Probabilistic Inference in Credal Networks: New Complexity Results

Credal networks are graph-based statistical models whose parameters take values in a set, instead of being sharply specified as in traditional statistical models (e.g., Bayesian networks). The computational complexity of inferences on such models depends on the irrelevance/independence concept adopted. In this paper, we study inferential complexity under the concepts of epistemic irrelevance and strong independence. We show that inferences under strong independence are NP-hard even in trees with binary variables except for a single ternary one. We prove that under epistemic irrelevance the polynomial-time complexity of inferences in credal trees is not likely to extend to more general models (e.g., singly connected topologies). These results clearly distinguish networks that admit efficient inferences and those where inferences are most likely hard, and settle several open questions regarding their computational complexity. We show that these results remain valid even if we disallow the use of zero probabilities. We also show that the computation of bounds on the probability of the future state in a hidden Markov model is the same whether we assume epistemic irrelevance or strong independence, and we prove an analogous result for inference in Naive Bayes structures. These inferential equivalences are important for practitioners, as hidden Markov models and Naive Bayes networks are used in real applications of imprecise probability.

An HMM-based spectrum occupancy predictor for energy efficient cognitive radio

Spectrum sensing is the cornerstone of cognitive radio technology and refers to the process of obtaining awareness of the radio spectrum usage in order to detect the presence of other users. Spectrum sensing algorithms consume considerable energy and time. Prediction methods for inferring the channel occupancy of future time instants have been proposed as a means of improving performance in terms of energy and time consumption. This paper studies the performance of a hidden Markov model (HMM) spectrum occupancy predictor as well as the improvement in sensing energy and time consumption based on real occupancy data obtained in the 2.4GHz ISM band. Experimental results show that the HMM-based occupancy predictor outperforms a kth order Markov and a 1-nearest neighbour (1NN) predictor. Our study also suggests that by employing such a predictive scheme in spectrum sensing, an improvement of up to 66% can be achieved in the required sensing energy and time.

Analysis of underwater acoustic data via 3-D segmentation

The analysis of seabed structure is important in a wide variety of scientific and industrial applications. In this paper, underwater acoustic data produced by bottom-penetrating sonar (Topas) are analyzed using unsupervised volumetric segmentation, based on a three dimensional Gibbs-Markov model. The result is a concise and accurate description of the seabed, in which key structures are emphasized. This description is also very well suited to further operations, such as the enhancement and automatic recognition of important structures. Experimental results demonstrating the effectiveness of this approach are shown, using Topas data gathered in the North Sea off Horten, Norway.

Categorical data clustering using a minimum message length criterion

Research on cluster analysis for categorical data continues to develop, new clustering algorithms being proposed. However, in this context, the determination of the number of clusters is rarely addressed. We propose a new approach in which clustering and the estimation of the number of clusters is done simultaneously for categorical data. We assume that the data originate from a finite mixture of multinomial distributions and use a minimum message length criterion (MML) to select the number of clusters (Wallace and Bolton, 1986). For this purpose, we implement an EM-type algorithm (Silvestre et al., 2008) based on the (Figueiredo and Jain, 2002) approach. The novelty of the approach rests on the integration of the model estimation and selection of the number of clusters in a single algorithm, rather than selecting this number based on a set of pre-estimated candidate models. The performance of our approach is compared with the use of Bayesian Information Criterion (BIC) (Schwarz, 1978) and Integrated Completed Likelihood (ICL) (Biernacki et al., 2000) using synthetic data. The obtained results illustrate the capacity of the proposed algorithm to attain the true number of cluster while outperforming BIC and ICL since it is faster, which is especially relevant when dealing with large data sets.

Adaptive filtering for high quality HMM based speech synthesis

In this work an adaptive filtering scheme based on a dual Discrete Kalman Filtering (DKF) is proposed for Hidden Markov Model (HMM) based speech synthesis quality enhancement. The objective is to improve signal smoothness across HMMs and their related states and to reduce artifacts due to acoustic model's limitations. Both speech and artifacts are modelled by an autoregressive structure which provides an underlying time frame dependency and improves time-frequency resolution. Themodel parameters are arranged to obtain a combined state-space model and are also used to calculate instantaneous power spectral density estimates. The quality enhancement is performed by a dual discrete Kalman filter that simultaneously gives estimates for the models and the signals. The system's performance has been evaluated using mean opinion score tests and the proposed technique has led to improved results.

Economic Evaluation of Ticagrelor for Secondary Prevention Following Acute Coronary Syndromes

INTRODUCTION AND OBJECTIVES: To estimate the cost-effectiveness and cost-utility of ticagrelor in the treatment of patients with acute coronary syndromes (unstable angina or myocardial infarction with or without ST-segment elevation), including patients treated medically and those undergoing percutaneous coronary intervention or coronary artery bypass grafting. METHODS: A short-term decision tree and a long-term Markov model were used to simulate the evolution of patients' life-cycles. Clinical effectiveness data were collected from the PLATO trial and resource use data were obtained from the Hospital de Santa Marta database, disease-related group legislation and the literature. RESULTS: Ticagrelor provides increases of 0.1276 life years and 0.1106 quality-adjusted life years (QALYs) per patient. From a societal perspective these clinical gains entail an increase in expenditure of €610. Thus the incremental cost per life year saved is €4780 and the incremental cost per QALY is €5517. CONCLUSIONS: The simulation results show that ticagrelor reduces events compared to clopidogrel. The costs of ticagrelor are partially offset by lower costs arising from events prevented. The use of ticagrelor in clinical practice is therefore cost-effective compared to generic clopidogrel.

Cost-Effectiveness of Non-Vitamin K Antagonist Oral Anticoagulants for Atrial Fibrillation in Portugal

INTRODUCTION AND OBJECTIVES:Recently, three novel non-vitamin K antagonist oral anticoagulants received approval for reimbursement in Portugal for patients with non-valvular atrial fibrillation (AF). It is therefore important to evaluate the relative cost-effectiveness of these new oral anticoagulants in Portuguese AF patients. METHODS: A Markov model was used to analyze disease progression over a lifetime horizon. Relative efficacy data for stroke (ischemic and hemorrhagic), bleeding (intracranial, other major bleeding and clinically relevant non-major bleeding), myocardial infarction and treatment discontinuation were obtained by pairwise indirect comparisons between apixaban, dabigatran and rivaroxaban using warfarin as a common comparator. Data on resource use were obtained from the database of diagnosis-related groups and an expert panel. Model outputs included life years gained, quality-adjusted life years (QALYs), direct healthcare costs and incremental cost-effectiveness ratios (ICERs). RESULTS:Apixaban provided the most life years gained and QALYs. The ICERs of apixaban compared to warfarin and dabigatran were €5529/QALY and €9163/QALY, respectively. Apixaban was dominant over rivaroxaban (greater health gains and lower costs). The results were robust over a wide range of inputs in sensitivity analyses. Apixaban had a 70% probability of being cost-effective (at a threshold of €20 000/QALY) compared to all the other therapeutic options. CONCLUSIONS:Apixaban is a cost-effective alternative to warfarin and dabigatran and is dominant over rivaroxaban in AF patients from the perspective of the Portuguese national healthcare system. These conclusions are based on indirect comparisons, but despite this limitation, the information is useful for healthcare decision-makers.

Three essays on the term structure of interest rates

A PhD Dissertation, presented as part of the requirements for the Degree of Doctor of Philosophy from the NOVA - School of Business and Economics

The impact of the European sovereign debt crisis on the recovering from the financial crisis: Equity returns of the banking sector

This paper analyses, through a dynamic panel data model, the impact of the Financial and the European Debt crisis on the equity returns of the banking system. The model is also extended to specifically investigate the impact on countries who received rescue packages. The sample under analysis considers eleven countries from January 2006 to June 2013. The main conclusion is that there was in fact a structural change in banks’ excess returns due to the outbreak of the European Debt Crisis, when stock markets were still recovering from the Financial Crisis of 2008.

Three essays on the psychology of investment and financial markets

Préface My thesis consists of three essays where I consider equilibrium asset prices and investment strategies when the market is likely to experience crashes and possibly sharp windfalls. Although each part is written as an independent and self contained article, the papers share a common behavioral approach in representing investors preferences regarding to extremal returns. Investors utility is defined over their relative performance rather than over their final wealth position, a method first proposed by Markowitz (1952b) and by Kahneman and Tversky (1979), that I extend to incorporate preferences over extremal outcomes. With the failure of the traditional expected utility models in reproducing the observed stylized features of financial markets, the Prospect theory of Kahneman and Tversky (1979) offered the first significant alternative to the expected utility paradigm by considering that people focus on gains and losses rather than on final positions. Under this setting, Barberis, Huang, and Santos (2000) and McQueen and Vorkink (2004) were able to build a representative agent optimization model which solution reproduced some of the observed risk premium and excess volatility. The research in behavioral finance is relatively new and its potential still to explore. The three essays composing my thesis propose to use and extend this setting to study investors behavior and investment strategies in a market where crashes and sharp windfalls are likely to occur. In the first paper, the preferences of a representative agent, relative to time varying positive and negative extremal thresholds are modelled and estimated. A new utility function that conciliates between expected utility maximization and tail-related performance measures is proposed. The model estimation shows that the representative agent preferences reveals a significant level of crash aversion and lottery-pursuit. Assuming a single risky asset economy the proposed specification is able to reproduce some of the distributional features exhibited by financial return series. The second part proposes and illustrates a preference-based asset allocation model taking into account investors crash aversion. Using the skewed t distribution, optimal allocations are characterized as a resulting tradeoff between the distribution four moments. The specification highlights the preference for odd moments and the aversion for even moments. Qualitatively, optimal portfolios are analyzed in terms of firm characteristics and in a setting that reflects real-time asset allocation, a systematic over-performance is obtained compared to the aggregate stock market. Finally, in my third article, dynamic option-based investment strategies are derived and illustrated for investors presenting downside loss aversion. The problem is solved in closed form when the stock market exhibits stochastic volatility and jumps. The specification of downside loss averse utility functions allows corresponding terminal wealth profiles to be expressed as options on the stochastic discount factor contingent on the loss aversion level. Therefore dynamic strategies reduce to the replicating portfolio using exchange traded and well selected options, and the risky stock.

Évaluation de l'impact clinique et économique du développement d'un traitement pour la schizophrénie

Contexte : Les stratégies pharmacologiques pour traiter la schizophrénie reçoivent une attention croissante due au développement de nouvelles pharmacothérapies plus efficaces, mieux tolérées mais plus coûteuses. La schizophrénie est une maladie chronique présentant différents états spécifiques et définis par leur sévérité. Objectifs : Ce programme de recherche vise à: 1) Évaluer les facteurs associés au risque d'être dans un état spécifique de la schizophrénie, afin de construire les fonctions de risque de la modélisation du cours naturel de la schizophrénie; 2) Développer et valider un modèle de Markov avec microsimulations de Monte-Carlo, afin de simuler l'évolution naturelle des patients qui sont nouvellement diagnostiqués pour la schizophrénie, en fonction du profil individuel des facteurs de risque; 3) Estimer le coût direct de la schizophrénie (pour les soins de santé et autres non reliés aux soins de santé) dans la perspective gouvernementale et simuler l’impact clinique et économique du développement d’un traitement dans une cohorte de patients nouvellement diagnostiqués avec la schizophrénie, suivis pendant les cinq premières années post-diagnostic. Méthode : Pour le premier objectif de ce programme de recherche, un total de 14 320 patients nouvellement diagnostiqués avec la schizophrénie ont été identifiés dans les bases de données de la RAMQ et de Med-Echo. Les six états spécifiques de la schizophrénie ont été définis : le premier épisode (FE), l'état de dépendance faible (LDS), l’état de dépendance élevée (HDS), l’état stable (Stable), l’état de bien-être (Well) et l'état de décès (Death). Pour évaluer les facteurs associés au risque de se trouver dans chacun des états spécifiques de la schizophrénie, nous avons construit 4 fonctions de risque en se basant sur l'analyse de risque proportionnel de Cox pour des risques compétitifs. Pour le deuxième objectif, nous avons élaboré et validé un modèle de Markov avec microsimulations de Monte-Carlo intégrant les six états spécifiques de la schizophrénie. Dans le modèle, chaque sujet avait ses propres probabilités de transition entre les états spécifiques de la schizophrénie. Ces probabilités ont été estimées en utilisant la méthode de la fonction d'incidence cumulée. Pour le troisième objectif, nous avons utilisé le modèle de Markov développé précédemment. Ce modèle inclut les coûts directs de soins de santé, estimés en utilisant les bases de données de la Régie de l'assurance maladie du Québec et Med-Echo, et les coûts directs autres que pour les soins de santé, estimés à partir des enquêtes et publications de Statistique Canada. Résultats : Un total de 14 320 personnes nouvellement diagnostiquées avec la schizophrénie ont été identifiées dans la cohorte à l'étude. Le suivi moyen des sujets était de 4,4 (± 2,6) ans. Parmi les facteurs associés à l’évolution de la schizophrénie, on peut énumérer l’âge, le sexe, le traitement pour la schizophrénie et les comorbidités. Après une période de cinq ans, nos résultats montrent que 41% des patients seront considérés guéris, 13% seront dans un état stable et 3,4% seront décédés. Au cours des 5 premières années après le diagnostic de schizophrénie, le coût direct moyen de soins de santé et autres que les soins de santé a été estimé à 36 701 $ canadiens (CAN) (95% CI: 36 264-37 138). Le coût des soins de santé a représenté 56,2% du coût direct, le coût de l'aide sociale 34,6% et le coût associé à l’institutionnalisation dans les établissements de soins de longue durée 9,2%. Si un nouveau traitement était disponible et offrait une augmentation de 20% de l'efficacité thérapeutique, le coût direct des soins de santé et autres que les soins de santé pourrait être réduit jusqu’à 14,2%. Conclusion : Nous avons identifié des facteurs associés à l’évolution de la schizophrénie. Le modèle de Markov que nous avons développé est le premier modèle canadien intégrant des probabilités de transition ajustées pour le profil individuel des facteurs de risque, en utilisant des données réelles. Le modèle montre une bonne validité interne et externe. Nos résultats indiquent qu’un nouveau traitement pourrait éventuellement réduire les hospitalisations et le coût associé aux établissements de soins de longue durée, augmenter les chances des patients de retourner sur le marché du travail et ainsi contribuer à la réduction du coût de l'aide sociale.

Modélisation de l'espérance de vie des clients en assurance

Dans ce mémoire, nous proposons une méthodologie statistique permettant d’obtenir un estimateur de l’espérance de vie des clients en assurance. Les prédictions effectuées tiennent compte des caractéristiques individuelles des clients, notamment du fait qu’ils peuvent détenir différents types de produits d’assurance (automobile, résidentielle ou les deux). Trois approches sont comparées. La première approche est le modèle de Markov simple, qui suppose à la fois l’homogénéité et la stationnarité des probabilités de transition. L’autre modèle – qui a été implémenté par deux approches, soit une approche directe et une approche par simulations – tient compte de l’hétérogénéité des probabilités de transition, ce qui permet d’effectuer des prédictions qui évoluent avec les caractéristiques des individus dans le temps. Les probabilités de transition de ce modèle sont estimées par des régressions logistiques multinomiales.

Stratégie de vaccination familiale contre la coqueluche (méthode de cocooning) à la maternité : analyse coût-efficacité d'un programme provincial

Le manuscrit constituant l'annexe 1 a été publié en décembre 2013 sous la référence : Vaccine. 2013 Dec 9;31(51):6087-91.

Video-based analysis of Gait pathologies

L’analyse de la marche a émergé comme l’un des domaines médicaux le plus im- portants récemment. Les systèmes à base de marqueurs sont les méthodes les plus fa- vorisées par l’évaluation du mouvement humain et l’analyse de la marche, cependant, ces systèmes nécessitent des équipements et de l’expertise spécifiques et sont lourds, coûteux et difficiles à utiliser. De nombreuses approches récentes basées sur la vision par ordinateur ont été développées pour réduire le coût des systèmes de capture de mou- vement tout en assurant un résultat de haute précision. Dans cette thèse, nous présentons notre nouveau système d’analyse de la démarche à faible coût, qui est composé de deux caméras vidéo monoculaire placées sur le côté gauche et droit d’un tapis roulant. Chaque modèle 2D de la moitié du squelette humain est reconstruit à partir de chaque vue sur la base de la segmentation dynamique de la couleur, l’analyse de la marche est alors effectuée sur ces deux modèles. La validation avec l’état de l’art basée sur la vision du système de capture de mouvement (en utilisant le Microsoft Kinect) et la réalité du ter- rain (avec des marqueurs) a été faite pour démontrer la robustesse et l’efficacité de notre système. L’erreur moyenne de l’estimation du modèle de squelette humain par rapport à la réalité du terrain entre notre méthode vs Kinect est très prometteur: les joints des angles de cuisses (6,29◦ contre 9,68◦), jambes (7,68◦ contre 11,47◦), pieds (6,14◦ contre 13,63◦), la longueur de la foulée (6.14cm rapport de 13.63cm) sont meilleurs et plus stables que ceux de la Kinect, alors que le système peut maintenir une précision assez proche de la Kinect pour les bras (7,29◦ contre 6,12◦), les bras inférieurs (8,33◦ contre 8,04◦), et le torse (8,69◦contre 6,47◦). Basé sur le modèle de squelette obtenu par chaque méthode, nous avons réalisé une étude de symétrie sur différentes articulations (coude, genou et cheville) en utilisant chaque méthode sur trois sujets différents pour voir quelle méthode permet de distinguer plus efficacement la caractéristique symétrie / asymétrie de la marche. Dans notre test, notre système a un angle de genou au maximum de 8,97◦ et 13,86◦ pour des promenades normale et asymétrique respectivement, tandis que la Kinect a donné 10,58◦et 11,94◦. Par rapport à la réalité de terrain, 7,64◦et 14,34◦, notre système a montré une plus grande précision et pouvoir discriminant entre les deux cas.

Speech Recognition of Malayalam Numbers

Digit speech recognition is important in many applications such as automatic data entry, PIN entry, voice dialing telephone, automated banking system, etc. This paper presents speaker independent speech recognition system for Malayalam digits. The system employs Mel frequency cepstrum coefficient (MFCC) as feature for signal processing and Hidden Markov model (HMM) for recognition. The system is trained with 21 male and female voices in the age group of 20 to 40 years and there was 98.5% word recognition accuracy (94.8% sentence recognition accuracy) on a test set of continuous digit recognition task.