Transcript
Page 1: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Bruk av Bruk av WaveletsWavelets (en relativt ny matematisk metode)(en relativt ny matematisk metode)innen innen medisinsk bildebehandlingmedisinsk bildebehandling

Page 2: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

IntroductionIntroduction

Per Henrik Hogstad

Associate Professor

Agder University CollegeFaculty of Engineering and ScienceDept of Computer ScienceGrooseveien 36, N-4876 Grimstad, NorwayTelephone: +47 37253285 Email: [email protected]

Page 3: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

1 3

2

4

Page 4: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

IntroductionIntroduction

Per Henrik Hogstad

- Mathematics- Statistics- Physics (Main subject: Theoretical Nuclear Physics)- Computer Science

- Programming / Objectorienting- Algorithms and Datastructures- Databases- Digital Image Processing- Supervisor Master Thesis

- Research- PHH : Mathem of Wavelets + Computer Application Wavelets/Medicine- Students : Application + Test Wavelets/Medicine

Page 5: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

ResearchResearch

SINTEF Unimed Ultrasound in Trondheim

The Norwegian Radiumhospital in Oslo

Sørlandet hospital in Kristiansand / Arendal

Mathematics - Computer Science - Medicine

Page 6: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Mathematical Image OperationMathematical Image Operation - - ApplicationApplication

Page 7: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

WaveletsWaveletsNew New mathematical methodmathematical method with many interesting with many interesting applicationsapplications

Divide a function into parts with frequency and time/position information

Signal Processing - Image Processing - Astronomy/Optics/Nuclear PhysicsImage/Speech recognition - Seismologi - Diff.equations/Discontinuity…

Page 8: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Definition of The Continuous Wavelet Transform Definition of The Continuous Wavelet Transform CWTCWT

dxxfxfbafWbaW baba )()(),]([),( ,,

0 , )(, 2 aRbaRLf

The continuous-time wavelet transform (CWT)of f(x) with respect to a wavelet (x):

][ fW),]([ bafW

)(xf

)(xL2(R)

abxaxba

2/1, || )(

dadbxbaWaC

xf ba )(),(11)( ,2

)(0,1 x )(0,2 x )(1,2 x

Page 9: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Fourier-transformation of a square waveFourier-transformation of a square wave

f(x) square wave (T=2)

N=2

N=10

1

1

0

])12sin[(12

14

2sin2cos2

)(

n

nnn

xnn

Txnb

Txnaaxf

N

n

xnn

xf1

])12sin[(12

14)(

N=1

Page 10: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Fourier transformation

Page 11: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Fourier transformation

Page 12: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Fourier transformation

Page 13: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Fourier transformation

Page 14: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

CWT - Time and frequency localizationCWT - Time and frequency localization

aatata

)()(0,

Time

Frequency

ˆ1)()(

0,

aaa

a

Small a: CWT resolve events closely spaced in time.Large a: CWT resolve events closely spaced in frequency.

CWT provides better frequency resolution in the lower end of the frequency spectrum.

Wavelet a natural tool in the analysis of signals in which rapidlyvarying high-frequency components are superimposed on slowly varyinglow-frequency components (seismic signals, music compositions, pictures…).

Page 15: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Fourier - Wavelet Fourier - Wavelet

t

a=1/2

a=1

a=2

t

Signal

Time Inf

Fourier

Freq Inf

Wavelet

Time InfFreq Inf

Page 16: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Filtering / CompressionFiltering / Compression

)(xf ),]([ bafW

Data compression

Remove low W-values

Lowpass-filteringReplace W-values by 0for low a-values

Highpass-filteringReplace W-values by 0for high a-values

Page 17: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Wavelet TransformWavelet TransformMorlet WaveletMorlet WaveletFourier/WaveletFourier/Wavelet

f

[f]Wψ

F[f]

[f]Wa1

ψ2

b)1,(a [f]Wψ

b)20,(a [f]Wψ

b)10,(a [f]Wψ

Fourier

Wavelet

xex x

2ln2cos)(

2

Page 18: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Wavelet TransformWavelet TransformMorlet WaveletMorlet WaveletFourier/WaveletFourier/Wavelet

Fourier

Wavelet

xex x

2ln2cos)(

2

f

F[f]

[f]Wψ [f]W

a1

ψ2

Page 19: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Wavelet TransformWavelet TransformMorlet Wavelet - Visible OscillationMorlet Wavelet - Visible Oscillation

signal Original

f

[f]Wa1

ψ2

signal Modified f

[f]Wa1

ψ2

xex x

2ln2cos)(

2

Page 20: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Wavelet TransformWavelet TransformMorlet Wavelet - Non-visible OscillationMorlet Wavelet - Non-visible Oscillation [1/2] [1/2]

][fWa1

1ψ2

][fWa1

2ψ2

xex x

2ln2cos)(

2

210)0.01(x1 1000e(x)f

9,11 xif x)5sin(2)(

11,,9 xif (x)(x)f

1

12 xf

f

(x)f1

(x)f2

Scalogram

Scalogram

Page 21: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Wavelet TransformWavelet TransformMorlet Wavelet - Non-visible OscillationMorlet Wavelet - Non-visible Oscillation [2/2] [2/2]

xex x

2ln2cos)(

2

][fW 1ψ

Scalogram

][fWa1

1ψ2

(x)f2

][fW 2ψ

Scalogram

][fWa1

2ψ2

(x)f1

Page 22: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Matcad ProgramMatcad ProgramWavelet TransformWavelet Transform

Page 23: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

CWTCWT - DWT - DWT

dxxfxfbafWbaW baba )()(),]([),( ,,

dadbxbaWaC

xf ba )(),(11)( ,2

CdC 0

)( 2

abxaxba 2/1

, || )(

CWT

DWT

m

m

anbb

aa

00

0

nxx mmnm 22 )( 2/

,

m

m

nb

a

2

21 2 00 ba

Binary dilationDyadic translation

Dyadic Wavelets

voicea called group, one as processed are of pieces voctaveper voicesofnumber 2

nm,

/10

va v

Page 24: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

m

mjkmkj chc ,12, m

mjkmkj cgd ,12,

Analysis /SynthesisAnalysis /SynthesisExampleExample

m

mkmjm

mkmjkj gdhcc 2,2,,1

Mhk

k nk

Mnkkhh 12 k

kh kNk

k hg 1)1(

J=5J=5Num of Samples: 2Num of Samples: 2JJ = 32 = 32

1 12

0,,

12

0,,

12

0,,

0

10

00)()(

)()()(

J

jj kkjkj

kkjkj

kkJkJJ

jj

J

tdtc

tctftf

Page 25: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

AnalysisAnalysisSynthesisSynthesisJ=5 J=5 Sampling: 2Sampling: 255 = 32 = 32

j=4j=4j=5j=5 j=3j=3 j=2j=2 j=1j=1 j=0j=05V

4V 3V 2V 1V 0V

0W4W 3W 2W 1W

4W 43 WW 432 WWW 43

21

WWWW

43

210

WWWWW

WWWWWVWWWWV

WWWVWWV

WVV

32100

3211

322

33

44

5

1 12

0,,

12

0,,

12

0,,

0

10

00)()(

)()()(

J

jj kkjkj

kkjkj

kkJkJJ

jj

J

tdtc

tctftf

Page 26: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Discrete Wavelet-transformation

Page 27: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Compress 1:50

JPEG Wavelet

Original

Page 28: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

ResearchResearchThe Norwegian Radiumhospital in OsloThe Norwegian Radiumhospital in Oslo

- Control of the Linear Accelerator- Databases (patient/employee/activity)- Computations of patientpositions- Mathematical computations

of medical image information- Different imageformat (bmp, dicom, …)- Noise Removal - Graylevel manipulation (Histogram, …)- Convolution, Gradientcomputation- Multilayer images- Transformations (Fourier, Wavelet, …)- Mammography- ...

Wavelet

Page 29: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

The Norwegian RadiumhospitalThe Norwegian RadiumhospitalMammographyMammography

DiameterRelative contrastNumber of microcalcifications

Page 30: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

The Norwegian RadiumhospitalThe Norwegian RadiumhospitalMammograpMammographhy - Mexican Hat - 2 Dimy - Mexican Hat - 2 Dim

2

2

2σx2

2π1 e

σx2Ψ(x)

cosθsinθsinθcosθ

R

2

y

2x

a10

0a1

A

ARRP T

yx

r

y

x

bb

b

brPbrT

a

T

y

brPbr

2

1

a2π1

b,a e2)r(Ψx

y

x

aa

a

2a 1a yx

Page 31: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

The Norwegian RadiumhospitalThe Norwegian RadiumhospitalMammographyMammography

Page 32: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

ArthritisArthritisMeasure of boneMeasure of bone

abxaxba 2/1

, || )(

xex x

2ln2cos)(

2

Morlet

External part External part

[f]Wa1

ψ2

E/I bone edge E/I bone edge

Page 33: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Ultrasound Image - Edge detectionUltrasound Image - Edge detectionSINTEF – Unimed – Ultrasound - TrondheimSINTEF – Unimed – Ultrasound - Trondheim

- Ultrasound Images- Egde Detection

- Noise Removal- Egde Sharpening- Edge Detection

Page 34: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Edge DetectionEdge DetectionConvolutionConvolution

Page 35: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Edge detectionEdge detectionWaveletWavelet

2

2

2x2

2π1 e

σx2Ψ(x)

Mexican Hat

Page 36: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Edge DetectionEdge DetectionWavelet -Wavelet - Scale EnergyScale Energy

dxxfxfbafWbaW baba )()(),]([),( ,,

abxaxba

2/1, || )(

dadbxbaWaC

xf ba )(),(11)( ,2

dbbaWaS ff

2),()(

daaaS

adadbbaW

adbdabaWdxxfE

f

f

ff

2

2

2

2

22

)(

),(

),()(

WaveletTransform

Inv WaveletTransform

Wavelet scaledependentspectrum

Energy of the signal

A measure of the distribution of energy of the signal f(x) as a function of scale.

Page 37: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Edge detectionEdge detectionWavelet - Max Energy ScaleWavelet - Max Energy Scale

440,...,2,1

2)( /

Njja Nj

dbbaWaa

aSf

f 2

22 ),(1max)(

max

abxaxba

2/1, || )(

Page 38: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Edge detectionEdge detectionWavelet - Different EdgesWavelet - Different Edges

Page 39: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Noise RemovalThresholding

Hard Soft Semi-Soft

Page 40: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Noise RemovalSyntetic Image 45 Wavelets - 500.000 test

Original

Original + point spread function + white gaussian noise

Page 41: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Noise RemovalSyntetic Image

Page 42: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Noise Removal Ultrasound Image

Original

Semi-soft

Soft

Page 43: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Edge sharpening

Page 44: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Edge detectionEdge detection

Page 45: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Edge detectionEdge detection

Scalogram

Page 46: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Edge detectionEdge detection

Scalogram

Page 47: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

Edge detectionEdge detection

Page 48: Bruk av Wavelets (en relativt ny matematisk metode) innen medisinsk bildebehandling

End


Top Related