TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 14, No. 2, May 2015, pp. 329 ~ 33 4   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 14i2.737 5        329     Re cei v ed  Jan uary 22, 201 5 ;  Revi sed  Ap ril 16, 2015; Accepted Ma 1, 2015   Automatic Extraction of Diaphragm Motion and  Respiratory Pattern from Time-sequential Thoracic MRI       Windra S w a s tika* 1,2 , Yoshitada Ma su da 3 , Takashi  Ohnishi 4 , Hideaki Ha neis hi 4   1 Chib a Univ ers i t y , Gradu ate Schoo l of Engi n eeri ng, Medic a l  S y stem Eng i n eeri ng,   1-33 Ya yo i-ch o ,  Chiba, Jap an,  263-8 5 2 2   2 Ma Chun g Uni v ersit y , F a cult y of Science a n d  T e chnolo g y   Villa P uncak T i dar N-0 1 , Mala ng, Indo nesi a , 651 51   3 Chib a Univ ers i t y  Hos p ita l , 1-8-1 Inoh an a,   Chib a, Jap an, 260- 085 6   4 Chib a Univ ers i t y , Ce nter for F r ontier Med i c a l Eng i ne eri ng,    1-33 Ya yo i-ch o ,  Chiba, Jap an,  263-8 5 2 2   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l w i ndr a.s w asti ka@gra du ate.chib a-u.jp       A b st r a ct   T horacic  time- s equ enti a l MRI  can  be  us ed t o  ass e ss d i a p h r ag moti on  p a ttern w i tho u expos in g   radi ation  to su bject. Cl inic ia n s  may e m ploy  the  moti o n  to  eval uate th e s e vere ness  of c h ron i c o b structiv e   pul monary  dis ease ( C OPD). T h is study pr o pose d  a  nov e l  meth od of  di ap hrag m motion extraction meth o d   on ti me-s eq ue ntial t horac ic M R I in s agitta l p l ane. Otsu s  thr e sho l an d acti ve co ntour  alg o rith m ar e us e d  to   obtai n dia phr a g m b o u n d a ry. An auto m at ic d i ap hrag moti on trackin g  an d extraction of  respirat ory patter n   are also   p e rfor me d bas ed on   the di aphr ag m bo un dary.   A total  of  120 0 fra m es  ti me- s equ enti a l M R I i n   sagittal  pla ne  w a s obtain ed  for total of 15  subjects  (8  h ealthy v o lu nte e rs an d 7 CO PD pati ents). T h e   prop osed   met hod  succ essfu lly  extracts d i aphr ag moti on  an d res p ir atory p a tterns  for b o th  he a l thy  volu nteers a n d  COPD patient s.       Ke y w ords :   ma gn etic reso nanc e i m ag in g ,  chronic obst r ucti ve pu l m on ary dise ase, respir atory pattern ,   dia phra g m  motion      Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   Diap hra g m i s  a do me-sh a pe respirato r y orga n lo cat ed bel ow the  lung th at se parate s   che s t from the abdo men.  It controls the move men t  of the lungs and the b r eathing p r o c ess  (inhal ation a nd exhal atio n). The  moti on of  the di aphragm  ca n be u s e d  to evaluate t he  sev e r ene s s  of   ch roni c o b st ru ct ive p u l mona ry di se ase  (COP D) [1]. Hen c e,  in the  pa st  few   decade s dia p h rag m  motio n  has b een a s sesse d  in several  studie s  [1-6]. In 19 85, Diame n t et al.  [2] extracted  diaphragm  motion fro m  ultrasono grap hy to evaluate dia phra g m mot i on  abno rmalitie s. Gerscovich  et al. [3] and  Boussu g e et al. [4] use d  M-mo de ult r asono graphy  to   record di aphragm m o tion i n  two dim e nsions.  Desp ite its portability, real -time  examination and  no ioni zation  radiatio n, due  to the nature  of ul traso n o g rap h y the imaging  re sult  does  not rev eal  tissu e den sity and potentia lly creat e s  art i facts. The u s e of magnetic re son a n c e imaging, which  provide s  m o re cle a and  d e tailed ima g e s  of  soft tissu e , has be en  prop osed in  [5-7]. Howeve r,  none of them  use a u tomati c extra c tion to extract  diap hrag m motion  and its re spi r atory pattern.    In this study, we focu sed  on automatic ex tractio n  of diaphragm  motion from  a time- seq uential  th ora c ic M R I i n  sagittal  plane. T he  ex tractio n   wa perfo rmed  to  15  subje c ts (8   healthy volun t eers an d 7  COPD patie n t s). We the n  com pared t he stati s tical  analysi s   of the  diaph rag m  motion extracte d from health y volunteers  and COPD p a tients.       2. Subjects a nd Metho d s   This se ction descri b e s   the   image  a c q u i s iti on a nd the  method s of  automatic  dia phra g motion extra c tion inclu d ing  respiratory pa ttern extractio n     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  329 – 334   330 2.1. Image Acquisition   The MR ima g e s were a c q u i red u s ing 1.5 T   INTERA ACHIVA nova-dual (Philip Medical  Systems) wh ole-b ody sca nner  with a  16ch SENSE TORSO XL  Coil. A 2D balan ce d FF seq uen ce  wa s u s e d . Th e i m aging  pa ra meters a r e  a s  follo w. SENSE factor:  2.2, flip an gle:  45 o TR: 2.2m s, T E : 0.9ms, FO V: 384mm, in -plan e  resolut i on 25 6x256   pixels a nd  1.5x1.5mm 2 , s l ic thic knes s :  7.5mm, s lic e gap= 6 .0mm, s c an time: 150ms /frame.   Normal breat hing wa s in structe d  for all subj ect s  duri ng the acq u isition pro c e ss  and total   of 1200 fram es in sagittal plane  were o b tained for  e a ch  subj ect. Image a c qui si tion experim e n wa s co ndu cte d  unde r an a pproval of Ethica Review  Board of Chib a University.    2.2. Diaphra g m Motion Extra c tion   In orde r to g e t diaph rag m  motion, we f i rst  defin e a  region  of interest (ROI)  of the MR  image by  croppin g  the i m age th at covers t he di aphragm  bo unda ry. Typically, diap hragm   boun dary is l o cate d in middle of MRI i n  sagittal pla ne. To cove r the whole a r ea of diaph ra gm  boun dary, we  first define two pa ram e ters, w and h to  rep r e s ent the  width and h e i ght of ROI.   There are two main ste p s  to extract  diaph rag m  motion. The first step i s  to obtain  diaph rag m  b ound ary for the first fram e  only using  a c tive conto u algorith m . On ce the first frame   of diaph rag m  boun dary i s   obtaine d, the  next step i s   to extract the  diaph rag m  b ound ary for t he  sub s e que nt frame s  base d  on norm a lized cro s s correl ation (NCC) valu e. The compl e te   pro c e s ses of  diaph rag m  motion extracti on are a s  foll ows.   We first p e rfo r clust e rin g -based im age  thres holdi ng  usin g Ot su’s thre shol ding   method   [8]. After the thresholdin g  pro c e ss, the  diaph r agm  area  be came  clea rly disti ngui sha b le from  other o r gan s.  A mask is created above  the diaph ra g m  bound ary as seed poi nt in order to trace   the diap hra g m  boun da ry usin g a c tive conto u r al go rithm [9]. An optimizatio of the diap hragm  boun dary  det ection  can  al so  be  optimi z ed u s in g a   m e thod  propo sed by  Alfiansyah [10]  or [1 1].  Note that this proc ess  is  only  perfo rme d  for th e first  frame  only. F i gure  1  sh ows the  process of  obtainin g  dia phra g m bo un dary of the first frame.           Figure  1. Obtaining dia p h r agm bou nda ry for the first frame       To get diap hragm bou nda ry for the sub s eq uent  fram es, we utili ze  one col u mn  matrices  template defi ned by T x  wh ere  x =1.. w . T he elem ent o f  matrix  T x  is obtaine d fro m  pixel value s  of  the ROI  at co lumn the  x . T herefo r e, the   size of mat r ix  T x  is  1 x h , where  h  is th e heig h t of th ROI. It is also necessa ry  to gene rate  a 2D  spatio  temporal of colum n   x  (Fi gure 2(a )).  T he  locatio n  of di aphragm b o u ndary at colu mn  x  for th e subsequ ent fra m es i s  define d  by the high est  NCC value b e twee n the matrix  T x  and the 2D sp atio temporal   of the subseque nt frame s  at  colum n   x . T he p r o c e s s i s  repe ated f o x = 1..w We de noted  th e po sition  of  the di aph ra g m   boun dary at l o catio n   x  as  f x (i)  wh ere  i  repre s e n ts th i th frame.  The  f x (i)  sh o w s peri odi p eaks  and  vall eys a s soci ated wit h   re spi r atio n cycle s Fi gure 2 ill ustrates ho w to  dete r mine the  lo ca tion   of diaphragm  boun dary.     S e t  RO fo r t h e  firs t   fr a m e Ot su   T h r e s hol d A c tiv e   co u n t o r   a l g o r ith m w h Y X Y X Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Autom a tic Extraction of  Diaphragm  Motion and  Re spi r atory Pattern  from … (Win d ra Swasti ka)  331   (a)       (b)     Figure  2. Determin e the lo cation of dia p h rag m  bou nd ary. (a) Elem ent of matrix Tx is obtaine from the pixel  values of RO I at column x and t he spati o  temporal is  gene rated at  the colum n  x  from the su bseque nt frame s ; (b) T he det ected  di aph ra gm motion at colum n  x (fx(i)), is  rep r e s ente d  by the white line       2.3. Respira t or y  Patterns  Extrac tion   Re spiratory  pattern s a r e  automati c all y  extr acted  from dia p h r a g m motion   that is  previou s ly ob tained. The  e x traction of  re spirat ory p a ttern s is  only p e rform ed at t he column  x  t hat  has the la rge s t diaph rag m  movement.     (a)     (b)       (c )     (d)     Figure  3. Determini ng pea ks from a sig nal. (a) O r igin al sign al befo r e noi se remo val. (b) Signal   after noise re moval usin g an ada ptive noise -removal   filter. (c)  Hist ogra m  of respirato r y sign a l   after noise re moval; baseli ne is dete r mi ned by most   occurrin g value. Points tha t  are highe r than  baseline multi p lied a pa ram e ter p are ma rke d  as  p e a k . (d) Valleys a r e dete c ted u s ing regio nal  minima. The  detecte d valleys are  circle d   T x S p a tio   te m p o r a l  o b ta in e d   f r o m  th e  c o lu m n   x o f  s u bs e que nt   f r a m e s fr a m e s Y fr a m es Y fr a m e s Y 50 10 fr a m e s Y 50 10 50 10 Y Fr e q . fr a m es Y 50 10 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  329 – 334   332 In gene ral, a re spiratory  pattern con s ist s  of one  peak  and  one valley. A semi- automatically peak a nd va lley detection  was p r o p o s ed in [12]. Although thi s  p r opo se d met hod   wa s able to  detect p e a k s and valleys  from a respir atory pattern, the re spirato r y sign al is  n o obtaine d fro m  time-seq ue ntial imag es.  It is di re ct ly measured  by a di gital volt age  sig nal  using  a   pre s sure se n s or. Mo reove r , manual u s e r  revie w  is al so requi re d to verify the results.  In this study we propo se a n  automatic p eak  an d valley detection from respiratory signal   obtaine d fro m  diaph ragm  motion (Figu r e 3). We first perform noi se filtering u s ing an ad apti v noise-remova l  filter. Next step is to  set  a bas eline v a lue ba se d o n  the statisti cal mode (mo s freque ntly occurrin g value) of the signal. A paramete r p  is used t o  determin e  the height of the   pea k. Points  in the respi r a t ory sign al th at are  highe r than the b a s elin e multipl i ed with  p  are  marked  as p eak. T he  si milar p r o c e s s i s  al so  do ne to d e tect  the valleys.  Instea d of fi nding  statistical mo de, re gional  minima of th e sig nal  a r cal c ulate d  an d multiplied  b y  a paramete r v All points bel ow this valu e are ma rked a s  valley.      3. Results   We teste d  th e pro p o s ed  method to a  total of 15 su bject s  (8 h e a l thy volunteers and  7   COPD  patien t s). The n u m ber of fram e  for each su bject is 1 200  frames. Ta b l e 1 sho w s the  numbe r of re spiratory patt e rn s found a n d  the  numbe r frame for on e respiratory cycle.       Table 1. Nu m ber of re spi r a t ory pattern s found  a nd the  averag e num ber of fram e required for  one re spi r ato r y cycle in he althy volunteers  Subject #  Resp.  Pat.  #Frame/c y c le   Health y  Voluntee rs  1 32  36.7  2 36  33.3  3 37  32.4  4 52  23.1  5 19  63.2  6 57  21.0  7 48  25.0  8 34  35.3  COPD p a tients  1 49  24.5  2 77  15.6  3 34  35.3  4 38  31.6  5 61  19.7  6 56  21.4  7 46  26.1      Ideally, the n u mbe r  of fra m e for  one  respi r at o r y cy cle  ran g e s  from 25 -35 f r a m e/cycle.  Figure 4  sh o w s an  exam ple of  re spira t ory pattern whi c su ccessfully extra c ted fro m  he althy  volunteer # 3 . The numb e r of detected  respirator y p a tterns i s  37  and the nu m ber of fram e per  cycle i s  32.4  whi c h is  con s idere d  as n o rmal re spiratory motion.          Figure  4. Detected respiratory pattern s for healthy vol unteer # 3       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Autom a tic Extraction of  Diaphragm  Motion and  Re spi r atory Pattern  from … (Win d ra Swasti ka)  333 Ho wever, b r eathing irre g u larity is a factor  th at make s re spi r at ory pattern e x traction  failed. Another facto r  tha t  affects the numbe of detecte d re spirato r y pattern is respirat ory  freque ncy. F o r exam ple,  subj ect 6  ha s the l a rg est  numb e r of  extracted  re spirato r y patte rns  among th e other h ealthy voluntee rs. Th e subj ect’ 2 D  sp atio tem poral  sh ows that this subje c t   has hi gh re sp iratory freq ue ncy (Fig ure 5 ( a)).   The h ealthy  volunteer wh o ha s the  sm allest  n u mbe r  of dete c ted  respi r ato r y pat terns is  subj ect 5. A s  we  can  se e  in the Fig u re 5(b), subje c t 5 ha sev e ral i rre gula r  bre a thing  cy cle s   (pointe d  by white arrows) t hat make  the  s y s t em failed  to extrac t them.        (a)       (b)     Figure  5. An example of (a ) high respirat ory  frequ en cy and (b ) irreg u lar b r eathi ng  of healthy  volunteers       For  COP D   p a tients, the  n u mbe r  of  extracte re spiratory patte rn s ten d s to b e  hig her  comp ared wit h   he althy  vol unteers. Figu re 6 sh o w s t w exampl es of  COPD p a t ients 5  a nd  6.  The fra m e/cy cle of the s p a tients a r e 1 9 . 7 and 2 1 .4, resp ectively. It indicates th a t  these p a tien ts   have smalle lung volum e   cap a city com pare d   with  he althy subj ect s . Several irre gular breathin g were also fo und in the first 100 fram e s  of the  pati ent 6 (Figu r e  6(b)) an d they failed to be   extracted.         (a)       (b)     Figure  6. Two example s  o f  extracted re sp iratory patt e rn s of COP D  patient 5 a nd 6   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  329 – 334   334 4. Conclusio n   This study  propo sed  an  a u tomatic  met hod to  extra c t diaph rag m   motion a nd  respi r ato r pattern s from  time seq uen tial MR imag es in  sagittal  plane. Ou method  su ccessfully extra c ts  diaph rag m  motion and re spiratory patt e rn s fo r both  healthy volunteers and  COPD p a tien ts.  Ho wever, o u r study ha certain limitati ons. Fi rs t, it fails to dete c t irreg u lar  breathing  patte rns  whi c ca n o c cur du rin g  M R I a c qui sition . Seco nd,  the  re sult s of th e  prese n stud y we re  obtain ed  from a small  numbe r of subje c ts. La rg er nu mbe r  of  subje c t s  for both healthy  volunteer  a n d   COPD  patien t s are requi re d to validate our meth od.       Ackn o w l e dg ements   This  study wa s su ppo rted i n  part by MEXT Kakenhi  No s. 2210 35 04 and 2 410 3 703.       Referen ces   [1]  Shib ata H, I w a s a w a T ,  Gotoh  T ,  Kagei S, Shin ohar a T ,  Og ura T ,  Inoue T .  Automatic T r a cking of th e   Respir ator y  M o tion of Lun g Pa rench y m a  on D y n a mic  Mag net ic Reson anc e Imagi ng: Comp ariso n  W i th  Pulmo nar y F u nction T e sts in Patie n ts W i th Chro nic Ob structive Pulm onar y D i seas e .   Journal of  thoracic i m agi n g . 2012; 2 7 (6): 387- 392.   [2]  Diame nt MJ,  Boech a t MI, Kang arlo o H. Real time sector  ultrasou nd in  the eval uatio n of suspect e d   abn ormal i ties o f  diaphr agm atic motion.  Jour nal of cli n ica l  ul trasoun d . 198 5 ;  13(8): 539-5 4 3 [3]  Gerscovich E O, Cronan M, McGahan JP, Jain  K, Jones CD, McDona ld C. Ultrason ogra p h i c   eval uatio n of di aphr agmatic m o tion.  Jour na l of ultrasou nd i n  me dic i ne . 2 0 01; 20(6): 5 97- 604.   [4]  Boussuges A,  Gole Y, Blanc  P. Diaphragm atic motion studied by  m-mode ultrasonogr aphy .   C hest 200 9; 135: 39 1 - 400.   [5]  Kotani T ,  Mina mi S, T a kahashi K, Isobe K,  Nakata  Y, T a kaso M, Mori ya   H. An an al ysis  of chest  w a l l   and d i a phra g m  motions in  patie nts  w i t h  i d io pathic sc oli o sis usi ng d y n a mic bre a thin g  MRI.  Spine 200 4; 29(3): 29 8-30 2.  [6]  Kolar  P, Ne u w irth J, Sa nd J,  Sucha nek   V, Svata Z ,  V o lej n ik  J,  Piv e c M. Ana l ysis  of di ap hrag m   moveme nt dur i ng ti dal  bre a thi ng  and  d u rin g  i t s activatio n   w h ile  br eath  ho l d in g us ing  MRI  s y nchr oniz e d   w i t h  spir ometr y Physiological Research . 20 0 9 ; 58(3): 38 3.  [7]  I w as a w a  T ,   T a kah a shi  H,  Ogura T ,  Asakura A,  Got o h  T ,  Shibata  H ,  Inoue  T .  Influenc of th e   distrib u tion of emph ys ema o n  dia phra g mati c moti on in pa tients  w i t h  chr onic o b structiv e pulmo nar dise ase.  Jap a n e se jo urna l of radi olo g y . 201 1; 29(4): 256- 26 4.  [8]  Otsu N. A threshold selection me th od  fro m  gray -l e v el  hi sto g ra ms.  Autom a tica . 19 75; 1 1 (2 85-2 96): 2 3 - 27.   [9]  Cha n  T F , Vese LA. Active contours  w i t h o u t  edges. Imag e Processi ng,  IEEE Transactions . 20 01;   10(2): 26 6-2 7 7 .   [10]  Alfians ya h A.  A Unifi e d  En e r g y  Ap proac h  fo r B-Sp lin Snake  in  Me d i cal Ima g e  Se gmentati on.   T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2010; 8(2): 1 7 5 -18 6 [11]  T j andrasa H, W ija yant i  A, S u ciati  N. Se g m entat io of the r e tina opti c  nerv e  h e a d  usi ng  Ho ug h   transform and  active conto u r  models.  T E L K OMNIKA Indones ian J ourn a l of Electric al  Engin eer ing 201 2; 10(3): 53 1-53 6.  [12]  Lu W ,  N y stro m MM, Parikh  PJ, F ooshe e  DR,  Hu be nsc h midt JP, Bra d le y J D , Lo w   DA. A semi- automatic m e thod for  peak  a nd  va lle dete c tion i n  free-br eathi ng res p ir a t or y   w a veform s.  Med. Phys.   200 6; 333 63 4(6).       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.