Биомедицинские сигналы и изображения в цифровом здравоохранении: хранение, обработка и анализ

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Биомедицинские сигналы и изображения 
в цифровом здравоохранении: 
хранение, обработка и анализ

Учебное пособие

Под общей редакцией
доктора технических наук В. С. Кубланова

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлениям подготовки 
09.04.02 — Информационные системы и технологии, 
12.04.04 — Биотехнические системы и технологии, 
27.04.03 — Системный анализ и управление

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 615.84:621.39:004.3(075.8)
ББК 53.4я73+32.8я73
          Б63
Авторы:
В. С. Кубланов (гл. 1, 2), А. Ю. Долганов (гл. 2, 3 (перевод), 4), В. Б. Костоусов (гл. 6), 
А. П. Немирко (гл. 5), Л. А. Манило (гл. 5), Т. С. Петренко (гл. 1),  H. Gamboa (гл. 3),  
J. Rodriges (гл. 3)

Рецензенты:
заведующий кафедрой инфокоммуникационных технологий Южно-Уральского государственного университета (научно-исследовательский университет), д-р техн. 
наук, доц. С. Н. Даровских;
лаборатория морфологии и биохимии института иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН (замдиректора ИИиФ УрО РАН д-р биол. наук, доц. И. Г. Данилова)

Б63

    Биомедицинские сигналы и изображения в цифровом здравоохранении: хранение, 
обработка и анализ : учебное пособие / В. С. Кубланов, А. Ю. Долганов, В. Б. Костоусов [и др.] ; [под общ. ред. В. С. Кубланова] ; Мин-во науки и высш. образования 
РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2020. — 240 с.

ISBN 978-5-7996-2990-8

В учебном пособии изложены современные практические рекомендации по математическим методам и алгоритмам анализа биомедицинских сигналов и изображений.
Методы цифровой обработки биомедицинских сигналов и изображений излагаются с учетом специфических особенностей сигналов биологического происхождения и рассматриваются на конкретных примерах, иллюстрирующих их практическое применение. Основное внимание уделено работе с существующими базами данных биомедицинских сигналов, а также 
методикам проведения собственных функциональных исследований.
Учебное пособие ориентировано на преподавателей, аспирантов и студентов-магистрантов, обучающихся по специальностям, связанным с цифровой обработкой сигналов и изображений, интеллектуальными информационными системами и функциональной диагностикой. 
Пособие будет полезно также врачам, интересующимся современными методами компьютерного анализа биомедицинских сигналов и изображений и методами машинного обучения 
в задачах классификации данных.
Работа поддержана Постановлением Правительства Российской Федерации № 211, договор 02.А03.21.0006.

Библиогр.: 124 назв. Табл. 1. Рис. 72.

УДК 615.84:621.39:004.3(075.8)
ББК 53.4я73+32.8я73

ISBN 978-5-7996-2990-8 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2020



Оглавление

Список сокращений ................................................................................ 5

Введение ................................................................................................. 7

Глава 1. Обзор общих принципов функционирования организма  ......... 12
1.1. Механизмы регуляции. Функции организма .............................. 16
1.2. Высшая нервная и психическая деятельность ............................. 18
1.3. Системный принцип регуляции функций организма ................. 22
Контрольные вопросы к главе 1 ......................................................... 27

Глава 2. Биомедицинские сигналы в задачах функциональной 
диагностики: принципы формирования исследований  
и их организация   .................................................................................. 28
2.1. Электрокардиограмма .................................................................. 31
2.2. Электроэнцефалограмма .............................................................. 36
2.3. Сигналы кожно-гальванической реакции ................................... 38
2.4. Стабилографический сигнал ........................................................ 40
2.5. Речевой сигнал .............................................................................. 43
2.6. Биосигналы функциональной диагностики второй группы ....... 45
2.7. Организация функциональных исследований ............................ 47
Практическое задание к главе 2 .......................................................... 54
Контрольные вопросы к главе 2 ......................................................... 54

Глава 3. Хранение биомедицинских сигналов  ....................................... 56
3.1. Форматы биосигналов .................................................................. 57
3.2. Базы данных биосигналов ............................................................ 71
3.3. API для баз данных и анализа биосигналов ................................. 74
Практическое задание к главе 3 .......................................................... 77
Контрольные вопросы к главе 3 ......................................................... 78

Глава 4. Расчет параметров биомедицинских сигналов  ........................ 79
4.1. До обработки сигналов ................................................................. 79
4.2. Предобработка сигналов .............................................................. 82
Практическое задание к п. 4.1 и 4.2 .................................................... 86

Оглавление

4.3. Статистические параметры .......................................................... 86
Практическое задание к п. 4.3 ............................................................ 89
4.4. Гистограммы распределения ........................................................ 89
Практическое задание к п. 4.4 ............................................................ 92
4.5. Спектральные показатели (Фурье-анализ) .................................. 92
Практическое задание к п. 4.5 ............................................................ 95
4.6. Спектральные показатели (вейвлет-преобразование) ................ 96
Практическое задание к п. 4.6 ............................................................ 99
4.7. Нелинейные оценки ....................................................................100
Практическое задание к п. 4.7 ...........................................................105
Контрольные вопросы к главе 4 ........................................................105

Глава 5. Применение методов машинного обучения для анализа 
биомедицинских сигналов  ...................................................................106
5.1. Методы классификации ..............................................................107
5.2. Метод главных компонент ..........................................................116
Практическое задание к п. 5.2 ...........................................................120
5.3. Линейный дискриминантный анализ .........................................121
Практическое задание к п. 5.3 ...........................................................125
5.4. Машинное обучение нейрона .....................................................126
Практическое задание к п. 5.4 ...........................................................132
Контрольные вопросы к главе 5 ........................................................132

Глава 6. Обработка изображений в биомедицинских задачах  .............134
6.1. Базовые операции ........................................................................136
Практическое задание к п. 6.1 ...........................................................158
6.2. Методы улучшения изображений: ..............................................158
Практическое задание к п. 6.2 ...........................................................167
6.3. Восстановление изображений .....................................................167
Практическое задание к п. 6.3 ...........................................................182
6.4. Дескрипторы особенностей ........................................................182
Практическое задание к п. 6.4 ...........................................................195
6.5. Обработка видео последовательности ........................................195
Практическое задание к п. 6.5 ...........................................................215
6.6. Анализ видеоизображения для оценки сердечного ритма .........215
Практическое задание к п. 6.6 ...........................................................228
Контрольные вопросы к главе 6 ........................................................228

Список библиографических ссылок .....................................................230



Список сокращений

АВ 
— атрисвентрикулярный (узел)
АД 
— артериальное давление
АРД 
— акцептор результата действия
ВНД 
— высшая нервная деятельность
ВНС 
— вегетативная нервная система
ВОЗ 
— Всемирная организация здравоохранения
ВПР 
— вегетативный показатель ритма
ВР 
— вегетативное равновесие
ВСР 
— вариабельность сердечного ритма
ДПВ 
— длительность пульсовой волны
ДПФ — дискретное преобразование Фурье
ДФ 
— дискриминантная функция
ИАП — индекс активации подкорковых нервных центров
ИВР 
— индекс вегетативного равновесия
ИН 
— индекс напряжения регуляторных систем
КВК 
— коэффициент взаимной корреляции
КГР 
— кожно-гальваническая реакция
КИХ 
— конечная импульсная характеристика
ЛГ 
— лапласская гауссиана
ЛДФ — линейная дискриминантная функция
ЛЖ 
— левый желудочек
ЛП 
— левое предсердие
МА 
— мерцательная аритмия
НР 
— нормальный ритм
ПАПР — показатель адекватности процессов регуляции
ПЖ 
— правый желудочек
ПЛБ 
— порогового логического блока
ПП 
— правое предсердие
ПРВ 
— плотность распределения вероятностей

Списоксокращений

СА 
— синоартриальный (узел)
ФВК — функция взаимной корреляции
ФВЧ 
— фильтр высоких частот
ФНЧ — фильтр низких частот
ФР 
— функция распределения
ЦД 
— центр давления
ЦНС — центральная нервная система
ЧСС 
— частота сердечных сокращений
ЧЭ 
— частая экстрасистолия
ЭКГ 
— электрокардиограмма
ЭКоГ — электрокортикограмма
ЭМГ — электромиография
ЭОГ 
— электроокулография
ЭЭГ 
— электроэнцефалограмма
BRIEF — binary Robust Independent Elementary Features
FAST — feature from Accelerated Segment Test
HOG — histogram of oriented gradients
MLDB — modified Local Difference Binary
ORB 
— oriented FAST and Rotated BRIEF
rPPG — remote photoplethysmography
SCL 
— skin conductivity level
SCR 
— skin conductivity response
SIFT 
— scale Invariant Feature Transform
SURF — speeded-UP Robust Features



Введение

И

зменения условий жизни популяции в XXI веке во многом 
определяются достижениями науки и техники, которые способствуют увеличению продолжительности жизни человека 
и замедлению его старения. Эти процессы обусловливаются успехами 
в профилактике, ранним выявлением и лечением заболеваний, особенно детей и пожилых людей.
Следует отметить, что эти изменения наблюдаются на фоне возрастающего темпа жизни, избытка электронной информации, дефицита времени, снижения физической активности, гиподинамии, урбанизации, увеличения частоты техногенно-экологических катастроф, 
военных и социальных конфликтов и, по существу, охватили все сферы производственной и социальной деятельности человека. В этих 
условиях создаются предпосылки для нарастания психоэмоциональных перегрузок на человека и ухудшения его адаптации к изменениям 
окружающей среды. Это отражается на изменении структуры и причин смертности.
Основными причинами смерти по-прежнему являются болезни системы кровообращения и злокачественные новообразования. Цереброваскулярные заболевания отодвинулись на четвертое место, а третье место заняли хронические болезни нижних дыхательных путей. 
Далее следуют нейродегенеративные заболевания, которые сопровождаются когнитивными и моторными нарушениями. Другие хронические заболевания и нарушения здоровья в меньшей степени ограничивают деятельность пожилых людей, хотя в старшей возрастной 
группе роль нарушений зрения и слуха, а также старческого слабоумия резко возрастает [1].
Почему именно в настоящее время эффективное внедрение цифровых технологий в сферу здравоохранения является важнейшим элементом создания крепких и слаженно работающих систем здравоохранения,  

Введение

а также расширения прав и возможностей пациентов в контексте перехода к помощи, ориентированной на нужды людей?
Охрана здоровья населения является одним из ведущих компонентов мирового развития. В материалах ТАСС от 22.09.2019 (https://tass.
ru/obschestvo), Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) считает, что странам следует увеличить ежегодные капиталовложения 
в первичную медицинскую помощь не менее чем на 1 % валового внутреннего продукта. Такие инвестиции в целях устойчивого развития 
позволят человечеству сделать значительный шаг на пути к выполнению поставленной Организацией объединенных наций задачи всеобщего охвата к 2030 году населения медико-санитарными услугами. 
Для эффективного управления этими ресурсами как никогда актуальной становится развитие и внедрение методов цифрового управления экономикой. Примером такого подхода являются США, где объем инвестиций в цифровое здравоохранение увеличивается каждый 
год в 1,5 раза.
В России цифровое управление экономикой поддерживается на федеральном уровне: целевая программа «Цифровая экономика РФ» 
определена распоряжением Правительства от 28 июля 2017 г. № 1632-р 
и предусматривает создание отраслевых цифровых платформ по различным направлениям экономической деятельности. Этой программой определены цели, задачи, направления и сроки реализации основных мер государственной политики по созданию необходимых условий 
для развития в России цифровой экономики, в которой данные в цифровом виде являются ключевым фактором производства во всех сферах социально-экономической деятельности. В полной мере это относится и к здравоохранению.
Для отечественного здравоохранения открытие направления «цифровая медицина» является реальным шансом занять лидирующие позиции в структуре экономического роста страны: как в федеральных 
лечебно-профилактических учреждениях, так и в частном медицинском бизнесе открываются новые возможности для развития информационных технологий, обеспечивающих приближение квалифицированной медицинской помощи непосредственно к пациенту.
Сегодня как никогда ключевая информация здравоохранения, на основании которой будут приниматься решения об оказании клинической помощи, должна быть доступна в нужное время и нужном месте. 
Здесь цифровому здравоохранению отводится весомая роль в выполне

Введение

нии ключевых приоритетных задач общественного здравоохранения, 
сформулированных в европейской политике здравоохранения «Здоровье-2020», которая была утверждена государствами-членами в 2012 г.
Политика «Здоровье-2020» предполагает создание крепких межсекторальных механизмов для минимизации различных факторов риска 
и воздействия на детерминанты здоровья для сокращения неравенств 
в здоровье и значительных показателей здоровья и благополучия населения. Повестка дня ООН в области устойчивого развития на период до 2030 г. продолжает и расширяет концепцию политики «Здоровье-2020», предполагая укрепление потенциала государств-членов для 
достижения более высоких, справедливых и стабильных показателей 
здоровья и благополучия на всех этапах жизненного пути.
Цифровые решения могут способствовать достижению связанных 
со здоровьем целей устойчивого развития и обеспечению всеобщего 
охвата услугами здравоохранения путем революционных преобразований в предоставлении помощи и реформирования процессов, лежащих в основе систем здравоохранения.
Признавая потенциал цифровых технологий для укрепления национальных систем здравоохранения и выполнения названных выше целей, государства-члены ВОЗ приняли на Семьдесят первой сессии Всемирной ассамблеи здравоохранения в мае 2018 г. резолюцию WHA71.7, 
которая определяет роль цифрового здравоохранения для укрепления 
системы здравоохранения и в качестве средства содействия справедливому, приемлемому по стоимости и всеобщему доступу к услугам 
в области здравоохранения для всех.
Таким образом, функциональная неполноценность становится ключевым фактором здоровья людей, особенно пожилого возраста, а мониторирование здоровья — обязательным элементом формирования 
полноценного образа жизни. В этом случае обеспечение системы мониторирования становится все более сложной задачей. Необходимость 
согласованности национальных политик развития здравоохранения 
в каждом государстве побудили ВОЗ разработать предложения для формирования стратегии национальных программ здравоохранения [2].
Одним из основных положений этих стратегий является обеспечение всеобщего охвата услугами здравоохранения: все люди должны 
иметь доступ к необходимым медицинским услугам по профилактике, лечению и реабилитации, достаточного качественных, чтобы быть 
эффективными. При этом люди не должны испытывать финансовых