Dynamic diagnosis is desirable when medical tests are costly or time-consuming. In this work, we use reinforcement learning (RL) to find a dynamic policy that selects lab test panels sequentially based on previous observations, ensuring accurate testing at a low cost. Clinical diagnostic data are often highly imbalanced; therefore, we aim to maximize the $F_1$ score instead of the error rate. However, optimizing the non-concave $F_1$ score is not a classic RL problem, thus invalidates standard RL methods. To remedy this issue, we develop a reward shaping approach, leveraging properties of the $F_1$ score and duality of policy optimization, to provably find the set of all Pareto-optimal policies for budget-constrained $F_1$ score maximization. To handle the combinatorially complex state space, we propose a Semi-Model-based Deep Diagnosis Policy Optimization (SM-DDPO) framework that is compatible with end-to-end training and online learning. SM-DDPO is tested on diverse clinical tasks: ferritin abnormality detection, sepsis mortality prediction, and acute kidney injury diagnosis. Experiments with real-world data validate that SM-DDPO trains efficiently and identifies all Pareto-front solutions. Across all tasks, SM-DDPO is able to achieve state-of-the-art diagnosis accuracy (in some cases higher than conventional methods) with up to $85\%$ reduction in testing cost. The code is available at [https://github.com/Zheng321/Deep-Reinforcement-Learning-for-Cost-Effective-Medical-Diagnosis].


翻译:当医学检测成本高昂或耗时较长时,动态诊断方法尤为重要。本研究利用强化学习(RL)寻求一种动态策略,该策略能基于先前观测结果依次选择实验室检测组合,在保证准确性的同时降低检测成本。临床诊断数据通常呈现高度不平衡特性,因此我们以最大化$F_1$分数为目标,而非关注错误率。然而,优化非凹的$F_1$分数并非经典强化学习问题,导致标准RL方法失效。为解决此问题,我们提出一种奖励塑形方法,通过利用$F_1$分数的性质与策略优化的对偶性,可证明地在预算约束下找到所有帕累托最优策略集合。针对组合复杂的状态空间,我们提出一种支持端到端训练与在线学习的半模型深度诊断策略优化(SM-DDPO)框架。该框架在多种临床任务中进行了测试:铁蛋白异常检测、脓毒症死亡率预测及急性肾损伤诊断。基于真实数据的实验表明,SM-DDPO训练高效且能识别所有帕累托前沿解。在所有任务中,SM-DDPO在实现最先进诊断准确率(部分任务优于传统方法)的同时,将检测成本降低高达85%。代码开源地址:[https://github.com/Zheng321/Deep-Reinforcement-Learning-for-Cost-Effective-Medical-Diagnosis]。

0
下载
关闭预览

相关内容

【2022新书】高效深度学习,Efficient Deep Learning Book
专知会员服务
128+阅读 · 2022年4月21日
100+篇《自监督学习(Self-Supervised Learning)》论文最新合集
专知会员服务
167+阅读 · 2020年3月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Reinforcement Learning: An Introduction 2018第二版 500页
CreateAMind
14+阅读 · 2018年4月27日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
29+阅读 · 2023年2月10日
Arxiv
12+阅读 · 2023年1月19日
Arxiv
67+阅读 · 2022年4月13日
A Multi-Objective Deep Reinforcement Learning Framework
VIP会员
最新内容
《人工智能赋能的适应性多功能电磁战》
专知会员服务
9+阅读 · 9月29日
俄乌战场实验室:全面战争如何重塑现代作战
专知会员服务
6+阅读 · 9月29日
2026年美空军协会会议上的无人机系统趋势
专知会员服务
8+阅读 · 9月28日
反制无人机:乌克兰提供的五点启示
专知会员服务
13+阅读 · 9月23日
《各指挥层级均亟需红队能力》报告
专知会员服务
10+阅读 · 9月23日
《航电任务系统框架(FAMOS)》50页报告
专知会员服务
9+阅读 · 9月22日
《对抗行动中的人工智能与自主性》智库报告
专知会员服务
14+阅读 · 9月22日
《从数据到胜利:战争中的分析优势之争》
专知会员服务
17+阅读 · 9月22日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Reinforcement Learning: An Introduction 2018第二版 500页
CreateAMind
14+阅读 · 2018年4月27日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
相关论文
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员