[深度应用]·首届中国心电智能大赛初赛开源Baseline(基于Keras val_acc: 0.88)

为响应国家健康中国战略,推送健康医疗和大数据的融合发展的政策,由清华大学临床医学院和数据科学研究院,天津市武清区京津高村科技创新园,以及多家重点医院联合主办的首届中国心电智能大赛正式启动。自今日起至2019年3月31日24时,大赛开启全球招募,预计大赛总奖金将高达百万元!目前官方报名网站已上线,欢迎高校、医院、创业团队等有志于中国心电人工智能发展的人员踊跃参加。

小宋是呢

[深度应用]·首届中国心电智能大赛初赛开源Baseline(基于Keras val_acc: 0.88)

个人主页--> https://xiaosongshine.github.io/ 

项目github地址:https://github.com/xiaosongshine/preliminary_challenge_baseline_keras

(应比赛组委会要求,Github暂时关闭,比赛结束后公开,主要代码都在下方)

大赛简介

为响应国家健康中国战略,推送健康医疗和大数据的融合发展的政策,由清华大学临床医学院和数据科学研究院,天津市武清区京津高村科技创新园,以及多家重点医院联合主办的首届中国心电智能大赛正式启动。自今日起至2019年3月31日24时,大赛开启全球招募,预计大赛总奖金将高达百万元!目前官方报名网站已上线,欢迎高校、医院、创业团队等有志于中国心电人工智能发展的人员踊跃参加。

首届中国心电智能大赛官方报名网站>>http://mdi.ids.tsinghua.edu.cn


数据介绍

下载完整的训练集和测试集,共1000例常规心电图,其中训练集中包含600例,测试集中共400例。该数据是从多个公开数据集中获取。参赛团队需要利用有正常/异常两类标签的训练集数据设计和实现算法,并在没有标签的测试集上做出预测。

该心电数据的采样率为500 Hz。为了方便参赛团队用不同编程语言都能读取数据,所有心电数据的存储格式为MAT格式。该文件中存储了12个导联的电压信号。训练数据对应的标签存储在txt文件中,其中0代表正常,1代表异常。


赛题分析

简单分析一下,初赛的数据集共有1000个样本,其中训练集中包含600例,测试集中共400例。其中训练集中包含600例是具有label的,可以用于我们训练模型;测试集中共400例没有标签,需要我们使用训练好的模型进行预测。

赛题就是一个二分类预测问题,解题思路应该包括以下内容

  1. 数据读取与处理

  2. 网络模型搭建

  3. 模型的训练

  4. 模型应用与提交预测结果


实战应用

经过对赛题的分析,我们把任务分成四个小任务,首先第一步是:

1.数据读取与处理

该心电数据的采样率为500 Hz。为了方便参赛团队用不同编程语言都能读取数据,所有心电数据的存储格式为MAT格式。该文件中存储了12个导联的电压信号。训练数据对应的标签存储在txt文件中,其中0代表正常,1代表异常。

我们由上述描述可以得知,

  • 我们的数据保存在MAT格式文件中(这决定了后面我们要如何读取数据

  • 采样率为500 Hz(这个信息并没有怎么用到,大家可以简单了解一下,就是1秒采集500个点,由后面我们得知每个数据都是5000个点,也就是10秒的心电图片)

  • 12个导联的电压信号(这个是指采用12种导联方式,大家可以简单理解为用12个体温计量体温,从而得到更加准确的信息,下图为导联方式简单介绍,大家了解下即可。要注意的是,既然提供了12种导联,我们应该全部都用到,虽然我们仅使用一种导联方式也可以进行训练与预测,但是经验告诉我们,采取多个特征会取得更优效果


数据处理函数定义:

import keras
from scipy.io import loadmat
import matplotlib.pyplot as plt
import glob
import numpy as np
import pandas as pd
import math
import os
from keras.layers import *
from keras.models import *
from keras.objectives import *


BASE_DIR = "preliminary/TRAIN/"

#进行归一化
def normalize(v):
    return (v - v.mean(axis=1).reshape((v.shape[0],1))) / (v.max(axis=1).reshape((v.shape[0],1)) + 2e-12)

#loadmat打开文件
def get_feature(wav_file,Lens = 12,BASE_DIR=BASE_DIR):
    mat = loadmat(BASE_DIR+wav_file)
    dat = mat["data"]
    feature = dat[0:12]
    return(normalize(feature).transopse())


#把标签转成oneHot形式
def convert2oneHot(index,Lens):
    hot = np.zeros((Lens,))
    hot[index] = 1
    return(hot)

TXT_DIR = "preliminary/reference.txt"
MANIFEST_DIR = "preliminary/reference.csv"

读取一条数据进行显示

if __name__ == "__main__":
    dat1 = get_feature("preliminary/TRAIN/TRAIN101.mat")
    print(dat1.shape)    #one data shape is (12, 5000)
    plt.plt(dat1[:,0])
    plt.show()

我们由上述信息可以看出每种导联都是由5000个点组成的列表,12种导联方式使每个样本都是12*5000的矩阵,类似于一张分辨率为12x5000的照片。

我们需要处理的就是把每个读取出来,归一化一下,送入网络进行训练可以了。

标签处理方式

def create_csv(TXT_DIR=TXT_DIR):
    lists = pd.read_csv(TXT_DIR,sep=r"\t",header=None)
    lists = lists.sample(frac=1)
    lists.to_csv(MANIFEST_DIR,index=None)
    print("Finish save csv")

我这里是采用从reference.txt读取,然后打乱保存到reference.csv中,注意一定要进行数据打乱操作,不然训练效果很差。因为原始数据前面便签全部是1,后面全部是0

数据迭代方式

Batch_size = 20def xs_gen(path=MANIFEST_DIR,batch_size = Batch_size,train=True):

    img_list = pd.read_csv(path)    if train :
        img_list = np.array(img_list)[:500]
        print("Found %s train items."%len(img_list))
        print("list 1 is",img_list[0])
        steps = math.ceil(len(img_list) / batch_size)    # 确定每轮有多少个batch
    else:
        img_list = np.array(img_list)[500:]
        print("Found %s test items."%len(img_list))
        print("list 1 is",img_list[0])
        steps = math.ceil(len(img_list) / batch_size)    # 确定每轮有多少个batch
    while True:        for i in range(steps):

            batch_list = img_list[i * batch_size : i * batch_size + batch_size]
            np.random.shuffle(batch_list)
            batch_x = np.array([get_feature(file) for file in batch_list[:,0]])
            batch_y = np.array([convert2oneHot(label,2) for label in batch_list[:,1]])            yield batch_x, batch_y

数据读取的方式我采用的是生成器的方式,这样可以按batch读取,加快训练速度,大家也可以采用一下全部读取,看个人的习惯了


2.网络模型搭建

数据我们处理好了,后面就是模型的搭建了,我使用keras搭建的,操作简单便捷,tf,pytorch,sklearn大家可以按照自己喜好来。

网络模型可以选择CNN,RNN,Attention结构,或者多模型的融合,抛砖引玉,此Baseline采用的一维CNN方式,一维CNN学习地址

模型搭建

TIME_PERIODS = 5000
num_sensors = 12
def build_model(input_shape=(TIME_PERIODS,num_sensors),num_classes=2):
    model = Sequential()
    #model.add(Reshape((TIME_PERIODS, num_sensors), input_shape=input_shape))
    model.add(Conv1D(16, 16,strides=2, activation='relu',input_shape=input_shape))
    model.add(Conv1D(16, 16,strides=2, activation='relu',padding="same"))
    model.add(MaxPooling1D(2))
    model.add(Conv1D(64, 8,strides=2, activation='relu',padding="same"))
    model.add(Conv1D(64, 8,strides=2, activation='relu',padding="same"))
    model.add(MaxPooling1D(2))
    model.add(Conv1D(128, 4,strides=2, activation='relu',padding="same"))
    model.add(Conv1D(128, 4,strides=2, activation='relu',padding="same"))
    model.add(MaxPooling1D(2))
    model.add(Conv1D(256, 2,strides=1, activation='relu',padding="same"))
    model.add(Conv1D(256, 2,strides=1, activation='relu',padding="same"))
    model.add(MaxPooling1D(2))
    model.add(GlobalAveragePooling1D())
    model.add(Dropout(0.3))
    model.add(Dense(num_classes, activation='softmax'))
    return(model)

用model.summary()输出的网络模型为

________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #=================================================================
reshape_1 (Reshape)          (None, 5000, 12)          0
_________________________________________________________________
conv1d_1 (Conv1D)            (None, 2493, 16)          3088
_________________________________________________________________
conv1d_2 (Conv1D)            (None, 1247, 16)          4112
_________________________________________________________________
max_pooling1d_1 (MaxPooling1 (None, 623, 16)           0
_________________________________________________________________
conv1d_3 (Conv1D)            (None, 312, 64)           8256
_________________________________________________________________
conv1d_4 (Conv1D)            (None, 156, 64)           32832
_________________________________________________________________
max_pooling1d_2 (MaxPooling1 (None, 78, 64)            0
_________________________________________________________________
conv1d_5 (Conv1D)            (None, 39, 128)           32896
_________________________________________________________________
conv1d_6 (Conv1D)            (None, 20, 128)           65664
_________________________________________________________________
max_pooling1d_3 (MaxPooling1 (None, 10, 128)           0
_________________________________________________________________
conv1d_7 (Conv1D)            (None, 10, 256)           65792
_________________________________________________________________
conv1d_8 (Conv1D)            (None, 10, 256)           131328
_________________________________________________________________
max_pooling1d_4 (MaxPooling1 (None, 5, 256)            0
_________________________________________________________________
global_average_pooling1d_1 ( (None, 256)               0
_________________________________________________________________
dropout_1 (Dropout)          (None, 256)               0
_________________________________________________________________
dense_1 (Dense)              (None, 2)                 514
=================================================================
Total params: 344,482
Trainable params: 344,482
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

训练参数比较少,大家可以根据自己想法更改。

3.网络模型训练

模型训练

if __name__ == "__main__":    """dat1 = get_feature("TRAIN101.mat")
    print("one data shape is",dat1.shape)
    #one data shape is (12, 5000)
    plt.plot(dat1[0])
    plt.show()"""
    if (os.path.exists(MANIFEST_DIR)==False):
        create_csv()
    train_iter = xs_gen(train=True)
    test_iter = xs_gen(train=False)
    model = build_model()
    print(model.summary())
    ckpt = keras.callbacks.ModelCheckpoint(
        filepath='best_model.{epoch:02d}-{val_acc:.2f}.h5',
        monitor='val_acc', save_best_only=True,verbose=1)
    model.compile(loss='categorical_crossentropy',
                optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
    model.fit_generator(
        generator=train_iter,
        steps_per_epoch=500//Batch_size,
        epochs=20,
        initial_epoch=0,
        validation_data = test_iter,
        nb_val_samples = 100//Batch_size,
        callbacks=[ckpt],
        )

训练过程输出(最优结果:loss: 0.0565 - acc: 0.9820 - val_loss: 0.8307 - val_acc: 0.8800)

Epoch 10/20
25/25 [==============================] - 1s 37ms/step - loss: 0.2329 - acc: 0.9040 - val_loss: 0.4041 - val_acc: 0.8700

Epoch 00010: val_acc improved from 0.85000 to 0.87000, saving model to best_model.10-0.87.h5
Epoch 11/20
25/25 [==============================] - 1s 38ms/step - loss: 0.1633 - acc: 0.9380 - val_loss: 0.5277 - val_acc: 0.8300

Epoch 00011: val_acc did not improve from 0.87000
Epoch 12/20
25/25 [==============================] - 1s 40ms/step - loss: 0.1394 - acc: 0.9500 - val_loss: 0.4916 - val_acc: 0.7400

Epoch 00012: val_acc did not improve from 0.87000
Epoch 13/20
25/25 [==============================] - 1s 38ms/step - loss: 0.1746 - acc: 0.9220 - val_loss: 0.5208 - val_acc: 0.8100

Epoch 00013: val_acc did not improve from 0.87000
Epoch 14/20
25/25 [==============================] - 1s 38ms/step - loss: 0.1009 - acc: 0.9720 - val_loss: 0.5513 - val_acc: 0.8000

Epoch 00014: val_acc did not improve from 0.87000
Epoch 15/20
25/25 [==============================] - 1s 38ms/step - loss: 0.0565 - acc: 0.9820 - val_loss: 0.8307 - val_acc: 0.8800

Epoch 00015: val_acc improved from 0.87000 to 0.88000, saving model to best_model.15-0.88.h5
Epoch 16/20
25/25 [==============================] - 1s 38ms/step - loss: 0.0261 - acc: 0.9920 - val_loss: 0.6443 - val_acc: 0.8400

Epoch 00016: val_acc did not improve from 0.88000
Epoch 17/20
25/25 [==============================] - 1s 38ms/step - loss: 0.0178 - acc: 0.9960 - val_loss: 0.7773 - val_acc: 0.8700

Epoch 00017: val_acc did not improve from 0.88000
Epoch 18/20
25/25 [==============================] - 1s 38ms/step - loss: 0.0082 - acc: 0.9980 - val_loss: 0.8875 - val_acc: 0.8600

Epoch 00018: val_acc did not improve from 0.88000
Epoch 19/20
25/25 [==============================] - 1s 37ms/step - loss: 0.0045 - acc: 1.0000 - val_loss: 1.0057 - val_acc: 0.8600

Epoch 00019: val_acc did not improve from 0.88000
Epoch 20/20
25/25 [==============================] - 1s 37ms/step - loss: 0.0012 - acc: 1.0000 - val_loss: 1.1088 - val_acc: 0.8600

Epoch 00020: val_acc did not improve from 0.88000


4.模型应用预测结果

预测数据

if __name__ == "__main__":    """dat1 = get_feature("TRAIN101.mat")
    print("one data shape is",dat1.shape)
    #one data shape is (12, 5000)
    plt.plot(dat1[0])
    plt.show()"""
    """if (os.path.exists(MANIFEST_DIR)==False):
        create_csv()
    train_iter = xs_gen(train=True)
    test_iter = xs_gen(train=False)
    model = build_model()
    print(model.summary())
    ckpt = keras.callbacks.ModelCheckpoint(
        filepath='best_model.{epoch:02d}-{val_acc:.2f}.h5',
        monitor='val_acc', save_best_only=True,verbose=1)
    model.compile(loss='categorical_crossentropy',
                optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
    model.fit_generator(
        generator=train_iter,
        steps_per_epoch=500//Batch_size,
        epochs=20,
        initial_epoch=0,
        validation_data = test_iter,
        nb_val_samples = 100//Batch_size,
        callbacks=[ckpt],
        )"""
    PRE_DIR = "sample_codes/answers.txt"
    model = load_model("best_model.15-0.88.h5")
    pre_lists = pd.read_csv(PRE_DIR,sep=r" ",header=None)
    print(pre_lists.head())
    pre_datas = np.array([get_feature(item,BASE_DIR="preliminary/TEST/") for item in pre_lists[0]])
    pre_result = model.predict_classes(pre_datas)#0-1概率预测
    print(pre_result.shape)
    pre_lists[1] = pre_result
    pre_lists.to_csv("sample_codes/answers1.txt",index=None,header=None)
    print("predict finish")

下面是前十条预测结果:

TEST394,0
TEST313,1
TEST484,0
TEST288,0
TEST261,1
TEST310,0
TEST286,1
TEST367,1
TEST149,1
TEST160,1

大家需要注意一下,我预测的方式和官方不同,需要大家自己根据赛题要求来进行预测提交。。


展望

此Baseline采用最简单的一维卷积达到了88%测试准确率(可能会因为随机初始化值上下波动),大家也可以多尝试GRU,Attention,和Resnet等结果,测试准确率准确率会突破90+。

能力有限,写的不好的地方欢迎大家批评指正。。

个人主页--> https://xiaosongshine.github.io/ 

项目github地址:https://github.com/xiaosongshine/preliminary_challenge_baseline_keras

欢迎Fork+Star,觉得有用的话,麻烦小小鼓励一下 ><


评论列表

2019-06-10 22:16 @ pc :

楼主您好,请问数据可以开源嘛

新的评论

上一篇:
下一篇: