I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   6 ,   No .   6 Decem b er   201 6 ,   p p .   281 0 ~ 2 8 1 7   I SS N:  2088 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 6i 6 . 1 3 2 6 8           2810       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   Effec tive Co m pu t er - Ass iste d Au tom a tic  Cervica Ve rtebrae  Ex traction w ith  Reha bilitativ e Ul tr a so und I m a g ing  b y  using   K - m ea ns  Cluste ri ng       Hae - J un g   L ee 1 ,   Do o   H e o n So ng 2 ,   K w a ng   B a ek   K i m 3   1 De p a rtme n o f   P h y sic a T h e ra p y ,   S il la Un iv e rsity ,   Re p u b li c   o f   Ko re a   2 De p a rtme n o f   Co m p u ter G a m e s ,   Yo n g - In   S o n g Da m   Co ll e g e ,   Re p u b li c   o f   Ko re a   3 De p a rtme n o f   Co m p u ter E n g in e e rin g ,   S il la Un iv e rsit y ,   Re p u b li c   o f   Ko re a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma y   9 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   A u g   2 8 ,   2 0 1 6   A cc ep ted   Sep   1 7 ,   2 0 1 6     Ne c k   p a in   is  o n e   o f   m o st  c o m m o n   m u sc u lo sk e let a c o n d it io n   r e su lt in g   in   sig n if ica n c li n ica l,   so c ial  a n d   e c o n o m ic  c o sts.  M u sc les   a ro u n d   c e rv ica sp in e   in c lu d in g   d e e p   n e c k   f le x o r s   p la y   a   k e y   ro le  to   su p p o rt  a n d   c o n tro it sta b il it y ,   th u m o n it o ri n g   su c h   m u sc les   n e a c e rv ic a v e rteb ra e   is  im p o rtan t.   In   th is  p a p e r,   w e   p ro p o se   a   f u ll y   a u to m a ted   c o m p u ter  a ss isted   m e th o d   t o   d e tec c e rv ica v e rteb ra e   w it h   K - m e a n p ix e c lu ste rin g   f ro m   u lt ra so n o g ra p h y .   T h e   m e th o d   a lso   a p p li e a   se ries   o f   i m a g e   p ro c e ss in g   a lg o rit h m to   re m o v e   u n n e c e ss a ry   o rg a n a n d   n o ise in   th e   p r o c e ss .   T h e   e x p e ri m e n v e ri f ies   th a o u a p p ro a c h   is  c o n siste n w it h   h u m a n   m e d ica l   e x p e rts’  d e c isio n   to   lo c a te  k e y   m e a su rin g   p o i n f o m u sc le  a n a ly sis  a n d   su c c e ss f u in   d e tec ti n g   c e rv ica v e rteb ra e   a c c u ra tel y     su c c e ss f u in   4 8   o u o 5 0   tes c a se s (9 6 % ).   K ey w o r d :   C er v ical  v er teb r ae   C h r o n icle  n ec k   p ain   Dee p   ce r v ical  f le x o r   K - m ea n s   clu s ter i n g   Ultr aso n o g r ap h y   Co p y rig h ©   2 0 1 6   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   K w a n g   B ae k   Ki m ,     Dep ar t m en t o f   C o m p u ter   E n g i n ee r in g ,   Sil la  Un iv er s it y ,   1 4 0   B ae g y an g - d ae r o   ( B lv d )   7 0 0   b eo n - g il   ( R d ) ,   Sas a n g - g u ,   B u s an - 4 6 9 5 8 ,   R ep u b lic  o f   Ko r ea .   E m ail:  g b k i m @ s il la. ac . k r       1.   I NT RO D UCT I O N   Nec k   p ai n   is   v er y   co m m o n   c o m p lai n t   af f ec ti n g   u p   to   7 0 o f   i n d i v id u al s   at  s o m p o i n o f   t h eir     liv es   [ 1 ] .   C lin ical  n ec k   p ai n   is   as s o ciate d   w it h   i m p air m en o f   m u s cle  p er f o r m a n ce   an d   th e   f u n ctio n a l   i m p air m e n t s   ass o ciate d   w it h   n ec k   p ai n   an d   t h ca u s e - e f f ec r elatio n s h ip s   b et w ee n   n e ck   p ain   a n d   m o to r   co n tr o ar w ell  in v es tig a ted   [ 2 ] .   A n te v er teb r al  d ee p   ce r v ical  f le x o r   ( DC F)  m u s cles   s u ch   as  lo n g u s   co li  a n d   lo n g u s   ca p iti s   d o   k e y   r o le  to   s tab ilize  ce r v ical  ar ticu latio n s   a n d   to   p r eser v th lo r d o t ic  cu r v at u r o f   th e     s p in [ 3 ]   an d   s ter n o cleid o m as to id   m u s cle  ( S C M)   is   r elate d   w it h   t h r o tatio n   o f   t h n ec k   [ 4 ] .   Stre n g t h en in g   o f   th ese  m u s cles  i s   i m p o r tan to   tr ea th p atien ts   w it h   n ec k   p ain   p r o v o k ed   b y   v ar io u s   p ath o lo g ies  o f   ce r v ical     s p in [ 5 ] .   Usi n g   u ltra s o u n d   i m ag i n   m u s cle  an al y s i s   is   ap p r o p r iate  f o r   its   n o n - i n v asi v e,   in e x p en s i v e,   r ea ti m e   r esp o n s es  [ 6 ] .   Ho w ev er ,   its   li m itatio n s   ar o f te n   p o in ted   o u th a s o n o g r ap h ic  i m a g es  ar d ep en d en o n   th e   q u alities   o f   eq u ip m e n a n d   s k ills   o f   ex p er ti s t h u s   t h d iag n o s is   o f te n   m is lead s   to   s u b j ec tiv j u d g m e n [ 7 ] .   T h u s ,   w n ee d   a n   au to m atic  i m ag s e g m e n tatio n   an d   id e n t if icatio n   to o f o r   an ato m ical  l an d m ar k s   t h at  ca n   eli m i n ate  s u c h   s u b j ec tiv it y   i n   t h i m a g a n al y s is   [ 8 ] .   Un f o r tu n atel y ,   t h er is   al m o s t   n o   d ir ec tly   r elate d   r esear ch   f o r   s u ch   an   a u to m a tic  n ec k   p ain   r elate d   m u s cle  e x tr ac to r / an al y ze r   b y   co m p u ter   v i s io n   y et.   A   r ec en t   s tu d y   tr ied   to   g iv a n   au to m a tic  s eg m e n tatio n   o f   ce r v ical  v er teb r ae   f r o m   X - r a y s   [ 9 ]   b u n o r elate d   to   m u s c l es  o f   o u r   in ter est s .   Ou r   co n ce r n   is   to   d etec an d   ex tr ac m u s cles   s u ch   a s   s ter n o cleid o m a s to id   an d   lo n g u s   ca p itis /co lli  i n   co n j u n ctio n   w it h   ce r v ical  v er teb r ae   au to m at icall y   f r o m   u ltra s o n o g r ap h y   a n d   m ea s u r i n g   t h th i ck n e s s   f o r   f u r t h er   m ed ical  an al y s i s   [ 1 0 - 1 1 ] .   A ll   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E   Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   2 8 1 0     2 8 1 7   2811   th r ee   v i s io n   b ase d   ap p r o ac h es   ai m   to   lo ca te  m ea s u r i n g   k e y   p o in ac cu r atel y   to   av o id   m a n u al  s u b j ec tiv k e y   p o in t setti n g   f o r   m u s cle  a n al y s is .     I n   o u r   p r ev io u s   s t u d y   [ 1 0 ] ,   w ap p lied   f u zz y   s ig m b i n ar izatio n   to   o v er co m lo w   b r ig h t n es s   co n tr ast  b y   its   ad ap tiv th r es h o ld in g   ch ar ac ter is tic.   Ho w e v e r ,   it  d o es  n o co n s id er   th av er ag b r ig h t n es s   n o r   m o r p h o lo g ical  c h ar ac ter is tic s   o f   ce r v ical  v er teb r ae   th u s   its   p er f o r m an ce   i s   n o s tab le  esp ec iall y   w h e n   it  f o r m s   th th ick n es s   m ea s u r in g   k e y   p o in ts .   I n   th is   p ap er ,   w p r o p o s K - m ea n s   p ix el  clu s ter i n g   [ 1 1 ]   ap p r o ac h   to   f in d   th k e y   p o in ts   ac cu r atel y   in   d etec tin g   ce r v ical  v er teb r a e.   W ith   s u ch   clu s ter in g   ap p r o ac h   an d   s u b s eq u en s m ea r in g   tec h n o lo g y   to   r esto r lo s in f o r m atio n ,   o u r   s o f t w ar is   m o r co n s i s ten w i th   h u m a n   m ed ical  e x p er ts   o p i n io n s   i n   d etec tin g   ce r v ical  v er teb r ae   an d   lo ca tin g   k e y   p o in ts .       2.   P RO CE DUR E   F O AUTO M AT I CE RVI CAL V E R T E B RAE  E XT RACT I O N   Ob tain ed   d ig ita i m ag e   f o ll o w s   DI C OM   ( D ig i tal  i m a g i n g   an d   C o m m u n ica tio n s   i n   m ed ici n e)   s tan d ar d   f o r m at.   I n   th m ai n   r eg io n   o f   in ter e s ( R O I )   p ar o f   th i m ag a s   s h o w n   i n   Fi g u r 1 ,   th er w il b a   b lo o d   v ess el  in   b et w ee n   t w o   i m p o r tan m u s cle s   -   th s te r n o cleid o m asto id   ( SC M)   a n d   th d ee p   ce r v ical   f le x o r s   ( DC F).   I ts   lo w er   p ar t h as ir r eg u lar   c u r v d u to   t h b o r d er   lin o f   ce r v ical  v er teb r ae .   T h ce r v ical  v er teb r ae   ar ea   in   th u ltra s o n o g r ap h y   is   s h o wn   as  b r ig h r eg io n   u n d er   DC F   s in ce   t h e   ar ea   h as   h i g h   d en s it y .   I n   o r d er   to   d etec ce r v ical   v er teb r ae ,   h o w ev er ,   w e   n ee d   to   r e m o v e   o th er   o r g an   s u ch   as   ca r tilag a n d   s u b cu ta n eo u s   f at  ar ea   as  n o is t h at   a ls o   h av r elati v el y   h ig h   b r i g h t n es s .   T h u s ,   w e   n ee d   b r ig h t n es s   en h an ce m e n t p r o ce d u r an d   s u b s eq u en n o is r e m o v al/  i m a g r esto r atio n   p r o ce s s .           Fig u r 1 .   R OI   o f   Ultr aso u n d   I m ag e       3.   C E RV I CA L   VE R T E B RAE  DE T E C T I O W I T H   K - M E ANS   P I X E L   C L US T E RIN G   I n   o r d er   to   ex tr ac th ce r v ical  v er teb r ae   o b j ec t   f r o m   t h u ltr aso u n d   i m ag e,   w s h o u ld   f i n d   th lo w er   b o u n d   o f   D C F a r ea   t h at  i s   t h u p p er   b o u n d   o f   t h ce r v ica l v e r teb r ae   ex is ten ce .   On ce   th r a n g o f   tar g et  o b j ec ex is te n ce   is   d ec id ed ,   w cl u s ter   p ix els   w it h   K - m ea n s   alg o r ith m   to   f o r m   th e   ce r v ical   v e r teb r ae   o b j ec w it h   r esp ec t to   th e   m o r p h o lo g ica l li m itatio n s   s u ch   as  lo n g   o v al   s h ap in g .   D u r i n g   s u c h   i m ag e   p r o ce s s i n g   s tep s ,   th er e   ca n   b s o m i n f o r m atio n   lo s s   w h ic h   m i g h t   ca u s u n d es ir ed   d is co n n ec t io n s   o f   t h o b j e cts  f o r m ed   b y   K - m ea n s   clu s ter i n g .   T h u s ,   w ap p l y   i m ag r es to r atio n   p r o ce s s   b y   S m ea r i n g   al g o r ith m   to   f i n ali ze   th ex tr ac tio n   o f   ce r v ical  v er teb r ae .       3 . 1 .   L o ca t ing   t he  Cer v ica l V er t ebra Ca nd ida t O bje ct   Fro m   th i s   R OI   i m a g th at  co n tai n s   o n l y   m u s cles,  f asciae  an d   s p in es,  w tr y   to   ex tr ac t   ca n d id ate  DC b y   ap p l y i n g   s er ies  o f   i m ag e   p r o ce s s in g   al g o r ith m s .   T h f ir s s tep   i s   n o r m aliza ti o n   p r o ce s s   k n o w n   a s   th E n d s - i n   Stre tc h in g   to   th i m ag p r o ce s s i n g   co m m u n it y   [ 1 2 ] .   T h at  s tr etch i n g   e n h an ce s   t h in te n s it co n tr ast  to   d i f f er e n tiate  t h tar g et  a n d   th b ac k g r o u n d   ar ea   m o r c lear l y .   Fo r m u la   ( 1 )   ex p lain s   E n d s - i n   s ea r c h   s tr etch i n g .     M a x y x P M a x y x P M i n M i n y x P M i n M a x M i n y x P y x C ) , ( ) , ( ) , ( 255 ) , ( 255 0 ) , (         ( 1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     E ffective   C o mp u ter - A s s i s ted   A u to ma tic  C ervica l V erteb r a E xtra ctio n   w ith     ( Ha e - Ju n g   Lee )   2812   w h er M in   an d   Ma x   d en o te   t h m a x i m u m   a n d   m i n i m u m   i n ten s it y   v al u o f   t h g i v en   i m ag e   a n d     P ( x y )   is   th in te n s i t y   v al u o f   th p i x el  at  ( x y )   co o r d in ates  in   t h o r ig i n al  i m ag a n d   C ( x y )   is   th r esu l tan t   in te n s it y   v alu a f ter   E n d s - i n   s ea r ch   s tr etc h i n g .   S u c h   n o r m aliza tio n   p r o ce s s   is   n ec es s a r y   to   m i n i m ize  t h in f o r m atio n   lo s s   s i n ce   t h er m ig h t b b lu r r in g   d u to   t h s c atter in g   ef f ec t o f   u ltra s o u n d   te ch n iq u e.   Fro m   th at  co n tr a s t - e n h an ce d   i m ag e,   w ap p l y   av er a g b in ar izatio n   a n d   B lo b   alg o r ith m   [ 1 3 ]   to   r e m o v u n n ec e s s ar y   n o is in   d etec tin g   D C m u s cle  ar ea .   T h B l o b   alg o r ith m   w ad o p ted   ca n   b s u m m ar ized   as f o llo w s ;     G iv en   B in ar y   I m a g e   L et  t h in itial C o lo r [ k ] =0     Ste p 1   Scan   th o r ig i n al  i m ag f r o m   lef to   r ig h an d   to p   to   b o tto m   ( r aster   Sca n )   u s i n g   L - Sh ap te m p late     Fo r   k =I m a g Size     if   I m a g e[ C ] =2 5 5   th en       if   I m a g e[ U] =2 5 5   an d   I m a g e[ L ] =0   th en         C o lo r [ C ] =Co lo r [ U]       if   I m a g e[ U] =0   an d   I m a g e[ L ] = 2 5 5   th en         C o lo r [ C ] =Co lo r [ L ]       if   I m a g e[ U] =0   an d   I m a g e[ L ] = 0   th en         C o lo r [ C ] =K ++ ,   n e w   C o lo r       if   I m a g e[ U] =2 5 5   an d   I m a g e[ L ] =2 5 5   th en         if   C o lo r [ U]   is   n o t e q u al  C o lo r [ L ]   th e           R eCo lo r in g   T ab le  C o lo r [ C ] = C o lo r [ L ]   r ep ea t     Ste p 2   Fo r   co u n t=k     C o lo r [ co u n t] =Re C o lo r in g [ C o l o r [ co u n t] ]   r ep ea t       w h er U,   C ,   L   d e n o te  Up ,   C en ter ,   L ef t i n   r esp ec ti v el y .     A   b lo b   is   r eg io n   o f   a n   i m a g e   in   w h ic h   s o m p r o p er ties   ar co n s ta n t o r   ap p r o x i m atel y   co n s tan t.  T h e   p ix els  i n   b lo b   h av th s a m e   q u an tized   co lo r   alth o u g h   t h e y   m a y   h av d i f f er en co lo r s   in   t h o r ig i n al  i m a g e.   T h u s ,   u s i n g   t h is   alg o r it h m ,   w e   ca n   f o r m   s i m i lar l y   co lo r ed   o b j ec r eg io n s   an d   t h e n   r e m o v e   u n n ec ess ar y   o b j ec ts   f r o m   o u r   i n ter es t.  Fo r   ex a m p le,   w k n o w   th a t o u r   tar g et  D C F   is   s u f f ic ien t l y   lo n g   i n   th e   o r ig i n al  i m a g e   th u s   th ar ea   o f   f o r m ed   o b j ec is   to o   s m al o r   th len g th   is   le s s   th a n   t h h al f   o f   th i m a g w id t h ,   th at  o b j ec is   u n n ec es s ar y   i n   o u r   i m ag a n al y s i s   th u s   r e m o v s u c h   o b j ec ts .   T h ef f ec t o f   t h i s   B lo b   ap p lic atio n   ca n   b s h o w n   as  Fig u r 3 ( b )   f r o m   t h co n tr a s t e n h an ce d   i m a g s h o w n   as F ig u r 2 ( a) .                 ( a)   E n d s - i n   Sear ch   Stre tch i n g     ( b )   A v er ag B i n aiza tio n   &   B lo b   R e m o v i n g     ( c)   E x tr ac tin g   B lo o d   Vess el     ( d )   DC C an d id ate     Fig u r 2 .   P r o ce s s   f o r   L o c atin g   DC C a n d id ate     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E   Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   2 8 1 0     2 8 1 7   2813   T h en   ex tr ac tin g   th b lo o d   v ess el  is   ea s y   s i n ce   t h at  h as  r elat iv el y   lo w   i n ten s it y   a n d   s ig n if ica n b u t   al m o s u n i f o r m   t h i c k n ess   a s   s h o w n   in   Fi g u r 2 ( c) .   T h en   w k n o w   t h at  th D C ar ea   i s   lo ca ted   b elo w   t h e   b lo o d   v ess el  as s h o w n   i n   Fi g u r 2 ( d ) .   T h en ,   o u r   tar g et  o b j ec t,  ce r v ical  v er teb r ae ,   is   b elo w   t h lo w er   f ascia  b o u n d ar y   li n es  a n d   h as  lo n g   cu r v ed   s h ap e.   T h u s ,   w tr y   t o   f in d   t h r o u g h   r an g o f   tar g et  o b j ec t’ s   e x is te n ce   b y   s ea r ch in g   a n   o b j ec o f   s ig n i f ica n s ize  f r o m   t h b o tto m   a n d   f r o m   t h to p   af ter   r em o v i n g   b lo o d   v ess el  an d   DC o b j ec f r o m   th e   i m a g e.   T h en   th r an g o f   C er v ical  v er teb r ae s   e x is ten ce   i s   g i v en   a s   Fi g u r 3 (b ).             ( a)   L o w er   b o u n d ar y   o f   DC F     ( b )   R an g s ea r c h     Fig u r e   3 .   R an g o f     C er v ical  V er teb r ae   C an d id ate  E x is te n c e       3 . 2 .   P ix el  Clus t er ing   by   K - m ea ns   w it M o rpho lo g ica l In f o r m a t io n   W ith in   t h r an g o f   tar g et   o b ject  ex i s ten ce ,   w tr y   to   ap p l y   p ix el  cl u s ter i n g .   K - m ea n s   cl u s ter in g   is   a   w ell - k n o w n   u n s u p er v is ed   lear n in g   al g o r ith m   t h at  h a s   m a n y   v ar ian t s   w it h   r esp ec to   th ap p licatio n   an d   w e   f o llo w   s p ee d   u p   v er s io n   o f   it   [ 1 1 ] .     B eg in   I n itialize  n k μ 1 ,   μ 2 ,   ,   μ k   Do   class i f y   n   s a m p les ac co r d in g   to   n ea r est  μ i   r ec o m p u te  μ i     Unt il   n o   ch a n g in   μ i     Ret urn   μ 1 ,   μ 2 ,   …,   μ k   E nd     T h p r in cip le  o f   K - m ea n s   is   as  s i m p le   as   ab o v d escr ip t io n .   Fro m   ar b itra r il y   g i v en   k   s ets,   th e   alg o r ith m   iter ati v el y   r e - as s i g n s   th d ata  s ets  ac co r d in g   to   th ce n ter   p o in an d   r e - co m p u tes  ce n ter   p o in ts   a t   ev er y   iter atio n   u n til  t h er is   n o   s ig n i f ica n c h an g e.   I n   o u r   e x p er i m e n k   is   g iv e n   as  6 .   An d   th ef f ec o f   K - m ea n s   ca n   b s h o w n   a s   Fi g u r e   4 .           Fig u r e   4 .   T h E ffe ct  o f   K - M ea n s   P ix el  C l u s ter i n g       T h n ex s tep   is   to   e x tr ac m e an in g f u o b j ec ts   b y   lo ca r e g i o n   lab elin g   p r o ce d u r e.   Sin ce   t h ce r v ica l   v er teb r ae   ar ea   is   r elati v el y   b r ig h t,  w ap p l y   th e   lab elin g   t o   o n l y   h i g h l y   b r ig h cl u s ter s .   T h r esu lt   o f   t h i s   lab elin g   p r o ce d u r is   s h o w n   a s   Fig u r 5 .   I n   Fi g u r 5 ,   t h e x tr ac ted   o b jects  co n tai n   n o is e s   s u ch   as  ca r tilag a n d   s u b cu ta n eo u s   f a t.  I n   o r d er   to   r e m o v s u ch   n o i s o b j ec ts ,   w test   th cir cle  r ate  an d   ex ten s io n   r ate  o f   o b j ec ts   in   co n s id er ati o n .   Fo r m u la  ( 2 )   ex p lain s   s u c h   s h ap p ar a m eter s .   T h s h ap o f   ce r v ical  v er te b r ae   is   lo n g   c u r v w it h   r elati v el y   co n s is te n f o r m   w h ile  o t h er   n o is es   h a v ir r e g u lar   s h ap es  t h u s   s u c h   m o r p h o lo g ical  c h ar ac ter is t ics  ca n   d is cr i m i n ate  tar g et   o b j ec ts   f r o m   n o i s es  w it h   m ea s u r e m e n ts   e x p lai n ed   in   f o r m u la   ( 2 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     E ffective   C o mp u ter - A s s i s ted   A u to ma tic  C ervica l V erteb r a E xtra ctio n   w ith     ( Ha e - Ju n g   Lee )   2814       Fig u r e   5 .   Af ter   L ab eli n g   P r o c e d u r e       H e i g h t H e i g h t W i d t h E A P C , 4 2               ( 2 )     As  s h o w n   i n   f o r m u la  ( 2 ) ,   th e   cir cle  r ate  C   is   d ef in ed   as  1   if   th o b j ec is   p er f ec cir cle  an d   it  b ec o m e s   m o r th a n   1   if   th o b j ec is   co m p lex   s in ce   t h cir cu m f er en ce   ( P )   b ec o m es  lar g er .   A   is   th ar ea   o f   th e   r eg io n   in   t h i s   f o r m u la.   T h ex ten s io n   r ate  ( E )   d en o tes  th r ate  o f   th d if f er en ce   b et w ee n   th w id t h   an d   th e   h eig h d iv id ed   b y   th h ei g h f o r   th m i n i m u m   q u ad r a n g le  th at  in c lu d es  t h o b j ec t.  E   b e co m e s   0   w h en   t h e   q u ad r an g le  is   s q u ar ( o r   cir cle  o f   co u r s e) .   A n y   n o n - ze r o   E   r ep r esen ts   th d ir ec tio n   an d   th d eg r ee   o f   u n b ala n ce   o f   t h o b j ec t th u s   it  h elp s   to   f i g u r o u t th n o is to   b r em o v ed .   T h ef f ec t o f   n o is r e m o v al  is   s h o w n   a s   Fi g u r 6 .               Fig u r 6 .   No is R e m o v ed       3 . 3 .   Cer v ic a l V er t ebra O bj ec t   Rest o ra t io n by   S m ea ring   T h r esu ltan i m a g m a y   h a v e   lo s in f o r m atio n   d u r i n g   t h n o is r e m o v al  p r o ce s s   s o   t h at  t h lab elled   o b j ec ts   ar v er y   clo s b u d is c o n n ec ted .   T h h o r izo n tal  s m e ar in g   p r o ce s s   [ 1 3 ]   is   ap p lied   t o   co m p en s ate  s u c h   in f o r m atio n   lo s s   to   o b tai n   t h f in al   o u tp u i m ag f o r   e x tr ac ti n g   ce r v ical  v er teb r ae   w it h   r ec o n n ec ti n g   p r o ce d u r e .   I n   th p r o ce s s   m o r p h o lo g ical  o p er ato r s   [ 1 3 ]   ar ap p lied   f o r   i m a g s m o o t h in g   an d   r esto r atio n   a n d   th r esu lt c an   b s h o w n   a s   Fi g u r 7 .               ( a)   Dis co n n ec ted   C er v ical  Ver teb r ae     ( b )   I m ag R es to r atio n     Fig u r 7 .   C er v ical  Ver teb r ae   I m ag R esto r atio n     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E   Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   2 8 1 0     2 8 1 7   2815   4.   E XP E R I M E NT   T h p r o p o s ed   m eth o d   is   i m p le m en ted   w it h   C ++   u n d er   Mic r o s o f Vis u al  St u d io   2 0 1 0   o n   th e     I B M - co m p atib le  P C   w it h   I n te l( R )   C o r e( T M)   T - 4 2 0 0   C P @   3 . 4 0 GHz   an d   2 GB   R A M.   T h ex p er i m e n u s e s   f i f t y   t w o   8 0 0 x 6 0 0   s ize  DI C O f o r m at  li n ea r   u ltra s o u n d   i m ag es   T h ac cu r ac y   o f   t h m et h o d   o r   th u til it y   o f   th e   au to m atic   v is io n   b ased   ce r v ical  v er teb r ae   an al y ze r   ca n   b m ea s u r ed   b y   th a g r ee m en r ate  o f   lo ca ti n g   D C m u s cle  th ic k n es s   m ea s u r i n g   k e y   p o in ts   w it h   h u m a n   ex p er ts     p h y s ical   th er ap is ts .   I n   o r d er   to   av o id   h u m a n   s u b j ec tiv it y ,   o u r   g r o u n d   tr u t h s   o f   m e asu r i n g   p o in ts   ar e   o b tain ed   b y   t w o   p h y s ical  t h e r ap is ts   ag r ee m e n ts .   E x tr ac ti n g   ce r v ical  v er teb r ae   w h ic h   i s   th th e m o f   t h is   p ap er   is   r eq u ir ed   in   o r d er   to   an al y ze   t h o s i m p o r tan t   m u s cle s   ( DC F a n d   S C M)   f o r   n ec k   p a in   m a n ag e m e n t.  As   d escr ib ed   in   T a b le  1 ,   th p r o p o s ed   s y s te m   s h o w ed   9 6 %   ag r ee m e n r ate  w it h   m u lt ip le  h u m a n   ex p er ts   ag r ee m e n ts .       T ab le  1 .   Mu s cle  T h ick n e s s   M ea s u r i n g   K e y   P o in ts   E x tr ac tio n     P r o p o se d   M e t h o d   K e y   P o i n t s   4 8 / 5 0   (   9 6   )       I n   o u r   p r o p o s ed   m eth o d ,   k e y   p o in is   s et  to   b th lo w e s p o in o f   t h f ir s ce r v ical  v er te b r ae   o b j ec t   an d   th r a n g o f   m ea s u r e m e n is   w it h in   1   c m   le f a n d   r ig h t   o f   t h at  k e y   p o in t.  T h th ick n e s s   o f   t h DC F   m u s cle  is   t h e n   co m p u ted   as th av er ag le n g t h   o f   v er tical  li n es  w ith in   t h at  m ea s u r in g   r an g e .   I n   o u r   p r e v io u s   atte m p [ 1 0 ] ,   w e   u s ed   f u zz y   s i g m a   b in ar izat io n   to   co n tr o lo w   b r i g h t n es s   co n tr ast  b y   its   ad ap tiv th r es h o ld in g   c h ar ac ter is tic  i n s tead   o f   K - m ea n s   p ix el  cl u s ter i n g   t h at  t h p r o p o s ed   m et h o d   o f f er s Ho w e v er ,   th p r ev io u s   ap p r o ac h   d o es  n o co n s id er   t h av er ag b r ig h tn e s s   n o r   m o r p h o lo g ical  ch ar ac ter is tic s   o f   ce r v ical   v er teb r ae   th u s   its   p er f o r m a n ce   is   n o s tab le  esp e ciall y   w h e n   it  f o r m s   t h t h ic k n es s   m ea s u r in g   k e y   p o in ts .   T h u s ,   th e   p r o p o s ed   m e th o d   u ti l izes  m o r p h o lo g ical   i n f o r m atio n   o f   ce r v ical   v er teb r a in   n o is e   r e m o v a p r o ce s s .   Fig u r 8   s h o w s   t h e   d if f er en ce   o f   t h e   p r o p o s ed   m et h o d   an d   p r ev io u s   a tte m p [ 1 0 ]   in   d etec ti n g   m ea s u r in g   k e y   p o in t s .             ( a)   E x tr ac tin g   C er v ica l V er t eb r ae   [ 1 0 ]     ( b )   E x tr ac tin g   C er v ical  Ve r teb r ae   ( P r o p o s ed )           ( a)   Key   P o in ts   [ 1 0 ]     ( b )   Key   P o i n t ( P r o p o s ed )     Fig u r 8 .   P er f o r m a n ce   Co m p a r is o n       As  s h o w n   i n   Fi g u r 9 ,   th r esu lt s   f r o m   t h p r o p o s ed   m e th o d   is   co n s is te n w it h   t h o s e   o f   h u m a n   ex p er ts .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     E ffective   C o mp u ter - A s s i s ted   A u to ma tic  C ervica l V erteb r a E xtra ctio n   w ith     ( Ha e - Ju n g   Lee )   2816               ( a)   Ma n u al  Ke y   P o in De tecti o n     ( b )   P r o p o s ed   Me th o d     Fig u r 9 .   P er f o r m a n ce   co m p ar is o n   2 : H u m a n   ex p er ts   v s   P r o p o s ed   m et h o d       5.   CO NCLU SI O N   I n   th i s   p ap er ,   w p r o p o s m et h o d   to   ex tr ac ce r v ical  v er teb r ae   au to m atica ll y   b y   u s i n g   v ar io u s   i m a g p r o ce s s in g   tech n iq u e s   an d   K - m ea n s   p ix el  clu s ter in g   to   f o r m   t h tar g et  ce r v ical  v er teb r ae   o b j ec t   f r o m   u ltra s o n o g r ap h y .   Fo r   tech n ic al  co n ce r n s ,   o u r   m et h o d   c o n s is t s   o f   th r ee   p ar ts   in   th i s   au to m at ic  ex tr ac tio n .   Firstl y ,   w e   s h o u ld   f i n d   t h l o w er   b o u n d   o f   D C ar ea   th at  is   th e   u p p er   b o u n d   o f   t h e   ce r v ical   v er teb r ae   ex is te n ce .   I n   th i s   p ar t,  w ap p ly   a v er ag b in ar izatio n   an d   B lo b   alg o r ith m   f r o m   i n ten s it y   en h a n ce d   i m a g to   r e m o v u n n ec es s ar y   p ar an d   lo ca te  o n l y   th r e g io n   t h at  t h tar g et  o b j ec ca n   ap p ea r .   On ce   th r an g o f   tar g e t   o b j ec ex is ten ce   i s   d ec id ed ,   w clu s ter   p ix el s   w ith   K - m ea n s   alg o r ith m   to   f o r m   th ce r v ic al  v er teb r ae   o b j ec t   w it h   r esp ec to   th m o r p h o lo g ic al  li m itat io n s   s u c h   as  lo n g   o v al  s h ap i n g .   L a s tl y ,   w ap p ly   i m ag r esto r atio n   p r o ce s s   b y   S m ea r in g   alg o r it h m   to   co m p e n s ate  p o s s ib le  o b j ec d is co n n ec tio n   o r   o th er   in f o r m atio n   lo s s   th a t   w a s   ca u s ed   f r o m   p r ev io u s   i m a g p r o ce s s in g   s tep s .     T h p er f o r m an ce   o f   th p r o p o s ed   m et h o d   is   ev al u ated   b y   th ag r ee m e n r ate  w it h   h u m a n   ex p er ts   in   lo ca tin g   m ea s u r i n g   k e y   p o in t s   f o r   r elate d   m u s cle  an al y s is .   T h p r o p o s ed   m et h o d   w a s   s u cc ess f u i n   4 8   o u if   5 0   test   ca s es.   Ho w e v er ,   as sh o w n   i n   Fi g u r 1 0 ,   tw o   ca s e s   ar f ailed   d u to   i m p er f ec n o is r e m o v al.                           ( a)   No is R e m o v al  Failed     ( b )   Ov er lap p ed   O b j ec ts     Fig u r 1 0 .   Failed   C er v ical  Ver teb r ae   E x tr a ctio n       I n   ca s Fig u r 1 0 ( a) ,   th f als p o s itiv n o is w as  n o r e m o v ed   s in ce   it  h as  s i g n i f ica n s ize  an d   i n   Fig u r 1 0 ( b ) ,   ce r v ical  v er teb r ae   o b j ec ts   ar n o s ep ar ated   d u to   in co r r ec r e m o v al  o f   r elate d   ca r tilag a n d   s u b cu tan eo u s   f at  ex p lai n ed   i n   s ec tio n   3 . 2 .   I n   o r d e r   to   o v er co m s u c h   i m p er f ec tio n ,   we  m a y   n ee d   m o r e   co m p le x   lear n i n g   p r o ce d u r t o   d elim ita te  u n n ec e s s ar y   o b j ec ts   f r o m   tar g et  o b j ec t.  Oth er w i s e,   th p r o p o s ed   m et h o d   is   ef f ec ti v an d   s tab le  w it h   r esp ec t to   m a n u al  d etec ti o n   o f   m ea s u r i n g   k e y   p o in ts   f o r   r elate d   m u s cle s .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E   Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   2 8 1 0     2 8 1 7   2817   RE F E R E NC E S   [1 ]   R.   F e jer ,   e a l. ,   T h e   p re v a len c e   o f   n e c k   p a in   in   th e   w o rld   p o p u lat io n a   sy ste m a ti c   c r it ica re v i e w   o f   th e   li tera tu re ,   Eu ro p e a n   s p in e   jo u rn a l v o l.   15 ,   n o .   6 ,   p p .   8 3 4 - 8 4 8 ,   2 0 0 6 .   [2 ]   D.  F a ll a   a n d   D.  F a ri n a ,   Ne u ra a n d   m u sc u lar  f a c to rs  a ss o c iate d   w it h   m o to im p a ir m e n in   n e c k   p a in ,   C u rr e n t   rh e u ma t o lo g y   re p o rts v o l.   9 ,   n o .   6 ,   p p .   4 9 7 - 5 0 2 ,   2 0 0 7 .   [3 ]   M . A .   M a y o u x - Be n h a m o u ,   e a l. ,   L o n g u c o ll i   h a a   p o st u ra f u n c ti o n   o n   c e rv ica c u rv a tu re ,   S u r g ica l   a n d   Ra d i o lo g ic A n a t o my v o l.   16 ,   n o .   4 ,   p p .   3 6 7 - 3 7 1 ,   1 9 9 4 .   [4 ]   A .   M id d led it c h   a n d   J.  Oliv e r,   Fu n c ti o n a a n a t o my   o th e   sp in e ,   2 n d   e d it i o n C h a p ter   3 ,   Bu tt e rw o rth - He in e m a n n 2 0 0 2 .   [5 ]   J.  Ylin e n ,   e a l. ,   S tretc h in g   e x e rc ise v m a n u a th e ra p y   in   tr e a t m e n o f   c h ro n ic  n e c k   p a in a   ra n d o m ize d ,   c o n tro ll e d   c ro ss - o v e tri a l ,   J o u rn a o re h a b il it a ti o n   me d icin e v o l .   39 ,   n o .   2 ,   p p .   1 2 6 - 1 3 2 ,   2 0 0 7 .   [6 ]   É.   Ca rd in a l ,   e a l. ,   Ro le  o f   u lt ra so u n d   in   m u sc u lo sk e leta in f e c ti o n s ,   Ra d io lo g ic  c li n ics   o n o rth   A me ric a v o l.   39 n o .   2 ,   p p .   1 9 1 - 2 0 1 ,   2 0 0 1 .   [7 ]   R. J.  M a so n ,   e a l. M u rr a y   a n d   N a d e l’s  T e x tb o o k   o re sp ira to ry   me d icin e ,   5 th   e d it i o n .   Ch a p ter   2 0 ,   S a u n d e rs ,   2 0 1 0 .   [8 ]   E. T .   En ik o v   a n d   R.   A n to n ,   Im a g e   S e g m e n tatio n   a n d   A n a ly sis  o f   F lex io n - Ex ten sio n   Ra d i o g ra p h o f   Ce rv ica S p in e s ,   J o u rn a o M e d ica En g i n e e rin g ,   2 0 1 4 .   [9 ]   X .   Xu ,   e a l. ,   “A u to m a ti c   se g m e n tatio n   o f   c e rv ica v e rteb ra e   in   X - ra y   i m a g e s ,   In   Ne u ra Ne two rk ( IJ CNN),  T h e   2 0 1 2   I n ter n a ti o n a l   J o i n Co n fer e n c e   o n p p .   1 - 8 Ju n e   2 0 1 2 .     [1 0 ]   K.B.   Kim ,   e a l. ,   Ex trac ti o n   o f   S tern o c leid o m a sto id   a n d   L o n g u Ca p it is/Co l li   M u sc le  Us in g   Ce rv ica V e rteb ra e   Ultras o u n d   Im a g e s ,   Cu rr e n M e d ica Im a g i n g   Rev iews ,   v o l.   10 ,   n o .   2 ,   p p .   95 - 1 0 4 ,   2 0 1 4 .   [1 1 ]   T .   Hiten d ra   S a rm a ,   e a l. ,     A   h y b rid   a p p r o a c h   t o   sp e e d - u p   th e   k - m e a n c lu ste rin g   m e th o d ,   In ter n a ti o n a l   J o u rn a l   o M a c h i n e   L e a r n in g   a n d   Cy b e rn e ti c s , v ol 4 ,   n o .   2 ,   p p .   1 0 7 - 1 1 7 ,   2 0 1 2 .   [1 2 ]   E.   Da v ies ,   M a c h in e   Vi si o n T h e o ry ,   Al g o rit h ms   a n d   Pra c ti c a li ti e s ,   A c a d e m ic  P re ss ,   1 9 9 0 .   [1 3 ]   R. C.   G o n z a lez   a n d   R. E.   W o o d s,   Dig it a l   Ima g e   Pro c e ss in g ,   T h ird   Ed it i o n ,   P re n ti c e - Ha ll ,   2 0 0 7 .       B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS       H a e j u n g   Le e   Ha e ju n g   L e e   is  a n   a ss o c iate   p ro f e ss o a th e   d e p a rtm e n o f   P h y sic a T h e ra p y   in   S il la   Un iv e rsity ,   S o u t h   K o re a .   S h e   f in ish e d   h e M A p p S c a n d   P h a t h e   Un iv e rsity   o f   S y d n e y ,   A u stra li a .   He r   re se a rc h   in tere sts  a r e   m u sc u lo sk e leta c o n d it i o n f o c u sin g   o n   f u n c ti o n a a c ti v it ies ,   e sp e c iall y   n e c k   p a in   a n d / o sh o u l d e p a i n   w it h   re late d   f u n c ti o n s.  S h e   is  c u r re n tl y   a n   e d it o rial  m e m b e f o r   th e   Jo u r n a o f   P h y sic a T h e ra p y   S c ien c e   (Ja p a n a n d   W o rl d   Jo u rn a l   o f   Orth o p e d ics   (Ch i n a ).         Do o   H e o n   S o n g   Do o   He o n   S o n g   re c e iv e d   a   B. S .   d e g re e   in   S tatisti c &   Co m p u ter  S c ien c e   f ro m   S e o u Na ti o n a l   Un iv e rsit y   a n d   M . S .   d e g re e   Co m p u ter  S c ien c e   f ro m   th e   Ko re a   A d v a n c e d   In stit u te  o f   S c ien c e   a n d   T e c h n o lo g y   in   1 9 8 3 .   He   re c e iv e d   h is  P h . D.  Ce rti f ica te  in   Co m p u ter  S c ien c e   f ro m   th e   Un iv e rsit y   o f   Ca li f o rn ia  in   1 9 9 4 .   F o rm   1 9 8 3 - 1 9 8 6 ,   h e   w a a   re se a rc h   sc ien ti st  a th e   Ko re a   In stit u te  o f   S c ien c e   a n d   T e c h n o l o g y .   He   h a b e e n   a   p ro f e ss o a th e   De p a rtm e n o f   Co m p u ter  G a m e s,  Yo n g - in   S o n g d a m   Co ll e g e ,   Ko re a ,   sin c e   1 9 9 7 .   His  re se a rc h   in tere sts  in c lu d e   IT S ,   m a c h in e   lea rn in g ,   a rti f icia in telli g e n c e ,   m e d ica i m a g e   p ro c e ss in g ,   c o g n it iv e ,   a n d   g a m e   in telli g e n c e .           K w a n g   B a e k   K i m   Kw a n g   Ba e k   Ki m   re c e iv e d   h is  M . S .   a n d   P h . D.  d e g re e f ro m   th e   De p a rtm e n o f   Co m p u ter  S c ien c e ,   P u sa n   Na ti o n a Un iv e rsity ,   Bu sa n ,   Ko re a ,   in   1 9 9 3   a n d   1 9 9 9 ,   re sp e c ti v e ly .   F ro m   1 9 9 7   t o   th e   p re se n t,   h e   is  a   p r o f e ss o a t   th e   De p a rtm e n o f   Co m p u ter  E n g in e e rin g ,   S il la  U n iv e rsity ,   Ko re a .   He   is  c u rre n tl y   a n   a ss o c i a te  e d it o f o Jo u rn a o f   In telli g e n c e   a n d   In f o rm a ti o n   S y ste m s   a n d   T h e   Op e n   C o m p u ter  S c ien c e   Jo u rn a (USA ).   His  re se a rc h   in tere sts  in c lu d e   f u z z y   n e u ra n e tw o rk   a n d   a p p li c a ti o n s,  b i o in f o rm a ti c s,  a n d   im a g e   p ro c e ss in g .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.