如何用Python写出心血管疾病预测模型

本篇内容介绍了“如何用Python写出心血管疾病预测模型”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

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01 数据理解

数据取自于kaggle平台分享的心血管疾病数据集，共有13个字段299 条病人诊断记录。具体的字段概要如下：

02数据读入和初步处理

首先导入所需包。

# 数据整理
import numpy as np 
import pandas as pd 

# 可视化
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
import plotly as py 
import plotly.graph_objs as go
import plotly.express as px
import plotly.figure_factory as ff

# 模型建立
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier, RandomForestClassifier
import lightgbm

# 前处理
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

# 模型评估
from sklearn.model_selection import train_test_split, GridSearchCV
from sklearn.metrics import plot_confusion_matrix, confusion_matrix, f1_score

加载并预览数据集：

# 读入数据
df = pd.read_csv('./data/heart_failure.csv')
df.head()

如何用Python写出心血管疾病预测模型

03探索性分析

1. 描述性分析

df.describe().T

如何用Python写出心血管疾病预测模型

从上述描述性分析结果简单总结如下：

是否死亡：平均的死亡率为32%；
年龄分布：平均年龄60岁，最小40岁，最大95岁
是否有糖尿病：有41.8%患有糖尿病
是否有高血压：有35.1%患有高血压
是否抽烟：有32.1%有抽烟

2. 目标变量

# 产生数据
death_num = df['DEATH_EVENT'].value_counts() 
death_num = death_num.reset_index()

# 饼图
fig = px.pie(death_num, names='index', values='DEATH_EVENT')
fig.update_layout(title_text='目标变量DEATH_EVENT的分布')  
py.offline.plot(fig, filename='./html/目标变量DEATH_EVENT的分布.html')

总共有299人，其中随访期未存活人数96人，占总人数的32.1%

3. 贫血

如何用Python写出心血管疾病预测模型

从图中可以看出，有贫血症状的患者死亡概率较高，为35.66%。

bar1 = draw_categorical_graph(df['anaemia'], df['DEATH_EVENT'], title='红细胞、血红蛋白减少和是否存活')
bar1.render('./html/红细胞血红蛋白减少和是否存活.html')

4. 年龄

如何用Python写出心血管疾病预测模型

从直方图可以看出，在患心血管疾病的病人中年龄分布差异较大，表现趋势为年龄越大，生存比例越低、死亡的比例越高。

# 产生数据
surv = df[df['DEATH_EVENT'] == 0]['age']
not_surv = df[df['DEATH_EVENT'] == 1]['age']

hist_data = [surv, not_surv]
group_labels = ['Survived', 'Not Survived']

# 直方图
fig = ff.create_distplot(hist_data, group_labels, bin_size=0.5) 
fig.update_layout(title_text='年龄和生存状态关系') 
py.offline.plot(fig, filename='./html/年龄和生存状态关系.html')

5. 年龄/性别

如何用Python写出心血管疾病预测模型

从分组统计和图形可以看出，不同性别之间生存状态没有显著性差异。在死亡的病例中，男性的平均年龄相对较高。

6. 年龄/抽烟

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数据显示，整体来看，是否抽烟与生存与否没有显著相关性。但是当我们关注抽烟的人群中，年龄在50岁以下生存概率较高。

7. 磷酸肌酸激酶(CPK)

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从直方图可以看出，血液中CPK酶的水平较高的人群死亡的概率较高。

8. 射血分数

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射血分数代表了心脏的泵血功能，过高和过低水平下，生存的概率较低。

9. 血小板

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血液中血小板（100~300）×10^9个/L，较高或较低的水平则代表不正常，存活的概率较低。

10. 血肌酐水平

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血肌酐是检测肾功能的最常用指标，较高的指数代表肾功能不全、肾衰竭，有较高的概率死亡。

11. 血清钠水平

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图形显示，血清钠较高或较低往往伴随着风险。

12. 相关性分析

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从数值型属性的相关性图可以看出，变量之间没有显著的共线性关系。

num_df = df[['age', 'creatinine_phosphokinase', 'ejection_fraction', 'platelets',
                  'serum_creatinine', 'serum_sodium']]

plt.figure(figsize=(12, 12))
sns.heatmap(num_df.corr(), vmin=-1, cmap='coolwarm', linewidths=0.1, annot=True)
plt.title('Pearson correlation coefficient between numeric variables', fontdict={'fontsize': 15})
plt.show()

04特征筛选

我们使用统计方法进行特征筛选，目标变量DEATH_EVENT是分类变量时，当自变量是分类变量，使用卡方鉴定，自变量是数值型变量，使用方差分析。

# 划分X和y
X = df.drop('DEATH_EVENT', axis=1)
y = df['DEATH_EVENT']
from feature_selection import Feature_select

fs = Feature_select(num_method='anova', cate_method='kf') 
X_selected = fs.fit_transform(X, y) 
X_selected.head()
2020 17:19:49 INFO attr select success!
After select attr: ['serum_creatinine', 'serum_sodium', 'ejection_fraction', 'age', 'time']

如何用Python写出心血管疾病预测模型

05数据建模

首先划分训练集和测试集。

# 划分训练集和测试集
Features = X_selected.columns
X = df[Features] 
y = df["DEATH_EVENT"] 
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, stratify=y, 
                                                    random_state=2020)
# 标准化
scaler = StandardScaler()
scaler_Xtrain = scaler.fit_transform(X_train) 
scaler_Xtest = scaler.fit_transform(X_test) 

lr = LogisticRegression()
lr.fit(scaler_Xtrain, y_train)
test_pred = lr.predict(scaler_Xtest)

# F1-score
print("F1_score of LogisticRegression is : ", round(f1_score(y_true=y_test, y_pred=test_pred),2))

我们使用决策树进行建模，设置特征选择标准为gini，树的深度为5。输出混淆矩阵图：在这个案例中，1类是我们关注的对象。

# DecisionTreeClassifier
clf = DecisionTreeClassifier(criterion='gini', max_depth=5, random_state=1)
clf.fit(X_train, y_train)
test_pred = clf.predict(X_test)  

# F1-score
print("F1_score of DecisionTreeClassifier is : ", round(f1_score(y_true=y_test, y_pred=test_pred),2)) 

# 绘图
plt.figure(figsize=(10, 7))
plot_confusion_matrix(clf, X_test, y_test, cmap='Blues') 
plt.title("DecisionTreeClassifier - Confusion Matrix", fontsize=15)
plt.xticks(range(2), ["Heart Not Failed","Heart Fail"], fontsize=12)
plt.yticks(range(2), ["Heart Not Failed","Heart Fail"], fontsize=12)
plt.show()
F1_score of DecisionTreeClassifier is :  0.61

如何用Python写出心血管疾病预测模型

使用网格搜索进行参数调优，优化标准为f1。

parameters = {'splitter':('best','random'),
              'criterion':("gini","entropy"),
              "max_depth":[*range(1, 20)],
             }

clf = DecisionTreeClassifier(random_state=1) 
GS = GridSearchCV(clf, param_grid=parameters, cv=10, scoring='f1', n_jobs=-1) 
GS.fit(X_train, y_train)

print(GS.best_params_) 
print(GS.best_score_)
{'criterion': 'entropy', 'max_depth': 3, 'splitter': 'best'}
0.7638956305132776

使用最优的模型重新评估测试集效果：

test_pred = GS.best_estimator_.predict(X_test)

# F1-score
print("F1_score of DecisionTreeClassifier is : ", round(f1_score(y_true=y_test, y_pred=test_pred),2)) 

# 绘图
plt.figure(figsize=(10, 7))
plot_confusion_matrix(GS, X_test, y_test, cmap='Blues') 
plt.title("DecisionTreeClassifier - Confusion Matrix", fontsize=15)
plt.xticks(range(2), ["Heart Not Failed","Heart Fail"], fontsize=12)
plt.yticks(range(2), ["Heart Not Failed","Heart Fail"], fontsize=12)
plt.show()

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使用随机森林

# RandomForestClassifier
rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=1000, random_state=1)

parameters = {'max_depth': np.arange(2, 20, 1) }
GS = GridSearchCV(rfc, param_grid=parameters, cv=10, scoring='f1', n_jobs=-1)  
GS.fit(X_train, y_train)  

print(GS.best_params_) 
print(GS.best_score_) 

test_pred = GS.best_estimator_.predict(X_test)

# F1-score
print("F1_score of RandomForestClassifier is : ", round(f1_score(y_true=y_test, y_pred=test_pred),2))
{'max_depth': 3}
0.791157747481277
F1_score of RandomForestClassifier is :  0.53

使用Boosting

gbl = GradientBoostingClassifier(n_estimators=1000, random_state=1)

parameters = {'max_depth': np.arange(2, 20, 1) }
GS = GridSearchCV(gbl, param_grid=parameters, cv=10, scoring='f1', n_jobs=-1)  
GS.fit(X_train, y_train)  

print(GS.best_params_) 
print(GS.best_score_) 

# 测试集
test_pred = GS.best_estimator_.predict(X_test)

# F1-score
print("F1_score of GradientBoostingClassifier is : ", round(f1_score(y_true=y_test, y_pred=test_pred),2))
{'max_depth': 3}
0.7288420428900305
F1_score of GradientBoostingClassifier is :  0.65

使用LGBMClassifier

lgb_clf = lightgbm.LGBMClassifier(boosting_type='gbdt', random_state=1)

parameters = {'max_depth': np.arange(2, 20, 1) }
GS = GridSearchCV(lgb_clf, param_grid=parameters, cv=10, scoring='f1', n_jobs=-1)  
GS.fit(X_train, y_train)  

print(GS.best_params_) 
print(GS.best_score_) 

# 测试集
test_pred = GS.best_estimator_.predict(X_test)

# F1-score
print("F1_score of LGBMClassifier is : ", round(f1_score(y_true=y_test, y_pred=test_pred),2))
{'max_depth': 2}
0.780378102289867
F1_score of LGBMClassifier is :  0.74
以下为各模型在测试集上的表现效果对比：

LogisticRegression：0.63

DecisionTree Classifier：0.73

Random Forest Classifier: 0.53

GradientBoosting Classifier: 0.65

LGBM Classifier: 0.74

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