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

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

Embed Size (px)

DESCRIPTION

13 2 4

Citation preview

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