SHAP可视化方法，临床预测模型解释新框架！

SHAP可视化方法，临床预测模型解释新框架！

SHAP法作为一个强有力的工具，能帮助我们理解模型的输出，告诉我们每一个特征对预测结果的影响。可以说，无论是复杂的深度学习模型，还是简单的回归模型，SHAP都能给出解释。先前我们介绍了SHAP的理论背景，今天来上点干货，开启我们系列文章的第二篇：SHAP分析之可视化及其可视化图表！

为了使这些 Shapley 值更容易理解，SHAP 库提供了各种可视化工具。而这就是我们所说的SHAP可视化图表，每张图都有其特定的解释方式、目的、优点和缺点。下面我们将用一个具体的回归模型帮助我们理解SHAP分析可视化的不同图表（无特殊说明，展示的是测试集的SHAP分析）。

数据集与模型

数据来源：美国国家健康与营养调查（NHANES）数据，该数据用于评估美国成人和儿童的健康与营养状况；
特征变量：性别、体重指数（BMI）、年龄、过去一年中饮酒天数和一周内进行中度或剧烈运动的天数等特；
数据划分：70%数据作为训练集、30%数据作为测试集；
模型：XGBoost作为回归模型；
可解释性分析：在确认模型拟合良好之后，使用SHAP包计算了训练集和测试集的SHAP值。

SHAP可视化图表详解

条形图

条形图作为一个全局解释方法，展示了每个特征在所有预测中的平均绝对SHAP值，是衡量特征重要性的标准。

优点：SHAP值与模型预测的单位相同，结果更直观。
缺点：缺乏对影响方向性的细致区分，无法表明特征与预测值之间的关系是否是单调的。

此外，基于 SHAP 值选择一个阈值来识别最重要的特征时，往往需要根据领域知识，并且应根据具体情况来决定，因此并没有普遍适用的规则。

下图展示了使用 SHAP 分析得到的条形图，结果显示年龄是影响最大的特征，其次是 BMI 和性别。

蜂群图

蜂群图展示特征的全局分布，按平均SHAP值对特征进行排序。

• 每个点代表一个特征在样本中的SHAP值，图中的颜色表示特征值的大小；
• 红色代表高值，蓝色代表低值；
• 点的位置由SHAP值决定，越大越远离零。

优点：蜂群图可以同时展示多个特征的影响，并揭示特征与预测值之间的关系形态（如单调递增或非线性等）。
缺点：由于使用颜色作为尺度，当特征变化不明显时，可能难以清晰地从颜色差异中提取关系形态。

下图展示了使用 SHAP 分析的蜂群图，我们可以从图中得出以下信息：

• 年龄的SHAP值范围较广，并呈现出单调递增的趋势：
• 同时，年龄和BMI的SHAP值表现出相似的模式，这可能暗示这两个特征之间存在交互作用，可以通过进一步的分析来确认这一点。

散点图

散点图展示特征值（x轴）与SHAP值（y轴）之间的关系，每个点都代表一个样本的特征值和SHAP值，灰色直方图则显示了特征值的分布。通过散点图，我们可以观察特征值与SHAP值之间的关系是否线性，也可以添加趋势线以检测关系类型。同时，SHAP值的垂直分布还可以揭示该特征与其他特征的交互效应。散点图还可以基于另一个特征值来着色，从而更好地分析特征间的交互。需要注意的是，在样本少的区域，图示趋势可能不够可靠。

优点：清晰展示特征对模型预测的影响方向、大小和变化。
缺点：每次只能展示一个特征，若需展示多个特征，需绘制多张图。

下图展示了年龄的SHAP分析散点图，并根据BMI着色。可以看到：

• 年龄超过50岁时，SHAP值通常为正（即血压较高），且表现出非线性关系；
• 此外，未发现年龄与BMI间的显著交互作用。

下图展示了在五折交叉验证下年龄特征的SHAP值分布，通过不同颜色区分各折叠，并按训练-测试集分面。可以看到，年龄特征的SHAP值趋势在各折叠和数据集之间保持一致，说明该特征的影响稳定可靠。

瀑布图

瀑布图作为一种局部解释方法，专注于单个样本，展示单个样本的SHAP值，并直观呈现各特征对预测结果的影响。可以说，该方法特别适用于分析异常值或特定样本的预测。它能帮助我们理解各个特征对模型输出的具体影响，便于我们进行具体的预测分析。在瀑布图中，特征按y轴排列，每个特征的实际值以灰色表示。每个特征的SHAP值通过箭头展示，红色箭头表示预测值增加，蓝色箭头表示预测值减少。

下图展示了使用 SHAP 分析得到一个示例受试者的瀑布图。可以看到，BMI是影响该受试者与平均预测值之间差异的最重要特征。

接下来将用两个不同类别的具体例子，来帮我们进一步理解SHAP法分析可视化图的应用。

乳腺癌诊断数据集分析

以下是用于分析的数据集，及其建模的方法，我们的SHAP图将展示预测概率与预测对数几率，综合考量之后，我们可以得出影响最大的关键特征。

数据来源：乳腺癌诊断数据集；
特征变量：从乳腺肿块的细针抽吸图像中计算出来的特征；
数据划分：70%数据作为训练集、30%数据作为测试集；
任务：区分肿块是恶性还是良性；
模型：XGBoost训练模型，并进行超参数调优以确保模型拟合良好；
可解释性分析：在确认模型拟合良好之后，使用SHAP包计算了训练集和测试集的SHAP值。

条形图

下示的SHAP分析的条形图中，左侧图表基于预测概率，右侧则基于预测对数几率。在这两个图表中，concave points特征的平均绝对SHAP值最高，排在第一位；其次是area和texture。

值得一提的是，SHAP值在这两种模式下的数值会有所不同。例如在概率模式下，concave points的平均绝对SHAP值为0.26，而在对数几率模式下，这一值则为3.81。但不论使用哪种模式concave points都是最能影响乳腺肿块分类（良性或恶性）的关键特征。

蜂群图

下图SHAP分析的蜂群图中，左侧图表同样基于预测概率，右侧则基于预测对数几率。可以看到，concave points、area、texture和concavity等特征与SHAP值呈正相关关系——特征值越高，模型预测的概率或对数几率也越高。特别是在area特征上，一些中间值（图中的紫色点）对应最高的SHAP值，暗示这种关系并非完全线性。

散点图

下图注重展示了concave points这一关键特征的散点图，左侧图表基于预测概率，右侧则基于预测对数几率。可以看到，随着concave points值的增加，其对应的SHAP值也随之增大，直到约0.09。在这之后，SHAP值趋于平稳，尤其是在预测对数几率时。值得注意的是，当concave points的特征值达到0.05时，模型的预测发生了显著变化：从较低的概率或对数几率转变为较高的概率或对数几率。这表明concave points对分类结果有重要影响。

药物代谢动力学数据集分析

就算我们对药物代谢动力学不太了解，但通过SHAP分析，我们同样能得出对结果贡献最大的特征。

数据来源：基于体内药物代谢动力学（PK）模型的模拟数据。该模型假设药物通过一级吸收进入体内，并以线性速度被清除，同时假设不同个体的清除率有所不同；
特征变量：药物的浓度-时间曲线。这些数据在48小时内每4小时采样一次，共12次浓度值；
数据划分：70%数据作为训练集、30%数据作为测试集；
任务：预测每个个体的清除率；
模型：LSTM模型，并进行超参数调优以确保模型拟合良好；
可解释性分析：在确认模型拟合良好之后，使用GradientExplainer计算了训练集和测试集的SHAP值。

下图展示了SHAP分析的不同可视化图，包括条形图b、蜂群图c和展示药物浓度与SHAP值关系的散点图（d–f）。具体而言：

• 图a展示了一个PK模型的时间过程示例。
• 在图b中，我们看到最重要的特征是 C1,9，其次是 C1,13和 C1,17它们对预测个体清除率贡献显著。
• 图c的蜂群图显示，在药物排泄阶段，浓度的SHAP值呈现单调递减趋势，除了 C0,5和C1,5。
• 图d和图e的散点图显示，对于相同的TSLD，不同周期的药物浓度SHAP值遵循相同趋势。
• 而图f的散点图则显示，第一个周期的药物浓度SHAP值呈单调递增趋势，符合我们的预期。

今天的文章就分享到这里，SHAP的可视化功能特别强大，建议大家可以多尝试不同的图表类型，这能帮助我们从不同角度理解模型。