Araştırma Makalesi
BibTex RIS Kaynak Göster

Medical Image Denoising Using Reinforced Gradient Minimization

Yıl 2023, , 163 - 176, 30.04.2023
https://doi.org/10.17482/uumfd.1139249

Öz

Medical images are naturally exposed to different types and levels of noise. The main purpose of algorithms used in the reconstruction of medical images is to use the most efficient method to remove this noise and to increase the resolution. With these techniques, the noise is intended to be removed using filters, regularizers, and noise removal operators. After the availability of compressed sensing in medical imaging, the total variation (TV) minimization, which transforms the image into a sparser form, reduces the image noise and preserves small details and edges. In this study, a local gradient operator TD has been redesigned as a stronger noise remover by increasing the level of the neighborhood used in partial gradient directions. The proposed reinforced gradient minimization's ability to reduce noise under various levels of Gaussian, Poisson, and Gauss+Poisson noise was compared to that of the traditional TV technique. The results were compared using peak signal-to-noise-ratio (PSNR), structure similarity (SSIM), contrast-to-noise-ratio (CNR) metrics, and visual analysis. It was shown that the proposed reinforced gradient minimization method has better noise removal potential than that of the TV algorithm.

Kaynakça

  • 1. Boyd S, Parikh N, Chu E, Peleato B, Eckstein J., (2011) “Distributed optimization and statistical learning via the alternating direction method of multipliers” vol. 3. https://doi.org/10.1561/2200000016.
  • 2. Candes E.J., Wakin M.B., andBoyd S.P., (2008) “Enhancing sparsity by reweighted l1 minimization,” J. Fourier Anal. Appl., vol. 14, pp. 877–905. https://doi.org/10.1007/s00041- 008-9045-x
  • 3. Chen Z, Jin X, Li L, Wang G. A, (2013) “limited-angle CT reconstruction method based on anisotropic TV minimization.” Phys Med Biol; 58:2119. https://doi.org/10.1088/0031- 9155/58/7/2119
  • 4. Cheng Z., Chen Y., Wang L., Lin F., Wang H. and Chen Y., (2018), "Four-Directional Total Variation Denoising Using Fast Fourier Transform and ADMM," IEEE 3rd International Conference on Image, Vision and Computing (ICIVC), pp. 379-383, doi: 10.1109/ICIVC.2018.8492869
  • 5. Gilboa G., Sochen N., Zeevi Y.Y., (2006) “Variational denoising of partly textured images by spatially varying constraints”, IEEE Trans. on Image Processing, vol. 15, no. 8, pp. 2281-2289. doi: 10.1109/TIP.2006.875247.
  • 6. Guo Y., Zeng L., Wang C. , Zhang L., (2017), “Image reconstruction model for the exterior problem of computed tomography based on weighted directional total variation”, Applied Mathematical Modelling, 52 (358: 377), https://doi.org/10.1016/j.apm.2017.07.057.
  • 7. Huang Y, Taubmann O, Huang X, Haase V, Lauritsch G, Maier, (2016) “A new weighted anisotropic total variation algorithm for limited angle tomography.” , Proc of Int Symp Biomed Imaging 2016; 585–8. https://doi.org/10.1109/ISBI.2016.7493336.
  • 8. Huang Y, Taubmann O, Huang X, Haase V, Lauritsch G, Maier, (2018), “A. Scale-space anisotropic total variation for limited angle tomography. IEEE Trans Radiat Plasma Med Sci; 2:307–14. https://doi.org/10.1109/TRPMS.2018.2824400.
  • 9. Joshi, S. H., Marquina, A., Osher, S. J., Dinov, I., Van Horn, J. D., & Toga, A. W. (2009). “MRI Resolution Enhancement Using Total Variation Regularization”. Proceedings. IEEE International Symposium on Biomedical Imaging, 2009, 161–164. https://doi.org/10.1109/ISBI.2009.5193008
  • 10. Liao F., Coatrieux J. L., Wu J., and Shu H., (2015),‘‘A new fast algorithm for constrained four-directional total variation image denoising problem,’’ Math. Problems Eng., vol. 2015, pp. 1–11, https://doi.org/10.1155/2015/815132
  • 11. Miao C and Yu H. (2015), “A General-Thresholding Solution for lp(0<p<1) Regularized CT Reconstruction.” IEEE Trans Image Process; 24:5455–68. https://doi.org/10.1109/TIP.2015.2468175.
  • 12. Motwani, M.C., Gadiya, M.C., Motwani, R.C. and Harris, F.C., (2004), “Survey of image denoising techniques.” In Proceedings of GSPX (Vol. 27, pp. 27-30).
  • 13. Pang Z.F., Zhou Y.M., Wu T., Li D.J., (2019), “Image denoising via a new anisotropic total-variation-based model”, Signal Processing: Image Communication, 74, (140-152), https://doi.org/10.1016/j.image.2019.02.003.
  • 14. Qu Z., Zhao X., Pan J. and Chen P., (2019), “Sparse-view CT reconstruction based on gradient directional total variation”, Meas. Sci. Technol., 30, 055404, https://doi.org/10.1088/1361-6501/ab09c6 .
  • 15. Rudin L., Osher S., Fatemi E., (1992), “Nonlinear total variation based noise removal algorithms”, Physica D 60 (1–4) 259–268. https://doi.org/10.1016/0167-2789(92)90242-F
  • 16. Sakurai M., Kiriyama S., Goto T., and Hirano S., (2011)‘‘Fast algorithm for totalvariationmminimization,’’ in Proc. 18th IEEE Int. Conf. Image Process., pp. 1461–1464, doi:m10.1109/ICIP.2011.6115718.
  • 17. Sidky E Y, Kao C-M and Pan X (2006) “Accurate image reconstruction from few-viewsmand limited-angle data in divergent-beam CT” J. X-Ray Sci. Technol. 14 119–39
  • 18. Sidky EY, Pan X. (2008), “Image reconstruction in circular cone-beam computed tomography by constrained, total-variation minimization.” Phys Med Biol;53:4777. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/17/021.
  • 19. Sidky E.Y., Reiser I., Nishikawa R.M., Pan X., Chartrand R., Kopans D.B., (2008), “Practical iterative image reconstruction in digital breast tomosynthesis by non-convex TpV optimization.” Med Imaging 2008 Phys Med Imaging; 6913:691328. https://doi.org/10.1117/12.772796.
  • 20. Wang, Z., Simoncelli, E.P., Bovik, A.C., (2003), “Multiscale structural similarity for image quality assessment”, The Thrity-Seventh Asilo-mar Conference on Signals, Systems Computers, 2003, pp. 1398–1402 Vol.2. doi: 10.1109/ACSSC.2003.1292216.
  • 21. Wang T., Nakamoto K., Zhang H. and Liu H., (2017), "Reweighted Anisotropic Total Variation Minimization for Limited-Angle CT Reconstruction," in IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 64, no. 10, pp. 2742-2760, doi: 10.1109/TNS.2017.2750199.
  • 22. Wu L., Chen Y., Jin J., Du H., and Qiu B., (2017),‘‘Four-directional fractional order total variation regularization for image denoising,’’ J. Electron Imag., 26 (5, doi: 10.1117/1.JEI.26.5.053003.
  • 23. Yan K., Wang X., Lu L., and Summers R.M., (2018) “DeepLesion: automated mining of large-scale lesion annotations and universal lesion detection with deep learning.” J Med Imaging, 5(3):036501. doi: 10.1117/1.JMI.5.3.036501.
  • 24. Zhang Z., Chen B., Xia D., Sidky E.M. and Pan X., (2021), “Directional-TV algorithm for image reconstruction from limited-angular-range data”, Medical Image Analysis, 70,102030, https://doi.org/10.1016/j.media.2021.102030
  • 25. Zheng J., Fessler J.A., Chan H-P. (2016); “Digital breast tomosynthesis reconstruction using spatially weighted non-convex regularization.” Med Imaging 2016 Phys Med Imaging;9783:978369. https://doi.org/10.1117/12.2216414.

GÜÇLENDİRİLMİŞ GRADYAN MİNİMİZASYONU KULLANARAK MEDİKAL GÖRÜNTÜLERDE GÜRÜLTÜ ARINDIRMA

Yıl 2023, , 163 - 176, 30.04.2023
https://doi.org/10.17482/uumfd.1139249

Öz

Medikal görüntüler doğası gereği farklı gürültü tipleri ve seviyelerine maruz kalmaktadır. Medikal görüntülerin oluşturulmasında kullanılan rekonstrüksiyon algoritmalarının temel amacı, oluşan bu gürültünün giderilmesi ve çözünürlüğün arttırılması için en verimli yöntemlerin kullanılmasıdır. Bu yöntemler kullanılırken filtreleme, düzenleyiciler ve gürültü giderici operatörler kullanıp gürültünün arındırılması amaçlanmaktadır. Sıkıştırılmış algılamanın medikal görüntülemede aktif olarak kullanılmaya başlanmasından sonra, görüntüyü daha seyrek forma dönüştüren toplam değişinti (TD) en küçüklemesi ile görüntü üzerindeki gürültü azaltılarak ufak detayların ve kenarların daha net biçimde korunması sağlanmıştır. Lokal bir gradyan operatörü olan toplam değişinti algoritması bu çalışmada kısmi gradyan yönlerinde kullanılan komşuluk seviyesi arttırılarak daha güçlü bir gürültü giderici olarak yeniden tasarlanmıştır. Çalışma kapsamında, tasarlanan bu yeni güçlendirilmiş gradyan minimizasyonunun medikal görüntülerde mevcut farklı Gauss, Poisson ve Gauss+Poisson gürültü seviyeleri üzerinde gürültü arındırma başarısı klasik TD ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar pik sinyal-gürültü oranı, yapısal benzerlik ve kontrast-gürültü oranı metrikleri ve görsel analiz kullanılarak karşılaştırılmış ve önerilen yeni güçlendirilmiş gradyan minimizasyonu yönteminin mevcut klasik TD algoritmasından daha iyi gürültü arındırma potansiyeline sahip olduğu gösterilmiştir.

Kaynakça

  • 1. Boyd S, Parikh N, Chu E, Peleato B, Eckstein J., (2011) “Distributed optimization and statistical learning via the alternating direction method of multipliers” vol. 3. https://doi.org/10.1561/2200000016.
  • 2. Candes E.J., Wakin M.B., andBoyd S.P., (2008) “Enhancing sparsity by reweighted l1 minimization,” J. Fourier Anal. Appl., vol. 14, pp. 877–905. https://doi.org/10.1007/s00041- 008-9045-x
  • 3. Chen Z, Jin X, Li L, Wang G. A, (2013) “limited-angle CT reconstruction method based on anisotropic TV minimization.” Phys Med Biol; 58:2119. https://doi.org/10.1088/0031- 9155/58/7/2119
  • 4. Cheng Z., Chen Y., Wang L., Lin F., Wang H. and Chen Y., (2018), "Four-Directional Total Variation Denoising Using Fast Fourier Transform and ADMM," IEEE 3rd International Conference on Image, Vision and Computing (ICIVC), pp. 379-383, doi: 10.1109/ICIVC.2018.8492869
  • 5. Gilboa G., Sochen N., Zeevi Y.Y., (2006) “Variational denoising of partly textured images by spatially varying constraints”, IEEE Trans. on Image Processing, vol. 15, no. 8, pp. 2281-2289. doi: 10.1109/TIP.2006.875247.
  • 6. Guo Y., Zeng L., Wang C. , Zhang L., (2017), “Image reconstruction model for the exterior problem of computed tomography based on weighted directional total variation”, Applied Mathematical Modelling, 52 (358: 377), https://doi.org/10.1016/j.apm.2017.07.057.
  • 7. Huang Y, Taubmann O, Huang X, Haase V, Lauritsch G, Maier, (2016) “A new weighted anisotropic total variation algorithm for limited angle tomography.” , Proc of Int Symp Biomed Imaging 2016; 585–8. https://doi.org/10.1109/ISBI.2016.7493336.
  • 8. Huang Y, Taubmann O, Huang X, Haase V, Lauritsch G, Maier, (2018), “A. Scale-space anisotropic total variation for limited angle tomography. IEEE Trans Radiat Plasma Med Sci; 2:307–14. https://doi.org/10.1109/TRPMS.2018.2824400.
  • 9. Joshi, S. H., Marquina, A., Osher, S. J., Dinov, I., Van Horn, J. D., & Toga, A. W. (2009). “MRI Resolution Enhancement Using Total Variation Regularization”. Proceedings. IEEE International Symposium on Biomedical Imaging, 2009, 161–164. https://doi.org/10.1109/ISBI.2009.5193008
  • 10. Liao F., Coatrieux J. L., Wu J., and Shu H., (2015),‘‘A new fast algorithm for constrained four-directional total variation image denoising problem,’’ Math. Problems Eng., vol. 2015, pp. 1–11, https://doi.org/10.1155/2015/815132
  • 11. Miao C and Yu H. (2015), “A General-Thresholding Solution for lp(0<p<1) Regularized CT Reconstruction.” IEEE Trans Image Process; 24:5455–68. https://doi.org/10.1109/TIP.2015.2468175.
  • 12. Motwani, M.C., Gadiya, M.C., Motwani, R.C. and Harris, F.C., (2004), “Survey of image denoising techniques.” In Proceedings of GSPX (Vol. 27, pp. 27-30).
  • 13. Pang Z.F., Zhou Y.M., Wu T., Li D.J., (2019), “Image denoising via a new anisotropic total-variation-based model”, Signal Processing: Image Communication, 74, (140-152), https://doi.org/10.1016/j.image.2019.02.003.
  • 14. Qu Z., Zhao X., Pan J. and Chen P., (2019), “Sparse-view CT reconstruction based on gradient directional total variation”, Meas. Sci. Technol., 30, 055404, https://doi.org/10.1088/1361-6501/ab09c6 .
  • 15. Rudin L., Osher S., Fatemi E., (1992), “Nonlinear total variation based noise removal algorithms”, Physica D 60 (1–4) 259–268. https://doi.org/10.1016/0167-2789(92)90242-F
  • 16. Sakurai M., Kiriyama S., Goto T., and Hirano S., (2011)‘‘Fast algorithm for totalvariationmminimization,’’ in Proc. 18th IEEE Int. Conf. Image Process., pp. 1461–1464, doi:m10.1109/ICIP.2011.6115718.
  • 17. Sidky E Y, Kao C-M and Pan X (2006) “Accurate image reconstruction from few-viewsmand limited-angle data in divergent-beam CT” J. X-Ray Sci. Technol. 14 119–39
  • 18. Sidky EY, Pan X. (2008), “Image reconstruction in circular cone-beam computed tomography by constrained, total-variation minimization.” Phys Med Biol;53:4777. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/17/021.
  • 19. Sidky E.Y., Reiser I., Nishikawa R.M., Pan X., Chartrand R., Kopans D.B., (2008), “Practical iterative image reconstruction in digital breast tomosynthesis by non-convex TpV optimization.” Med Imaging 2008 Phys Med Imaging; 6913:691328. https://doi.org/10.1117/12.772796.
  • 20. Wang, Z., Simoncelli, E.P., Bovik, A.C., (2003), “Multiscale structural similarity for image quality assessment”, The Thrity-Seventh Asilo-mar Conference on Signals, Systems Computers, 2003, pp. 1398–1402 Vol.2. doi: 10.1109/ACSSC.2003.1292216.
  • 21. Wang T., Nakamoto K., Zhang H. and Liu H., (2017), "Reweighted Anisotropic Total Variation Minimization for Limited-Angle CT Reconstruction," in IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 64, no. 10, pp. 2742-2760, doi: 10.1109/TNS.2017.2750199.
  • 22. Wu L., Chen Y., Jin J., Du H., and Qiu B., (2017),‘‘Four-directional fractional order total variation regularization for image denoising,’’ J. Electron Imag., 26 (5, doi: 10.1117/1.JEI.26.5.053003.
  • 23. Yan K., Wang X., Lu L., and Summers R.M., (2018) “DeepLesion: automated mining of large-scale lesion annotations and universal lesion detection with deep learning.” J Med Imaging, 5(3):036501. doi: 10.1117/1.JMI.5.3.036501.
  • 24. Zhang Z., Chen B., Xia D., Sidky E.M. and Pan X., (2021), “Directional-TV algorithm for image reconstruction from limited-angular-range data”, Medical Image Analysis, 70,102030, https://doi.org/10.1016/j.media.2021.102030
  • 25. Zheng J., Fessler J.A., Chan H-P. (2016); “Digital breast tomosynthesis reconstruction using spatially weighted non-convex regularization.” Med Imaging 2016 Phys Med Imaging;9783:978369. https://doi.org/10.1117/12.2216414.
Toplam 25 adet kaynakça vardır.

Ayrıntılar

Birincil Dil Türkçe
Konular Elektrik Mühendisliği
Bölüm Araştırma Makaleleri
Yazarlar

Metin Ertas 0000-0003-4031-4656

Yayımlanma Tarihi 30 Nisan 2023
Gönderilme Tarihi 1 Temmuz 2022
Kabul Tarihi 11 Ocak 2023
Yayımlandığı Sayı Yıl 2023

Kaynak Göster

APA Ertas, M. (2023). GÜÇLENDİRİLMİŞ GRADYAN MİNİMİZASYONU KULLANARAK MEDİKAL GÖRÜNTÜLERDE GÜRÜLTÜ ARINDIRMA. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 28(1), 163-176. https://doi.org/10.17482/uumfd.1139249
AMA Ertas M. GÜÇLENDİRİLMİŞ GRADYAN MİNİMİZASYONU KULLANARAK MEDİKAL GÖRÜNTÜLERDE GÜRÜLTÜ ARINDIRMA. UUJFE. Nisan 2023;28(1):163-176. doi:10.17482/uumfd.1139249
Chicago Ertas, Metin. “GÜÇLENDİRİLMİŞ GRADYAN MİNİMİZASYONU KULLANARAK MEDİKAL GÖRÜNTÜLERDE GÜRÜLTÜ ARINDIRMA”. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi 28, sy. 1 (Nisan 2023): 163-76. https://doi.org/10.17482/uumfd.1139249.
EndNote Ertas M (01 Nisan 2023) GÜÇLENDİRİLMİŞ GRADYAN MİNİMİZASYONU KULLANARAK MEDİKAL GÖRÜNTÜLERDE GÜRÜLTÜ ARINDIRMA. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi 28 1 163–176.
IEEE M. Ertas, “GÜÇLENDİRİLMİŞ GRADYAN MİNİMİZASYONU KULLANARAK MEDİKAL GÖRÜNTÜLERDE GÜRÜLTÜ ARINDIRMA”, UUJFE, c. 28, sy. 1, ss. 163–176, 2023, doi: 10.17482/uumfd.1139249.
ISNAD Ertas, Metin. “GÜÇLENDİRİLMİŞ GRADYAN MİNİMİZASYONU KULLANARAK MEDİKAL GÖRÜNTÜLERDE GÜRÜLTÜ ARINDIRMA”. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi 28/1 (Nisan 2023), 163-176. https://doi.org/10.17482/uumfd.1139249.
JAMA Ertas M. GÜÇLENDİRİLMİŞ GRADYAN MİNİMİZASYONU KULLANARAK MEDİKAL GÖRÜNTÜLERDE GÜRÜLTÜ ARINDIRMA. UUJFE. 2023;28:163–176.
MLA Ertas, Metin. “GÜÇLENDİRİLMİŞ GRADYAN MİNİMİZASYONU KULLANARAK MEDİKAL GÖRÜNTÜLERDE GÜRÜLTÜ ARINDIRMA”. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, c. 28, sy. 1, 2023, ss. 163-76, doi:10.17482/uumfd.1139249.
Vancouver Ertas M. GÜÇLENDİRİLMİŞ GRADYAN MİNİMİZASYONU KULLANARAK MEDİKAL GÖRÜNTÜLERDE GÜRÜLTÜ ARINDIRMA. UUJFE. 2023;28(1):163-76.

DUYURU:

30.03.2021- Nisan 2021 (26/1) sayımızdan itibaren TR-Dizin yeni kuralları gereği, dergimizde basılacak makalelerde, ilk gönderim aşamasında Telif Hakkı Formu yanısıra, Çıkar Çatışması Bildirim Formu ve Yazar Katkısı Bildirim Formu da tüm yazarlarca imzalanarak gönderilmelidir. Yayınlanacak makalelerde de makale metni içinde "Çıkar Çatışması" ve "Yazar Katkısı" bölümleri yer alacaktır. İlk gönderim aşamasında doldurulması gereken yeni formlara "Yazım Kuralları" ve "Makale Gönderim Süreci" sayfalarımızdan ulaşılabilir. (Değerlendirme süreci bu tarihten önce tamamlanıp basımı bekleyen makalelerin yanısıra değerlendirme süreci devam eden makaleler için, yazarlar tarafından ilgili formlar doldurularak sisteme yüklenmelidir).  Makale şablonları da, bu değişiklik doğrultusunda güncellenmiştir. Tüm yazarlarımıza önemle duyurulur.

Bursa Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Dekanlığı, Görükle Kampüsü, Nilüfer, 16059 Bursa. Tel: (224) 294 1907, Faks: (224) 294 1903, e-posta: mmfd@uludag.edu.tr