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1 Cancer detection via the lasso and customized training Robert Tibshirani, Stanford University Google - > Tibshirani H2O World 2015 Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

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Page 1: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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Cancer detection via the lasso and customizedtraining

Robert Tibshirani, Stanford University

Google − > Tibshirani

H2O World 2015

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 2: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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A Cancer detection problem

• I am currently working in a cancer diagnosis project with co-workers atStanford; Livia Eberlin (PI) —PostDoc (Chemistry); Richard Zare(Chemistry) and George Poulsides (Surgery)

• Eberlin et al (2014). “Molecular assessment of surgical-resection margins ofgastric cancer by mass-spectrometric imaging”. Proc. Nat. Acad. Sci.

• They have collected samples of tissue from a number of patients undergoingsurgery for stomach cancer.

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 3: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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Livia  Eberlin  

Richard  Zare  

George  Poulsides  

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 4: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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Normal margin

Cancer

Stromal

Epithelial

Left in patient

Extracted part

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

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The challenge

• Build a classifier than can distinguish three kinds of tissue: normal epithelial,normal stromal and cancer.

• Such a classifier could be used to assist surgeons in determining, in real time,whether they had successfully removed all of the tumor. Current pathologisterror rate for the real-time call can be as high as 20%.

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Technology to the rescue!DESI (Desorption electrospray ionization)

An electrically charged “mist” is directed at the sample; surface ions are freed andenter the mass spec.

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 7: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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The data for one patient

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������

������������������������������������������������

������������������������������

������������������������������

Epithelial

Stromal

Cancer

Spectrum sampled at 11,000 m/z values

Spectrum for each pixel

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 8: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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Details

• 20 patients, each contributing a sample of epithelial, stromal and cancertissue.

• Labels determined after 2 weeks of testing in pathology lab.

• At each pixel in the image, the intensity of metabolites is measured by DESI.Peaks in the spectrum representing different metabolites.

• The spectrum has been finely sampled, with the intensity measured at about11, 000 m/z sites across the spectrum, for each of about 8000 pixels.

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Page 9: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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The overall data

Patient 3

Patient 4

... Patient 20

Pixels

1.3

1

2

13

Patient 2

Patient 1

7.6

Label of pixel: Y

9.4

1=Epithelial2= Cancer

3=Stromal

−−− 11,000 m/z sites −−−−

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Page 10: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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Selected negative ion mode DESI-MS ion images of sample GC727.

Eberlin L S et al. PNAS 2014;111:2436-2441

©2014 by National Academy of Sciences

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 11: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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What we need to tackle this problem

• A statistical classifier (algorithm) that sorts through the large number offeatures, and finds the most informative ones: a sparse set of features.

• We are doing pixel-wise classification

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 12: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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The Lasso

• Regression problem: We observe n feature-response pairs (xi , yi ), where xi isa p-vector and yi is real-valued.

• Let xi = (xi1, xi2, . . . xip)

• Consider a linear regression model:

yi = β0 +∑j

xijβj + εi

where εi is an error term with mean zero. βj is the weight given feature jLater: yi will take one of 3 values (epithelial, stromal, cancer) and xij will bethe height of the spectrum for patient i , at m/z site j .

• Least squares fitting is defined by

minimizeβ0,β

1

2

∑i

(yi − β0 −∑j

xijβj)2

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 13: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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The Lasso— continued

The Lasso is an estimator defined by the following optimization problem:

minimizeβ0,β

1

2

∑i

(yi − β0 −∑j

xijβj)2 subject to

∑|βj | ≤ s

• Penalty =⇒ sparsity (feature selection)

• Convex problem (good for computation and theory)

• Ridge regression uses penalty∑

j β2j ≤ s and does not yield sparsity

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 14: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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Why does the lasso give a sparse solution?

β^ β^2. .β

1

β2

β1β

Lasso∑

j |βj | ≤ s Ridge∑

j β2j ≤ s

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 15: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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Prostate cancer exampleN = 88, p = 8. Predicting log-PSA, in men after prostate cancer surgery

Shrinkage Factor s

Coe

ffici

ents

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

−0.

20.

00.

20.

40.

6

lcavol

lweight

age

lbph

svi

lcp

gleason

pgg45

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 16: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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Back to our problem

• K = 3 classes (epithelial, stromal, cancer): multinomial model

logPr(Yi = k |x)∑k Pr(Yi = k |x)

= β0k +∑j

xijβjk , k = 1, 2, . . .K

Here xij is height of spectrum for sample i at jth m/z position

• We replace the least squares objective function by the multinomiallog-likelihood

• Add lasso penalty∑|βj | ≤ s; optimize, using cross-validation to estimate

best value for budget s.

• yields a pixel classifier, and also reveals which m/z sites are informative.

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 17: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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Fast computation is essential• Our lab has written a open-source R language package called glmnet for

fitting lasso models. Written in FORTRAN!!!!!

• It is very fast- can solve the current problem in a few minutes on a PC. Somebuiltin parallelization too.

• Not “off-the shelf”: Many clever computational tricks were used to achievethe impressive speed.

• Lots of features- Gaussian, Logistic, Poisson, Survival models; elastic net;grouping; parameter constraints; Available in R and Matlab.

Jerry Friedman Trevor HastieRobert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 18: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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Results

Cross-validation- min at 129 peaks; overall error rate= 4.2%

Predictedtrue Epi Canc Strom Prop correctEpi 3277.00 80.00 145.00 0.94Canc 73.00 5106.00 13.00 0.98Strom 79.00 86.00 2409.00 0.94

Test set: overall error rate =5.7%

Predictedtrue Epi Canc Strom Prop correctEpi 1606.00 149.00 19.00 0.91Canc 23.00 1622.00 5.00 0.98Strom 67.00 5.00 1222.00 0.94

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 19: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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Cross-validated estimates of class probabilities

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Pixel

Est

imat

ed C

V P

roba

bilit

y ooooooooooooooooooooo

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Stromal

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 20: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

20

Peak # m/z value Epi Canc Strom1 101.52 107.5 0.093 110.5 0.44 0.564 123.55 132.5 0.066 134.5 0.10 0.137 135.5 0.13 0.198 137.5 -0.01 0.059 145.5 -0.71

10 146.5 -0.4111 151.5 -0.15 0.35 -0.2512 157.5 -0.07 -0.1713 170.514 171.515 174.5 0.0516 175.5 0.14 0.5417 179.518 188.519 212.520 214.5 -014 -0.1321 215.5 -1.17 -1.0722 222.5 0.2923 224.524 225.525 231.526 244.5 -0.0127 247.5 -0.31 -0.4128 258.5 0.2129 270.5 -0.14 -0.2430 278.5 0.3231 279.5 0.3932 280.533 285.534 289.535 293.5 0.2536 297.537 299.538 301.5 -0.45 0.21 0.1139 312.5 0.10 -0.44 -0.2440 322.541 324.5 0.0642 325.5 0.03 -0.00 -0.0043 333.5 0.82 0.5544 340.5 -0.02 -0.0745 341.546 347.5 0.0147 349.548 353.5 0.0549 355.5 0.02

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 21: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

21

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

patient= 105 at m/z= 788.6

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

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0.6

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Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 22: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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cancer

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Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 23: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

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patient= 167 at m/z= 788.6

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

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Page 24: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

24

Other approaches

• Support vector machines: classification error was a little higher than lasso;doesn’t give a sparse solution easily

• Deep learning (with help from a student of Geoff Hinton): reported that itdidn’t work any better than lasso; thought that non-linearities were likelyunimportant for this problem, and sparsity was more important

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 25: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

25

A challenge

• “Abstentions”: sometimes a classifier should not make a prediction; instead itshould say “‘I don’t know” For example, when the query feature vector is faraway from the training set features.

• This problem happened in some tests of our system• Can’t rely on the fact that the largest posterior probability will be close to

1/K (K= number of classes):

−2 −1 0 1 2 3 4 5

−1

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45

X1

X2

●●

●●

●●

●●

●●

●●

●●

●●

●●

● ●

●●

●●

● ●

●●

● ●

●● ●

●●

●●●

●●

X

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 26: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

26

More questions

• Should we adjust for patient effects in training? (My attempts were notsuccessful)

• Should we use spatial proximity of pixels? If so, how?

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 27: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

27

Customized Training by Data Clustering

Joint work with Scott Powers and Trevor Hastie

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 28: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

28

The idea

• for each patient:• find 10 nearest neighbors of each data

point• take union of these neighbor sets as

customized training set just for thatpatient

Test data:

Patient Data11...122...233...34...

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 29: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

29

Mass spectrometry cancer results

o

o

ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo

0 20 40 60 80

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

#nonzero

test

err

or●

●●

●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

standardcustomized10NN

764934 o

o

o

ooooooooo

ooooooooooooooooo

oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo

0 20 40 60 80

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

#nonzerote

st e

rror

●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

●●●●●●●

●●●●●●

●●●●●●●●●

●●●●●●●●

●●●●●

●●●●●●●

●●●●●●●

●●●●●●●●●●●●●●

●●●●●●●

647o

o

o

o

ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo

ooooooo

0 20 40 60 80

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

#nonzero

test

err

or

●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

986748

ooooooo

o

o

o

o

o

oo

oooooo

oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo

oooooooooooo

0 20 40 60 80

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

#nonzero

test

err

or

●●●●

●●●

●●

●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

303333

o

o

o

o

ooooooo

oo

ooooooooooooooooooooooo

ooooooooooooooooooooooo

ooooooooooooooooooooooooooo

0 20 40 60 80

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

#nonzero

test

err

or

●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

487

o

o

o

o

ooooo

ooooo

oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo

0 20 40 60 80

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

#nonzero

test

err

or

●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

494

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 30: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

30

Table : Test error rates by patient for standard and customized training

Patient 1 2 3 4 5 6 Overall

Standard training 0.29% 4.56% 6.78% 0.00% 13.76% 2.77% 3.58%Customized training 0.71% 1.89% 0.82% 0.40% 9.43% 0.92% 1.89%

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 31: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

31

Patient

6

5

4

3

2

1

Standard

Feature

Features selected by customized training for each patient (variables not selectedby any model are omitted from the x-axis).

Using hierarchical clustering with Jaccard distance between the sets of selectedfeatures to split the patients into two clusters, patients 1, 2 and 3 were in onecluster, with patients 4, 5 and 6 in the other.

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 32: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

32

Another twist for customized training in this example

Train on normal data from a new patient, on the fly.

Use this information to improve predictions

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training

Page 33: H2O World - Cancer Detection via the Lasso - Rob Tibshirani

33

Conclusions

• Scientists really seem to like the sparsity that results from the lasso(`1 -regularization)

• Customized training is a simple idea, that can discover hidden structure indata and potentially improve predictions.

Robert Tibshirani, Stanford University Cancer detection /lasso/ customized training