RAG-Driven Enhancement of Multimodal Electronic Health Records Analysis via Large Language Models

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本文提出REALM,一个利用大型语言模型(LLM)和知识图谱(KG)增强多模态电子健康记录(EHR)表示的框架。REALM通过LLM编码临床笔记,GRU编码时间序列EHR,并使用KG知识消除幻觉,确保一致性。在MIMIC-III数据集上的实验显示了优于基线的性能。

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本文是LLM系列文章,针对《REALM: RAG-Driven Enhancement of Multimodal Electronic Health Records Analysis via Large Language Models》的翻译。

REALM:RAG驱动的通过大语言模型增强多模态电子健康记录分析

摘要

多模态电子健康记录(EHR)数据的集成显著提高了临床预测能力。利用临床笔记和多变量时间序列EHR,现有模型往往缺乏与临床任务相关的医学背景,促使外部知识的结合,特别是来自知识图谱(KG)的知识。以往的KG知识提取方法主要侧重于结构化知识提取,而忽略了非结构化数据模式和语义高维医学知识。作为回应,我们提出了REALM,这是一种检索增强生成(RAG)驱动的框架,用于增强多模态EHR表示,以解决这些限制。首先,我们使用大型语言模型(LLM)对长上下文临床笔记进行编码,并使用GRU模型对时间序列EHR数据进行编码。其次,我们提示LLM提取与任务相关的医学实体,并将专业标记的外部知识图谱(PrimeKG)中的实体与相应的医学知识进行匹配。通过与临床标准相匹配和一致,我们的框架消除了幻觉并确保了一致性。最后,我们提出了一种自适应多模态融合网络,将提取的知识与多模态EHR数据相集成。我们对MIMICIII死亡率和再入院任务的广泛实验展示了我们的REALM框架相对于基线的优越性能,强调了每个模块的有效性。REALM框架有助于完善医疗保健中多模态EHR数据的使用,并弥合与对知情临床预测至关重要的细微医疗背景之间的差距。

1 引言

2 相关工作

3 问题定义

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### RAG 驱动的生成式 AI 的工作原理 RAG(Retrieval-Augmented Generation)是一种结合检索和生成模型的方法,旨在通过引入外部知识库来增强生成式人工智能的能力。这种方法的核心在于利用预训练的语言模型进行文本生成的同时,动态地从大规模文档集合中检索相关信息并将其融入到生成过程中。 #### 架构概述 RAG 的架构通常由三个主要组件构成:查询编码器、检索模块以及生成解码器。具体来说: 1. **Query Encoder (查询编码器)** 查询编码器负责将输入问题转化为语义向量表示形式。这一过程允许系统理解用户的意图,并为后续的信息检索提供基础[^2]。 2. **Document Retrieval Module (文档检索模块)** 基于查询编码器产生的嵌入向量,检索模块会搜索预先构建的知识数据库或者索引文件,找到与当前请求最相关的若干段落或句子作为上下文支持材料[^3]。 3. **Generative Decoder (生成解码器)** 解码阶段采用的是强大的序列到序列(Seq2Seq)结构变体——比如T5/Flan-T5系列模型或者是GPT家族成员之一。这些先进的神经网络能够接受来自两个源头的数据流:一方面是从前面提到过的检索部分传递过来的具体实例;另一方面则是原始提问本身。最终输出连贯且富含细节的回答内容[^4]。 以下是基于 Python 实现的一个简化版伪代码框架展示如何搭建这样一个系统: ```python from transformers import RagTokenizer, RagTokenForGeneration def initialize_rag_model(): tokenizer = RagTokenizer.from_pretrained("facebook/rag-token-nq") # 使用Facebook开源版本为例 model = RagTokenForGeneration.from_pretrained("facebook/rag-token-nq") return tokenizer, model def generate_answer(question_text, tokenizer, model): inputs = tokenizer([question_text], return_tensors="pt", truncation=True) with torch.no_grad(): # 推理模式下关闭梯度计算提高效率 outputs = model.generate(**inputs) answer = tokenizer.decode(outputs[0], skip_special_tokens=True) return answer if __name__ == "__main__": question = "What is the capital of France?" tokzr, mdl = initialize_rag_model() response = generate_answer(question, tokzr, mdl) print(response) ``` 此脚本展示了加载预定义好的 RAG 模型及其配套工具链的过程,并演示了一个简单的问答交互案例[^5]。 ### 数据准备与优化技巧 为了使整个流程更加高效,在实际部署前还需要考虑以下几个方面: - 对齐领域特定数据集以微调通用权重参数; - 调整超参设置如批大小(batch size),学习率(learning rate)等影响收敛速度的因素; - 应用剪枝(pruning)/量化(quantization)技术减少资源消耗同时保持性能水平不变甚至有所提升。
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