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ApacheBeam在医疗领域中的应用:实时数据处理和AI辅助诊断

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作者:禅与计算机程序设计艺术

随着医疗服务的日益依赖和提升,医院的工作人员每天都面临着极其多、复杂、高速变化的数据处理任务。而传统的数据处理方式存在以下问题:

数据存储难以统一管理:各个医院的数据存储结构不同,且数据量庞大,管理成本高;

缺乏统一的数据集成、传输和处理平台:各医院需要单独构建数据集成、传输和处理平台,成本高、效率低;

系统复杂性过高:数据处理过程繁琐复杂,耗费大量的人力物力,容易出现各种问题。
基于上述问题,出现了Apache Beam框架(https://beam.apache.org/),它是一个开源的、统一的、应用于数据处理的编程模型和SDK。Beam可以用于大规模并行数据处理,包括ETL、数据湖分析等。从2017年6月1日起,Apache Beam被纳入Apache孵化器。
Apache Beam的主要特性如下:

支持多种编程语言,包括Java、Python、Go、C++等;

有丰富的功能组件,如窗口函数、聚合函数、连接数据库、缓存等;

具有高度可扩展性,支持运行在本地集群或云端服务;

支持批处理和流处理两种模式。
目前,Apache Beam已经被多个大型医院、金融机构和其他组织采用,并且在海量数据的实时处理方面取得了重大突破。本文将讨论Apache Beam在医疗领域的一些应用案例,并着重阐述Apache Beam如何能够帮助医院解决数据处理和AI辅助诊断两个核心问题。

2.基本概念术语说明

Apache Beam是一个分布式的数据处理框架,它的处理逻辑可划分为三个阶段:

  1. 创建:创建时定义数据源、接收器、转换器以及其它参数,并输出到指定文件目录或者数据库中;
  2. 转换:按照用户定义好的转换逻辑,对输入的数据进行转换,如过滤、数据清洗、数据预处理等;
  3. 执行:执行阶段根据用户提供的执行环境,对转换后的结果进行计算。
    在整个流程中,所有的操作都是有状态的,因为Apache Beam不仅可以在离线和分布式集群上执行相同的代码,还可以实现实时计算。其中关键的概念和术语有如下几个:

Pipeline:一个或多个相互依赖的转换操作,通过pipeline连接在一起形成了一个逻辑的工作流,每个stage代表一个转换。一个pipeline可以把多个输入和输出的转换连接起来。
PCollection(数据集):输入到pipeline的数据集称为PCollection(数据集),一个PCollection可以看作是一系列不可变元素的集合,每个元素都是一个K-V对。
DoFn:是一个用于实现特定功能的用户定义的函数。可以做两件事情:
a) 读取输入数据,即从输入文件、数据库、缓存、队列等中读取数据;
b) 对数据做具体的处理。
Windowing:用来确定数据的相关性和规律,基于时间窗口的滑动窗口,把数据分组,即把数据集按一定的时间段划分为若干个小窗口,不同的窗口可能属于不同的计算层级,比如最近的一小时、今天的日志、昨天的日志等。Apache Beam支持多种窗口函数,例如tumbling window(滚动窗口)、sliding window(滑动窗口)、session window(会话窗口)。
ParDo:一种处理模式,用于实现数据的并行处理。即对每个输入数据集中的元素调用DoFn,并发运行。
CoGroupByKey:一种操作,用于合并拥有相同key的不同PCollection。一般用于多种数据源的关联查询。
BigQueryIO:用于读写BigQuery数据集。
FlinkRunner和SparkRunner:两个执行引擎,支持本地和云端运行模式。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解

Apache Beam的特点之一就是可以自由组合和切换各种计算引擎,这些计算引擎之间可以通过Beam API进行交互。对于医院而言,除了底层的传统数据处理功能外,还可以通过Beam提供的计算引擎,结合机器学习算法,提高诊断的准确性和效率。

我们以某个医院的COVID-19疫情诊断项目作为例子,来说明Apache Beam在该项目中的应用。该项目的目标是在短期内对医院患者的输液情况进行诊断,确保病人的生命安全。项目中使用的技术工具及其对应的Apache Beam算子及用法如下所示:

  • 数据采集:由于该项目目标是在短期内诊断COVID-19患者的输液情况,所以数据采集的频率应当比正常情况低很多,而不能每次都将所有患者的呼叫记录和检验结果都实时采集下来。所以这里采用的是离线的数据采集方案,将原始数据转存到HDFS文件系统中,然后再利用Beam框架对其进行数据清洗、转换、加载到数据仓库。
  • 数据清洗:首先,需要将原始数据文件拆分为较小的记录片段,方便后续处理。然后,对每条记录片段进行解析,去除无关信息,保留有用的信息,如患者ID、患者姓名、患者生日、输液类型、送样时间等。接着,利用数据字典检查有效性,确保数据完整性。
  • 数据转换:由于要识别呼吸道症状,如咳嗽、胸闷、乏力、气喘,因此需要将病历中的血液检查结果与实时检验数据相匹配。为了降低匹配误差,这里可以利用Beam中的连接器与检验数据库进行联合查询。同时,需要考虑到输液时间的关系,某些慢性病的病理改变往往发生在输液后几天,因此需要对数据进行排序和窗口化处理。
  • 特征工程:通过数据清洗和转换之后,得到的数据已经是非常扁平的结构,但是需要进一步进行特征工程才能让模型训练更有效。特征工程的目的在于对患者的身体状态进行描述,如平均氧气浓度、平均血压、血糖值等。Beam提供了内置的transforms用于特征工程,如mean、min、max、count等。
  • 模型训练:现在已经有了足够的训练数据集,可以利用机器学习模型对患者的体征进行分类。Beam提供的一些机器学习运算符如Mean、CrossEntropy、LogisticRegression等都可以实现这个功能。最终的输出可以是患者是否患有COVID-19,还是有明确的症状。
  • 测试部署:经过模型训练之后,就可以在线或离线地将新数据流式地传入模型,进行诊断。Beam也提供了相应的API来实现这一功能。

4.具体代码实例和解释说明

首先,引入必要的库:

复制代码
    import apache_beam as beam
    from apache_beam.io import ReadFromText
    from apache_beam.io import WriteToText
    from apache_beam.options.pipeline_options import PipelineOptions
    from apache_beam.metrics import Metrics
    from apache_beam.metrics.metric import MetricsFilter
    import logging
    import json
    import re
    import os

定义输入文件路径:

复制代码
    INPUT_DIR = 'gs://bucket/data'
    OUTPUT_DIR = 'gs://bucket/output'
    SCHEMA_FILE = '/path/to/schema.json' # 可以在这里定义数据字典的JSON文件位置
    LOOKUP_TABLE_FILE = '/path/to/lookup_table.csv' # 可以在这里定义检验数据库的CSV文件位置

编写数据清洗的转换函数:

复制代码
    class DataCleaner(beam.DoFn):
    def __init__(self):
        self.metrics = Metrics.counter(self.__class__, "clean_records")
    
    def process(self, element):
        data = json.loads(element)
        
        try:
            patient_id = int(data['patient_id']) if isinstance(data['patient_id'], str) else None
            
            name = ''
            if 'first_name' in data and 'last_name' in data:
                name += (data['first_name'] +'') if len(data['first_name'].strip()) > 0 else ''
                name += (data['last_name'] +'') if len(data['last_name'].strip()) > 0 else ''
                
            age = int(data['age']) if ('age' in data and isinstance(data['age'], (int, float))) else None
            
            blood_type = ''
            if 'blood_group' in data and isinstance(data['blood_group'], str):
                match = re.match('^([A-Za-z]+)([-+])(\d+)$', data['blood_group'])
                
                if match is not None:
                    blood_type = ''.join(match.groups()).upper()
                    
            date = ''
            if 'date' in data and isinstance(data['date'], str):
                match = re.search('\d{4}-\d{2}-\d{2}', data['date'])
                
                if match is not None:
                    date = match.group()
                
            result = {
                'patient_id': patient_id, 
                'name': name.strip(), 
                'age': age, 
                'blood_type': blood_type, 
               'sample_time': date
            }
            
        except KeyError:
            logging.error("KeyError when processing record with keys %s", ','.join(data.keys()))
            return []
                
        for key, value in list(result.items()):
            if value == '':
                del result[key]
                
        yield json.dumps(result).encode('utf-8')
        
    def finish_bundle(self):
        self.metrics.commit()

编写数据的转换函数:

复制代码
    class TransformData(beam.DoFn):
    
    def __init__(self):
        self.schema = {}
        
        with open(SCHEMA_FILE) as f:
            schema_dict = json.load(f)
            
            for col in schema_dict:
                self.schema[col['name']] = col
                
    def process(self, element):
        record = json.loads(element)
        
        transformed_record = {'patient_id': '', 'name': '', 'age': -1, 'blood_type': '','sample_time': '',
                               **{''.join((k[:1].lower()+re.sub('[^A-Za-z0-9]+','',v)).split()) : v for k,v in record.items()}}
        
        missing_cols = set(self.schema.keys()) - set(transformed_record.keys())
        
        if len(missing_cols)!= 0:
            logging.warning("Record with id '%s' has missing columns %s.", transformed_record['patient_id'], ', '.join(list(missing_cols)))
            return []
        
        clean_values = [value for field_name, value in transformed_record.items()
                        if ((field_name in ['name','blood_type']) or
                            (isinstance(value,(str,float)) and len(value)>0))]
        
        if len(clean_values)<len(self.schema):
            logging.warning("Record with id '%s' does not have any valid values after cleaning up.", transformed_record['patient_id'])
            return []
        
        sample_time = transformed_record.pop('sample_time')
        
        output = {'PatientID': transformed_record.pop('patient_id'),
                  'SampleTime': sample_time}
                  
        for field_name, value in transformed_record.items():
            info = self.schema.get(field_name)
            
            if info is not None:
                col_type = info.get('type')
                
                if col_type=='categorical':
                    output[info['name']] = int(value==info['value'])
                    
                elif col_type=='continuous':
                    lower_bound = float(info.get('range').get('lower'))
                    upper_bound = float(info.get('range').get('upper'))
                    
                    scale = max(upper_bound-lower_bound,1e-5)
                    
                    scaled_value = min(max((value-lower_bound)/scale,0),1)
                    
                    output[info['name']] = round(scaled_value,info.get('precision',4))
                    
        yield json.dumps(output).encode('utf-8')

编写数据写入文件的转换函数:

复制代码
    def write_to_file(output_dir):
    class FileWriter(beam.DoFn):
        def process(self, element):
            file_path = os.path.join(output_dir, "%s_%s.json" % (element["PatientID"],
                                                               element["SampleTime"].replace('-', '_')))
    
            with open(file_path, mode='ab+') as f:
                f.seek(0, 2)
                pos = f.tell()
    
                if pos == 0:
                    header = ",".join(['"%s"'%x for x in sorted(element.keys())]).encode()+'
    '.encode()
                    f.write(header)
    
                row = ",".join(['"%s"'%str(x) for x in element.values()]).encode()+'
    '.encode()
                f.write(row)
    
        def setup(self):
            print("Setting up...")
    
    return FileWriter()

编写数据处理Pipeline:

复制代码
    def run(argv=None):
    pipeline_args = ["--runner=DirectRunner"] # 使用本地运行器
    
    options = PipelineOptions(pipeline_args)
    p = beam.Pipeline(options=options)
    
    records = p | 'ReadFromGCS' >> ReadFromText('%s/*.json' % INPUT_DIR)
    cleaned_records = records | 'DataCleaner' >> beam.ParDo(DataCleaner())
    
    processed_records = cleaned_records | 'TransformData' >> beam.ParDo(TransformData())
    
    written_files = processed_records | 'WriteToFiles' >> beam.ParDo(write_to_file(OUTPUT_DIR))
    
    result = p.run()
    result.wait_until_finish()

最后,提交Pipeline到集群:

复制代码
    gcloud dataproc jobs submit pyspark --cluster=[your cluster name] --region=[your region] \
       --jars=pyarrow==3.0.0 \
       --project=[your project ID] \
       /path/to/script.py --setup_file=/path/to/setup.py

5.未来发展趋势与挑战

随着医疗行业的迅速发展,越来越多的医院将自己的数据存储、处理和分析技术结合到一起,创造出独具特色的诊疗方法。与此同时,由于医疗设备的日益升级换代、人力资源的激增,越来越多的医务人员面临着日益艰巨的工作负担。这就要求医院能够在尽可能短的时间内获取最新、最全面的信息,快速地进行有效的诊断,以维护自己的生命健康。Apache Beam正在成为医疗行业的重要组成部分,可以实现高效的数据处理,并为医院的业务发展提供新的思路。但同时,Apache Beam也面临着许多挑战。

首先,Apache Beam最大的问题就是它的性能瓶颈仍然存在。虽然Apache Beam已经在海量数据的实时处理上获得了长足的进步,但是在性能方面还有很大的优化空间。Apache Beam的一些限制包括内存占用过大、数据倾斜导致的数据量不均匀等。这些问题需要引起重视,并逐渐解决。

其次,Apache Beam的功能还不够完善。Apache Beam还缺少一些高级机器学习组件,如深度学习、GAN、强化学习等,这些组件可以提高医疗诊断的准确性和效率。

第三,Apache Beam的易用性和普适性还不够强。随着医疗行业的不断发展,许多医院都会遇到同样的问题——数据处理的需求日益增加,而数据处理平台的设计、开发和运维等都面临着巨大的挑战。Apache Beam需要进一步完善和普及,以满足医疗界日益增长的需求。

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