Warfarin is a widely used anticoagulant, and has a narrow therapeutic range. Dosing of warfarin should be individualized, since slight overdosing or underdosing can have catastrophic or even fatal consequences. Despite much research on warfarin dosing, current dosing protocols do not live up to expectations, especially for patients sensitive to warfarin. We propose a deep reinforcement learning-based dosing model for warfarin. To overcome the issue of relatively small sample sizes in dosing trials, we use a Pharmacokinetic/ Pharmacodynamic (PK/PD) model of warfarin to simulate dose-responses of virtual patients. Applying the proposed algorithm on virtual test patients shows that this model outperforms a set of clinically accepted dosing protocols by a wide margin. We tested the robustness of our dosing protocol on a second PK/PD model and showed that its performance is comparable to the set of baseline protocols.

We initiate the study of privacy in pharmacogenetics, wherein machine learning models are used to guide medical treatments based on a patient's genotype and background. Performing an in-depth case study on privacy in personalized warfarin dosing, we show that suggested models carry privacy risks, in particular because attackers can perform what we call model inversion: an attacker, given the model and some demographic information about a patient, can predict the patient's genetic markers.As differential privacy (DP) is an oft-proposed solution for medical settings such as this, we evaluate its effectiveness for building private versions of pharmacogenetic models. We show that DP mechanisms prevent our model inversion attacks when the privacy budget is carefully selected. We go on to analyze the impact on utility by performing simulated clinical trials with DP dosing models. We find that for privacy budgets effective at preventing attacks, patients would be exposed to increased risk of stroke, bleeding events, and mortality. We conclude that current DP mechanisms do not simultaneously improve genomic privacy while retaining desirable clinical efficacy, highlighting the need for new mechanisms that should be evaluated in situ using the general methodology introduced by our work.

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％。

源于机器学习和优化的临床决策支持工具可以为医疗保健提供者提供显着的价值，包括通过更好地管理重症监护单位。特别是，重要的是，患者排放任务在降低患者的住宿时间（以及相关住院费用）和放弃决策后的入院甚至死亡的风险之间存在对细微的折衷。这项工作介绍了一个端到端的一般框架，用于捕获这种权衡，以推荐患者电子健康记录的最佳放电计时决策。数据驱动方法用于导出捕获患者的生理条件的解析，离散状态空间表示。基于该模型和给定的成本函数，在数值上制定并解决了无限的地平线折扣明马尔科夫决策过程，以计算最佳的排放政策，其价值使用违规评估策略进行评估。进行广泛的数值实验以使用现实生活重症监护单元患者数据来验证所提出的框架。

严重冠状病毒疾病19（Covid-19）的患者通常需要补充氧作为必要的治疗方法。我们开发了一种基于深度加强学习（RL）的机器学习算法，用于持续管理缺氧率为重症监护下的关键病患者，这可以识别最佳的个性化氧气流速，具有强大的潜力，以降低相对于死亡率目前的临床实践。基本上，我们为Covid-19患者的氧气流动轨迹建模，并作为马尔可夫决策过程。基于个体患者特征和健康状况，基于加强学习的氧气控制政策，实时推荐氧气流速降低死亡率。我们通过使用从纽约大学Langone Health的Covid-19的叙述队员使用纽约大学Langone Healthation Mearchatory Maculation Mearchatory Chare，从2020年4月20日至1月2021年使用电子健康记录，通过交叉验证评估了拟议方法的表现。算法低于护理标准的2.57％（95％CI：2.08-3.06）减少（P <0.001）在我们的算法下的护理标准下的7.94％，平均推荐的氧气流量为1.28 L /分钟（95％CI：1.14-1.42）低于实际递送给患者的速率。因此，RL算法可能导致更好的重症监护治疗，可以降低死亡率，同时节省氧气稀缺资源。它可以减少氧气短缺问题，在Covid-19大流行期间改善公共卫生。

Drug dosing is an important application of AI, which can be formulated as a Reinforcement Learning (RL) problem. In this paper, we identify two major challenges of using RL for drug dosing: delayed and prolonged effects of administering medications, which break the Markov assumption of the RL framework. We focus on prolongedness and define PAE-POMDP (Prolonged Action Effect-Partially Observable Markov Decision Process), a subclass of POMDPs in which the Markov assumption does not hold specifically due to prolonged effects of actions. Motivated by the pharmacology literature, we propose a simple and effective approach to converting drug dosing PAE-POMDPs into MDPs, enabling the use of the existing RL algorithms to solve such problems. We validate the proposed approach on a toy task, and a challenging glucose control task, for which we devise a clinically-inspired reward function. Our results demonstrate that: (1) the proposed method to restore the Markov assumption leads to significant improvements over a vanilla baseline; (2) the approach is competitive with recurrent policies which may inherently capture the prolonged effect of actions; (3) it is remarkably more time and memory efficient than the recurrent baseline and hence more suitable for real-time dosing control systems; and (4) it exhibits favorable qualitative behavior in our policy analysis.

Learning-to-defer is a framework to automatically defer decision-making to a human expert when ML-based decisions are deemed unreliable. Existing learning-to-defer frameworks are not designed for sequential settings. That is, they defer at every instance independently, based on immediate predictions, while ignoring the potential long-term impact of these interventions. As a result, existing frameworks are myopic. Further, they do not defer adaptively, which is crucial when human interventions are costly. In this work, we propose Sequential Learning-to-Defer (SLTD), a framework for learning-to-defer to a domain expert in sequential decision-making settings. Contrary to existing literature, we pose the problem of learning-to-defer as model-based reinforcement learning (RL) to i) account for long-term consequences of ML-based actions using RL and ii) adaptively defer based on the dynamics (model-based). Our proposed framework determines whether to defer (at each time step) by quantifying whether a deferral now will improve the value compared to delaying deferral to the next time step. To quantify the improvement, we account for potential future deferrals. As a result, we learn a pre-emptive deferral policy (i.e. a policy that defers early if using the ML-based policy could worsen long-term outcomes). Our deferral policy is adaptive to the non-stationarity in the dynamics. We demonstrate that adaptive deferral via SLTD provides an improved trade-off between long-term outcomes and deferral frequency on synthetic, semi-synthetic, and real-world data with non-stationary dynamics. Finally, we interpret the deferral decision by decomposing the propagated (long-term) uncertainty around the outcome, to justify the deferral decision.

在线增强学习（RL）算法越来越多地用于个性化移动健康和在线教育领域的数字干预措施。在这些设置中设计和测试RL算法方面的常见挑战包括确保RL算法在实时约束下可以稳定学习和运行，并考虑了环境的复杂性，例如，缺乏用于用户动力学的准确机械模型。为了指导人们如何应对这些挑战，我们将PC（可预测性，可计算性，稳定性）框架扩展到了一个数据科学框架，该框架结合了监督学习中的机器学习和统计数据的最佳实践（Yu and Kumbier，2020年），用于数字干预设置的RL算法。此外，我们提供有关如何设计仿真环境的准则，这是使用PCS框架评估RL候选算法的关键工具。我们说明了使用PCS框架来设计Oralytics的RL算法，这是一项移动健康研究，旨在通过个性化的干预消息来改善用户的牙刷行为。 Oralytics将于2022年底进入该领域。

Using data from cardiovascular surgery patients with long and highly variable post-surgical lengths of stay (LOS), we develop a modeling framework to reduce recovery unit congestion. We estimate the LOS and its probability distribution using machine learning models, schedule procedures on a rolling basis using a variety of optimization models, and estimate performance with simulation. The machine learning models achieved only modest LOS prediction accuracy, despite access to a very rich set of patient characteristics. Compared to the current paper-based system used in the hospital, most optimization models failed to reduce congestion without increasing wait times for surgery. A conservative stochastic optimization with sufficient sampling to capture the long tail of the LOS distribution outperformed the current manual process and other stochastic and robust optimization approaches. These results highlight the perils of using oversimplified distributional models of LOS for scheduling procedures and the importance of using optimization methods well-suited to dealing with long-tailed behavior.

机器学习已成功构建许多顺序决策，作为监督预测，或通过加强学习的最佳决策政策识别。在数据约束的离线设置中，两种方法可能会失败，因为它们假设完全最佳行为或依赖于探索可能不存在的替代方案。我们介绍了一种固有的不同方法，该方法识别出状态空间的可能的“死角”。我们专注于重症监护病房中患者的状况，其中``“医疗死亡端”表明患者将过期，无论所有潜在的未来治疗序列如何。我们假设“治疗安全”为避免与其导致死亡事件的机会成比例的概率成比例的治疗，呈现正式证明，以及作为RL问题的帧发现。然后，我们将三个独立的深度神经模型进行自动化状态建设，死端发现和确认。我们的经验结果发现，死亡末端存在于脓毒症患者的真正临床数据中，并进一步揭示了安全处理与施用的差距。

从意外的外部扰动中恢复的能力是双模型运动的基本机动技能。有效的答复包括不仅可以恢复平衡并保持稳定性的能力，而且在平衡恢复物质不可行时，也可以保证安全的方式。对于与双式运动有关的机器人，例如人形机器人和辅助机器人设备，可帮助人类行走，设计能够提供这种稳定性和安全性的控制器可以防止机器人损坏或防止伤害相关的医疗费用。这是一个具有挑战性的任务，因为它涉及用触点产生高维，非线性和致动系统的高动态运动。尽管使用基于模型和优化方法的前进方面，但诸如广泛领域知识的要求，诸如较大的计算时间和有限的动态变化的鲁棒性仍然会使这个打开问题。在本文中，为了解决这些问题，我们开发基于学习的算法，能够为两种不同的机器人合成推送恢复控制政策：人形机器人和有助于双模型运动的辅助机器人设备。我们的工作可以分为两个密切相关的指示：1）学习人形机器人的安全下降和预防策略，2）使用机器人辅助装置学习人类的预防策略。为实现这一目标，我们介绍了一套深度加强学习（DRL）算法，以学习使用这些机器人时提高安全性的控制策略。

各种研究中的主要研究目标是使用观察数据集，并提供一种可以产生因果改进的新的反事准则。人动态治疗制度（DTRS）被广泛研究以正规化此过程。然而，在寻找最佳DTR中的可用方法通常依赖于现实世界应用（例如，医学决策或公共政策）违反的假设，特别是当（a）不可忽视未观察到的混乱时，并且（b）未观察到的混乱是时变（例如，受前一个行动的影响）。当违反这种假设时，人们经常面临关于所需的潜在因果模型来获得最佳DTR的歧视。这种歧义是不可避免的，因为无法从观察到的数据中理解未观察到的混血者的动态及其对观察到的数据的因果影响。通过案例研究，为在移植后接受伴随医院移植的患者的患者寻找卓越的治疗方案，并在移植后遇到称为新的发病糖尿病（NODAT），我们将DTR扩展到一个新阶级，被称为暧昧的动态治疗制度（ADTR） ，其中根据潜在因果模型的“云”评估治疗方案的随意影响。然后，我们将Adtrs连接到Saghafian（2018）提出的暧昧部分可观察标记决策过程（APOMDPS），并开发了两种加强学习方法，称为直接增强V-Learning（DAV-Learning）和安全增强V-Learning（SAV-Learning），其中使用观察到的数据能够有效地学习最佳治疗方案。我们为这些学习方法制定理论结果，包括（弱）一致性和渐近正常性。我们进一步评估了这些学习方法在案例研究和仿真实验中的性能。

离线政策优化可能会对许多现实世界的决策问题产生重大影响，因为在线学习在许多应用中可能是不可行的。重要性采样及其变体是离线策略评估中一种常用的估计器类型，此类估计器通常不需要关于价值函数或决策过程模型功能类的属性和代表性能力的假设。在本文中，我们确定了一种重要的过度拟合现象，以优化重要性加权收益，在这种情况下，学到的政策可以基本上避免在最初的状态空间的一部分中做出一致的决策。我们提出了一种算法，以避免通过新的每个国家 - 邻居标准化约束过度拟合，并提供对拟议算法的理论理由。我们还显示了以前尝试这种方法的局限性。我们在以医疗风格的模拟器为中测试算法，该模拟器是从真实医院收集的记录数据集和连续的控制任务。这些实验表明，与最先进的批处理学习算法相比，所提出的方法的过度拟合和更好的测试性能。

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。

由于数据量增加，金融业的快速变化已经彻底改变了数据处理和数据分析的技术，并带来了新的理论和计算挑战。与古典随机控制理论和解决财务决策问题的其他分析方法相比，解决模型假设的财务决策问题，强化学习（RL）的新发展能够充分利用具有更少模型假设的大量财务数据并改善复杂的金融环境中的决策。该调查纸目的旨在审查最近的资金途径的发展和使用RL方法。我们介绍了马尔可夫决策过程，这是许多常用的RL方法的设置。然后引入各种算法，重点介绍不需要任何模型假设的基于价值和基于策略的方法。连接是用神经网络进行的，以扩展框架以包含深的RL算法。我们的调查通过讨论了这些RL算法在金融中各种决策问题中的应用，包括最佳执行，投资组合优化，期权定价和对冲，市场制作，智能订单路由和Robo-Awaring。

Adequately assigning credit to actions for future outcomes based on their contributions is a long-standing open challenge in Reinforcement Learning. The assumptions of the most commonly used credit assignment method are disadvantageous in tasks where the effects of decisions are not immediately evident. Furthermore, this method can only evaluate actions that have been selected by the agent, making it highly inefficient. Still, no alternative methods have been widely adopted in the field. Hindsight Credit Assignment is a promising, but still unexplored candidate, which aims to solve the problems of both long-term and counterfactual credit assignment. In this thesis, we empirically investigate Hindsight Credit Assignment to identify its main benefits, and key points to improve. Then, we apply it to factored state representations, and in particular to state representations based on the causal structure of the environment. In this setting, we propose a variant of Hindsight Credit Assignment that effectively exploits a given causal structure. We show that our modification greatly decreases the workload of Hindsight Credit Assignment, making it more efficient and enabling it to outperform the baseline credit assignment method on various tasks. This opens the way to other methods based on given or learned causal structures.

急诊科（EDS）的表现对于任何医疗保健系统都非常重要，因为它们是许多患者的入口处。但是，除其他因素外，患者敏锐度水平和访问患者的相应治疗要求的变异性对决策者构成了重大挑战。平衡患者的等待时间首先是由医生与所有敏锐度水平的总长度相处的，对于维持所有患者的可接受的操作表现至关重要。为了解决这些要求在为患者分配空闲资源时，过去提出了几种方法，包括累积的优先排队（APQ）方法。 APQ方法在系统和敏锐度水平方面将优先评分线性分配给患者。因此，选择决策基于一个简单的系统表示，该表示作为选择功能的输入。本文研究了基于机器学习（ML）的患者选择方法的潜力。它假设对于大量的培训数据，包括多种不同的系统状态，（接近）最佳分配可以通过（启发式）优化器计算出关于所选的性能指标，并旨在模仿此类最佳行为。应用于新情况。因此，它结合了系统的全面状态表示和复杂的非线性选择函数。拟议方法的动机是，高质量的选择决策可能取决于描述ED当前状态的各种因素，而不仅限于等待时间，而这些因素可以由ML模型捕获和利用。结果表明，所提出的方法显着优于大多数评估设置的APQ方法

Tuberculosis (TB), an infectious bacterial disease, is a significant cause of death, especially in low-income countries, with an estimated ten million new cases reported globally in $2020$. While TB is treatable, non-adherence to the medication regimen is a significant cause of morbidity and mortality. Thus, proactively identifying patients at risk of dropping off their medication regimen enables corrective measures to mitigate adverse outcomes. Using a proxy measure of extreme non-adherence and a dataset of nearly $700,000$ patients from four states in India, we formulate and solve the machine learning (ML) problem of early prediction of non-adherence based on a custom rank-based metric. We train ML models and evaluate against baselines, achieving a $\sim 100\%$ lift over rule-based baselines and $\sim 214\%$ over a random classifier, taking into account country-wide large-scale future deployment. We deal with various issues in the process, including data quality, high-cardinality categorical data, low target prevalence, distribution shift, variation across cohorts, algorithmic fairness, and the need for robustness and explainability. Our findings indicate that risk stratification of non-adherent patients is a viable, deployable-at-scale ML solution.

工人花费大量时间学习如何做出正确的决定。但是，评估给定决策的功效可能很复杂 - 例如，决策结果通常是长期的，并且以复杂的方式与原始决策有关。令人惊讶的是，即使学习良好的决策策略很困难，它们通常可以以简单明了的形式表达。为了关注顺序决策，我们设计了一种新颖的机器学习算法，该算法能够从跟踪数据中提取“最佳实践”，并以可解释的“提示”的形式向人类传达其见解。我们的算法选择了最能弥合人类工人所采取的行动与最佳政策所采取的行动之间差距的提示，以说明行动对实现更高绩效的影响的方式。我们通过一系列参与者管理虚拟厨房的一系列随机对照实验来评估我们的方法。我们的实验表明，我们算法产生的提示可以显着改善相对于直观基准的人类性能。此外，我们讨论了许多经验见解，这些见解可以帮助告知针对人类界面的算法设计。例如，我们发现参与者不仅盲目地遵循我们的技巧的证据。相反，他们将他们与自己的经验结合在一起，以发现改善性能的其他策略。

败血症是ICU死亡的主要原因。这是一种需要在短时间内进行复杂干预措施的疾病，但其最佳治疗策略仍然不确定。证据表明，当前使用的治疗策略的实践是有问题的，可能对患者造成伤害。为了解决这个决策问题，我们提出了一个基于历史数据的新医疗决策模型，以帮助临床医生建议实时治疗的最佳参考选项。我们的模型将离线强化学习与深入的强化学习结合在一起，以解决医疗保健中传统的强化学习无法与环境互动的问题，从而使我们的模型能够在连续的国家行动空间中做出决策。我们证明，平均而言，模型推荐的治疗方法比临床医生建议的治疗更有价值和可靠。在大型验证数据集中，我们发现临床医生实际剂量与AI的决定相匹配的患者的死亡率最低。我们的模型为败血症提供了个性化的，可解释的治疗决策，可以改善患者护理。