负担），并且未经治疗的六个小时的窗口未受治疗，平均而言，这种不良后果的机会增加了16.7％。作为严重的大脑损伤，终生残疾或死亡。我们发现患有轻度但长期EA的患者（平均EA负担> = 50％）患有不良结果的风险增加了11.2％。
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由于样本量有限，可以准确估计研究地点（例如医院）中的个性化治疗效果。此外，隐私考虑和缺乏资源阻止站点利用其他站点的主题级数据。我们提出了一种基于树的模型平均方法，以通过利用从其他潜在异质部位得出的模型来提高目标部位条件平均治疗效果（CATE）的估计精度，而无需共享主题级数据。据我们的最佳知识，没有建立的模型平均分布式数据的方法，重点是改善治疗效果的估计。具体而言，在分布式数据网络下，我们的框架提供了一个基于CATE估算器的基于可解释的树的合奏，该集合可以跨研究站点加入模型，同时通过站点分区积极地对数据源中的异质性进行建模。通过对氧疗法对医院存活率的因果影响的现实研究证明了这种方法的表现，并得到了全面的模拟结果的支持。
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因果推断能够估计治疗效果（即，治疗结果的因果效果），使各个领域的决策受益。本研究中的一个基本挑战是观察数据的治疗偏见。为了提高对因果推断的观察研究的有效性，基于代表的方法作为最先进的方法表明了治疗效果估计的卓越性能。基于大多数基于表示的方法假设所有观察到的协变量都是预处理的（即，不受治疗影响的影响），并学习这些观察到的协变量的平衡表示，以估算治疗效果。不幸的是，这种假设往往在实践中往往是太严格的要求，因为一些协调因子是通过对治疗的干预进行改变（即，后治疗）来改变。相比之下，从不变的协变量中学到的平衡表示因此偏置治疗效果估计。
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发现新药是寻求并证明因果关系。作为一种新兴方法利用人类的知识和创造力，数据和机器智能，因果推论具有减少认知偏见并改善药物发现决策的希望。尽管它已经在整个价值链中应用了，但因子推理的概念和实践对许多从业者来说仍然晦涩难懂。本文提供了有关因果推理的非技术介绍，审查了其最新应用，并讨论了在药物发现和开发中采用因果语言的机会和挑战。
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本文介绍了一种创新的贝叶斯机器学习算法，在不完美的顺应性存在下绘制可解释的对异质因果效应的推断（例如，在不规则的分配机制下）。我们通过蒙特卡罗模拟显示，据提出的贝叶斯因果森林具有乐器变量（BCF-IV）方法优于在控制各方误差率的同时发现和估算异质因果效果时量身定制的其他机器学习技术（或 - 在叶子水平时，不那么严格地 - 为假发现率）。 BCF-IV揭示了乐器可变场景中因果效应的异质性，而且，又为政策制定者提供了有针对性政策的相关工具。其实证应用评估了额外资金对学生表演的影响。结果表明，BCF-IV可用于增强学校资助对学生绩效的有效性。
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