<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE root>
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns:ali="http://www.niso.org/schemas/ali/1.0/" article-type="research-article" dtd-version="1.2" xml:lang="en"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">Ekologiya cheloveka (Human Ecology)</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="en">Ekologiya cheloveka (Human Ecology)</journal-title><trans-title-group xml:lang="ru"><trans-title>Экология человека</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn publication-format="print">1728-0869</issn><issn publication-format="electronic">2949-1444</issn><publisher><publisher-name xml:lang="en">Eco-Vector</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="publisher-id">71471</article-id><article-id pub-id-type="doi">10.33396/1728-0869-2021-5-53-64</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="en"><subject>Articles</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="ru"><subject>Статьи</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="article-type"><subject>Research Article</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title xml:lang="en">INTELLIGENT DATA ANALYSIS IN BIOMEDICAL RESEARCH: CONVOLUTIONAL ARTIFICIAL NEURAL NETWORKS</article-title><trans-title-group xml:lang="ru"><trans-title>Применение сверточных искусственных нейронных сетей в медицинских исследованиях</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author"><name-alternatives><name xml:lang="en"><surname>Narkevich</surname><given-names>A. N.</given-names></name><name xml:lang="ru"><surname>Наркевич</surname><given-names>Артем Николаевич</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>доктор медицинских наук, доцент, заведующий лабораторией медицинской кибернетики и управления в здравоохранении, заведующий кафедрой медицинской кибернетики и информатики</p></bio><email>arkevichart@gmail.com</email><xref ref-type="aff" rid="aff1"/></contrib><contrib contrib-type="author"><name-alternatives><name xml:lang="en"><surname>Vinogradov</surname><given-names>K. A.</given-names></name><name xml:lang="ru"><surname>Виноградов</surname><given-names>К. А.</given-names></name></name-alternatives><xref ref-type="aff" rid="aff1"/></contrib><contrib contrib-type="author"><name-alternatives><name xml:lang="en"><surname>Paraskevopulo</surname><given-names>K. M.</given-names></name><name xml:lang="ru"><surname>Параскевопуло</surname><given-names>К. М.</given-names></name></name-alternatives><xref ref-type="aff" rid="aff1"/></contrib><contrib contrib-type="author"><name-alternatives><name xml:lang="en"><surname>Mamedov</surname><given-names>T. H.</given-names></name><name xml:lang="ru"><surname>Мамедов</surname><given-names>Т. Х.</given-names></name></name-alternatives><xref ref-type="aff" rid="aff1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff1"><aff><institution xml:lang="en">Voyno-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University</institution></aff><aff><institution xml:lang="ru">ФГБОУ ВО «Красноярский государственный медицинский университет им. проф. В. Ф. Войно-Ясенецкого»</institution></aff></aff-alternatives><pub-date date-type="pub" iso-8601-date="2021-05-15" publication-format="electronic"><day>15</day><month>05</month><year>2021</year></pub-date><volume>28</volume><issue>5</issue><issue-title xml:lang="en">NO5 (2021)</issue-title><issue-title xml:lang="ru">№5 (2021)</issue-title><fpage>53</fpage><lpage>64</lpage><history><date date-type="received" iso-8601-date="2021-06-10"><day>10</day><month>06</month><year>2021</year></date></history><permissions><copyright-statement xml:lang="en">Copyright ©; 2021, Narkevich A.N., Vinogradov K.A., Paraskevopulo K.M., Mamedov T.H.</copyright-statement><copyright-statement xml:lang="ru">Copyright ©; 2021, Наркевич А.Н., Виноградов К.А., Параскевопуло К.М., Мамедов Т.Х.</copyright-statement><copyright-year>2021</copyright-year><copyright-holder xml:lang="en">Narkevich A.N., Vinogradov K.A., Paraskevopulo K.M., Mamedov T.H.</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="ru">Наркевич А.Н., Виноградов К.А., Параскевопуло К.М., Мамедов Т.Х.</copyright-holder><ali:free_to_read xmlns:ali="http://www.niso.org/schemas/ali/1.0/"/><license><ali:license_ref xmlns:ali="http://www.niso.org/schemas/ali/1.0/">https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0</ali:license_ref></license></permissions><self-uri xlink:href="https://hum-ecol.ru/1728-0869/article/view/71471">https://hum-ecol.ru/1728-0869/article/view/71471</self-uri><abstract xml:lang="en"><p>Convolutional neural networks are one of the modern tools that allow medical research to analyze and recognize not just a set of data about the objects under study or patients, but to use an image as the object under study. Due to the significant role of visual diagnostic methods in the provision of medical care, the use of intelligent recognition of the results of these methods becomes essential. At the moment, convolutional neural networks become widespread in research on the quality of diagnostics in various fields of medicine. However, complex mathematical apparatus behind convolutional neural networks function, and the tools for their construction limit implementation of these models into medical research and practice. This paper provides a gentle introduction to the methodology and application possibilities of convolutional neural networks in medical research. In this paper the reader will find methodological foundations behind convolutional neural networks, a description of a data set for building such models, an example of construction of a convolutional neural network model for classification of dermatoscopic images using TensorFlow and Keras libraries in Python as well as recommendations on how to present the results of building convolutional neural networks.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="ru"><p>Одним из современных средств, позволяющих в медицинских исследованиях анализировать и распознавать не просто набор данных об исследуемых объектах или пациентах, а использовать в качестве изучаемого объекта изображение, являются сверточные нейронные сети. Ввиду значительной роли визуальных методов диагностики при оказании медицинской помощи использование интеллектуального распознавания результатов данных методов приобретает существенную актуальность. На текущий момент сверточные нейронные сети получили достаточно широкое распространение в работах, посвященных повышению качества диагностики в различных сферах медицины. Однако достаточно сложные математический аппарат, на основе которого функционируют сверточные нейронные сети, и инструменты их построения не позволяют широко внедрить данные модели в исследовательскую медицинскую практику. Целью данной статьи является представление методологии и возможностей применения сверточных нейронных сетей в медицинских исследованиях, а также представление примера построения сверточной нейронной сети для решения задачи классификации медицинских изображений. В статье приведены методологические основы функционирования сверточных нейронных сетей, описание набора данных для построения таких моделей, пример построения модели сверточной нейронной сети для решения задачи классификации дерматоскопических изображений с применением библиотек tensorflow и keras на языке python, а также рекомендации по представлению результатов построения сверточных нейронных сетей.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="en"><kwd>tensorflow</kwd><kwd>keras</kwd><kwd>python</kwd><kwd>isic-archive</kwd><kwd>Intelligent data analysis</kwd><kwd>convolutional neural networks</kwd><kwd>TensorFlow</kwd><kwd>Keras</kwd><kwd>Python</kwd><kwd>mathematical modeling</kwd><kwd>isic-archive</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>Интеллектуальный анализ данных</kwd><kwd>сверточные нейронные сети</kwd><kwd>математическое моделирование</kwd></kwd-group></article-meta></front><body></body><back><ref-list><ref id="B1"><label>1.</label><mixed-citation>Алексеева О. В., Россиев Д. А., Ильенкова Н. А. Применение искусственных нейронных сетей в дифференциальной диагностике рецидивирующего бронхита у детей // Сибирское медицинское обозрение. 2010. Т. 66, № 6. С. 75-79</mixed-citation></ref><ref id="B2"><label>2.</label><mixed-citation>Волосова А. В. Применение методов искусственного интеллекта для визуализации МРТ-изображений и ранней диагностики болезни Альцгеймера // Аспирант и соискатель. 2019. № 2. С. 124-126</mixed-citation></ref><ref id="B3"><label>3.</label><mixed-citation>Гржибовский А. М., Иванов С. В., Горбатова М. А. Однофакторный линейный регрессионный анализ с использованием программного обеспечения Statistica и SPSS // Наука и здравоохранение. 2017. № 2. С. 5-33</mixed-citation></ref><ref id="B4"><label>4.</label><mixed-citation>Гуляев Ю. В., Корженевский А. В., Черепенин В. А. О возможности использования электроимпедансной компьютерной томографии для диагностики поражения легких вирусом COVID-19 // Журнал радиоэлектроники. 2020. № 5. С. 12</mixed-citation></ref><ref id="B5"><label>5.</label><mixed-citation>Далечина А. В., Беляев М. Г., Тюрина А. Н., Золотова С. В., Пронин И. Н., Голанов А. В. Методы машинного обучения в сегментации глиом для планирования стереотоксической лучевой терапии // Лучевая диагностика и терапия. 2019. № 2. С. 24-31</mixed-citation></ref><ref id="B6"><label>6.</label><mixed-citation>Ковалев В. А., Войнов Д. М., Малышев В. Д., Лапо Е. Д. Компьютеризированная диагностика рака простаты на основе полнослайдовых гистологических изображений и методов глубокого обучения // Информатика. 2020. Т. 17, № 4. С. 48-60</mixed-citation></ref><ref id="B7"><label>7.</label><mixed-citation>Константинова Е. Д., Вараксин А. Н., Жовнер И. В. Определение основных факторов риска развития неинфекционных заболеваний: метод деревьев классификации // Гигиена и санитария. 2013. Т. 92, № 5. С. 69-72</mixed-citation></ref><ref id="B8"><label>8.</label><mixed-citation>Нагорнов Н. Н. Моделирование вейвлет-обработки трехмерных изображений в медицине // Современная наука и инновации. 2019. № 3. С. 22-31</mixed-citation></ref><ref id="B9"><label>9.</label><mixed-citation>Никитина М. А., Пчелкина В. А., Чернуха И. М. Нейросетевые технологии в анализе гистологических препаратов // Контроль качества продукции. 2019. № 3. С. 17-24</mixed-citation></ref><ref id="B10"><label>10.</label><mixed-citation>Харевич О. Н., Лаптева И. М., Лаптева Е. А., Королева Е. Г. Клинические фенотипы тяжелой астмы (по результатам кластерного анализа) // Вестник Санкт-Петербургского университета. Медицина. 2015. № 2. С. 28-39</mixed-citation></ref><ref id="B11"><label>11.</label><mixed-citation>Шилов О. А. Сегментация изображений легких человека с использованием свёрточных нейронных сетей // Процессы управления и устойчивость. 2020. Т. 7, № 1. С. 178-182</mixed-citation></ref><ref id="B12"><label>12.</label><mixed-citation>Anwar S. M., Majid M., Qayyum A., Awais M., Alnowami M., Khan M. K. Medical image analysis using convolutional neural networks: A review. Journal of Medical Systems. 2018, 42 (1 1), р. 226. DOI: 10.1007/s 10916018-1088-1.</mixed-citation></ref><ref id="B13"><label>13.</label><mixed-citation>Bamber J. H., Evans S. A. The value of decision tree analysis in planning anaesthetic care in obstetrics. International Journal of Obstetric Anesthesia. 2016, 27, рр. 55-61. DOI: 10.1016/j.ijoa.2016.02.007.</mixed-citation></ref><ref id="B14"><label>14.</label><mixed-citation>Ben-Gal I., Dana A., Shkolnik N., Singer G. Efficient Construction of Decision Trees by the Dual Information Distance Method. Quality Technology &amp; Quantitative Management. 2014, 11 (1), рр. 133-147.</mixed-citation></ref><ref id="B15"><label>15.</label><mixed-citation>Chereda H., Bleckmann A., Kramer F., Leha A., Beissbarth T. Utilizing molecular network information via graph convolutional neural networks to predict metastatic event in breast cancer. Studies in Health Technology and Informatics. 2019, 267, pp. 181-186. DOI: 10.3233/SHTI190824.</mixed-citation></ref><ref id="B16"><label>16.</label><mixed-citation>Cybenko G. Approximation by superpositions of a sigmoidal function. Mathematics of Control, Signals, and Systems. 1989, 2 (4), pp. 303-314. DOI: 10.1007/ BF02551274.</mixed-citation></ref><ref id="B17"><label>17.</label><mixed-citation>LeCun Y., Boser B., Denker J. S., Henderson D., Howard R. E., Hubbard W, Jackel L. D. Backpropagation Applied to Handwritten Zip Code Recognition. Neural Computation. 1989. 1 (4). pp. 541-551.</mixed-citation></ref><ref id="B18"><label>18.</label><mixed-citation>Nair V, Hinton G. E. Rectified Linear Units Improve Restricted Boltzmann Machines. 27th International Conference on International Conference on Machine Learning. 2010. USA, Omnipress, pp. 807-814.</mixed-citation></ref><ref id="B19"><label>19.</label><mixed-citation>Sumida I., Magome T., Kitamori H., Das I. J., Yamaguchi H., Kizaki H., Aboshi K., Yamashita K., Yamada Y., Seo Y., Isohashi F., Ogawa K. Deep convolutional neural network for reduction of contrast-enhanced region on CT images. Journal of Radiation Research. 2019, 60 (5), pp. 586594. DOI: 10.1093/jrr/rrz030.</mixed-citation></ref><ref id="B20"><label>20.</label><mixed-citation>Viebke A., Memeti S., Pllana S., Abraham A. CHAOS: a parallelization scheme for training convolutional neural networks on Intel Xeon Phi. The Journal of Supercomputing. 2019, 75 (1 ), pp. 197-227. DOI: 10. 1007/s 1 1227-017-1994-x.</mixed-citation></ref><ref id="B21"><label>21.</label><mixed-citation>Wollmann T., Gunkel M., Chung I., Erfle H., Rippe K., Rohr K. GRUU-Net: Integrated convolutional and gated recurrent neural network for cell segmentation. Medical Image Analysis. 2019, 56, pp. 68-79. DOI: 10.1016/j. media.2019.04.01 1.</mixed-citation></ref><ref id="B22"><label>22.</label><mixed-citation>Wu Y., Lin L., Wang J., Wu S. Application of semantic segmentation based on convolutional neural network in medical images. Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi. 2020, 37 (3), pp. 533-540. DOI: 10.7507/1001- 5515.201906067.</mixed-citation></ref><ref id="B23"><label>23.</label><mixed-citation>Yasaka K., Akai H., Kunimatsu A., Kiryu S., Abe O. Deep learning with convolutional neural network in radiology. Japanese Journal of Radiology. 2018, 36 (4), pp. 257-272. DOI: 10.1007/s1 1604-018-0726-3.</mixed-citation></ref><ref id="B24"><label>24.</label><mixed-citation>Zhang W. Image processing of human corneal endothelium based on a learning network. Applied Optics. 1991, 30 (29), pp. 4211-4217. DOI: 10.1364/AO.30.004211.</mixed-citation></ref><ref id="B25"><label>25.</label><mixed-citation>Zhang Y., Lin H., Yang Z., Wang J., Sun Y., Xu B., Zhao Z. Neural network-based approaches for biomedical relation classification: A review. Journal of Biomedical Informatics. 2019, 99, e103294. DOI: 10.1016/j.jbi.2019.103294.</mixed-citation></ref></ref-list></back></article>
