深度学习每周学习总结R6（RNN实现阿尔茨海默病诊断）

• 🍨 本文为🔗365天深度学习训练营 中的学习记录博客R8中的内容，为了便于自己整理总结起名为R6
• 🍖 原作者：K同学啊 | 接辅导、项目定制

0. 总结

数据导入及处理部分：在 PyTorch 中，我们通常先将 NumPy 数组转换为 torch.Tensor，再封装到 TensorDataset 或自定义的 Dataset 里，然后用 DataLoader 按批次加载。

模型构建部分：RNN

设置超参数：在这之前需要定义损失函数，学习率（动态学习率），以及根据学习率定义优化器（例如SGD随机梯度下降），用来在训练中更新参数，最小化损失函数。

定义训练函数：函数的传入的参数有四个，分别是设置好的DataLoader(),定义好的模型，损失函数，优化器。函数内部初始化损失准确率为0，接着开始循环，使用DataLoader()获取一个批次的数据，对这个批次的数据带入模型得到预测值，然后使用损失函数计算得到损失值。接下来就是进行反向传播以及使用优化器优化参数，梯度清零放在反向传播之前或者是使用优化器优化之后都是可以的，一般是默认放在反向传播之前。

定义测试函数：函数传入的参数相比训练函数少了优化器，只需传入设置好的DataLoader(),定义好的模型，损失函数。此外除了处理批次数据时无需再设置梯度清零、返向传播以及优化器优化参数，其余部分均和训练函数保持一致。

训练过程：定义训练次数，有几次就使用整个数据集进行几次训练，初始化四个空list分别存储每次训练及测试的准确率及损失。使用model.train()开启训练模式，调用训练函数得到准确率及损失。使用model.eval()将模型设置为评估模式，调用测试函数得到准确率及损失。接着就是将得到的训练及测试的准确率及损失存储到相应list中并合并打印出来，得到每一次整体训练后的准确率及损失。

结果可视化

模型的保存，调取及使用。在PyTorch中，通常使用 torch.save(model.state_dict(), ‘model.pth’) 保存模型的参数，使用 model.load_state_dict(torch.load(‘model.pth’)) 加载参数。

需要改进优化的地方：确保模型和数据的一致性，都存到GPU或者CPU;注意numclasses不要直接用默认的1000，需要根据实际数据集改进；实例化模型也要注意numclasses这个参数；此外注意测试模型需要用（3,224,224）3表示通道数，这和tensorflow定义的顺序是不用的（224,224,3），做代码转换时需要注意。

关于优化：

目前的尝试： 可以采用采用了L2正则化及dropout

1. 数据集介绍

数据信息：

• PatientID：分配给每个患者（4751 到 6900）的唯一标识符。

• Age： 患者的年龄从 60 岁到 90 岁不等。

• Gender：患者的性别，其中 0 代表男性，1 代表女性。

• Ethnicity：患者的种族，编码如下：

0： 高加索人

1：非裔美国人

2：亚洲

3：其他

• EducationLevel：患者的教育水平，编码如下：

：无

1：高中

2：学士学位

3：更高

• BMI：患者的体重指数，范围从 15 到 40。

• Smoking：吸烟状态，其中 0 表示否，1 表示是。

• AlcoholConsumption （酒精消费量）：每周酒精消费量（以 0 到 20 为单位），范围从 0 到 20。

• PhysicalActivity：每周身体活动（以小时为单位），范围从 0 到 10。

• DietQuality：饮食质量评分，范围从 0 到 10。

• SleepQuality：睡眠质量分数，范围从 4 到 10。

• FamilyHistoryAlzheimers:：阿尔茨海默病家族史，其中 0 表示否，1 表示是。

• CardiovascularDisease：存在心血管疾病，其中 0 表示否，1 表示是。

• Diabetes：存在糖尿病，其中 0 表示否，1 表示是。

• Depression：存在抑郁，其中 0 表示否，1 表示是。

• HeadInjury：头部受伤史，其中 0 表示否，1 表示是。

• Hypertension：存在高血压，其中 0 表示否，1 表示是。

• SystolicBP：收缩压，范围为 90 至 180 mmHg。

• DiastolicBP: 舒张压，范围为 60 至 120 mmHg。

• CholesterolTotal：总胆固醇水平，范围为 150 至 300 mg/dL。

• CholesterolLDL：低密度脂蛋白胆固醇水平，范围为 50 至 200 mg/dL。

• CholesterolHDL：高密度脂蛋白胆固醇水平，范围为 20 至 100 mg/dL。

• CholesterolTriglycerides：甘油三酯水平，范围为 50 至 400 mg/dL。

…

• Diagnosis：阿尔茨海默病的诊断状态，其中 0 表示否，1 表示是。

2. 数据预处理

import numpy as np
import pandas as pd
import torch
from torch import nn
import torch.nn.functional as F
import seaborn as sns#设置GPU训练，也可以使用CPU
device=torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
device

device(type='cuda')

# 数据导入
df = pd.read_csv("./data/alzheimers_disease_data.csv")
# 删除第一列和最后一列
df = df.iloc[:, 1:-1]
df

	Age	Gender	Ethnicity	EducationLevel	BMI	Smoking	AlcoholConsumption	PhysicalActivity	DietQuality	SleepQuality	...	FunctionalAssessment	MemoryComplaints	BehavioralProblems	ADL	Confusion	Disorientation	PersonalityChanges	DifficultyCompletingTasks	Forgetfulness	Diagnosis
0	73	0	0	2	22.927749	0	13.297218	6.327112	1.347214	9.025679	...	6.518877	0	0	1.725883	0	0	0	1	0	0
1	89	0	0	0	26.827681	0	4.542524	7.619885	0.518767	7.151293	...	7.118696	0	0	2.592424	0	0	0	0	1	0
2	73	0	3	1	17.795882	0	19.555085	7.844988	1.826335	9.673574	...	5.895077	0	0	7.119548	0	1	0	1	0	0
3	74	1	0	1	33.800817	1	12.209266	8.428001	7.435604	8.392554	...	8.965106	0	1	6.481226	0	0	0	0	0	0
4	89	0	0	0	20.716974	0	18.454356	6.310461	0.795498	5.597238	...	6.045039	0	0	0.014691	0	0	1	1	0	0
...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...
2144	61	0	0	1	39.121757	0	1.561126	4.049964	6.555306	7.535540	...	0.238667	0	0	4.492838	1	0	0	0	0	1
2145	75	0	0	2	17.857903	0	18.767261	1.360667	2.904662	8.555256	...	8.687480	0	1	9.204952	0	0	0	0	0	1
2146	77	0	0	1	15.476479	0	4.594670	9.886002	8.120025	5.769464	...	1.972137	0	0	5.036334	0	0	0	0	0	1
2147	78	1	3	1	15.299911	0	8.674505	6.354282	1.263427	8.322874	...	5.173891	0	0	3.785399	0	0	0	0	1	1
2148	72	0	0	2	33.289738	0	7.890703	6.570993	7.941404	9.878711	...	6.307543	0	1	8.327563	0	1	0	0	1	0

2149 rows × 33 columns

# 标准化
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.model_selection import train_test_splitX = df.iloc[:,:-1]
y = df.iloc[:,-1]# 将每一列特征标准化为标准正太分布，注意，标准化是针对每一列而言的
sc = StandardScaler()
X = sc.fit_transform(X)

# 划分数据集
X = torch.tensor(np.array(X),dtype = torch.float32)
y = torch.tensor(np.array(y),dtype = torch.int64)X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,test_size = 0.1,random_state = 1)
X_train.shape,y_train.shape

(torch.Size([1934, 32]), torch.Size([1934]))

# 构建数据加载器
from torch.utils.data import TensorDataset,DataLoadertrain_dl = DataLoader(TensorDataset(X_train,y_train),batch_size = 64,shuffle = False)
test_dl = DataLoader(TensorDataset(X_test,y_test),batch_size = 64,shuffle = False)

3. 模型构建

class model_rnn(nn.Module):def __init__(self):super(model_rnn, self).__init__()self.rnn0 = nn.RNN(input_size=32, hidden_size=200, num_layers=1, batch_first=True)self.fc0   = nn.Linear(200, 50)self.fc1   = nn.Linear(50, 2)def forward(self, x):out, hidden1 = self.rnn0(x) out    = self.fc0(out) out    = self.fc1(out) return out   model = model_rnn().to(device)
model

model_rnn((rnn0): RNN(32, 200, batch_first=True)(fc0): Linear(in_features=200, out_features=50, bias=True)(fc1): Linear(in_features=50, out_features=2, bias=True)
)

model(torch.rand(30,32).to(device)).shape

torch.Size([30, 2])

4. 初始化模型及优化器

model = model_rnn().to(device)
print(model)loss_fn    = nn.CrossEntropyLoss() # 创建损失函数
weight_decay = 1e-4 # 尝试加入权重衰减;一般来说，较小的值（如1e-5到1e-4）就可以起到一定的正则化作用。
# weight_decay = 1e-3
learn_rate = 1e-3   # 学习率
# learn_rate = 3e-4   # 学习率
lambda1 = lambda epoch:(0.92**(epoch//2))optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(),lr = learn_rate, weight_decay = 1e-4)
scheduler = torch.optim.lr_scheduler.LambdaLR(optimizer,lr_lambda=lambda1) # 选定调整方法
epochs     = 50

model_rnn((rnn0): RNN(32, 200, batch_first=True)(fc0): Linear(in_features=200, out_features=50, bias=True)(fc1): Linear(in_features=50, out_features=2, bias=True)
)

5. 训练函数

# 训练循环
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):size = len(dataloader.dataset)  # 训练集的大小num_batches = len(dataloader)   # 批次数目, (size/batch_size，向上取整)train_loss, train_acc = 0, 0  # 初始化训练损失和正确率for X, y in dataloader:  # 获取图片及其标签X, y = X.to(device), y.to(device)# 计算预测误差pred = model(X)          # 网络输出loss = loss_fn(pred, y)  # 计算网络输出和真实值之间的差距，targets为真实值，计算二者差值即为损失# 反向传播optimizer.zero_grad()  # grad属性归零loss.backward()        # 反向传播optimizer.step()       # 每一步自动更新# 记录acc与losstrain_acc  += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()train_loss += loss.item()train_acc  /= sizetrain_loss /= num_batchesreturn train_acc, train_loss

6. 测试函数

def test (dataloader, model, loss_fn):size        = len(dataloader.dataset)  # 测试集的大小num_batches = len(dataloader)          # 批次数目, (size/batch_size，向上取整)test_loss, test_acc = 0, 0# 当不进行训练时，停止梯度更新，节省计算内存消耗with torch.no_grad():for X, y in dataloader:X, y = X.to(device), y.to(device)# 计算losstarget_pred = model(X)loss        = loss_fn(target_pred, y)test_loss += loss.item()test_acc  += (target_pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()test_acc  /= sizetest_loss /= num_batchesreturn test_acc, test_loss

import copytrain_loss = []
train_acc  = []
test_loss  = []
test_acc   = []best_acc = 0.0for epoch in range(epochs):model.train()epoch_train_acc, epoch_train_loss = train(train_dl, model, loss_fn, optimizer)# 更新学习率scheduler.step() # 更新学习率——调用官方动态学习率时使用model.eval()epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(test_dl, model, loss_fn)# 保存最佳模型if epoch_test_acc > best_acc:best_acc = epoch_test_accbest_model = copy.deepcopy(model)train_acc.append(epoch_train_acc)train_loss.append(epoch_train_loss)test_acc.append(epoch_test_acc)test_loss.append(epoch_test_loss)# 获取当前的学习率lr = optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr']template = ('Epoch:{:2d}, Train_acc:{:.1f}%, Train_loss:{:.3f}, Test_acc:{:.1f}%, Test_loss:{:.3f}, Lr:{:.2E}')print(template.format(epoch+1, epoch_train_acc*100, epoch_train_loss, epoch_test_acc*100, epoch_test_loss, lr))print('Done. Best test acc: ', best_acc)

Epoch: 1, Train_acc:71.8%, Train_loss:0.544, Test_acc:79.1%, Test_loss:0.431, Lr:1.00E-03
Epoch: 2, Train_acc:82.8%, Train_loss:0.397, Test_acc:80.0%, Test_loss:0.392, Lr:9.20E-04
Epoch: 3, Train_acc:84.6%, Train_loss:0.362, Test_acc:77.7%, Test_loss:0.400, Lr:9.20E-04
Epoch: 4, Train_acc:85.8%, Train_loss:0.348, Test_acc:77.7%, Test_loss:0.409, Lr:8.46E-04
Epoch: 5, Train_acc:86.3%, Train_loss:0.335, Test_acc:79.5%, Test_loss:0.420, Lr:8.46E-04
Epoch: 6, Train_acc:86.9%, Train_loss:0.324, Test_acc:80.9%, Test_loss:0.431, Lr:7.79E-04
Epoch: 7, Train_acc:87.8%, Train_loss:0.310, Test_acc:80.0%, Test_loss:0.464, Lr:7.79E-04
Epoch: 8, Train_acc:87.9%, Train_loss:0.301, Test_acc:78.1%, Test_loss:0.494, Lr:7.16E-04
Epoch: 9, Train_acc:88.9%, Train_loss:0.286, Test_acc:76.3%, Test_loss:0.536, Lr:7.16E-04
Epoch:10, Train_acc:88.8%, Train_loss:0.283, Test_acc:78.6%, Test_loss:0.536, Lr:6.59E-04
Epoch:11, Train_acc:90.3%, Train_loss:0.268, Test_acc:78.6%, Test_loss:0.541, Lr:6.59E-04
Epoch:12, Train_acc:90.8%, Train_loss:0.256, Test_acc:78.1%, Test_loss:0.566, Lr:6.06E-04
Epoch:13, Train_acc:91.5%, Train_loss:0.238, Test_acc:77.7%, Test_loss:0.622, Lr:6.06E-04
Epoch:14, Train_acc:92.1%, Train_loss:0.227, Test_acc:78.6%, Test_loss:0.641, Lr:5.58E-04
Epoch:15, Train_acc:92.0%, Train_loss:0.220, Test_acc:78.1%, Test_loss:0.659, Lr:5.58E-04
Epoch:16, Train_acc:92.4%, Train_loss:0.204, Test_acc:75.3%, Test_loss:0.716, Lr:5.13E-04
Epoch:17, Train_acc:93.4%, Train_loss:0.181, Test_acc:74.0%, Test_loss:0.815, Lr:5.13E-04
Epoch:18, Train_acc:94.2%, Train_loss:0.165, Test_acc:73.5%, Test_loss:0.891, Lr:4.72E-04
Epoch:19, Train_acc:94.6%, Train_loss:0.145, Test_acc:70.7%, Test_loss:0.975, Lr:4.72E-04
Epoch:20, Train_acc:95.2%, Train_loss:0.147, Test_acc:71.6%, Test_loss:1.088, Lr:4.34E-04
Epoch:21, Train_acc:96.1%, Train_loss:0.121, Test_acc:74.4%, Test_loss:1.075, Lr:4.34E-04
Epoch:22, Train_acc:97.1%, Train_loss:0.101, Test_acc:71.2%, Test_loss:1.114, Lr:4.00E-04
Epoch:23, Train_acc:97.3%, Train_loss:0.087, Test_acc:72.6%, Test_loss:1.214, Lr:4.00E-04
Epoch:24, Train_acc:98.0%, Train_loss:0.070, Test_acc:73.0%, Test_loss:1.246, Lr:3.68E-04
Epoch:25, Train_acc:98.9%, Train_loss:0.056, Test_acc:73.0%, Test_loss:1.352, Lr:3.68E-04
Epoch:26, Train_acc:99.0%, Train_loss:0.047, Test_acc:73.5%, Test_loss:1.370, Lr:3.38E-04
Epoch:27, Train_acc:99.3%, Train_loss:0.037, Test_acc:71.6%, Test_loss:1.401, Lr:3.38E-04
Epoch:28, Train_acc:99.5%, Train_loss:0.032, Test_acc:73.0%, Test_loss:1.535, Lr:3.11E-04
Epoch:29, Train_acc:99.6%, Train_loss:0.025, Test_acc:73.0%, Test_loss:1.533, Lr:3.11E-04
Epoch:30, Train_acc:99.7%, Train_loss:0.021, Test_acc:72.6%, Test_loss:1.596, Lr:2.86E-04
Epoch:31, Train_acc:99.7%, Train_loss:0.016, Test_acc:70.7%, Test_loss:1.698, Lr:2.86E-04
Epoch:32, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.013, Test_acc:70.7%, Test_loss:1.744, Lr:2.63E-04
Epoch:33, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.012, Test_acc:70.2%, Test_loss:1.792, Lr:2.63E-04
Epoch:34, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.011, Test_acc:70.7%, Test_loss:1.836, Lr:2.42E-04
Epoch:35, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.010, Test_acc:69.8%, Test_loss:1.875, Lr:2.42E-04
Epoch:36, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.009, Test_acc:69.8%, Test_loss:1.914, Lr:2.23E-04
Epoch:37, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.009, Test_acc:68.8%, Test_loss:1.949, Lr:2.23E-04
Epoch:38, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.008, Test_acc:68.8%, Test_loss:1.985, Lr:2.05E-04
Epoch:39, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.008, Test_acc:68.4%, Test_loss:2.017, Lr:2.05E-04
Epoch:40, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.007, Test_acc:68.4%, Test_loss:2.050, Lr:1.89E-04
Epoch:41, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.007, Test_acc:68.4%, Test_loss:2.080, Lr:1.89E-04
Epoch:42, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.006, Test_acc:68.4%, Test_loss:2.111, Lr:1.74E-04
Epoch:43, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.006, Test_acc:69.3%, Test_loss:2.139, Lr:1.74E-04
Epoch:44, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.005, Test_acc:69.3%, Test_loss:2.168, Lr:1.60E-04
Epoch:45, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.005, Test_acc:69.3%, Test_loss:2.194, Lr:1.60E-04
Epoch:46, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.005, Test_acc:68.8%, Test_loss:2.221, Lr:1.47E-04
Epoch:47, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.005, Test_acc:68.8%, Test_loss:2.245, Lr:1.47E-04
Epoch:48, Train_acc:99.8%, Train_loss:0.004, Test_acc:68.8%, Test_loss:2.270, Lr:1.35E-04
Epoch:49, Train_acc:99.9%, Train_loss:0.004, Test_acc:68.8%, Test_loss:2.293, Lr:1.35E-04
Epoch:50, Train_acc:99.9%, Train_loss:0.004, Test_acc:68.8%, Test_loss:2.316, Lr:1.24E-04
Done. Best test acc:  0.8093023255813954

7. 模型评估

import matplotlib.pyplot as plt
#隐藏警告
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")               #忽略警告信息
plt.rcParams['font.sans-serif']    = ['SimHei'] # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False      # 用来正常显示负号
plt.rcParams['figure.dpi']         = 100        #分辨率epochs_range = range(epochs)plt.figure(figsize=(12, 3))
plt.subplot(1, 2, 1)plt.plot(epochs_range, train_acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(epochs_range, test_acc, label='Test Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, train_loss, label='Training Loss')
plt.plot(epochs_range, test_loss, label='Test Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()

​

​

# 混淆矩阵
print("==============输入数据Shape为==============")
print("X_test.shape：",X_test.shape)
print("y_test.shape：",y_test.shape)pred = model(X_test.to(device)).argmax(1).cpu().numpy()print("\n==============输出数据Shape为==============")
print("pred.shape：",pred.shape)

==============输入数据Shape为==============
X_test.shape： torch.Size([215, 32])
y_test.shape： torch.Size([215])==============输出数据Shape为==============
pred.shape： (215,)

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.metrics import confusion_matrix, ConfusionMatrixDisplay# 计算混淆矩阵
cm = confusion_matrix(y_test, pred)plt.figure(figsize=(6,5))
plt.suptitle('')
sns.heatmap(cm, annot=True, fmt="d", cmap="Blues")# 修改字体大小
plt.xticks(fontsize=10)
plt.yticks(fontsize=10)
plt.title("Confusion Matrix", fontsize=12)
plt.xlabel("Predicted Label", fontsize=10)
plt.ylabel("True Label", fontsize=10)# 显示图
plt.tight_layout()  # 调整布局防止重叠
plt.show()

​

​

8. 模型保存及加载

# 自定义模型保存
# 状态字典保存
torch.save(model.state_dict(),'./模型参数/R7_rnn_model_state_dict.pth') # 仅保存状态字典# 定义模型用来加载参数
best_model = model_rnn().to(device)best_model.load_state_dict(torch.load('./模型参数/R7_rnn_model_state_dict.pth')) # 加载状态字典到模型

<All keys matched successfully>

9. 使用训练好的模型进行预测

test_X = X_test[0].reshape(1, -1) # X_test[0]即我们的输入数据pred = best_model(test_X.to(device)).argmax(1).item()
print("模型预测结果为：",pred)
print("=="*20)
print("0：未患病")
print("1：已患病")

模型预测结果为： 0
========================================
0：未患病
1：已患病