TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.4, April 201 4, pp. 2718 ~ 2 7 2 3   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i4.4305          2718     Re cei v ed Au gust 14, 20 13 ; Revi sed O c t ober 2 1 , 201 3; Acce pted  No vem ber 1 2 ,  2013   An Improved Medical DR Image Enhancement Method      Bi Juntao   Qingd ao H o tel  Mana geme n t Coll eg e, Qingd ao Sha n d ong  2 661 00, Ch ina   email:   ju ntao _b i@16 3.com       A b st r a ct   As a resu lt of n o ise  interfere n c e, impro per  e x posur e a nd th ick hu man tiss ue, det ail  infor m ati on  of   DR i m ag e w ill  be bur ied, i n clu d in g uncl ear e dge a nd co nt ra st reduction. This pa per pr op oses a  med i cal  D R   imag e en ha nc ement pr ocess i ng  base d  o n   artificial  fis h -s w a rm al gorit h m . Accord in g to DR i m age c ontour   mo de l an d DR  image  bo und a r y, the enh anc ement pr ocess i ng s e g m e n t D R  i m ag e by art i ficial fis h -sw a r m   clusteri ng  meth od, then e n h a n c e DR class i fic a tion i m ag e throug h ad din g  GAG operator. S i mulati on res u lt s   show  that the  meth od c an ef f e ctively  eli m i n ate no ise i n  D R  i m ag e,  an d the d e tail  infor m ati on  of enh a n ce d   DR i m ag e is cl earer tha n  befo r e me anw hi le  w i th high effect iven ess an d ro bustness.     Ke y w ords D R  imag e, imag e enh anc e m en t, artificial fish-sw a rm     Copy right  ©  2014 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   Digital Radio g rap h y (DR)  is advan ce d m edical imag e photog rap h y  system eq uipment   widely u s ed i n  the current  medical p r ofe ssi on. Compa r ed to  conve n t ional comput ed ra diog rap h (CR),  DR  ca n obtain im a ge on th e di splay more  directly and  qui ckly, an d the  amount of X -ray  irra diation  pa tients affecte d  is  signifi ca ntly r edu ced   [1-6]. Additio nally, DR  ha s hig h  sen s itivity  and  wide  dy namic range.  DR an CR both  cha n g e  the X -ray i m age i n form ation into  dig i tal  image info rm ation, their e x posu r e latitu de refle c certain advanta g e comp ari n g  to the ordina ry  intensifying  scre en  - film  systems:  Usin g di gital  tech nology,  CR a nd  DR have   a wi de  dyna mic  rang e which i s  re sp on sible  for a wi de ex posure l a titud e therefo r a llowing so me techni cal erro r   in the photo g r aphi c [7 -13].  For exam pl e, t he good i m age  can  be  obtained  even at the pa rts   who s con d itions a r e diffi cult to gra s p  [14-16]. CR  and DR  can  be pe rform e d  variou s ima ge  pro c e ssi ng a c cordi ng to the clini c al n e eds, such  as various im a ge filtering, windo w width  and  positio n adj u s tment, the  rich  fun c tion ality of roa m ing e n larg ement, ima g e stitching,  and  distan ce, a r e a , den sity measure m ent.  All the  advan tages above provide  te ch n i cal supp ort  f o r   the details  of the diagn osti c imagi ng ob servatio n, bef ore a nd after comp ari s on  and qu antitative   analysi s  [17].  Ho wever, a s  a result of noise interfe r e n c e, imprope r exposure a n d  thick hum an  tissue,   detail inform ation of DR i m age will b e  buried, in clu d ing un cle a edge a nd co ntrast redu cti on,  whi c h m a y le ads to mi sdi a gno se. T here f ore it  ca im prove  diag no stic  efficien cy  of phy sici an s,  and hel p do ctors ma ke  rig h t diagno si s to enha nce DR imag e. Thi s  pap er p r op ose s  a me dical  DR i m age  en han ceme nt p r ocessin g  ba sed  on a r tifi ci al fish -swa rm  algorith m . Accordi ng to  DR  image conto u r mod e l an d DR im age  bound ary, the enh an ce ment pro c e s sing  segm en t DR  image throug h artificial fish-swa rm  clustering me th o d  [18-2 0 ]. Simulation resu lts sho w  that  the   method  can  e ffectively eliminate noi se i n  DR i m age,  a nd the d e tail i n formatio n of  enha nced  DR   image is  clea rer tha n  before mean while  with high effe ctivene ss a n d  robu stne ss.       2.  Medical DR Image Enhan cement Pro c essing   2.1. Establis h Contour M odel   The esta blishment of co ntour mo del  for  medical  image is a b le to determine the  Periph eral  co ntour of the i m age. Co nc rete step s are  descri bed a s   follows:  In the mod e l, conto u r pixel s  fish i s  the  p i xel set  j Y  which co nsi s ts  of the gro up of  pixels  with larg er g r ey value, from which ca n obtain the  pe rforma nce co efficient of art i ficial fish. Using  the followin g  way to cal c ul ate the minim u m value of pixels set:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Medical DR Im age Enhan cem ent Meth od (Bi Ju ntao 2719 Usi ng form ul a (1), the di stance betwee n  pixels sets  1 Y  and  2 Y  can be calcul ated:     12 12 () eY Y Y Y                                                                              (1)    Usi ng form ul a (2), the differen c e b e twe en pixels  sets  1 Y  and  2 Y  can be  cal c ulate d   '' 2 12 () ( ) PY Y Y Y                                                                   (2)    Usi ng form ul a (3), Midp oin t  pixels of m edical ima ge contour d a ta can be calcula t ed:    12 1, 1 (, , , ) / n nj k jk DY Y Y Y Y n                                                           (3)    Thro ugh th above, we a r e able  to get  the pixe l s  set of medi cal  DR imag contour in  orde r to provi de data to DR image  seg m entation.     2.2. DR Imag e Segmenta tion   Assu me that B is medical  DR ima ge to be  se gmente d , E is the collecte d  environment   pixel of the  i m age,  pre s ent s the  pix e l set of  im a ge  conto u r,  D i s   key d e tail characte ri stic  coeffici ent of  the imag e,  C jk Q  present the  probability of   j  (g rey  v a lue  of the ima g e ) a nd  k   (gradie n t coe fficient) bel o ngs to  DR  (edge pixel s ),  N is the  nu mber  of pixels calculated  by  formula (4):     1, 1 / N C j kj k j k jk j QD D    1, 2 / N D jk jk jk jk j QD D                                                                           (4)    From the formula above,  we can get th e maximum value of grey value of DR image,  expre s sed a s  formula (5 ):     ma x lg lg CC D D jk jk jk j k IQ Q Q Q                                                                 (5)    A ssu me t hat   (, ) gy z  pre s ent s the  pixels of DR image,  M  and   j  present the  grey  level and g r e y  value of the image sepa rately, the to tal numbe r of pi xels in the en tire frame i s   N then the den sity of image pixel can be  ca lculate d  by formula (6):     /( , 1 , 2 , 3 , , 1 ) jk j k Qg N j k M                                                       (6)    Formul a (6 ) should me et the followin g  co ndition:     1, 1 2 N jk jk Q      Then u s ing fo rmula (7) to g e t the averag value of the grey value of the image:    2 1, 1 1 , 1 () NN Uj k j k jk j k jQ k Q                                                                   (7)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  2718 – 2 723   2720 Equation (8) i s  discrete gre y  matrix:      2 (, ) () / tu l l U j TQ Y                                                                            (8)    Whe n  the m a trix value rea c he s the  max i mum value, i t  is po ssible t o  achieve th e  desi r e d   segm entation .       3.  Medical Image Enhanc e m ent Tec h n o log y     The no nline a r  enh an ceme nt algorithm f o r DR ima ge  base on  Cont ourlet transf o rm is a  algorith m  u s i ng a  nonli nea r fun c tion fo pro c e ssi ng th e lo w fre que n c y coefficie n ts a nd  sub - b a nd  coeffici ents, i n  ord e r to  co rrect tran sform coe ffi cient s, and th en in verting the a d justed  co effici ent  to realize the enha ncement  of image con t rast. T he no nlinea r enh an ceme nt ope ra tor prom oter i s   Anti-symmet r y, can enla r ge the tra n sf orm  coefficie n ts within  certai n ampli t ude ra nge a nd  enha nce e d g e  detail s  in th e ba ckg r ou nd , acco rdin g to  the  co rrelati on b e twe en  a m plitude  of th e   decompo se d coeffici ent an d the image  detail. T he n on-lin ea r enh ancement op erato r  de scri bed   in the article i s  sh own as fo llow:     )) exp( 1 ( ) tanh( ) ( ) ( u u c u b w sign w w E                                                (9)    w  presents  Co ntourlet coeffi cient s of each sub - ima ge,  ] 1 , 1 [ w ) ( w E  is Co ntou rlet  coeffici ents af ter enha ncem ent.    ma x ( | | ) w w w   5. 0 ( m a x( ) m i n ( ) ) / ( m a x ( ) ) uw w w t w                                                  (10)    b and c  determine the amp litude rag e , which i s  cr u c ial  for cont ra st enforcem ent effects.   The gai n fun c tion p r op erl y  cho s en  ca n en sure the  detail ch ara c teri stics an d  contrast  can  be  enforced  whil e the noise coefficient s wil l  not be  incre a se d. Figure 1 sho w s the output cu rves of  the enforcem ent operator i n  this pap er.           Figure 1. The  Output of Adaptive Enforc ement Fun c ti on wh en c=6;  b=0.9; t=0.8       The M R  imag e co ntra st en force m ent al g o ri thm b a sed  on Contou rle t  transfo rmati on can  be gen erali z e d  as:     (1)  Cho o se p r ope r de co m positio n layer, Lapla c e filter and  dire ctio nal filter to Contourl e decompo se t he image;      (2) Pro c e s s the sub - b and i m age with n o n linea r Co nto u rlet co efficie n ts acco rdin g  to th e   Equation (9)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Medical DR Im age Enhan cem ent Meth od (Bi Ju ntao 2721   (3)  Re -con st ruct  MR ima ge from  Con t ourle c o effic i ent s  to attain contras t   enforced  image.       4. Experiment  and  An aly s is        The size of  the cho s en  cell  DR imag e (a sho w n  in Figu re  2(a)) i s   512 ×5 12. Th e   overall of the  origin al imag e is d a rk an d  the di stri buti on ra nge  of the gray  is n a rro w. The  ed ges  of the tissue  are not very  obliviou s . All  of thes e will  affect the do ctors’ analy s i s  and di agn o s is  and  will not  benefit furth e r  process.  In  orde r to ve rify the algo rith m, the propo sed  algo rithm  is  comp ared  wit h  some  no rm al DR imag enforcem ent  me thod s. ( e ),  (f),  (g and  ( h ) i n  Fi gur 3  is  corre s p ond ed  to the hi stog ram s  of (a),  (b), (c)  and  (d ) in Fig u re 2.  The  simulati on run s  in th e   environ ment  Matlab 7.0 on  the compute r  with  Pentium ( R) E5200 2. 5GHz an d 1G  memory.         (a) Original image    (b) Enh a n c ed  by   histog ram     (c)Enha nced by  wav e let       (d) Ima ge en han ced   Figure 2. The  Original a nd  Enhan ced Im age       (e) Original image      (f) Image Enh anced by hist ogra m     (g) Ima ge en han ced by wavelet    (h) Ima ge en han ced  with prop osed alg o rithm     Figure 3. Orig inal Image an d Enhan ced I m age        In Figure  2, the overall co ntrast  of (b) a nd (c) in Fi gu re 2 is  enforced in which some detail s  can   be d e tecte d Ho wever the   image  is pron e to b r ig ht an d loo k rou g h .  The  parti cle s  feeli ng  of (b)  is obvio us which ill ust r ate s  the  histo g rams  bala n ce  pro c e s sing  amplifies the  image  noi ses.  There are fa ked  sha d o w  in the tissu e  edge s par t s  of the image in (c). Ho wever the im age  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  2718 – 2 723   2722 enforced by the algo rithm in this pape r doe sn ’t have  obvious noi ses and  sha d o ws. The layer  feeling of the image is e n fo rce d  and the  detail ch ara c t e risti cs a r e hi ghlighte d . The image is m o re   unambi guo us. The noi se are  effectivel y restri ct ed  when e n force s  the imag e d e tails, a s  sho w in Figu re  2(d). In the  gray image  hi stogram of  Figu re 3  a nd Fig u re  2,  the g r ay in  (e con c e n trate s  belo w  0.25, the gray in (f)  con c e n trate s  betwe en 0.5  and 1. The g r ay distributio n of  the image s processe d by prop os ed me thod, which is (h ) is uniform and it’s be tween 0 an d 0.3  and  between  0.45  and  0. 8. The  di spla y dynamic ra ge i s  exten d ed. Th e visio n  effect  of th e   image is imp r oved totally and som e  dark details ca n be seen  clea rl y, which are  benefi c ial for the   corre c t analy s is a nd dia g n o se.             In Table  1, the sum of t he info rmatio entropy of  the hi stogra m s e n forced  image   (PSNR) is th e least, whil e  the sum in the image  pro c ee d by pro p o se d algo rith m is larg est t hat  can attain m o re dia gno se  related info rmation.  Owi n g to enforce  the noise wh en enfo r ce the  image  whe n   usin g hi stogram bala n ce, its inform atio n  entropy i s  lo wered. F r om  the co mpa r ison   of some n o rmal co ntra st enfor cem ent method s, the  prop osed m e thod is  an e ffective MR image   contrast met hod with so me  ap plicatio value   no  matter from  obje c tive eva l uation i ndex es  or  subj ective vision effects.       Table 1. Co m pari s on of Informatio n Entr opy of Image before a nd af ter Enhan ce ment    Figure1 (a)   Figure 1 ( b)   Figure 1 ( c)   Figure 1 ( d)   Information ent ro p y   2.4855   2.4502   3.2474   3.9380   PSNR () dB   —  3.8633   27.8419   36.9311       5. Conclu sion   This  pap er propo se s a  me dical  DR im a ge e nhan ce ment p r o c e s sing b a sed o n  artificial   fish-swarm  al gorithm. Accordin g to DR image  cont our m odel  a nd DR ima g e  bou nda ry, the   enha ncement  pro c e ssi ng  segm ent DR image by a r tifi cial fish-swarm  clust e rin g  method, th en   enha nce DR  cla ssifi cation  image th rou g h  addi ng GA G ope rato r. Simulation re sults  sh ow th at  the meth od  can effe ctively eliminate  noi se i n   DR  ima ge, an d the  d e tail informati on of  enh an ced  DR ima ge is  clea re r than b e fore me an while with high  effectivene ss  and ro bu stne ss.       Referen ces   [1]  T S  Huang. Mo deli ng a n a l ysis  and visu al izati on of no nrig id  obj ect motion.  In Proc. of 10th Intl. Conf. on  Pattern Reco g n itio n . Atlantic. 201 1; 1: 361-3 64.   [2]  JK Aggar w a l, Q Cai, W  Liao, B Sabata.  Articulate d and e l astic non-ri gi d moti on: a revi e w In Proc. of   IEEE Comput e r  Societ y  Work shop  on M o tio n  of No n- Ri gi d  and Artic u l a te d Objects. Aus t in. 201 2: 16- 22.   [3]  JK Agg a ra w a l,  Q Cai, W   Li a o , B Sa bata.  Nonri g i d  moti o n  a nal ys is: arti culate d a n d  el astic moti on.   Co mp uter Visi on an d Ima ge  Und e rstand in g . 2010; 7 0 (2): 1 42-1 46.   [4]  K Rohr, HS  Stiehl, R Spr eng el, W  Beil T M  Buzug, J W eese, MH  Kuhn. Po int- base d  el astic   registrati on  of medic a l im age  data  usin g a p p ro ximati ng th i n -pl a te spl i n e s.  Vi su al i z atio n  in   Bi ome d i cal  Co mp uting . 2 0 11; 54(3): 2 97- 306.   [5]  D T e rzopou los ,  D Meta xas.  D y namic  3D   mode ls  w i t h  l o cal  an d g l o b a l d e formati on s: deforma bl e   super qua drics.   IEEE Trans. o n  PAMI . 2011; 13(7): 70 3-7 1 4 .   [6]  E Bard inet,  LD  Co hen,  N A y a c he. T r acking  medic a 3D  da ta  w i th  a  par a m etric d e forma ble  mod e l.  In  Proc. of ECCV.  1996; 5 7 (15):  317- 328.   [7]  L Z hou, C Ka mbham ettu. Hierarchic a l stru cture and n o n r igid moti on re cover y  from 2 D  monoc ul a r   vie w s.  CVPR'00.  2000; 2 4 (2): 752- 759.   [8]  C T o masi,  T   Kana de. Sha p e  and moti on  from im age st reams un der  orthogr ap h y : A  factorization   method.  Int. Journa l of Co mp uter Visio n . 19 92; 9(2): 13 7-1 54.   [9]  QIU Bao-zh i,  CHEN  Xu. Bo rder Ima ge S e gmentati o n  T e chno log y  f o Serio u s C o ll isi on V ehic l e  i n   Accident.  Computer Si mu latio n . 2013; 3 0 (1): 215- 218.   [10]  C Harris, MJ  Stephe ns. A c o mbi ned c o rn e r  and  ed ge  de tector.  In Alvey Vision Conference . 19 98 54(6): 14 7-1 5 2 .   [11]  C Schmid, R  Mohr, C Ba uc khag e. Ev al ua tion of i n terest  poi nt detector s Internation a l  Journ a l o f   Co mp uter Visi on . 200 0; 37(2) : 151–1 72.   [12]  CAO Jian, LI Hai- sh eng, C A I Qiang. Res earch o n  F eat ure E x traction  of Image T a rget.  Compute r   Simulation . 20 13; 30(1): 4 09- 413.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Medical DR Im age Enhan cem ent Meth od (Bi Ju ntao 2723 [13]  BD Lucas, T  Kana de. An Iterative Image R e gistrati o n  T e chniq ue  w i th a n   Appl icatio n to Stereo Visi on.   Internatio na l Joint Co nfere n c e  on Artificial Intelligence .1 98 1; 65(32): 6 74- 679.   [14]  Can n y  J. A Co mputatio nal  A p proac h to Edge  Detection.  IEEE Trans on Pattern Analys is and Machine  Intelli genc e . 19 86; 8(6): 67 9-6 98.   [15]  Bregl er, J Mal i k T r acking  pe opl e w i th tw ists and  exp o n e n t ial  ma ps . In P r oc. of 19 98 IE EE Comp uter   Societ y Co nf.on CVPR. Santa  Barbara. 19 98 : 8-15.  [16]  Z heng B a o dao , W ang Hu aiji e. Desi gn of  Remote  Ima g e  Alarmin g  S y s t em Based  on  ARM/GPRS.   Co mp uter Mea s ure m e n t & Control . 201 3; 21( 1): 149-1 51, 15 9.  [17]  KP Horn, BG Schunck. Deter m inin g optic al flo w Artificial In tellig enc e . 198 1; 17(3): 18 5-2 03.   [18]  BD Luc as, T  Kana de.  An it erative i m a ge r e gistratio n  tech niq ue w i th an  app licati on to s t ereo visi on . In   Proc. of DARPA Image Und e r s tandi ng W o rk shop. S an F r a n sisco: Morg an  Kaufmann. 1 9 81: 121- 13 0.  [19]  C Cross, AK Jain. Markov r a ndom fie l d te xt ure mod e ls.  IEEE Trans on P a ttern Ana l ysis  and Mac h i n e   Intelli genc e. 19 83; 5(1) : 25-3 9 .   [20]  Sann idh i  KS, MZ  Kurian. Cr eat io n of Dig ital Elev ated M ode l usi ng lu n a r imag es of Cha ndra y a n 1 .   Internatio na l Journ a l of Electr ical a nd Co mp uter Engi ne erin g . 2011; 1( 2): 182-1 86.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.