代價敏感組合旋轉(zhuǎn)森林用于腦卒中數(shù)據(jù)分類

梅曉碧，張雪英+，李鳳蓮，胡風云，賈文輝

(1.太原理工大學 信息與計算機學院，山西 太原 030024； 2. 山西省人民醫(yī)院 神經(jīng)內(nèi)科，山西 太原 030012)

0 引 言

經(jīng)顱多普勒超聲(Transcranial Doppler，TCD)可以幫助臨床醫(yī)生診斷狹窄、硬化等引起的頸動脈血管疾病，是腦卒中早期篩查診斷的重要依據(jù)[1-3]。本文在TCD數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，擴充構(gòu)建了新的組合特征，利用機器學習方法來挖掘TCD數(shù)據(jù)中的潛在信息，可以輔助醫(yī)生更快速、準確地做出診斷。

現(xiàn)實生活中的許多問題都是實例相關(guān)的代價敏感問題[4]，近年來它受到越來越多的關(guān)注[5-7]，但將實例相關(guān)代價引入到腦卒中分類問題中的研究幾乎未見報道。Bahnsen等[4]提出了實例相關(guān)的代價敏感決策樹算法，并對應(yīng)提出了Savings成本節(jié)約量評估指標，取得了可觀的成本節(jié)約效果。最近，Zelenkov等在Bahnsen的基礎(chǔ)上提出了代價敏感決策樹的boosting集成算法[5]，進一步提升了成本節(jié)約量。旋轉(zhuǎn)森林(rotation forest，ROF)[8]是一種集成分類算法，其核心是利用主成分分析(principal component analysis，PCA)對數(shù)據(jù)進行特征變換，旨在增加基分類器的多樣性。該算法已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能[9-11]。

腦卒中TCD數(shù)據(jù)具有顯著的非平衡特性和實例相關(guān)代價敏感特性，本文根據(jù)腦卒中疾病的特性設(shè)計了腦卒中代價矩陣，并用于腦卒中分類模型的構(gòu)建。同時受文獻[9-11]啟發(fā)，本文提出了一種組合旋轉(zhuǎn)森林框架。將組合旋轉(zhuǎn)森林與實例相關(guān)代價敏感問題結(jié)合進行TCD非平衡數(shù)據(jù)的分類研究，并與已有的方法進行比較，驗證了本文算法的有效性。

1 實例相關(guān)代價敏感的理論基礎(chǔ)

1.1 實例相關(guān)代價函數(shù)

給定訓練數(shù)據(jù)集X，其含有N個實例，每個實例有n個特征，定義X={(xi,yi),i=1,…,N}，xi是n維特征空間X的一個實例，yi∈Y={0,1} 是實例xi的類別標簽，標簽yi=1對應(yīng)于少數(shù)類(即正類)，yi=0對應(yīng)于多數(shù)類(即負類)。

(1)

那么，集合X的總代價為

(2)

1.2 實例相關(guān)代價敏感決策樹(ECSDT)

本文采用實例相關(guān)代價敏感決策樹(example-depen-dent cost-sensitive decision tree，ECSDT)[4]作為基分類器，在構(gòu)建決策樹時，采用基于實例成本的節(jié)點分割準則，將不同實例的不同成本引入決策樹的生成階段。不同于傳統(tǒng)決策樹采用信息熵、基尼系數(shù)等度量方法，ECSDT使用基于實例成本的不純度度量方法，考慮每個實例的成本矩陣，旨在衡量分割準則在降低成本方面的表現(xiàn)，而不只是提高準確率。

Cost(f0)表示分類器f將節(jié)點中所有的樣例分為正常人所造成的損失，Cost(f1)表示分類器f將節(jié)點中所有的樣例分為腦卒中患者所造成的損失，ECSDT采用兩者中的較小值來定義基于成本的不純度度量

Ic(X)=min{Cost(f0(X)),Cost(f1(X))}

(3)

(4)

2 特征構(gòu)建及代價矩陣設(shè)計

本文首先根據(jù)腦卒中疾病特點，對腦卒中TCD數(shù)據(jù)進行特征構(gòu)建，更好挖掘數(shù)據(jù)信息；然后根據(jù)腦卒中的實例相關(guān)代價敏感特性設(shè)計了針對腦卒中疾病的代價矩陣，將實例相關(guān)代價引入到腦卒中TCD數(shù)據(jù)分類問題中。

2.1 特征構(gòu)建

本文使用的腦卒中TCD數(shù)據(jù)均來自山西省人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，其中1248例正常人、553例硬化患者、265例狹窄患者，可見不同病癥患者TCD數(shù)據(jù)量同健康個體TCD數(shù)據(jù)量之間存在著非平衡關(guān)系。每個實例有17維特征。以往的研究[3]只使用了僅有的17維特征，未對特征進行深入的挖掘和研究，本文根據(jù)已有的血流特征，構(gòu)建兩組共8維組合特征，包括收縮期最大流速與舒張末期流速的比值S/D；左右兩側(cè)動脈血流速度的對稱度 |L-R|， 構(gòu)建的組合特征見表1。其中S/D可評估血管順應(yīng)性和血管彈性； |L-R| 可評估左右兩側(cè)腦動脈的差別。將組合得到的8維特征加上原始17維特征得到25維特征。

2.2 設(shè)計腦卒中分類代價矩陣

腦卒中的分類診斷問題，是與實例相關(guān)的代價敏感問題。如果未能成功預(yù)測出腦卒中患者，患者會因為病情被延誤，錯過最佳的預(yù)防或治療時機，從而面臨巨大的醫(yī)療開銷甚至是付出生命的代價。由此造成的后果因人而異，其中年齡是導致各實例代價差異較大的一個關(guān)鍵因素。因為隨著年齡的增長，身體各方面機能會有所下降，患者的致殘甚至致死的風險會更大，而且還會加大治愈的難度，因此本文將根據(jù)不同年齡段的致死率和致殘率設(shè)計代價矩陣。

首先將每個實例正確分類的代價為0，CTPi=CTNi=0； 然后假定去醫(yī)院做一次檢查的費用為Cti，則將正常人預(yù)測為病人的代價CFPi都為Cti；將病人預(yù)測為正常人的代價CFNi因人而異，而且大于將正常人預(yù)測為病人的代價，即CFNi>CFPi， 本文定義CFNi=Ui·ri·Cti， 其中Ui為數(shù)據(jù)

表1 腦卒中TCD數(shù)據(jù)原始特征及組合特征

的不平衡度，ri為實例對應(yīng)年齡段的致殘率和致死率之和。設(shè)計的腦卒中代價矩陣見表2。

表2 腦卒中代價矩陣

3 實例相關(guān)代價敏感組合旋轉(zhuǎn)森林ECS_CROF

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)森林采用PCA進行特征映射，旨在增加基分類器的多樣性。在此基礎(chǔ)上，本文引入有監(jiān)督的LDA進行特征映射，旨在增加基分類器多樣性的同時提升其準確性，此外考慮到不同的特征空間具有不同的表征能力，本文還考慮了原始的特征空間。這樣針對每個基分類器，根據(jù)3個不同的特征空間訓練出3個獨立的子分類器，進一步提高組合旋轉(zhuǎn)森林的多樣性。

3.1 PCA用作特征映射

PCA是一種無監(jiān)督的特征變換技術(shù)，可使得投影后的數(shù)據(jù)方差盡可能的大。假定訓練集X={(x1,y1),(x2,y2),…,(xN,yN)}， 其中任一樣本xi包含n維特征，yi∈{0,1}。 PCA作為特征映射算法，算法流程如下：

(1)對X進行中心化，得到Xc；

3.2 LDA用作特征映射

LDA是一種有監(jiān)督的特征變換技術(shù)，能合理運用標簽信息，使得投影后的維度具有判別性，不同類別的數(shù)據(jù)盡可能分開，同類別的數(shù)據(jù)盡可能靠近。采用LDA作為特征映射算法，將數(shù)據(jù)映射到具有可分性的特征空間，算法流程如下：

假定Xm(m=0,1) 為第m類樣本的集合，而um(m=0,1) 為第m類樣本的均值向量，定義∑m(m=0,1) 為第m類樣本的協(xié)方差矩陣。

(1)計算每個類的類內(nèi)散度矩陣之和Sw

(5)

(2)計算類間散度矩陣Sb

Sb=(u0-u1)(u0-u1)T

(6)

3.3 實例相關(guān)代價敏感組合旋轉(zhuǎn)森林ECS_CROF

下面給出本文提出的實例相關(guān)代價敏感組合旋轉(zhuǎn)森林ECS_CROF的構(gòu)建步驟，圖1展示了ECS_CROF算法框架。用F表示樣本完整的特征集。T1,T2,…,TD表示使用D個基分類器。

圖1 實例相關(guān)代價敏感組合旋轉(zhuǎn)森林框架

(1)針對訓練集X，隨機將F劃分為K個不相交的特征子集，每個子集包含M=n/K個特征，若K不能整除n，最后一個子集將是n除以K的余數(shù)。令Fd,k(1≤d≤D,1≤k≤K) 為第d個基分類器的第k個特征子集，對訓練樣本集按一定比例進行重復(fù)抽樣，得到新的訓練樣本子集X′，對此樣本子集上的Fd,k特征子集進行PCA和LDA變換，得到投影矩陣Wkpca，Wklda。

(7)

(4)將以上步驟重復(fù)D次，得到3D個訓練好的ECSDT。

4 實 驗

4.1 實驗設(shè)計

本文根據(jù)山西省人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科的TCD數(shù)據(jù)設(shè)計了兩組實驗，分別為“正常人-硬化患者”，“正常人-狹窄患者”，每組實驗分別對“原始特征”和“融合特征”進行對比實驗。將所提出的ECS_CROF與實例相關(guān)代價敏感隨機補丁ECSRP[5]，基于PCA特征映射的實例相關(guān)代價敏感旋轉(zhuǎn)森林(用ECSROF_PCA表示),以及基于LDA特征映射的實例相關(guān)代價敏感旋轉(zhuǎn)森林(用ECSROF_LDA表示)進行比較，以此驗證所提出的ECS_CROF算法的有效性。將數(shù)據(jù)進行五折交叉驗證，每一折都劃分為訓練集、驗證集和測試集，使用網(wǎng)格尋優(yōu)算法對模型進行參數(shù)尋優(yōu)，尋優(yōu)的目標函數(shù)為“成本節(jié)約(Savings)”，取五折交叉驗證的平均值評估算法的整體性能。

4.2 評價指標

傳統(tǒng)的分類性能評價指標，如準確率(accuracy)、幾何平均(geometricmean，Gm)、召回率(recall)等，只強調(diào)準確性而不考慮誤分類所產(chǎn)生的代價。實例相關(guān)代價敏感問題需要評估的是算法在降低成本方面的性能，而不僅僅強調(diào)準確性。

本文使用Savings指標評價算法的成本節(jié)約性能[4]。首先，計算將所有實例分為負類或正類時(即代價最大時)所產(chǎn)生的總代價Costbase(X)，然后將成本節(jié)約Savings定義為在實際預(yù)測中使用算法預(yù)測結(jié)果所產(chǎn)生的代價Cost(f(X)) 相比于Costbase(X)所帶來的成本節(jié)約量

(8)

其中，Costbase(X) 為Cost(f0(X)) 和Cost(f1(X)) 之間的最小值，fa(X)=a，a∈{0,1}。 Savings值越大，說明算法在節(jié)約成本方面的性能更優(yōu)越。

本文還采用了傳統(tǒng)的Gm、Recall和特異性(specificity，Sp)評價指標，Gm為Recall和Sp的幾何平均，Recall表示在所有患者中，被正確識別出的患者比例，Sp表示在所有正常人中，被正確識別出的正常人比例，對應(yīng)的公式如下所示

(9)

(10)

(11)

式中：FP(false positives)代表實際為負類樣本，但被錯誤預(yù)測為正類樣本的數(shù)量，F(xiàn)N(false negative)代表實際為正類樣本，但被錯誤預(yù)測為負類樣本的數(shù)量。TP(true positives)、TN(true negative)分別表示的是實際為正(負)類樣本且被正確預(yù)測為正(負)類樣本的數(shù)量。

4.3 實驗結(jié)果與分析

(1)驗證組合特征的有效性。表3給出了本文方法及對比方法用于分類腦卒中TCD數(shù)據(jù)的Savings實驗結(jié)果，可以看出，采用融合特征后，對于硬化患者(實驗①②)和狹窄患者(實驗③④)，各個方法的Savings值都有一定的提升。由此可見，本文構(gòu)建的組合特征有實際效用，能更好挖掘腦卒中TCD數(shù)據(jù)信息。

(2)驗證本文算法ECS_CROF的有效性。由表3的實驗結(jié)果可以看出，對于硬化患者和狹窄患者，本文的方法的Savings都是最優(yōu)的，可見本文方法ECS_CROF用于不平衡TCD數(shù)據(jù)的成本節(jié)約性能最優(yōu)。此外可以看出ECSROF_PCA和ECSROF_LDA的性能均優(yōu)于ECSRP，由此驗證了旋轉(zhuǎn)森林模型的有效性。在實驗①②③中ECSROF_LDA的性能均優(yōu)于ECSROF_PCA，實驗④中兩者性能差別不大，ECSROF_LDA只是略低于ECSROF_PCA，說明利用LDA技術(shù)代替PCA進行特征投影，可以進一步提升旋轉(zhuǎn)森林模型性能。

表3 不同算法對腦卒中TCD數(shù)據(jù)的Savings性能對比

(3)本文進一步對比分析了4種方法的傳統(tǒng)評價指標Gm、Recall和Sp。對比結(jié)果見表4，可見本文方法ECS_CROF的Gm參數(shù)和Savings性能類似，仍然是最優(yōu)的，進一步驗證了本文方法的有效性。由表3和表4實驗①可見，ECSRP的Savings指標不如ECSROF_PCA，但是Gm卻優(yōu)于后者；由實驗④可見ECSROF_LDA的Savings指標不如ECSROF_PCA，但是Gm卻優(yōu)于后者；可見Gm指標和Savings并沒有嚴格的正相關(guān)或負相關(guān)關(guān)系，因為Savings考慮了每個實例的代價，更具有實際參考價值。

此外相比于ECSROF_LDA和本文方法ECS_CROF，ECSROF_PCA的Recall更高但是其Savings和Gm性能都較差，這是因為ECSROF_PCA判別能力較差，受到代價矩陣的影響便一味提高Recall，卻將大量的正常人誤判為了患者，也就是Sp指標較差，最終導致Savings和Gm效果較差，這在現(xiàn)實生活中，勢必會因為大量的復(fù)查造成極大的資源浪費，失去了代價敏感分類的意義。然而本文提出的方法ECS_CROF能夠保證較高Recall的同時，很好提升Savings和Gm指標，說明本文方法通過綜合不同的特征空間，更好權(quán)衡Recall和Sp兩個指標，最終取得最優(yōu)的成本節(jié)約性能Savings。

表4 不同算法對腦卒中TCD數(shù)據(jù)的Gm、Recall和Sp性能對比

總之，本文提出的組合特征能更好挖掘數(shù)據(jù)潛在信息，針對不同的算法，均能有效提升數(shù)據(jù)可分性；此外，本文提出的ECS_CROF的Savings和Gm指標均優(yōu)于對比算法，可見本文提出的算法，能有效提升模型性能，更好節(jié)約成本，更具有實際的參考價值。

5 結(jié)束語

首先根據(jù)腦卒中TCD數(shù)據(jù)特點，本文構(gòu)建了多個組合特征，充分挖掘數(shù)據(jù)的潛在信息來提高其分類性能。然后根據(jù)腦卒中的實例相關(guān)代價敏感特性，本文設(shè)計了適用于腦卒中的新的代價矩陣，用于實例相關(guān)代價敏感算法，并用“成本節(jié)約(Savings)”評估算法性能。最后提出了實例相關(guān)代價敏感組合旋轉(zhuǎn)森林算法用于腦卒中TCD數(shù)據(jù)分類，結(jié)果顯示，與已有的實例相關(guān)代價敏感算法相比，所提的ECS_CROF在成本節(jié)約上性能更為顯著。本文僅對代價敏感腦卒中早期篩查診斷做出初步的探索，今后，可以綜合考慮多方面因素，設(shè)計更加精細的腦卒中代價矩陣；采用其它的特征映射算法，構(gòu)建更多樣的旋轉(zhuǎn)森林，進一步改善性能指標。