机器学习在临床数据分析中的应用:从数据预处理到Web应用实现的完整流程教学

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本节介绍:对于交叉学科临床数据的一个完整流程复现,包含视频讲解。数据采用模拟数据,作者根据个人对机器学习的理解进行代码实现与图表输出,,仅供参考。 为单独付费项目

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✨ 项目流程 ✨

项目为从临床数据的预处理到模型构建和解释的完整过程。首先,针对临床数据中的缺失值进行填充处理,区分连续性和分类变量,并使用适当的填补方法(如KNN和众数填补)。接着,使用Boruta方法进行特征筛选,并引入基于随机森林的递归特征筛选(RFE)方法进一步优化特征选择,最终确定最优特征。然后,构建多种机器学习模型(如支持向量机、XGBoost、LightGBM、逻辑回归、随机森林和多层感知机),并通过GridSearchCV进行超参数调优,评估各模型的表现。最终,选择随机森林作为最优模型,并使用SHAP值对其进行模型解释,展示了特征对预测结果的贡献。最后,基于最优模型构建Web应用程序,提供单样本的SHAP力图,帮助用户理解模型的决策过程,最终的目的是使读者理解到如何通过该项目替换数据,将其应用于自己的项目中,并根据自己的需求进行调整与优化。

✨ 数据预处理 ✨

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临床数据往往并不是完美的,通常会存在缺失值(如可视化中的白色代表该样本数据缺失),可能由于数据采集时的遗漏、错误或者其他因素。当遇到这些缺失值时,需要对数据进行填充处理,以保证后续分析的准确性和完整性。对于缺失值的填补方法,分类变量(如性别、疾病状态等)和连续性变量(如年龄、BMI等)的处理方法是不同的。连续性数据通常可以使用KNN等方法进行填充,而分类数据则通常采用众数填补的方式,以保持数据的一致性和代表性。这些处理方法有助于避免因为缺失值导致的偏差或分析问题

✨ 特征筛选 ✨

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当数据集质量较好时,接下来的任务就是进行特征筛选。临床数据的特征往往较多,而且模型性能会随着特征的变化而波动,因此在一定的特征数量下进行数据分析变得尤为重要。这里,我们通过Boruta方法进行初步的特征筛选。然而,Boruta方法有可能会产生一些不确定的特征(即Tentative特征),在图中,蓝色标记的特征(如SystolicBP、LeftAtrialDiam、AtrialFibrillationType、NtproBNP)为已选中特征,红色标记的特征为被拒绝特征,而黄色标记的特征(如Age)为暂定特征

因此,接下来将引入基于随机森林的递归特征筛选方法,以进一步优化特征选择过程

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可以发现,Boruta方法选择的特征是基于随机森林的递归特征筛选(RFE)方法的子集,包括以下特征:

'NtproBNP', 'BMI', 'LeftAtrialDiam', 'AFCourse', 'AtrialFibrillationType', 'SystolicBP', 'Age', 'AST'

✨ 模型构建 ✨

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最后,通过筛选的特征构建支持向量机、XGBoost、LightGBM、逻辑回归、随机森林和多层感知机多种机器学习模型,并使用GridSearchCV进行超参数调优。随后,在训练集、测试集和外部验证集上,分别绘制了ROC曲线、校准曲线和决策曲线分析(DCA)曲线,并计算了相应的置信区间,以下为参考文献资料

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最后,计算各个模型的详细评价指标,包括准确率、敏感性、精确度、特异性、F1分数和AUC,以便评估最优模型

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最终确定最优模型为随机森林(RF)

✨ 模型解释 ✨

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这里针对最优模型(随机森林)进行模型解释,使用SHAP值分析各特征对模型输出的影响,并通过SHAP图展示各特征的重要性及其对预测结果的贡献

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以下为参考文献资料

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✨ Web构建 ✨

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最后,基于最优模型(随机森林)构建Web应用程序,能够返回单个样本的SHAP力图。在该应用中,通过输入样本特征值(如年龄、血压、AST等),系统可以预测该样本是否需要进行心脏复律,并提供相应的SHAP力图以展示各特征对预测结果的影响。SHAP力图的作用是帮助理解每个特征如何影响模型的预测结果,展示了每个特征值的偏移对最终预测的贡献,使得模型的决策过程更加透明,便于进一步的分析与解释

详细的解读、参考文献以及如何替换数据并将其转化为适用于自己的项目,将在视频中详细说明

✨ 该文章案例 ✨

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在完整项目压缩包中,将对案例进行逐步分析包括视频讲解等,确保读者能够达到最佳的学习效果。内容都经过详细解读,帮助读者深入理解模型的实现过程和数据分析步骤,从而最大化学习成果。

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