基于spark进行数据分析的心力衰竭可视化大屏项目

基于spark进行数据分析的心力衰竭可视化大屏项目

项目背景

在当今的医疗领域，数据驱动的决策变得日益重要。心力衰竭作为常见的心血管疾病，其临床数据的分析对于改善患者治疗结果至关重要。本文将介绍如何利用Apache Spark进行大规模心力衰竭临床数据的分析，并结合机器学习模型，构建一个交互式的可视化大屏，以直观展示数据分析结果。

数据读取与清洗

使用PySpark库，我们首先读取CSV文件中的心力衰竭临床记录数据，并进行必要的数据清洗工作，包括处理缺失值和异常值。

from pyspark.sql import SparkSession

def read_data_csv(spark):
    df = spark.read.csv("heart_failure_clinical_records_dataset.csv", header=True, inferSchema=True)
    df.show()
    return df

数据分析

我们设计了多个SQL查询，以分析心力衰竭患者的不同临床特征：

1、患者年龄分布：分析不同年龄段患者的死亡事件频率。

def age_death(spark):

    df = spark.sql("""
    SELECT
    (CASE WHEN age >= 0 AND age < 50 THEN '0-49'
         WHEN age >= 50 AND age < 70 THEN '50-69'
         WHEN age >= 70 THEN '70+'
    END) AS age_group,
    sum(DEATH_EVENT) AS frequency
    FROM
        heart
    GROUP BY
    age_group;
    """)

    df.show()

    return df

2、性别比例：统计患者性别分布。

def sex_ana(spark):
    df = spark.sql("""
        SELECT
    sex,
    COUNT(*) AS count
FROM
    heart
GROUP BY
    sex;
        """)

    df.show()

    return df

3、糖尿病与CPK水平：对比糖尿病与非糖尿病患者的肌酸磷酸激酶（CPK）水平。

#3.糖尿病与非糖尿病患者的肌酸磷酸激酶（CPK）水平对比
def average_cpk(spark):
    df = spark.sql("""
    SELECT
    diabetes,
    AVG(creatinine_phosphokinase) AS average_cpk
FROM heart
GROUP BY diabetes;
        """)

    df.show()
    return df

4、死亡事件时间分布：统计每个时间段内的死亡事件数量。

#4.每个时间段的死亡事件数量
def death_sum(spark):
    df = spark.sql("""
        SELECT
        time,
        COUNT(*) AS death_count
    FROM heart
    WHERE death_event = 1
    GROUP BY time
    ORDER BY time;
            """)

    df.show()
    return df

5、射血分数区间分布：分析不同射血分数区间的患者数量。

def hypertension_prevalence(spark):
    df = spark.sql("""
            SELECT
        (CASE WHEN ejection_fraction < 30 THEN '< 30%'
             WHEN ejection_fraction >= 30 AND ejection_fraction < 40 THEN '30-39%'
             WHEN ejection_fraction >= 40 AND ejection_fraction < 50 THEN '40-49%'
             WHEN ejection_fraction >= 50 AND ejection_fraction < 60 THEN '50-59%'
             WHEN ejection_fraction >= 60 THEN '60% and Above'
            END) AS ef_range,
            COUNT(*) AS patient_count
        FROM heart
        GROUP BY ef_range
        ORDER BY ef_range;
                """)

    df.show()

    return df

6、血小板计数与死亡事件：探索血小板计数与死亡事件之间的关系。

#6.血小板计数与死亡事件的关系
def platelet_range_count(spark):
    df = spark.sql("""
                SELECT
    (CASE WHEN platelets < 100000 THEN '< 100000'
         WHEN platelets >= 100000 AND platelets < 150000 THEN '100000-150000'
         WHEN platelets >= 1500000 AND platelets < 300000 THEN '150000-300000'
         WHEN platelets >= 300000 AND platelets < 450000 THEN '300000-450000'
         WHEN platelets >= 450000 THEN '450000 and Above'
    END) AS platelet_range,
    SUM(CASE WHEN death_event = 1 THEN 1 ELSE 0 END) AS death_count
FROM heart
GROUP BY platelet_range;
                    """)

    df.show()

    return df

7、糖尿病与死亡事件：分析糖尿病患者的死亡事件数量。

#7.糖尿病与死亡事件的关系
def death_rate_diabetes(spark):
    df = spark.sql("""
        SELECT
      diabetes,
      SUM(death_event) AS death_events
    FROM
      heart
    GROUP BY
    diabetes;
                        """)

    df.show()

    return df

机器学习模型

使用Pandas和Scikit-learn库对数据进行预处理，并应用KMeans聚类算法来识别心力衰竭患者中的不同亚群。

数据预处理

我们选择特征列，使用StandardScaler进行数据标准化处理。

from sklearn.preprocessing import StandardScaler

scaler = StandardScaler()
scaled_features = scaler.fit_transform(features)

确定最优聚类数

通过Elbow Method和轮廓系数（Silhouette Score）分析，我们确定最佳的聚类数。

K_values = range(2, 50)
wcss_values = []

for K in K_values:
    # 创建KMeans实例
    kmeans = KMeans(n_clusters=K, random_state=2)
    # 拟合模型
    kmeans.fit(scaled_features)
    # 计算WCSS
    wcss = kmeans.inertia_
    wcss_values.append(wcss)

绘制WCSS与K值的关系图

K_values = range(2, 50)
wcss_values = []

for K in K_values:
    # 创建KMeans实例
    kmeans = KMeans(n_clusters=K, random_state=2)
    # 拟合模型
    kmeans.fit(scaled_features)
    # 计算WCSS
    wcss = kmeans.inertia_
    wcss_values.append(wcss)

# 绘制WCSS与K值的关系图
plt.plot(K_values, wcss_values, 'bo-')
plt.xlabel('Number of clusters (K)')
plt.ylabel('WCSS')
plt.title('The Elbow Method showing the optimal k')
plt.show()

绘制轮廓系数与K值的关系图

# 计算每个K值的轮廓系数
silhouette_scores = []
for K in K_values:
    kmeans = KMeans(n_clusters=K, random_state=42)
    kmeans.fit(scaled_features)
    labels = kmeans.labels_
    score = silhouette_score(scaled_features, labels)
    silhouette_scores.append(score)

# 绘制轮廓系数与K值的关系图
plt.plot(K_values, silhouette_scores, 'ro-')
plt.xlabel('Number of clusters (K)')
plt.ylabel('Silhouette Score')
plt.title('Silhouette Scores for varying K')
plt.show()

可视化大屏设计

结合Spark分析结果和机器学习模型的输出，我们设计了一个可视化大屏，该大屏包括以下组件：

年龄分布图表：展示不同年龄段患者的死亡事件频率。
性别比例饼图：直观展示患者性别分布。
CPK水平对比图：通过箱线图展示糖尿病与非糖尿病患者的CPK水平对比。
时间序列图表：展示随时间变化的死亡事件数量。
射血分数分布图：条形图展示不同射血分数区间的患者数量。
血小板计数与死亡事件：通过堆叠条形图展示不同血小板计数范围的死亡事件数量。
糖尿病与死亡事件图表：散点图展示糖尿病患者的死亡事件数量。

import json

from service.task_service import get_age_death, get_diabetes_cpk, get_death_sum, get_hypertension_prevalence, \
    get_sex_ana, get_diabetes_death


class SourceDataDemo:

    def __init__(self):
        self.title = ''
        a,b = get_sex_ana()
        self.counter = {'name': '女性患者数量', 'value': b}
        self.counter2 = {'name': '男性患者数量', 'value': a}
        self.echart1_data = {
            'title': '患者年龄分布',
            'data': get_age_death()
        }
        self.echart2_data = {
            'title': '糖尿病与非糖尿病患者的（CPK）水平对比',
            'data': get_diabetes_cpk()
        }
        self.echarts3_1_data = {
            'title': '死亡情况',
            'data': get_death_sum()
        }
        self.echarts3_2_data = {
            'title': '性别分布',
            'data': [
                {"name": "男性", "value": a},
                {"name": "女性", "value": b},
            ]
        }
        self.echarts3_3_data = {
            'title': '糖尿病情况',
            'data': get_diabetes_death()
        }
        self.echart4_data = {
            'title': '患者死亡时间',
            'data': [
                {"name": "女性", "value": [3, 4, 3, 4, 3, 4, 3, 6, 2, 4, 2, 4, 3, 4, 3, 4, 3, 4, 3, 6, 2, 4, 4]},
                {"name": "男性", "value": [5, 3, 5, 6, 1, 5, 3, 5, 6, 4, 6, 4, 8, 3, 5, 6, 1, 5, 3, 7, 2, 5, 8]},
            ],
            'xAxis': ['01', '02', '03', '04', '05', '06', '07', '08', '09', '11', '12', '13', '14', '15', '16', '17',
                      '18', '19', '20', '21', '22', '23', '24'],
        }
        self.echart5_data = {
            'title': '不同射血分数区间的患者分布',
            'data': get_hypertension_prevalence()
        }

        self.echart6_data = {
            'title': '血小板计数与死亡事件的关系',
            'data': get_diabetes_death()
        }
        self.map_1_data = {
            'symbolSize': 100,
            'data': [
                {'name': '海门', 'value': 239},
                {'name': '鄂尔多斯', 'value': 231},
                {'name': '招远', 'value': 203},
            ]
        }

    @property
    def echart1(self):
        data = self.echart1_data
        echart = {
            'title': data.get('title'),
            'xAxis': [i.get("name") for i in data.get('data')],
            'series': [i.get("value") for i in data.get('data')]
        }
        return echart

    @property
    def echart2(self):
        data = self.echart2_data
        echart = {
            'title': data.get('title'),
            'xAxis': [i.get("name") for i in data.get('data')],
            'series': [i.get("value") for i in data.get('data')]
        }
        return echart

    @property
    def echarts3_1(self):
        data = self.echarts3_1_data
        echart = {
            'title': data.get('title'),
            'xAxis': [i.get("name") for i in data.get('data')],
            'data': data.get('data'),
        }
        return echart

    @property
    def echarts3_2(self):
        data = self.echarts3_2_data
        echart = {
            'title': data.get('title'),
            'xAxis': [i.get("name") for i in data.get('data')],
            'data': data.get('data'),
        }
        return echart

    @property
    def echarts3_3(self):
        data = self.echarts3_3_data
        echart = {
            'title': data.get('title'),
            'xAxis': [i.get("name") for i in data.get('data')],
            'data': data.get('data'),
        }
        return echart

    @property
    def echart4(self):
        data = self.echart4_data
        echart = {
            'title': data.get('title'),
            'names': [i.get("name") for i in data.get('data')],
            'xAxis': data.get('xAxis'),
            'data': data.get('data'),
        }
        return echart

    @property
    def echart5(self):
        data = self.echart5_data
        echart = {
            'title': data.get('title'),
            'xAxis': [i.get("name") for i in data.get('data')],
            'series': [i.get("value") for i in data.get('data')],
            'data': data.get('data'),
        }
        return echart

    @property
    def echart6(self):
        data = self.echart6_data
        echart = {
            'title': data.get('title'),
            'xAxis': [i.get("name") for i in data.get('data')],
            'data': data.get('data'),
        }
        return echart

    @property
    def map_1(self):
        data = self.map_1_data
        echart = {
            'symbolSize': data.get('symbolSize'),
            'data': data.get('data'),
        }
        return echart


class SourceData(SourceDataDemo):

    def __init__(self):
        """
        按照 SourceDataDemo 的格式覆盖数据即可
        """
        super().__init__()
        self.title = '心力衰竭数据可视化大屏'


if __name__ == '__main__':
    sd = SourceData()
    print(sd.echart1())

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