Par : Alice Calliger, Ahmed Krichene et Pierre-Yves Mousset, élèves du Parcours Data Science de l’IMT Atlantique.

Le diabète, maladie souvent sous-estimée, touche aujourd’hui plus de 400 millions de personnes dans le monde et l’OMS prévoit plus de 600 millions de cas d’ici 2040. Cette progression est une réalité encore trop peu connue à l’heure actuelle, qu’il ne faut pas négliger. En effet, plus de 5 millions de personnes sont décédées du diabète en 2015 ce qui place cette maladie comme forte cause de mortalité dans le monde. De plus, il y a une réelle problématique concernant la connaissance de la maladie car 1 personne diabétique sur 2 ne sait pas qu’elle est atteinte. C’est pourquoi, il y a un véritable besoin de sensibilisation et de prévention de cette maladie, encore trop ignorée à ce jour.

Quelques chiffres clés

Qu’est-ce-que le diabète ?

Le diabète est une maladie liée au mauvais traitement du sucre par l’organisme, qui conduit à une hyperglycémie et donc à un taux élevé de glucose dans le sang. Lorsqu’on mange des glucides, ils sont transformés en glucose. Les cellules du pancréas détectent alors une augmentation de glycémie et sécrète en conséquence des hormones (de l’insuline) qui permettent de réguler le taux de glycémie. Chez les diabétiques, ce système de régulation n’est pas présent. On considère qu’une personne a du diabète si son taux de glycémie dépasse 1.26 g/l à deux reprises dans la journée ou est égale ou supérieure à 2 g/l à n’importe quel moment. Il existe deux types de diabètes : un type I, maladie auto-immune qui apparaît dans la jeunesse et un type II qui apparaît plus tardivement, souvent après 40 ans et qui peut être lié à une mauvaise hygiène de vie. Le premier type, beaucoup plus rare, est souvent très rapidement diagnostiqué dès le plus jeune âge. A l’inverse, le second type de diabète représente plus de 90% des diabétiques et il est souvent inconnu des personnes atteintes. C’est donc le diabète de type II qui sera le sujet de notre étude.

Mais quelles sont les causes de cette maladie ?

De nombreux facteurs de risque sont souvent cités quand on parle de diabète. Le tabac, l’alcool, le cholestérol, l’alimentation, la pratique de sport, la sédentarité constituent un panel d’exemples de déclencheurs probables du diabète.

Notre projet, d’où proviennent nos données ?

Pour palier à ce manque de prévention et sensibilisation, nous avons voulu créer un outil permettant d’évaluer le risque d’une personne de développer le diabète.

A l’aide d’un questionnaire d’une dizaine de questions, nous pouvons prédire votre risque de devenir diabétique. Cette campagne de prévention permettra ainsi de sensibiliser les gens afin qu’ils changent si besoin leurs habitudes alimentaires, sportives, ou qu’ils prennent rendez-vous pour vérifier leur état de santé. En effet, comme pour de nombreuses maladies, un dépistage précoce permettra un meilleur traitement.

Afin de suivre et de détecter tout type de maladie, l’organisme américain Centers for Disease Control and Prevention met en place tous les ans un sondage auprès de ses citoyens qui renseigne de leur état de santé, de leur suivi médical ou encore de leur hygiène de vie. Le BRFSS (Behavioral Risk Factor Surveillance System), l’entité responsable de ces travaux, recueille des données dans les 50 États ainsi que dans le District de Columbia et dans trois territoires américains. BRFSS réalise plus de 400 000 entrevues avec des adultes chaque année, ce qui en fait le plus important système d’enquête sur la santé mené de façon continue au monde. C’est cette base de donnée que nous avons utilisée durant ce projet.

Nous tenons à préciser que les données utilisées dans le cadre de cette étude sont anonymisées afin de préserver la vie privée des gens. De plus, toutes les données produites par les agences fédérales sont dans le domaine public (cf section 105 of the Copyright Act), ce qui nous a permis d’utiliser librement et légalement ces informations.

Description de notre dataset

Les individus interrogés ont été sélectionnés au hasard. On obtient un échantillon assez représentatif de la population américaine notamment vis à vis du nombre de diabétiques. Ces graphes présentent la répartition des individus par genre et âge.

Nous avons donc développé plusieurs algorithmes basés sur ce dataset permettant d’évaluer le risque d’un individu de développer du diabète.

Pour mener à bien ce projet, nous avons suivi une démarche rigoureuse, commençant par la compréhension du besoin métier jusqu’à la mise en place de notre solution.

Ce schéma présente ainsi les différentes étapes de ce projet :

Préparation des données et analyse des données

La compréhension et la préparation des données a sûrement été le plus gros challenge de notre projet. En effet, les données brutes récupérées comportaient environ 330 variables encodées qui correspondent aux différentes réponses recueillies lors du questionnaire. Nous avons choisi de travailler sur les données de différentes années soit de 2011 à 2016. En agrégeant les données, nous obtenons un unique fichier de 2.821.503 lignes.

Nous avons en premier lieu étudier chaque colonne en utilisant une documentation d’explication des résultats du sondage, fourni par le BFRSS. La compréhension des variables nous a permis de sélectionner 100 colonnes. Les deux critères de sélection sont : Le nombre de valeurs manquantes pour la colonne concernée et la pertinence de la question. En effet, certaines variables avaient très peu de données ou n’apportaient rien à notre étude. Nous avons donc pu faire un premier tri.

Ensuite, nous avons étudié de plus près les relations existantes entre les différentes variables en utilisant une matrice de corrélation. Cela nous a permis d’affiner notre sélection. Nous avons utilisé 28 colonnes afin de construire des attributs pertinents.

Quels algorithmes ?

Nous nous sommes attaqués ici à un problème de classification, il s’agit de déterminer à l’aide de différents paramètres (taille, poids, fréquence de sport, etc…) si un individu risque d’être diabétique ou non.

Il existe de nombreux algorithmes de machine learning pour résoudre ce genre de problématique. Nous avons décidé de nous pencher sur 4 algorithmes qui sont en général particulièrement efficace pour ce type de classification binaire : la régression logistique, l’arbre de décision, le random forest et le support machine vector.

Comment évaluer nos modèles ?

Il existe plusieurs manières d’évaluer ce type de modèle.

Dans le cadre du machine learning et des algorithmes de type supervisé, on sépare souvent le dataset en deux parties (70%-30%), un qui servira à créer notre modèle (entraînement) et un deuxième à tester notre modèle.

Une première manière simple et efficace d’évaluer notre modèle est de regarder la matrice de confusion et ses métriques :

La courbe de ROC prenant en argument la sensibilité et la spécificité permet également d’évaluer un modèle à sortie binaire. On réalise la courbe de ROC de notre algorithme et on calcule ensuite l’aire sous la courbe (valeurs comprises entre 1 et 0.5). Plus l’aire est proche de 1 plus le modèle est pertinent, une aire proche de 0.5 sera équivalente à la probabilité de lancer une pièce et de deviner si le résultat sera pile ou face, autrement le hasard.

Voici un tableau récapitulatif des résultats des algorithmes réalisés avec le langage de programmation R (temps d’exécution obtenus sur une machine bureautique basique en 2018).

Algorithme	Temps d’exécution	Précision	Aire ROC
Régression logistique	7 minutes	91,69%	0,91
Arbre de décision	3 secondes	90,59%	0,5
Random Forest (250 arbres)	37 minutes	94,31%	0,92
Support Vector Machine	5 heures	90,58%	0,5

On constate donc que le Random Forest est l’algorithme le plus adapté à notre projet.

Une solution fiable et efficace

Afin de constituer le questionnaire de notre outil, nous avons cherché les variables qui influent le plus notre prédiction. Ces facteurs de risque sont présentés par ordre d’importance, ordre trouvé grâce à nos algorithmes.

Améliorer les résultats grâce à des technologies Big Data

L’exécution de certains algorithmes comme le Random Forest est assez coûteuse en temps, comme on peut le voir sur dans le tableau précédent. C’est pourquoi, nous nous sommes intéressés à l’utilisation d’une plateforme Big data pour réduire ce temps d’éxécution.

L’Institut Mines-Télécom et le GENES ont mis en place une plateforme de traitement de données massives : “Teralab”. Elle a une capacité de traitement importante avec une mémoire vive de plusieurs teraoctets et permet un traitement distribué des données: notre algorithme ne tourne plus sur une seul machine mais sur plusieurs à la fois d’où une réduction de son temps d’exécution.

Nous avons donc décidé d’utiliser cette plateforme pour notre projet. Pour cela, nous avons réécrit nos algorithmes en un autre langage : PySpark. Et le résultat est sans appel, nous obtenons un gain d’apprentissage de 9 !

Notre algorithme permet de prédire le risque d’avoir du diabète. Cette solution peut être utilisée afin de sensibiliser des individus au sein d’une population. Nous avons pensé développer une interface web permettant de recueillir les habitudes de vie d’une personne grâce à un questionnaire. Notre algorithme va ainsi pouvoir évaluer les probabilités que cette personne soit atteinte de cette maladie. Dans une version ultérieure, l’algorithme pourrait aussi faire des recommandations pour diminuer ce risque.

D’autres améliorations sont possibles. Il est probablement intéressant d’utiliser un dataset plus adéquat au problème pour l’apprentissage de l’algorithme. En effet, des informations sur l’hérédité pourraient améliorer la précision des résultats. Il pourrait aussi être judicieux de faire la distinction entre les différents types de diabètes.