京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
CDA数据分析师 出品
作者:Mika
数据:真达
后期:Mika
【导读】手把手教你如何用python写出心血管疾病预测模型。
全球每年约有1700万人死于心血管疾病,当中主要表现为心肌梗死和心力衰竭。当心脏不能泵出足够的血液来满足人体的需要时,就会发生心力衰竭,通常由糖尿病、高血压或其他心脏疾病引起。
在检测心血管疾病的早期症状时,机器学习就能派上用场了。通过患者的电子病历,可以记录患者的症状、身体特征、临床实验室测试值,从而进行生物统计分析,这能够发现那些医生无法检测到的模式和相关性。
尤其通过机器学习,根据数据就能预测患者的存活率,今天我们就教大家如何用Python写一个心血管疾病的预测模型。
研究背景和数据来源
我们用到的数据集来自Davide Chicco和Giuseppe Jurman发表的论文:《机器学习可以仅通过血肌酐和射血分数来预测心力衰竭患者的生存率》。
他们收集整理了299名心力衰竭患者的医疗记录,这些患者数据来自2015年4月至12月间巴基斯坦费萨拉巴德心脏病研究所和费萨拉巴德联合医院。这些患者由105名女性和194名男性组成,年龄在40至95岁之间。所有299例患者均患有左心室收缩功能不全,并曾出现过心力衰竭。
Davide和Giuseppe应用了多个机器学习分类器来预测患者的生存率,并根据最重要的危险因素对特征进行排序。同时还利用传统的生物统计学测试进行了另一种特征排序分析,并将这些结果与机器学习算法提供的结果进行比较。
他们分析对比了心力衰竭患者的一系列数据,最终发现根据血肌酐和射血分数这两项数据能够很好的预测心力衰竭患者的存活率。
今天我们就教教大家,如果根据这共13个字段的299 条病人诊断记录,用Python写出预测心力衰竭患者存活率的预测模型。
下面是具体的步骤和关键代码。
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()
03、探索性分析
1. 描述性分析
df.describe().T
从上述描述性分析结果简单总结如下:
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
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
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
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
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)
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
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
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
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
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
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']
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 <Figure size 720x504 with 0 Axes>
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()
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
参考链接:
Machine learning can predict survival of patients with heart failure from serum creatinine and ejection fraction alone
https://bmcmedinformdecismak.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12911-020-1023-5#Abs1
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在神经网络模型搭建中,“最后一层是否添加激活函数”是新手常困惑的关键问题——有人照搬中间层的ReLU激活,导致回归任务输出异 ...
2025-12-05在机器学习落地过程中,“模型准确率高但不可解释”“面对数据噪声就失效”是两大核心痛点——金融风控模型若无法解释决策依据, ...
2025-12-05在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的能力模型中,“指标计算”是基础技能,而“指标体系搭建”则是区分新手与资深分析 ...
2025-12-05在回归分析的结果解读中,R方(决定系数)是衡量模型拟合效果的核心指标——它代表因变量的变异中能被自变量解释的比例,取值通 ...
2025-12-04在城市规划、物流配送、文旅分析等场景中,经纬度热力图是解读空间数据的核心工具——它能将零散的GPS坐标(如外卖订单地址、景 ...
2025-12-04在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的指标体系中,“通用指标”与“场景指标”并非相互割裂的两个部分,而是支撑业务分 ...
2025-12-04每到“双十一”,电商平台的销售额会迎来爆发式增长;每逢冬季,北方的天然气消耗量会显著上升;每月的10号左右,工资发放会带动 ...
2025-12-03随着数字化转型的深入,企业面临的数据量呈指数级增长——电商的用户行为日志、物联网的传感器数据、社交平台的图文视频等,这些 ...
2025-12-03在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的工作体系中,“指标”是贯穿始终的核心载体——从“销售额环比增长15%”的业务结论 ...
2025-12-03在神经网络训练中,损失函数的数值变化常被视为模型训练效果的“核心仪表盘”——初学者盯着屏幕上不断下降的损失值满心欢喜,却 ...
2025-12-02在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的日常工作中,“用部分数据推断整体情况”是高频需求——从10万条订单样本中判断全 ...
2025-12-02在数据预处理的纲量统一环节,标准化是消除量纲影响的核心手段——它将不同量级的特征(如“用户年龄”“消费金额”)转化为同一 ...
2025-12-02在数据驱动决策成为企业核心竞争力的今天,A/B测试已从“可选优化工具”升级为“必选验证体系”。它通过控制变量法构建“平行实 ...
2025-12-01在时间序列预测任务中,LSTM(长短期记忆网络)凭借对时序依赖关系的捕捉能力成为主流模型。但很多开发者在实操中会遇到困惑:用 ...
2025-12-01引言:数据时代的“透视镜”与“掘金者” 在数字经济浪潮下,数据已成为企业决策的核心资产,而CDA数据分析师正是挖掘数据价值的 ...
2025-12-01数据分析师的日常,常始于一堆“毫无章法”的数据点:电商后台导出的零散订单记录、APP埋点收集的无序用户行为日志、传感器实时 ...
2025-11-28在MySQL数据库运维中,“query end”是查询执行生命周期的收尾阶段,理论上耗时极短——主要完成结果集封装、资源释放、事务状态 ...
2025-11-28在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的工具包中,透视分析方法是处理表结构数据的“瑞士军刀”——无需复杂代码,仅通过 ...
2025-11-28在统计分析中,数据的分布形态是决定“用什么方法分析、信什么结果”的底层逻辑——它如同数据的“性格”,直接影响着描述统计的 ...
2025-11-27在电商订单查询、用户信息导出等业务场景中,技术人员常面临一个选择:是一次性查询500条数据,还是分5次每次查询100条?这个问 ...
2025-11-27