I AE S In t er na t io na l J o urna l o f   Art if icia l In t ellig ence   ( I J - AI )   Vo l.   13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 2 4 ,   p p .   4 0 8 0 ~ 4 0 9 4   I SS N:  2 2 5 2 - 8 9 3 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijai.v 13 .i 4 . p p 4 0 8 0 - 4 0 9 4          4080     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij a i . ia esco r e. co m   H y brid  im pro v ed f uzzy   C - mea ns  a nd watersh ed seg menta tion  to cla ss ify  Alzhei mer’s   using   deep  lea rning       E s ra a   H .   Ali 1,   2 ,   Sa wsa n Sa dek 1 ,   Z a id F .   M a kk i 3   1 D o c t o r a l   S c h o o l   o f   S c i e n c e s  a n d   Te c h n o l o g y ,   L e b a n e se   U n i v e r si t y ,   B e i r u t ,   Le b a n o n   2 D e p a r t me n t   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e ,   C o l l e g e   o f   S c i e n c e ,   A l - N a h r a i n   U n i v e r si t y ,   B a g h d a d ,   I r a q   3 Al - N a h r a i n   C e n t e r   f o r   S t r a t e g i c   S t u d i e s ,   B a g h d a d ,   I r a q       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J an   1 9 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Ma r   2 4 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   J u n   1 ,   2 0 2 4       Bra in   d a m a g e   a n d   d e ficits  in   in te ra c ti o n s  a m o n g   b ra i n   c e ll s  a re   th e   p rima ry   c a u se s o f  d e m e n ti a   a n d   Alz h e ime r ’ s d ise a se   (AD ) .   De sp it e   o n g o i n g   re se a rc h ,   n o   e ffe c ti v e   m e d ica ti o n s  h a v e   y e t  b e e n   d e v e l o p e d   f o r  t h e se   c o n d it io n s .   Th e re fo re ,   e a rly   d e tec ti o n   is  c ru c ial  fo r  m a n a g in g   t h e   p ro g re ss io n   o f  th e se   d iso rd e rs.   In   t h is  st u d y ,   we   i n tro d u c e   a   n o v e l   t o o l   f o r  d e tec ti n g   AD   u sin g   n o n - in v a siv e   m e d ica l  tes ts,  su c h   a s  m a g n e ti c   re so n a n c e   ima g i n g   (M RI).   Ou r   m e th o d   e m p lo y s  fu z z y   C - m e a n s  c lu ste rin g   to   id e n ti f y   fe a tu re s  t h a t  e n h a n c e   ima g e   a c c u ra c y .   Th e   sta n d a rd   fu z z y   C - m e a n s  a lg o rit h m   h a s  b e e n   a u g m e n te d   with   f u z z y   c o m p o n e n ts  to   imp ro v e   c lu ste ri n g   p e rfo rm a n c e .   Th is   e n h a n c e d   a p p ro a c h   o p ti m ize s  se g m e n tatio n   b y   e x trac ti n g   ima g e   in f o rm a ti o n   a n d   u ti li z i n g   a   sli d in g   win d o w  t o   c a lcu late   c e n ter  c o o rd i n a tes   a n d   e sta b li sh   a   sta b le  g ro u p   m a tri x .   Th e se   c rit ica l  fe a tu re s  a re   su b se q u e n tl y   in te g ra ted   with   a   two - p h a se   wa ters h e d   se g m e n tatio n   p ro c e ss .   Th e   re su lt i n g   se g m e n t e d   ima g e s  a re   th e n   u se d   to   train   a n   o p ti m a l  c o n v o l u ti o n a l  n e u ra l  n e two rk   (CNN )  fo r  AD   c las sifica ti o n .   O u r  m e th o d o lo g y   d e m o n stra ted   a   9 8 . 2 0 %   a c c u ra c y   ra te  in   th e   d e tec ti o n   a n d   c las sifica ti o n   o f  se g m e n ted   M RI  b ra i n   ima g e s,  h i g h li g h t in g   it s   e ffica c y   in   id e n ti fy in g   d ise a se   ty p e s.   K ey w o r d s :   Alzh eim er ’ s   d is ea s e    C o n v o lu tio n al  n eu r al  n etwo r k     I m p r o v ed   f u zz y   C - m ea n s   Ma g n etic  r eso n an ce   im a g in g     W ater s h ed   s eg m en tatio n   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   E s r aa   H.   Ali   Do cto r al  Sch o o l  o f   Scien ce s   a n d   T ec h n o lo g y ,   L e b an ese  Un i v er s ity   Al - Had ath   Dis tr ict,   B eir u t,  L eb an o n   E m ail:  esra a. ali@ u l.e d u . ib       1.   I NT RO D UCT I O N   Alzh eim er ’ s   d is ea s e  ( AD)   is   th e  lead in g   ca u s e  o f   d em en tia   am o n g   o ld er   ad u lts ,   ch a r ac te r ized   as  a  m en tal  h ea lth   d is o r d er   th at  r esu lts   in   b r ain   d a m ag e  a n d   im p a ir s   th e  ab ilit y   to   p er f o r m   d aily   ac tiv ities   [ 1 ] .   I t  is   a  ch r o n ic  n e u r o d eg en e r ativ e  c o n d itio n   with   an   i n s id io u s   o n s et  an d   g r ad u ally   wo r s en in g   s y m p to m s   o v er   tim e.   T h e  etio lo g y   o f   AD  r em ai n s   u n clea r ,   a n d   tr ea t m en ts   ar e  o f ten   ex p e n s iv e.   I n   r ec en t   y ea r s ,   th er e  h as  b ee n   a  s ig n if ican t  f o cu s   o n   ea r ly   d   A D  is   t h e  lead in g   ca u s e  o f   d em e n tia  am o n g   o ld er   ad u lts ,   ch ar a cter ized   as  a  m en tal  h ea lth   d is o r d er   th at  r esu lts   in   b r ain   d am a g e  an d   im p air s   th e   ab ilit y   to   p er f o r m   d aily   ac tiv i ties .   I t  is   a  ch r o n ic  n eu r o d eg en e r ativ e  co n d itio n   with   an   in s id io u s   o n s et  an d   g r ad u ally   w o r s en in g   s y m p t o m s   o v er   tim e.   T h e  etio lo g y   o f   AD  r em ain s   u n clea r ,   an d   tr ea tm en ts   a r e  o f ten   e x p en s iv e.   I n   r ec en t   y ea r s ,   t h er e  h as  b ee n   a   s ig n if ican t  f o cu s   o n   ea r ly   d etec tio n   o f   th is   f o r m   o f   d em en tia  b y   ac ad em ics  an d   r esear ch er s .   T h e  cu r r en t  g lo b al  d em o g r a p h i c  o f   in d iv id u als  with   d em en tia  is   esti m ated   to   b e  4 7 . 5   m illi o n ,   p r o jecte d   to   in cr ea s e  to   7 5   m illi o n   b y   2 0 3 0   [ 2 ] ,   [ 3 ] .   T h e  ad v an ce m en t  o f   d ig ital  n eu r o im a g in g   tech n iq u es  h as  en h an ce d   th e  an aly s is   o f   clin ical   im ag in g   d ata  f o r   d iag n o s in g   b r ain   d is o r d er s .   T ec h n iq u es   s u ch   as  m ag n etic  r eso n an c e  im ag in g   ( MRI) ,   ce r eb r o s p in al  f lu id   ( C SF )   an aly s is ,   s in g le  p h o to n   em is s io n   co m p u ted   t o m o g r ap h y   ( SP E C T ) ,   an d   f lu o r o d eo x y g lu c o s e  p o s itro n   em is s io n   to m o g r a p h y   ( FDG - PET )   ar e  in s tr u m e n tal  in   id en tify in g   s tr u ct u r al   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       Hyb r id   imp r o ve d   fu z z y  C - mea n s   a n d   w a ters h ed   s eg men ta tio n   to   cla s s ify  A lz h eime r ’ s   …  ( E s r a a   H.   A li )   4081   ch an g es  in   th e  b r ain .   Sin ce   th e  ea r ly   1 9 8 0 s ,   th e  m ed ical  co m m u n ity   h as  b eg u n   u tili zin g   th e s e  ad v an ce d   m ed ical   im ag in g   tech n i q u es  to   im p r o v e  th e  q u ality   o f   h ea lth ca r e  im ag er y   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   T h e  ev o lu tio n   o f   tr ad itio n al  im ag e   p r o ce s s in g   m eth o d s   alo n g s id e  m ac h in e  lear n in g   ( ML )   a n d   d ee p   lear n in g   ( DL )   h as   led   to   s ig n if ican t   ad v an ce m e n ts   in   m e d ical  im ag e  an aly s is .   An aly tical  im a g e  p r o ce s s in g   tech n i q u es  ar e  ca teg o r ized   in to   r eg is tr atio n ,   class if icatio n ,   d etec tio n ,   s eg m en tatio n ,   a n d   lo ca lizatio n ,   with   s eg m en tatio n   b e in g   a  cr u cial  s tep   i n   is o latin g   th e  d esi r ed   tis s u e  o r   r eg io n   o f   in ter est  ( R o I )   f r o m   t h e  co llected   im ag es  [ 6 ] ,   [ 7 ] .   T h e  m o d el   a r c h i tec tu r e   f o r   d ia g n o s in g   AD   e n c o m p ass es  f i v e   k e y   s ta g es:   d a ta   a cq u is i ti o n ,   s eg m e n t ati o n ,   r e g is tr ati o n ,   m o r p h o m e tr y ,   a n d   cl ass if ic ati o n .   V ar i o u s   s ta n d a r d   d at asets ,   s u c h   Alz h ei m e r ' s   d is ea s e   n e u r o im ag in g   in iti ati v e   ( A D NI ) ,  in te r n ati o n a l  c o n s o r t i u m   f o r   b r a in   m ap p i n g   ( I C B M) ,  m in im al  in te r v al   r es o n a n c e  im ag in g   i n   Alz h eim er ' s   d is ea s e   ( M I R I A D) ,  Ka g g l e ,  o p en   a cc ess   s er ies   o f   i m a g i n g   s t u d i es  ( OAS I S ) ,  Har v a r d   Me d ic al  Sc h o o l ,   a n d   o t h e r s ,   a r e   u tili ze d   to   g at h e r   e x te n s i v e  d at a  f r o m   m o r p h o lo g ical   a n d   a n at o m i c a l  im a g es .   T h es e   im a g es   a r e   ess e n ti al   f o r   i d e n ti f y i n g   ab n o r m a li ties   i n   th e   a f f ec t e d   b r ai n .   E f f e cti v e   s e g m e n ta ti o n   an d   class if ica ti o n ,   p ar t ic u l ar l y   i n   MRI   s t u d ies ,   n e ce s s it at e   a  r o b u s t   im a g e  p r e - p r o c ess i n g   a p p r o ac h .   I n   th e   d e v e lo p m e n t  o f   A lz h e im er ' s   d ete cti o n   s y s te m s ,   p r o c ess es   s u ch   as  n o is e   r e d u cti o n ,   s m o o t h i n g ,   s k u ll   s t r i p p in g ,   cr o p p in g ,   a n d   n o r m a liz ati o n   a r e  i n d is p e n s a b le .   T h r o u g h   th e  r e g is t r a ti o n   p r o c ess ,   im ag es  ar e  a lig n e d   to   a  s ta n d a r d   r e f e r e n c e   a r e a,   f ac ilit ati n g   i n t r a - i m a g e   an d   i n t er - i m a g e   m at c h i n g   c r u cial   f o r   t r a c k i n g   d is ea s e  p r o g r ess i o n   a n d   id e n t if y i n g   a f f ec te d   i n d iv id u a l s   [ 8 ] .   C l ass i f ic ati o n ,   t h e  f i n al   s tag e,   i n v o l v es   c at eg o r iz in g   p atie n ts   as  n o r m al   o r   ex h i b it in g   ab n o r m a liti es.   A r t if icia l   i n tel li g e n c e   ( AI ) ,   in   co n j u n ct io n   w it h   MRI ,   e m e r g es   as   a   p r o m is i n g   m et h o d   f o r   d is ea s e  cl ass i f ic ati o n .   T h e   d e v el o p m e n t   a n d   a p p li ca ti o n   o f   ML   a n d   DL   a r e   p iv o t al  i n   c r a f t in g   AI - b ase d   class i f i ca t io n   al g o r it h m s   t h a t  e n h a n c e  o u tc o m es ,   q u al it y ,   a n d   ef f ic ie n c y   [ 9 ] .   I n   v ar io u s   s tu d ies,  co n v o lu tio n al  n eu r al  n etwo r k   ( C NN ) - b ased   lear n in g   h as  b ee n   f o u n d   to   lac k   r o b u s tn ess ,   p r o m p tin g   th e  ex p lo r atio n   o f   alter n ativ e  m eth o d s   to   en h an ce   p er f o r m an ce .   Fo r   MRI  b r ain   im ag es,  a  h y b r id   ap p r o ac h   co m b in in g   en h an ce d   f u zz y   C - m ea n s   clu s t er in g   with   wate r s h ed   s eg m en t atio n   ( W s )   h as  b ee n   u tili ze d   as  a  f ea tu r e  d etec tio n   an d   ex tr ac tio n   m ec h a n is m   to   d elin ea te  g r ay   m atter   ( GM ) ,   wh ite  m atter   ( W M) ,   an d   C SF   r eg io n s   o f   th e  b r ain .   Ou r   liter atu r e  r ev iew  r e v ea led   th at  lim ited   r esear ch   h as  b ee n   co n d u cted   o n   d ev elo p in g   s p ec ialized   C NN  ar ch itectu r es f o r   m o r e  e f f ec tiv e   AD.   T h e  tech n iq u e   p r o p o s ed   in   [ 1 0 ]   in itiates   with   a   g en etic   alg o r ith m   ( GA)   f o r   f ea tu r e   s elec tio n ,   id en tify in g   th e  m o s t  in f o r m ati v e  s u b s et  o f   f ea tu r es.  Fu zz y   C - m ea n s   ( FC M)   clu s ter in g   is   ap p lied   to   th is   s elec ted   s u b s et.   T h is   ap p r o ac h   r e d u ce s   th e  d im e n s io n ality   o f   th e  f e atu r e   s p ac e,   th er eb y   r en d e r in g   th e   class if icatio n   p r o ce s s   v ia   s u p p o r t  v ec to r   m a ch in e  ( SVM )   b o t h   m o r e   ef f ici en t  an d   u n d er s tan d ab le.   I t  n o t ab ly   e n h an ce s   t h e  ac cu r ac y   o f   ea r ly   AD  d etec tio n   b y   ac ce n tu atin g   th e   d if f er en tiatio n   b etwe en   AD  a n d   n o n - AD  clu s ter s .   T h e   r esu lts   u n d er s co r e  t h e  ef f icac y   o f   th is   tech n iq u e  in   p r ec is el y   id en tify in g   in d iv id u als  at  r ick   o f   Alzh eim er ' s   a t   an   ea r ly   s tag e.   T o   tr ac k   AD  p r o g r ess io n ,   Sap p ag h   et  a l.   [ 1 1 ]   in tr o d u ce d   a  m u lti - m o d al  en s e m b le  DL   tech n iq u e  th at  ex tr ac ted   b o th   l o ca l a n d   l o n g itu d i n al  in f o r m ati o n   f r o m   ea ch   m o d ality .   Ad d itio n ally ,   p r io r   k n o wled g e  was  u tili ze d   to   d er iv e  lo ca l  f ea t u r es  f o r m   MRI,   p o s itro n   e m is s io n   to m o g r ap h y   ( PET ) ,   co g n itiv e  s co r es,   n eu r o p ath o lo g y ,   an d   ADNI   ass es s m en ts .   E m p lo y in g   a   c o m b in atio n   o f   lay e r ed   C NN - b id ir ec tio n al   lo n g     s h o r t - ter m   m em o r y   ( B iLST M ) ,   all  g ath er e d   f ea tu r es  wer e  in teg r ated   f o r   r eg r ess io n   an d   cla s s if icatio n   task s .   A   m u lti - m o d al  ap p r o ac h   f o r   au to m ated   h ip p o ca m p u s   s eg m en ta tio n   u s in g   3 D  p atch es  was  d etailed   [ 1 2 ] .   Utilizin g   s MRI  ( T 1 )   im ag es  f r o m   th e  ADNI   d ataset,   a  h y b r id   m u lti - task   d ee p   C NN  an d   3 D  Den s eNe t+so f tm ax   wer e   em p lo y ed   f o r   AD  class if icatio n .   T h e   m o d el  ac h iev ed   an   ac c u r ac y   o f   8 8 %,  s en s itiv ity   8 6 % ,   an d   an   ar ea   u n d e r   th e  cu r v e  ( AUC)  o f   9 2 %  [ 1 3 ] .   T h is   s tu d y   p r esen ts   a  m eth o d   f o r   ea r l y   d etec tio n   o f   Alzh e im er ' s   u s in g   SVM s   tr ain ed   o n   v ar io u s   tex tu r e  d e s cr ip to r s ,   wh ich   aid   in   d im en s io n ality   r ed u ctio n   d er iv e d   f r o m   MRI   alo n g s id e   SVMs  tr ain ed   o n   m ar k e r s   o b t ain ed   f r o m   ADNI .   Dif f er e n t  f ea tu r e  s elec tio n   m et h o d s ,   ea c h   tr ain in g   a   d is tin ct   SVM,   wer e  ap p lied   to   r ed u ce   t h e  d im en s io n ality   o f   v o x el - b as ed   f ea tu r es.  Gee th a  an d   Pu g az h en th i  [ 1 4 ]   s u g g ests   a  n o v el  ap p r o ac h   f o r   Alzh eim er ' s   cla s s if icat io n   f r o m   MRIs  u s in g   a  f u zz y   n eu r al  n etwo r k   ( FNN) .   T h e  wav elet  tr an s f o r m atio n   ( W T )   is   em p lo y ed   f o r   im ag e   d ec o m p o s itio n ,   with   th e  d is cr ete  wav elet  tr an s f o r m   ca lc u latin g   th e   o u tp u t  co e f f icien t  v ec to r s .   T h e s e  g en er ated   f ea tu r es  ar e  th en   u s ed   to   tr ain   FNN.   A  C NN  m o d el  is   p r o p o s ed   f o r   AD  clas s if icatio n   u s in g   MR  i m ag es  with   h ip p o ca m p u s   d esi g n ated   as  th e  R o I   [ 1 5 ] .   T h e  R o I   is   ex tr ac ted   th r o u g h   an   au to m ated   p atch - b ased   s ep ar atio n   m eth o d   th at  u tili ze s   g eo m etr ic  v alu es  f r o m   th e  i n ter n atio n al   co n s o r tiu m   f o r   b r ai n   m ap p i n g   ( I C B M)   s tan d ar d .   C NN  was  ap p lied   f o r   d ataset  class if icatio n ,   d em o n s tr atin g   n o ta b le  p er f o r m an ce s .   A  n o v el  m eth o d o lo g y   c o m b in in g   ex tr em e  le ar n in g   an d   d ee p   lear n in g   f o r   AD  clas s if icatio n   is   in tr o d u ce d   [ 1 6 ] .   T h is   ap p r o ac h   ev alu ates  two   d ee p   lear n in g   m o d els  f o r   f u n ctio n al  b r ain - n e two r k   class if icatio n ,   alo n g s id e  an   ex tr em e  lear n i n g   m ac h in e  ( E L M)   en h a n ce d   f r am ewo r k   f o r   lear n in g   d ee p   r e g io n al - co n n ec tiv ity   an d   d ee p   ad jace n t   p o s itio n al   f ea tu r es.  T h e   co n s tr u ctio n   o f   t h e  b r ain   n etwo r k   u tili ze s   th e   Pear s o n   co r r elatio n   co ef f icien t.  I n   s u m m ar y ,   o u r   r ev iew  h ig h lig h ts   th r ee   k ey   f in d in g s :    −   T h e  m ajo r it y   o f   th e   liter atu r e  wer e  r ev iewe d   r ep o r ted   e v alu atio n   s co r es  b el o w  9 2 %,   wh e r ea s   o u r   s tu d y   ac h iev ed   an   ex ce p tio n al  p er f o r m an ce   o f   9 8 %.  T h is   s ig n if i ca n t  ad v an ce m en t  is   attr ib u te d   to   o u r   n o v el  s eg m en tatio n   an d   f ea tu r e  ex tr a ctio n   m o d el,   wh ich   ef f ec t iv ely   r ed u ce s   v ar iab le  p ar a m eter s   wh ile  en h an cin g   co m p u tatio n al  s p ee d .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.   13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 2 4 :  4 0 8 0 - 4 0 9 4   4082   −   Ou r   r esear ch   in tr o d u ce s   a  p o t en t  class if icatio n   ar ch itectu r e   th at  u tili ze   d if f er en t   k er n el  s izes  to   ex tr ac t   ess en tial  f ea tu r es.  B y   in co r p o r atin g   two   s m aller   k er n els  ( 3 × 3   an d   5 × 5 ) ,   o u r   m o d el  ac h iev es  r o b u s t  tr ain in g   an d   test in g   p r o ce s s es,  th er eb y   im p r o v in g   its   p er f o r m an ce   a n d   r eliab ilit y .     −   Fu r th er m o r e ,   o u r   s tu d y   lev er a g es  a  s u b s tan tial  d ataset  co m p r is in g   6 4 0 0   b r ain   im ag es,  ca teg o r ized   in to   f o u r   d is tin ct  class e s :  m ild ,   n o r m al,   m o d er ate,   an d   v er y   m ild .   T h is   ex ten s iv e  d ataset  o f f er s   a  c o m p r eh e n s iv e   v iew  ac r o s s   v ar io u s   s tag es o f   AD ,  th er eb y   e n r ich in g   th e  d e p th   an d   d iv er s ity   o f   o u r   an aly s is .       2.   M E T H O D     I n   th is   p ap er ,   we  u tili ze   th e  im p r o v e d   f u zz y   C - m ea n s   clu s ter in g   ( I m FC m )   f o r   s eg m en tin g   b r ain   tis s u e,   o win g   to   its   ef f icien cy   in   s eg m en tin g   h o m o g en e o u s   in ten s ity   r eg io n s   o f   MRI  im ag es.  W e  in tr o d u ce   a  h y b r id   ap p r o ac h   c o m b in in g   I m FC m   with   Ws ,   ac h iev in g   m o r e  ef f e ctiv e  r esu lts   in   ac cu r ately   p ar t itio n in g   im a g es  an d   en h an cin g   class if icatio n   p er f o r m an ce .   T h e   o u tco m es  o f   th ese  two   m eth o d s   ar e   th en   in te g r ate d   in to   an   o p tim ized   C NN  ar ch itectu r e,   aim in g   t o   im p r o v e   th e   ac cu r ac y   a n d   r o b u s tn ess   o f   t h e  AD   d etec tio n   s y s tem .   T h e   ADNI   d ataset  was  em p lo y ed   to   v ali d ate  th e  f in d in g s ,   with   a p p r o x im ately   6 4 0 0   MRI  b r ain   im ag es  an aly ze d .   T h ese  im ag es  ar e  an n o tated   in to   f o u r   ca teg o r ies:   m ild ,   m o d er ate,   v e r y   m ild ,   an d   n o r m al .   Fig u r e  1   i llu s tr ates  th e  b lo ck   d iag r am   o f   th e  p r o p o s ed   a p p r o ac h .   E ac h   s ec tio n   o f   o u r   m eth o d   is   ex p lai n ed   i n   d etail  i n   th e   s u b s eq u en t   s ec tio n s .           Fig u r e  1 .   T h e  p r o p o s ed   m eth o d       2 . 1 .   P re - pro ce s s ing   Pre p r o ce s s in g   is   a  tech n iq u e   o f   im ag e  en h a n ce m en t  th at   f o cu s   o n   b o t h   th e  d ata  s tr u ctu r e  an d   p r o ce s s in g   co n s tr ain ts .   I t  en c o m p ass es  th e  r em o v al  en h a n ce m en t  o f   th e   im ag e  to   im p r o v e  s y s tem   p er f o r m a n ce .   C r o p p in g   is   u s ed   to   elim in ate  u n n ec ess ar y   c o m p o n en ts   f r o m   an   im a g e.   Ad d itio n ally ,   co n v er tin g   th e   im ag es to   g r ay s ca le,   an   ess en tial  s tep   is   p er f o r m ed .   T h e  c o n tr ast  ad a p tiv e  h is to g r am   eq u aliza tio n   ( A HE )   f ilter   an d   B ay es   wav elet  tr an s f o r m   ( W T )   ar e  u tili ze d   to   r ed u ce   n o is e,   en h an ce   b r ig h tn ess   an d   co n tr ast,  an d   n o r m a lize  th e  im ag e .   Fig u r e  1   d e m o n s tr ates  th e  p r e p r o ce s s in g   s tep s .   T h is   p r o ce s s   aim s   to   r em o v e  n o is e  f r o m   M R I   im ag es.  T h e  DB 3   wav elet  is   u s ed   f o r   d ec o m p o s in g   th e  im a g e,   a n d   th e   n o is e  s tan d ar d   d ev iatio n   is   co n s id er ed   wh en   estab lis h in g   wav elet  d etail  co ef f icien t   th r esh o ld .   T h e  ty p e  o f   wav elet  ap p lied   is   d eter m in ed   p y wt. wav elis t  f u n ctio n ,   with   b io r 6 . 8   s elec ted   as  th e  wav el et  ch o ice.   So f t  th r esh o ld in g   is   im p lem en ted   to   f in d   th e  o p tim al  m atch   f o r   th e   o r ig in al  im ag e  with   ad d itiv e  n o is e.   C o n tr ast  lim ited   ad ap tiv e  h is t o g r am   eq u aliza tio n   ( C L AHE )   is   an   ad v an ce d   v er s io n   o f   AHE   d esig n ed   t o   p r ev en t   co n tr ast  o v er   a m p lifi ca tio n .   C L AHE   o p e r ates  o n   s m all  s ec tio n s   o f   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       Hyb r id   imp r o ve d   fu z z y  C - mea n s   a n d   w a ters h ed   s eg men ta tio n   to   cla s s ify  A lz h eime r ’ s   …  ( E s r a a   H.   A li )   4083   im ag e  r ath er   th an   th e  en tire   im ag e,   u s in g   a  C lip L im it  p ar am eter   to   s et  co n tr ast  th r esh o ld .   T h e  in itial  v alu e  is   s et  at  3 ,   with   th e   tile  g r id   s ize  d eter m in in g   th e   n u m b er   o f   til es  p er   r o w  a n d   co lu m n   s et  t o   8 × 8 .   T h is   ap p r o ac h   ap p lies   a  co n tr ast  f ilter   b y   d iv id in g   th e   im ag e   in to   s ec tio n s .   T h e  p r ep r o ce s s in g   s tag e  co n cl u d es  with   cr o p p i n g   an d   n o r m alizin g   MRI  im ag es.   C r o p p in g   is   a   tech n iq u e  in   c o m p u ter   im ag in g   u s ed   to   r em o v e  ir r elev an t  a r ea s   an d   s u r r o u n d in g s   f r o m   im a g e s .   No r m aliza tio n   is   th e  p r o ce s s   o f   r ed u cin g   th e   in ten s ity   v ar iatio n   am o n g   p i x el  v alu es,  m ar k in g   th e  f i n al  p h as e  o f   th e  p r ep r o ce s s in g   s tag e.       2 . 2 .   Seg m ent a t io n pro ce s s   I m ag e  s eg m en tatio n   m eth o d s   e n co m p ass   th r esh o ld - b ased ,   e d g e - b ased ,   r e g io n - b ased ,   m atc h in g - b ased ,   clu s ter in g - b ased ,   f u zz y   in f e r en ce - b ased ,   an d   g en e r alize d   p r in cip al  co m p o n e n t  an aly s is   tech n iq u es.  E ac h   m eth o d   o f f er s   ad v an tag es  an d   lim itatio n s .   C lu s ter in g   is   a   m eth o d   f o r   d iv id in g   a  co llect io n   o f   o b jects  in to   d if f er en t  g r o u p s ,   ea ch   k n o wn   as  a  clu s ter .   Me m b er s   with in   ea ch   clu s ter   ex h ib it  h ig h   s im ilar ity   in   ter m s   o f   f ea tu r es,  b u t  th e  d eg r ee   o f   s im ilar ity   co m p ar ed   to   m em b er s   o f   o th er   clu s ter s   is   m in im al.   W h i le  m an y   clu s ter in g   alg o r ith m s   s h ar e  f o u n d atio n al   co n ce p ts ,   d if f er e n ce s   ar is e  in   h o w  s im ilar ity   o r   d is tan ce   is   m ea s u r ed   an d   h o w  lab els  ar e  ass ig n ed   to   ca teg o r ies  with in   ea ch   clu s ter .   Key   s tr ateg ies  in clu d e  f u zz y   clu s ter in g ,   d en s ity - b ased   clu s ter in g ,   d is cr im in ativ e   clu s ter in g ,   m o d el - b ased   clu s ter in g ,   an d   h ier ar ch ical  clu s ter in g   [ 1 7 ] .   I n   o u r   s tu d y ,   we   h av e  co m b in ed   I m FC m   clu s ter in g   with   W s   to   en h an ce   b o th   th e  ac cu r ac y   a n d   e f f icien cy   o f   im ag e  an aly s is .     2 . 2 . 1 .   I m pro v ed  f uzzy   C - m e a ns   clus t er ing   ( t he  pro po s ed  m et ho d)   I n   f u zz y   clu s ter in g ,   u n lik e  tr a d itio n al  clu s ter in g   wh er e  ea c h   s am p le  is   as s ig n ed   ex clu s iv ely   to   o n e   clu s ter ,   a  s in g le   s am p le  ca n   b e   ass o ciate d   with   m u ltip le   clu s ter s .   T h e  co r e   p r in ci p le  b e h in d   f u zz y   cl u s ter in g   is   th at  ea ch   elem en t  ca n   b e  ass ig n ed   to   d if f er e n t  clu s ter s   wit h   v a r y in g   d e g r ee s   o f   m e m b er s h ip   [ 1 8 ] .   FC M  is   a  wid ely   r ec o g n ize d   f u zz y   cl u s ter in g   ap p r o ac h .   O u r   o b jectiv e   is   to   o p tim ize  th e  f o llo win g   m eth o d o l o g y   [ 1 9 ]   u s in g   th e  FC M  alg o r ith m :     = ∑ ∑   2 = 1 = ∑ ∑  ‖ − ‖ 2 = 1 = 1 = 1   ( 1 )     wh er e  m   is   a  p o s itiv e  in teg er   t h at  is   g r ea ter   th an   o n e.   Mo r eo v er ,   u ik   is   th e  k th  d ata' s   lev el  o f   m em b er s h ip   in   th e   ith   clu s ter ,   d ik   is   th e  r atio   o f   f am iliar ity   in   th e   p r ec e d in g   n   s p ac e,   x k   in d icate s   th e  k th   d a ta,   an d   v i  is   th e   it h   clu s ter 's  ce n ter .   I n   o u r   s tu d y ,   we  aim   to   d ev elo p   a n   en h an c ed   an d   r o b u s t  f u zz y   C - m ea n s   ( FC M)   clu s ter in g   tech n iq u e,   with   m o d if icatio n s   im p lem en ted   in   t h e  f o llo win g   ar ea s ,   as d ep icted   in   Fig u r e  2 .           Fig u r e  2 .  I m p r o v ed   f u zz y   C - m ea n s   clu s ter in g     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.   13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 2 4 :  4 0 8 0 - 4 0 9 4   4084   First  p ar t  ( in itial  p ar am eter s   s ettin g ) :  t h e  p ar am eter   s ettin g s   wer e  ca r ef u lly   c h o s en   as  f o llo ws ;   w e  in itially   s elec ted   a   clu s ter   n u m b er   o f   4 ,   as  th is   co u n t  is   co n s id er ed   o p tim al  f o r   s eg m en tin g   MRI  b r ain   im ag es   in to   f o u r   d is tin ct  r eg io n s ,   ef f e ctiv ely   h ig h lig h tin g   k ey   tis s u es  with in   th e  h u m an   b r ain .   T h e  f u zz in ess   d eg r ee   p ar am eter   was  s et  to   2 ,   p r o v id in g   in cr ea s ed   f lex ib ilit y   in   ass o ciatin g   d ata  with   s p ec if ic  clu s ter s ,   th er eb y   ac h iev in g   a  b ala n ce   b etwe en   s en s itiv ity   an d   r o b u s tn ess .   T o   en s u r e   ad e q u ate  c o n v e r g e n ce ,   a   lim it  o f   1 0 0   iter atio n s   was  ch o s en ,   th is   d ec i s io n   b ein g   in f o r m ed   b y   o b s er v atio n s   f r o m   co n v er g e n ce   ex p e r im en ts .   A  n eig h b o r   ef f ec t  o f   4   was  s elec ted   to   r e f lect  th e  s ize  o f   th e  s lid in g   win d o w  u s ed   in   im a g e  f ilter in g ,   wh ich   f ac ilit ates  th e   co m p u tatio n   o f   lo ca l  f ea tu r es  an d   ca p tu r es  s p atial  r elatio n s h ip s .   An   ep s ilo n   th r esh o l d   o f   0 . 0 5   was  estab lis h ed   f o r   th e   co n v er g e n ce   cr iter ia,   i n d icatin g   a   s tr in g en t  c o n v e r g en ce   th r esh o l d   d u e  to   its   lo wer   v alu e.   T h e   k er n el   s ize  was d eter m in ed   to   b e  3 ,   t o   aid   in   ca p tu r in g   s p atial  in f o r m atio n   d u r in g   th e   im ag e  f ilter i n g   p r o ce s s .   Seco n d   p a r t:  th e  d is tan ce   win d o w  h as  b ee n   u tili ze d   t o   f ilter   t h e  im ag e.   A  s lid in g   win d o w  te ch n iq u e   is   em p lo y ed   to   tr av e r s e  th e  en tire   im ag e,   aim in g   to   id en tify   s tab le  g r o u p s .   I n itially ,   p ad d in g   is   cr ea ted ,   eq u iv alen t   to   h alf   o f   th e  k er n el  s ize,   to   en s u r e  th e  in clu s io n   o f   i m a g e  b o r d er s   d u r in g   th e  s lid in g   p r o ce s s .   T h e  im ag e  m ea n   is   ca lcu lated   u s in g   t h is   p ad d in g ,   a n d   t h e  cv 2 . co p y Ma k eBo r d er   f u n ctio n   is   em p l o y ed   to   in co r p o r ate  e d g es   d u r in g   s lid in g .   Su b s eq u en tly ,   a   s lid in g   win d o w  al g o r ith m   is   d ef in ed ,   s p ec if y in g   t h e  n eig h b o r   ef f ec t  an d   win d o w   s ize  as   p ar am eter s ,   f o cu s in g   o n   lo ca tin g   s tab le  g r o u p s   o f   p ix els  with in   clu s ter s .   T h e  f u n ctio n   f o r   lo ca tin g   s tab le   g r o u p s   o p e r ates  b y   id e n tify in g   s tab le  p ix els  t h r o u g h   a   Gau s s ian   f ilter ,   wh er e   th e   f ilter ' s   v alu es  ar e  less   th a n   o r   eq u al  to   th e   s q u ar e  r o o t  o f   th e  n an   m ea n   f o r   th e  p o wer   d if f er en ce   o f   Gau s s ian   v alu es  an d   win d o w  s ize.   T h e   r esu lt o f   th is   p h ase  is   a  f ilter ed   im ag e,   wh ich   will b e  f u r th e r   u tili ze d   in   th e  th ir d   p ar t to   co m p u te  f u zz i n ess .   T h ir d   p ar t:  th e  h is to g r am   o f   th e  im ag e  is   d eter m in ed   u s in g   t h e  C L AHE   f ilter .   I t  is   to   en h an ce   im ag e  co n tr ast  an d   ca lcu late  th e   i n ten s ity   d is tr ib u tio n   o f   th e  en h an ce d   im ag e.   T h is   p h ase  is   in s tr u m en tal  in   d eter m in in g   t h e  ce n tr o id   o f   th e  clu s ter .   Fo u r th   p a r t:  th is   s eg m en t  en co m p ass es  s ev er al  cr itical  f u n ctio n s .   I t  b e g in s   with   th e  in itializatio n   o f   t h e   m em b er s h ip   f u n ctio n ,   wh ich   d eter m in es  th e  d eg r ee   t o   wh ic h   th e  p ix els  o f   t h e  im ag e   b elo n g   to   ea ch   clu s ter .   T h is   is   f o llo wed   b y   th e  f u n ctio n   f o r   co m p u tin g   th e  ce n tr o id s   o f   th e  clu s ter s ,   wh ich   in v o lv es  th e  d iv is io n   o f   th e   n u m er ato r   b y   th e   d e n o m in at o r .   T h e  n u m er at o r   is   th e  s u m   o f   th e   p r o d u ct   o f   th e  d eg r ee   o f   f u zz in ess ,   t h e   h is to g r am ,   an d   th e  in ten s ity ,   ea ch   r aised   to   th e  p o wer   o f   m em b er s h ip .   C o n v e r s ely ,   th e   d en o m in ato r   is   th e   s u m m atio n   o f   t h e  h is to g r a m   v alu es  r aised   to   th e  p o wer   o f   m em b er s h ip .   T h e  f in al  s tep   in   th is   p ar t  is   th e  co m p u tatio n   o f   weig h ts ,   a   p r o ce s s   r elian t  o n   th e   ce n tr o i d   co m p u tatio n   f u n ctio n .   T h is   in v o lv es  d iv i d in g   th e   n u m er ato r   b y   th e  d en o m i n ato r ,   wh er e  th e  n u m e r ato r   ca lcu lat es  th e  ab s o lu te  d if f er en ce s   b et wee n   th e  in ten s ity   r aised   to   a  p o wer   an d   t h e  co m p u ted   clu s ter   ce n tr o i d s .   T h e  d en o m in ato r ,   o n   th e  o th er   h a n d ,   s u m s   th e  ab s o lu te  d if f er en ce s ,   ea c h   r aised   to   th e   p o wer   o f   th e  f u zz in ess   d eg r e e.   A lg o r ith m   1   s h o ws  th e  d etailed   p r o ce s s .   T h e  b lo ck   d ia g r am   in   Fig u r e  2   s h o ws th e  p r o ce s s   o f   u tili zin g   th e   im p r o v e d   f u zz y   C - m ea n s   clu s ter in g .     Alg o r ith m   1 :  I m FC M   Step 1:   Initialize the following parameters:    -   Number of bits. Number of clusters.    -   Degree of fuzziness.    -   Maximum iteration count.    -   Epsilon threshold for convergence check.    Step 2:   Image Filtering Procedure:    -   Generate  a  padded  image   using  a  sliding  window   with  dimensions  (kerne l_size/2,   kernel_size/2).    -   Compute the mean based on the padded mask.    -   Pad the resulting mean image to create borders.    -   Utilize a sliding window to account for neighbor effects and kernel size.    -   Determine  center  coordin ates  using  the  spatial   distance  window  with  Minkowski  distance:   Des_win  =  ((abs  (win_si ze_y  -   center_coordinate _y))  **  p  +   abs  ((win_ size_y  -   center_coordinate_y) ** p)) ** (1/p), where p = 2.    -   Identify the stable group matrix using a Gaussian filter.    -   Obtain the final filtered image using the formula:   Final_image = sum (weighted_coefficients * old_window) / sum (weighted_coefficients)    -   Perform CLAHE.   St ep   3:   We ig ht   In it ia li z at io n:   In it ia li ze   a  tw o - dimensional  matrix  based   on  the  number   of  clusters and gray levels to compute weights.    Step 4: Compute Cluster Centroids:    -   Calculate the X and Y values as follows:    -   X = sum (histogram * number of gray levels) * power (weight * number of fuzziness)    -   Y = sum (histogram) * power (weight * number of fuzziness)    -   Z = X / Y    Step 5: Weight Computation Method:    -   Set power =  - 2 / number of fuzziness.    -   Calculate  the  X  value  usi ng  the  formula:  X  =  (gray   levels  -   centroid  values )  *  power.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       Hyb r id   imp r o ve d   fu z z y  C - mea n s   a n d   w a ters h ed   s eg men ta tio n   to   cla s s ify  A lz h eime r ’ s   …  ( E s r a a   H.   A li )   4085   -   Compute  Y  as:  Y   =  sum   ( gray  levels  -   centroid   values)  *  power.  Determi ne  Z  as:     Z = X / Y.   St ep   6:   Ch ec k  Co nv er ge nc e :  De te rm in e  wh et he r  th e  a bs ol ut e  ma xi mu m  va lu e  of   (s te p  5  -   st ep   2)   is less than the epsilon threshold. If so, stop; otherwise, proceed to step 4.     2 . 2 . 2 .   Wa t er s hed  s eg m ent a t io n   I n   Ws ,   an   im a g e  is   c o n ce p tu al ized   in   t h r ee   d im en s io n s ,   with   th e  ( x ,   y )   c o o r d in ates  co r r esp o n d   t o   th e   s p atial  ax es  an d   th e  in ten s ity   r ep r esen ted   alo n g   th e  z - ax is .   T h is   ap p r o ac h   tr ea ts   an   im ag e  as  if   it  wer e  a   to p o g r a p h ical  lan d s ca p e,   with   th e  in ten s ity   o f   ea ch   p ix el  a n alo g o u s   to   elev atio n   lev els.  C o n s eq u en tly ,   ea ch   in ten s ity   lev el  is   ass o ciate d   with   a  d is tin ct  elev atio n   p lan e  o n   t h is   lan d s ca p e.   Utilizin g   th is   to p o g r ap h ical   m etap h o r ,   p o i n ts   with in   th e  i m ag e  ar e  ca te g o r ized   in to   th r e e  s eg em ts : r eg io n al  m in i m a,   c atch m en t b asin s ,   an d   wate r s h ed   lin es.  C atch m en t  b asin   ar e  ar ea s   wer e ,   h y p o th eti ca l,  a  d r o p let  o f   wate r   wo u ld   co v er ag e   to war d s   a   s in g le  r eg io n al   m in im u m .   W ater s h ed   lin es,  co n v er s ely ,   m a r k   th e  b o u n d ar ies  wh er e   a  d r o p let  o f   wate r   co u ld   p o ten tially   b e  d r awn   to war d s   m u ltip le  r eg io n al  m in im a,   ef f ec tiv ely   d elin ea tin g   th e  d i v is io n   b etwe en   d is tin ct  ca tch m en t b asin s   [ 1 1 ] .   C o n s id er   th e  M1 ,   M2 ,   …  MR  r eg io n al  m in im a  o f   an   im a g e  g ( x ,   y ) .   L et  T [ n ]   r ep r esen t   an   ar r ay   o f   p o in ts   b en ea th   th e  h o r izo n tal  a x is   with   a  v alu e  o f   n ,   wh er e  n   r an g es  f r o m   th e  im ag e' s   least   to   g r ea test   in ten s ity .   T h is   m ay   b e  s tated   m ath e m atica lly   as f o llo ws:       T [ ] =   { ( , ) | ( , ) < }     ( 2 )     C n ( Mi)   in d icate   a  co llectio n   o f   r eg io n s   in   th e  ca tc h m en t  b as in   th at  ar e  p o u r ed   at  p la n e  n   t h at  ar e  r elate d   with   th e  r eg io n   m in im u m   Mi.   T h is   co u ld   p o s s ib ly   b e  u s ed   to   co m p u te  it b y :     ( ) = ( ) [ ]   ( 3 )     C ( Mi)   is   th e  s et  o f   ca tch m e n t   b asin   p o in ts   lin k e d   with   th e  r eg io n al   m in im u m   Mi.   T h e  u n io n   o f   all  f lo o d ed   ca tch m en t b asin s   at  a  ce r tain   s tag e  n   r ep r esen ted   in   C [ n ] :     [ ] = [ ( ) ]   ( 4 )     Alg o r ith m   2   in tr o d u ce s   th e  s te p s   o f   th is   tech n i q u e.   Fig u r e  3   illu s tr ate  th e  wate r s h ed   m eth o d   in   a  b lo c k   d iag r am .     Alg o r ith m   2 : Water s h ed   s eg m en tatio n     -   Utilize  OT SU’ s   b in ar izatio n   f ilter   to   esti m ate  th e  o b jects p r e s en t in   th e  im ag e.     -   Ap p ly   m o r p h o lo g ical  o p en i n g   to   elim in ate   an y   wh ite  n o is e  p r esen t  in   t h e  im ag e ,   an d   p e r f o r m   m o r p h o lo g ical  clo s in g   to   ad d r ess   s m all  h o les with in   th e  o b jects.    -   E m p lo y   th e   d ilate  m eth o d   to   c r ea te  a  s ep ar atio n   b etwe e n   th e   b ac k g r o u n d   an d   th e  im ag e .     -   Utilize  d is tan ce   tr an s f o r m   an d   th r esh o ld in g   tech n iq u es to   is o late  th e  f o r eg r o u n d   f r o m   th e   b ac k g r o u n d .     -   Dete r m in e  th e   u n k n o wn   ar ea s   b y   s u b tr ac tin g   th e   f o r eg r o u n d   f r o m   th e  b ac k g r o u n d .   T h ese   ar ea s   lack in g   clar ity   will b e  ass ig n ed   ze r o   v alu es in   th e  m ar k e r s .   -   L ab el  th e  r eg io n s   o f   th e  f o r eg r o u n d   u s in g   th e  c o n n ec te d   co m p o n e n ts   m eth o d   as  m ar k er s ,   an d   in cr em e n t   th em   b y   o n e  to   en s u r e  all  b ac k g r o u n d   r e g io n s   ar e  m ar k ed   as o n es.    -   E m p lo y   th e  d is tan ce   v alu es  o b tain ed   f r o m   s tep   5   a n d   th e   m ar k er s   f r o m   s tep   6   as in p u t p ar a m eter s   f o r   th e   wate r s h ed   m eth o d   to   g e n er ate  th e  f in al  s eg m en tatio n   m ap .           Fig u r e  3 .  W ater s h ed   s eg m e n tatio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.   13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 2 4 :  4 0 8 0 - 4 0 9 4   4086   2 . 3 .   P o s t - pro ce s s ing   Gam m a  co r r ec tio n   is   a  tech n iq u e  u s ed   f o r   d ata  au g m en tatio n   th at  en tails   ad ju s tin g   th e  g a m m a  v alu e   to   m o d if y   th e  im a g e  in ten s ity .   Gam m a  r ep r esen ts   a  n o n - lin e ar   f u n ctio n   th at  ca n   b e  ap p lied   to   eith er   en co d e   o r   d ec o d e  t h e  b r ig h tn ess   o r   in ten s ity   o f   an   im ag e  [ 2 0 ] .   Gau s s ian   n o is e,   a n o th er   f o r m   o f   d is to r tio n ,   is   in tr o d u ce d   in to   th e  im ag e  th r o u g h   r an d o m   v alu es  d r awn   f r o m   a  Gau s s ian   d is tr ib u tio n .   Sin ce   n o is e  en co u n ter e d   d u r i n g   im ag e  ac q u is itio n   an d   p r ep r o c ess in g   ca n   escalate ,   ap p ly in g   Gau s s ian   n o is e  to   a  r aw   im ag e  m ay   h elp   th e  m o d el  b ec o m e  m o r e  r esil ien t  to   v ar ia tio n   in   im ag e  q u ality   [ 2 1 ] .   Ou r   s tu d y   ad v o ca tes  f o r   th e  u s e  o f   th ese  two   m eth o d s   as  a  p o s t - p r o ce s s in g   m ea s u r e  f o r   d atasets   th at  m ay   s u f f e r   f r o m   lo s s   in   co n tr ast  an d   b r ig h t n ess ,   as  well  as  to   in tr o d u ce   a  s lig h t   b lu r r in g   ef f e ct  to   s m o o th   tr a n s itio n s   in   p ix el  v alu e   an d   s o f ten   th e  im ag e  ed g es.  T h e   m ar k er - co n tr o lled   Ws   tech n iq u e  is   ap p lied   f o llo win g   th e  I m FC m   twice  with   a  m ar k er   v alu e  r an g e  o f   [ 1 0 - 9 0 ]   to   ca p tu r e   im ag es  h ig h lig h tin g   in ter n al  b r ain   f ea tu r es.  T h is   p r o ce s s   is   th en   r ep ea ted   with   a  m ar k er   v alu e  r an g e  o f     [ 1 0 - 2 0 0 ]   to   o b tain   im a g es  s h o wca s in g   ex ter n al  b r ain   d et ails .   T h e  cu lm in atio n   o f   th is   p r o ce s s   in v o lv es   co m b in in g   all  th r ee   im ag es  to   p r o d u ce   th e  f in al  en h an ce d   im ag e.   Po s t - p r o ce s s in g   s tep s ,   in clu d in g   g am m a   co r r ec tio n   a n d   Gau s s ian   b lu r ,   ar e  s u b s eq u en tly   p er f o r m ed   t o   f u r th er   r ef in e  th e  im ag es,  as  d ep icted   in   Fig u r e  4.           Fig u r e  4 .   Seg m e n tatio n   s tag e       2 . 4 .   Cla s s if ica t io n   C NN,   a  co r n er s to n e  o f   th e  n eu r al  n etwo r k   f r am ewo r k ,   en co m p ass es  n u m er o u s   lay er s   with in   its   ar ch itectu r e  an d   h as  g ain e d   s ig n if ican t  p r o m in en ce   i n   v ar i o u s   im ag e  p r o ce s s in g   ap p licatio n s ,   n o tab ly   in   o b ject  r ec o g n itio n   [ 2 2 ]   an d   im ag e  cla s s if icatio n ,   wh er e  it  h as  y ield ed   p r o m is in g   o u tco m es.  Pre v io u s   r esear ch   in d icate s   th e  f ea s ib ilit y   o f   d ir ec tly   in p u ttin g   im ag es  in to   a  C NN  n et wo r k   to   e x tr ac t  f ea tu r es  f o r   im ag e  ca teg o r izatio n .   T h e  ar ch itectu r e  o f   a  C NN  co m p r is es  s ev er al  f u n d am en t al  co m p o n e n ts ,   in clu d in g   co n v o lu tio n al  lay er s ,   So f tMa x   lay er s ,   p o o lin g   lay er s ,   n o n - lin ea r   ac tiv atio n   f u n ctio n s   s u ch   as  th e   r ec tifie d   lin ea r   u n it  ( R eL U) ,   an d   f u lly   co n n ec ted   la y er s   ( FC )   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .   C NNs  o p er ate  b ased   o n   th e  i n ten s ities   o f   im ag es,  u tili zin g   d im en s io n s   s u ch   as  wid th ,   h eig h t,  a n d   d e p th   to   r ep r esen t  th e   in p u t  im a g e  in ten s ities .   T h e   p r o ce s s in g   b eg in s   f r o m   th e  t o p   lef t c o r n er   o f   t h e  im ag e  a n d   p r o g r ess es to   th e  r ig h t.   As th e  f il ter   m o v es  f r o m   th e   to p   t o   th e  b o tto m   o f   th e  i n p u t   v o lu m e,   it  c h an g es,  with   e ac h   lef t - to - r i g h t  m o v em en t   co n s titu tin g   a  s tr id e.   T h e  c o m p le x ity   o f   t h e  s tr id e  is   au g m en ted   b y   th e   n u m b er   o f   s tep s   it  en c o m p ass es.  R eL U  s er v es  as  an   ef f icien t   ac ti v atio n   f u n ctio n   b y   co n v er ti n g   n eg ativ e   p ix el  v alu es  to   ze r o   [ 2 5 ] .   Fo llo win g   t h e  co n v o l u tio n   p r o ce s s ,   th e  s ize  o f   th e  h id d en   lay e r   b ec o m es  s ig n if ican tly   lar g e,   n ec ess itatin g   th e  u s e  o f   a   p o o li n g   o r   s u b - s am p lin g   lay er   to   r e d u ce   c o m p u tatio n al  co m p lex ity .   Po o lin g   ca n   b e  c ateg o r ized   in to   two   t y p es:  m ax im u m   an d   av er ag e  [ 2 6 ] .   W ith in   th e  co n te x t  o f   p o o lin g ,   let  y   =  y ij   r ep r esen t t h e  m atr ix .      ( ) = ma x ( 0 , )   ( 5 )     As n o ticed   in   ( 6 ) ,   m ax   p o o lin g   is   th e  p r o ce s s   th at  s elec ts   th e  m o s t sig n if ican t c o m p o n en t in   y   as th e  o u t p u t     = ma x ( )   ( 6 )   P os t - P r oc e s s e d  I mage   I mF C m   W s   with  mar ke r   [ 10 - 90]   W s   with  mar ke r   [ 10 - 200 ]   Pre - p r oc e s s e d  I mage   B lende d  I mage   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       Hyb r id   imp r o ve d   fu z z y  C - mea n s   a n d   w a ters h ed   s eg men ta tio n   to   cla s s ify  A lz h eime r ’ s   …  ( E s r a a   H.   A li )   4087   Ou r   s tu d y   an al y ze d   MRI  b r ai n   im ag es   f r o m   AD   p atien ts ,   o r g an izin g   th e   d ataset  i n to   f o u r   d is tin ct  ca teg o r ies:   n o r m al,   m ild ,   m o d er ate,   an d   v e r y   m ild .   Fig u r e  5   illu s tr ates  a  p r o p o s ed   C NN  a r ch itectu r al  m o d el   co m p r is in g   1 3   lay er s .   T h is   m o d el  in clu d es  f o u r   co n v o l u tio n a l  lay er s ,   with   ea ch   p air   o f   co n v o lu ti o n s   f o llo we d   b y   a   p o o lin g   lay er   an d   d r o p o u t  lay er s   to   e n s u r e  r eg u lar i za tio n .   T h e   ar c h itectu r e  c o n c lu d es  with   a  f u lly   co n n ec ted   lay er   a n d   a  class if ier   lay er .   T h e  o r ig i n al  im ag es,  m ea s u r in g   1 7 6 × 2 0 8   p ix els,  ar e  r esized   to   2 0 0 × 2 0 0   p ix els  b ef o r e  b ein g   in p u t  in t o   th e  C NN  m o d el.   T h e  f ilter   s i ze   is   v ar ied   ac r o s s   th e  C NN  lay er s   to   ef f ec tiv ely   id en tify   f ea tu r es.  T h e  b atc h   s ize  is   s et  to   3 2 ,   an d   t h e  m o d el  u n d er g o es  tr ain in g   o v er   5 0   ep o c h s .   Up o n   co m p letio n   o f   all  ep o ch   cy cles,  t h e  C NN  s elec ts   th e  m o d el  iter atio n   with   t h e  h ig h est  p e r f o r m an ce   m et r ics  f o r   class if icatio n   p u r p o s es.  T h e  f in al  class if icatio n   is   th en   ap p lied   to   th e   test   s et  to   d eter m in e  t h e  ac cu r ac y   r ate.           Fig u r e  5 .  C NN  m o d el  lay e r s       T ab le  1   o u tlin es  th e  i n ter n al   ar ch itectu r e  o f   t h e  C NN  m o d el,   d etailin g   th e  s p ec if ic   lay er s   an d   co n f ig u r atio n s   u s ed   with in   th e  m o d el.   T ab le  2   lis ts   th e  h y p er p ar am eter s   ap p lied   d u r in g   t h e  m o d el’ s   tr ain in g   an d   o p tim izatio n   p r o ce s s es.  F o r   o p tim izatio n ,   T h e  Ad am   alg o r ith m   is   u tili ze d ,   with   a  lear n in g   r ate  o f   0 . 0 0 1   s et   fo r   th e  e n tire   tr ain in g   p h ase.       T ab le  1 .   C NN  m o d el   M o d e l   l a y e r s     I mag e   v o l u m e   F i l t e r s     S i z e   o f   f i l t e r     P o o l i n g   w i n   s i z e     v a r .     c o n v 2 d   ( C o n v 2 D )   ( 2 0 0 ,   2 0 0 )   32   5 x 5   2 x 2   2 4 3 2   c o n v 2 d _ 1   ( C o n v 2 D )   ( 2 0 0 ,   2 0 0 )   32   5 x 5   2 x 2   2 5 6 3 2   M a x P o o l i n g 2 D   ( 1 0 0 ,   1 0 0 )   32     2 x 2   0   D r o p o u t   ( 1 0 0 ,   1 0 0 )   32       0   c o n v 2 d _ 2   ( C o n v 2 D )   ( 1 0 0 ,   1 0 0 )   64   3 x 3     1 8 4 9 6   c o n v 2 d _ 3   ( C o n v 2 D )   ( 1 0 0 ,   1 0 0 )   64   3 x 3     3 6 9 2 8   max _ p o o l i n g 2 d _ 1     ( 5 0 ,   5 0 )   64     2 x 2   0   d r o p o u t _ 1   ( 5 0 ,   5 0 )   64       0   f l a t t e n   ( F l a t t e n )   ( N o n e ,   1 6 0 0 0 0 )         0   d e n se   ( D e n s e )   ( N o n e ,   2 5 6 )         4 0 9 6 0 2 5 6   d r o p o u t _ 2     ( N o n e ,   2 5 6 )         0   d e n se _ 1   ( D e n se)   ( N o n e ,   4 )         1 0 2 8       T ab le  2 .   Valu es o f   h y p er - p a r a m eter s   H y p e r - p a r a met e r s    V a l u e     S p l i t   d a t a     3 8 4 0   t r a i n ,   1 2 8 1   v a l i d a t e     D r o p o u t     0 . 3 ,   0 . 3 ,   0 . 5   B a t c h   si z e     32   Le a r n i n g   r a t e     0 . 0 0 1     N u m.  o f   e p o c h s    5 0       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.   13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 2 4 :  4 0 8 0 - 4 0 9 4   4088   3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   3 . 1 .   E x perim ent a l  da t a s et     T h e  MRI  im ag es  u tili ze d   f o r   th is   r esear ch   wer e  s o u r ce d   f r o m   th e  ADNI   d atab ase.   A  to tal  o f   6 4 0 0   ADNI   s am p les  wer e  s elec ted   f o r   an aly s is   af ter   ex cl u d in g   ce r tain   s am p les  with   in co r r ec t  in f o r m atio n .   T h e  d ataset  co m p r is es 3 1 4 0   n o r m a l sam p les,  8 9 6   ea r ly   m ild   co g n itiv e  im p air m en t sam p les,  6 4   m o d er ate  c o g n itiv e   im p air m en t sam p les,   an d   2 2 4 0   s ev er e  c o g n itiv e   im p air m e n t s am p les.  T h ese  im a g es a r e   in   J PEG  f o r m at   with   a   r eso lu tio n   o f   1 7 6 × 2 0 8   p ix els.     3 . 2 .   E v a lua t io n  m et rics   3 . 2 . 1 .   I m pro v ed  f uzzy   C - m e a ns   clus t er ing   T h e  ev al u atio n   c r iter ia  u s ed   to   ass ess   co m p u tatio n al  c o m p le x ity   f o cu s   o n   h o w  e f f icien tly   o u r   m et h o d   p er f o r m s   in   ter m s   o f   c o m p u tatio n al  r eso u r ce s   u s ed   an d   th e   q u ality   o f   r esu lts   o b tain e d .   I t  i n v o lv es  e v alu atin g   th e  tim e  an d   s ca lab ilit y   o f   o u r   m eth o d   wh e n   ap p lied   to   ex ten s iv e  d atasets .   C o n s id er atio n   is   g iv en   to   tech n iq u es  o r   o p tim izatio n s   th at  c o u ld   e n h an ce   th e  alg o r ith m ' s   ef f icien cy   with o u t  co m p r o m is in g   ac cu r ac y .   T h e   u s ed   eq u atio n   to   co m p u te  th e  ef f icien cy   o f   o u r   p r o p o s ed   m et h o d   i s   d ep icted   ( 7 ) :     =   ∑ ∑ |  −  _  | = 1 = 1   ( 7 )     w h er e    d en o tes  th e  to tal  ab s o lu te  d if f er en ce .     s ig n if ies  th e  n u m b er   o f   clu s ter s .     r ep r esen ts   th e  n u m b er   o f   d ata  p o in ts .      r ef lects  th e  m em b er s h ip   v alu e  o f   d ata  p o i n t  j  in   clu s ter   i  d u r in g   th e  c u r r e n t  iter atio n .    _    in d icate s   th e  m em b er s h ip   v alu e  o f   d ata  p o in t  j  in   clu s ter   i  d u r in g   th e  p r ev io u s   iter atio n .   T h e  eq u atio n   ca lcu lates  th e  s u m   o f   th e  ab s o lu te  d if f e r en ce s   b etwe en   co r r esp o n d in g   elem en ts   o f   th e  cu r r e n t  an d   p r io r   m em b er s h ip   m atr ices  ac r o s s   all  clu s ter s   an d   d ata  p o in ts .   T h is   m ea s u r em e n t  ca n   ac t  as  an   in d icato r   o f   co n v er g en ce   o r   ch a n g e  b etwe en   s u cc ess iv e  iter atio n s   with in   an   o p tim izatio n   alg o r ith m ,   s u ch   as  th e  f u zz y   C - m ea n s   clu s ter in g   alg o r ith m .     3 . 2 . 2 .   Co nv o lutio na l neura l  net wo rk   T h e  an aly s is   o f   ML   a n d   DL   r ec o g n itio n   p latf o r m s ,   aim e d   a t  ev alu atin g   th eir   ca p ab ilit y   to   ac cu r ately   d iag n o s e  AD,   r elies  o n   s ev e r al  p er f o r m a n ce   m etr ics,  in clu d in g   ac cu r ac y   ( Acy ) ,   s en s itiv ity   ( Sn y ) /r ec all,   p r ec is io n   ( Prn ) ,   an d   th e  F1   s co r e.   E ac h   o f   th ese  p er f o r m a n ce   in d icato r s   o f f er s   d if f e r en t  in s ig h ts   in to   th e   p r o p o s ed   m o d el' s   ef f ec tiv en e s s .   T h e  p r im ar y   m ea s u r e  f o r   ev alu atin g   th e  class if icatio n   s y s tem   is   ac cu r ac y ,   wh ich   is   ca lcu lated   b y   d iv id i n g   th e  n u m b er   o f   co r r ec t  p r e d ictio n s   b y   th e  to tal  n u m b er   o f   p r e d ictio n s   m ad e .   Ma th em atica ll y ,   it c an   b e  e x p r ess ed   as  ( 8 ) :         =   +   + + +   ( 8 )     w h er e  T P  an d   T N  ar e  tr u e  p o s itiv e  an d   tr u e  n e g ativ e  r esp ec ti v ely .   FP ,   FN  ar e  f alse  p o s itiv e  an d   f alse  n eg ativ e,   r esp ec tiv ely .   Sen s itiv ity   an d   s p ec if icity   ar e  lo g ically   s p ec if i ed   as  ( 9 ) :          =   +   ( 9 )     T h e  s en s itiv ity   m etr ic  ac t s   as   a n   in d icato r   o f   th e  ef f ec tiv en es s   in   d etec tin g   AD  p atien t s ,   r ef lectin g   th e  m o d el' s   ab ilit y   to   co r r ec tly   id en tify   th o s e  wh o   ar e  tr u ly   af f ec ted   b y   th e  d is ea s e.   Pre cisi o n   m ea s u r es  th e   r eliab ilit y   o f   th e  d iag n o s is ,   r ep r esen tin g   t h e  p r o p o r tio n   o f   i n d iv id u als  id en tifie d   b y   th e  s y s tem   as  h av in g   th e   d is ea s e  wh o   ar e  in d ee d   s er io u s ly   im p ac ted   b y   it.  T h is   ca n   b e   d escr ib ed   as  ( 10 ) :         =   +   ( 10 )     T h e  F1   s co r e  o f   th e  s im u latio n   is   d escr ib ed   as th e  av er a g e  o f   th e   s en s itiv ity   an d   ac cu r ac y .     1    = 2   × (    ×     ×  )   (1 1 )     3 . 3 .   E x perim ent a l  re s ults   3 . 3 . 1 .   Co m pa riso n r esu lt s   t ra ditio na l  f uzzy   C - m e a ns   a nd   im pro v ed  f uzzy   C - m ea ns   clus t er ing   Up o n   co m p letio n   o f   th e   I m FC m   alg o r ith m ,   c o n v e r g en ce   was  ac h iev ed   b y   t h e  3 5 th   iter atio n ,   th er eb y   ex ce ed in g   th e  p r eset  m ax im u m   iter atio n   th r esh o ld .   T h e  co s t  v alu e  ex p er ien ce d   a  s ig n if ican t  r ed u ctio n ,   d escen d in g   f r o m   3 8 5 . 0 1   to   0 . 0 4 9   as  th e  iter atio n s   ad v an ce d .   T h is   d ec lin e  s ig n if ies  th e   alg o r ith m ’ s   co n v e r g en ce   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       Hyb r id   imp r o ve d   fu z z y  C - mea n s   a n d   w a ters h ed   s eg men ta tio n   to   cla s s ify  A lz h eime r ’ s   …  ( E s r a a   H.   A li )   4089   to war d s   an   o p tim al  s o lu tio n ,   h ig h lig h tin g   t h e  ef f icien cy   o f   o u r   m eth o d   in   ac h iev in g   r esu lts   in   a  s h o r te r   tim ef r am e.   I n   co m p ar is o n ,   th e  co n v en tio n al   FC M  alg o r ith m   a ttain ed   co n v er g e n ce   at  th e   7 0 t h   iter atio n ,   in tiatin g   with   a  co s t  v alu e   o f   4 9 0 7 . 9 ,   a n d   th u s   r eq u ir in g   m o r e   tim e   r el ativ e  to   t h e  p r o p o s ed   m et h o d .   Fig u r e  6   d e p icts   th e  co s t v alu es f o r   f i v e  d if f e r en t i m ag es a lo n g s id e  th e  d u r atio n   t ak en   b y   b o t h   th e  FC M  an d   I m FC m   alg o r ith m s .             Fig u r e  6 .   C o s t a n d   tim e  f o r   F C M  an d   I m FC m       3 . 3 . 2 .   Co nv o lutio na l neura l  net wo rk   re s ults wit h t ra ditio na l  f uzzy   C - m ea ns   T r ad itio n al  FC M  clu s ter in g   w er e  em p lo y ed   f o r   s eg m e n tatio n ,   wh ich   was  th en   in p u t   in to   C NN  f o r   AD  class if icatio n .   Fig u r e  7   illu s tr ates  th e  tr ain in g   an d   v alid ati o n   r esu lts   f r o m   th e   s eg m en te d   MRI  b r ain   d ataset.   T h e  class if icatio n   r esu lts   d em o n s tr ated   a  test   ac cu r ac y   o f   9 1 %  ac h iev ed   o v er   5 0 ep o c h s .   On e  o f   th e  c u r v es   s h o ws  a  r ed   lin e  r ep r esen tin g   t r ain in g   lo s s   an d   a  b lu e  lin e  f o r   v alid atio n   lo s s ,   wh ile  an o th er   cu r v e  illu s tr ates  a  r ed   lin e  f o r   v alid atio n   ac cu r ac y   an d   a  b lu e  lin e  f o r   ac c u r ac y .   Acc o r d in g   to   t h is   tech n iq u e ,   t h e  f ig u r e  in d icate s   th at  b o th   ac cu r ac y   an d   v alid atio n   ac cu r ac y   c o n v e r g ed   af ter   1 0   ep o ch s .   T h e  v alid ati o n   ac c u r ac y   r ea ch ed   0 . 8 8   an d   r em ai n ed   c o n s tan t  f r o m   e p o ch   1 4   t h r o u g h   t o   ep o ch   5 0 .   B y   ep o ch   5 0 ,   th e  lo s s   d ec r ea s ed   to   0 . 0 4 ,   an d   th e   v alid atio n   lo s s   r ea ch ed   0 . 6 .       0 50 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 C O S T I t e r a t i o n Im FC m T i m e: I m ag e1 :   4 . 3 2 2 I m a g e2 :   4 . 3 4 6 I m a g e3 :   4 . 6 4 5 I m a g e4 :   4 . 9 7 3 I m a g e5 :   4 . 4 2 6 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 6 0 0 0 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 C O S T I t e r a t i o n F CM T i m e : Im ag e 1:   23.723 Im ag e 2:  24.4 26 Im ag e 3:  25.3 80 Im ag e 4:  26.3 12 Im ag e 5:  27.2 55 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.