TESIS

PRA PENGOLAHAN CITRA X-RAY THORAX PADA

SEGMENTASI PARU-PARU DAN JANTUNG

MENGGUNAKAN ANISOTROPIC DIFFUSION DAN

GUIDED IMAGE FILTER

SAMPUL DALAM

AGUS TOMMY ADI PRAWIRA KUSUMA

NIM 1191761017

PROGRAM MAGISTER

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS UDAYANA

DENPASAR

2015

ii

PRA PENGOLAHAN CITRA X-RAY THORAX PADA

SEGMENTASI PARU-PARU DAN JANTUNG

MENGGUNAKAN ANISOTROPIC DIFFUSION DAN

GUIDED IMAGE FILTER

PRASYARAT GELAR

Tesis untuk Memperoleh Gelar Magister

pada Program Magister, Program Studi Teknik Elektro

Program Pascasarjana Universitas Udayana

AGUS TOMMY ADI PRAWIRA KUSUMA

NIM 1191761017

PROGRAM MAGISTER

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS UDAYANA

DENPASAR

2015

iv

Tesis ini Telah Diuji pada

Tanggal 11 Agustus 2015

PENETAPAN PANITIA PENGUJI

Panitia Penguji Tesis Berdasarkan SK Rektor Universitas Udayana

No. : 2515/UN14.4/HK/2015, Tanggal 10 Agustus 2015

Ketua : Dr. I Made Oka Widyantara, ST., MT

Anggota :

1. Ni M. A. E. Dewi Wirastuti, ST., M.Sc., Ph.D

2. Prof. Ir. Rukmi Sari Hartati, MT., Ph.D

3. I Nyoman Satya Kumara, ST., M.Sc., Ph.D

4. Ir. Linawati, M.Eng,Sc., Ph.D

v

SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT

Saya bertanda tangan di bawah ini:

Nama : Agus Tommy Adi Prawira Kusuma

NIM : 1191761017

Program Studi : Magister Teknik Elektro

Judul Tesis : Pra Pengolahan Citra X-Ray Thorax pada Segmentasi

Paru-Paru dan Jantung Menggunakan Anisotropic

Diffusion dan Guided Image Filter.

Dengan ini menyatakan bahwa karya ilmiah Tesis ini bebas plagiat.

Apabila di kemudian hari terbukti plagiat dalam karya ilmiah ini, maka

saya bersedia menerima sanksi sesuai peraturan Mendiknas RI No.17 tahun 2010

dan peraturan perundang-undangan yang berlaku.

Denpasar, 19 Agustus 2015

Yang membuat pernyataan

Agus Tommy Adi Prawira Kusuma

vi

UCAPAN TERIMAKASIH

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus, karena atas

kasih dan anugerahNya tesis yang berjudul “PRA PENGOLAHAN CITRA X-

RAY THORAX PADA SEGMENTASI PARU-PARU DAN JANTUNG

MENGGUNAKAN ANISOTROPIC DIFFUSION DAN GUIDED IMAGE

FILTER” ini dapat diselesaikan.

Penulis menyadari bahwa tanpa dukungan dari banyak pihak, tesis ini tidak

akan terselesaikan dengan baik. Untuk itu, dengan kesempatan ini penulis ingin

menyampaikan penghargaan dan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada

Dr. I Made Oka Widyantara, ST., MT sebagai pembimbing I atas waktu dan

kesediaan untuk memberikan ilmu, ide, masukan, dan saran kepada penulis.

Terimakasih sebesar-besarnya juga penulis sampaikan kepada Ni M. A. E. Dewi

Wirastuti, ST., M.Sc., Ph.D sebagai pembimbing II yang dengan penuh kesabaran

telah memberikan bimbingan dan saran kapada penulis.

Ucapan yang sama juga ditujukan kepada Prof. Dr. dr. Ketut Suastika, Sp.

PD-KEMD sebagai Rektor Universitas Udayana atas kesempatan dan fasilitas

yang diberikan kepada penulis untuk menyelesaikan pendidikan Magister di

Universitas Udayana. Ucapan terimakasih ini juga ditujukan kepada Prof. Dr. dr.

A. A. Raka Sudewi, Sp.S(K) sebagai Direktur Pascasarjana Universitas Udayana

atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk menjadi mahasiswa

Program Magister di Universitas Udayana. Prof. Ir. Ida Ayu Dwi Giriantari,

M.EngSc., Ph.D sebagai Ketua Program Magister, Program Studi Teknik

Elektro, Program Pascasarjana Universitas Udayana yang dengan ramah

mengayomi kami selama menempuh pendidikan Magister. Serta terimakasih

kepada Bapak dan Ibu dosen pengajar di Program Magister Teknik Elektro yang

telah membagikan ilmu kepada penulis.

Pada kesempatan ini pula, penulis ingin menyampaikan ucapan terimakasih

yang tulus kepada Yayasan dan Universitas Dhyana Pura yang telah memberikan

dukungan Dana dan kesempatan kepada penulis untuk melanjutkan studi

Magister. Dr. Bambang Hadi Kartiko selaku dekan FIKST Universitas Dhyana

vii

Pura yang selalu memberikan dorongan semangat bagi penulis untuk

menyelesaikan perkuliahan di S2 Elektro. Iefan, Gerson, Sunarya dan teman-

teman lainnya yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, atas semangat dan

masukan yang telah diberikan selama menjalani perkuliahan di S2 Elektro.

Akhirnya penulis ucapkan terimakasih yang terdalam kepada isteri tercinta

Ni Luh Ayu Suwandari serta putra tersayang Gede Davin Aditya Imanuel dan

Made Danish Pramudya Imanuel yang menajadi sumber motiviasi dan semangat

bagi penulis dalam menyelesaikan perkuliahan di S2 Elektro. Begitu juga untuk

orang tua terkasih Bapak Nyoman Suyoga, Ibu Nyoman Wetri, Bapak Nyoman

Bagia Merta (Alm) dan Ibu Luh Putu Ciptaning Semadi atas semangat dan kasih

sayang yang diberikan.

Penulis menyadari bahwa tesis yang dibuat dengan segenap kemampuan ini

memiliki kekurangan. Harapan penulis, semoga karya kecil ini dapat memberikan

sumbangsih pada kemajuan dunia ilmu pengetahuan dan pendidikan.

Agustus, 2015

Penulis

viii

ABSTRAK

PRA PENGOLAHAN CITRA X-RAY THORAX PADA SEGMENTASI

PARU-PARU DAN JANTUNG MENGGUNAKAN ANISOTROPIC

DIFFUSION DAN GUIDED IMAGE FILTER

Tesis ini mengajukan teknik pra pengolahan dalam skema segmentasi paru-

paru dan jantung menggunakan Anisotropic Diffusion dan Guided image filter.

Tujuannya adalah untuk meningkatkan akurasi, sensitifitas dan spesifisitas hasil

segmentasi. Metode ini dipilih karena memiliki kemampuan mendeteksi tepi,

yaitu dalam melakukan penghalusan, metode ini dapat mengaburkan noise,

dengan tetap mempertahankan tepi objek pada citra. Karakteristik seperti ini

sangat dibutuhkan pada proses filter citra medis, dimana batas antara organ dan

latar belakang tidak begitu jelas. Proses segmentasi dilakukan dengan K-means

Clustering dan Active Contour untuk mensegmentasi paru-paru dan Template

Matching untuk mensegmentasi organ jantung.

Dibandingkan dengan hasil segmentasi pada penelitian sebelumnya yang

menggunakan Gaussian Lowpass filter sebagai metode pra pengolahan, hasil

segmentasi pada penelitian ini yang divalidasi menggunakan metode Receiver

Operating Characteristic (ROC) menunjukkan adanya peningkatan akurasi,

sensitifitas dan spesifisitas, pada hasil segmentasi organ paru-paru. Sedangkan

untuk segmentasi organ jantung tidak menunjukkan adanya peningkatan yang

signifikaan. Demikian juga dari segi waktu pemrosesan tidak ditemukan

perbedaan yang cukup berarti dari metode yang dipergunakan dalam penelitian ini

dibandingkan dengan metode yang digunakan pada penelitian sebelumnya.

Sehingga dapat disimpulkan bahwa penggunaan metode Anisotropic Diffusion dan

Guided image filter sebagai metode pra pengolahan pada skema segmentasi citra

x-ray thorax memberikan kontribusi yang cukup signifikan pada segmentasi paru-

paru, namun tidak memberikan kontribusi yang signifikan pada segmentasi

jantung.

Kata kunci - Preprocessing, anisotropic diffusion filter, segmentasi, medical

imaging, clustering, x-ray thorax

ix

ABSTRACT

PRE PROCESSING X-RAY THORAX IMAGE AT LUNGS AND HEART

SEGMENTATION USING ANISOTROPIC DIFFUSION AND GUIDED

IMAGE FILTER

This thesis applied preprocessing techniques in lung and heart segmentation

schemes using Anisotropic Diffusion and Guided image filter. The objective is to

improve accuracy, sensitivity and specificity the segmentation results. This

method was chosen because it has the ability to detect edges, edges smoothing,

noise reduction, and retaining edges of objects in the image. Such characteristics

is needed to process medical image, where the contrast boundary between the

organ images and background images is hard to defined. The segmentation

process is conducted by using K-means Clustering and Active Contour to

segmenting lungs and Template Matching to segmenting the heart organ.

Compared from segmentation results in earlier study using Gaussian Lowpass

filter as pre-processing methods, segmentation results in this study were validated

using Receiver Operating Characteristic (ROC) methods and showed an increased

accuracy, sensitivity and specificity the results on lungs segmentation. And for the

heart organ segmentation, it did not show any significant improvement. In terms

of segmentation processing time, there was no significant improvement from the

method used in this study when compared to the method used in previous studies.

It can be concluded that the use of Anisotropic Diffusion and Guided image filter

methods, as a pre-processing method of x-ray thorax image segmentation scheme,

contributes significantly to the lungs segmentation, but did not contributes

significantly to heart segmentation.

Keywords - Preprocessing, anisotropic diffusion filter, segmentasi, medical

imaging, clustering, x-ray thorax

x

DAFTAR ISI

SAMPUL DALAM .................................................................................................. i

PRASYARAT GELAR ........................................................................................... ii

LEMBAR PERSETUJUAN................................................................................... iii

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA TULIS TESIS ......................................... v

UCAPAN TERIMAKASIH ................................................................................... vi

ABSTRAK ........................................................................................................... viii

ABSTRACT ........................................................................................................... ix

DAFTAR ISI ........................................................................................................... x

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiii

DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiv

DAFTAR GRAFIK ............................................................................................... xv

BAB I ...................................................................................................................... 1

PENDAHULUAN................................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang .......................................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah ..................................................................................... 6

1.3 Batasan Masalah ....................................................................................... 6

1.4 Tujuan Penelitian ...................................................................................... 7

1.5 Manfaat Penelitian .................................................................................... 7

1.6 Keaslian Penelitian.................................................................................... 7

BAB II ..................................................................................................................... 8

KAJIAN PUSTAKA ............................................................................................... 8

2.1 State Of The Art Review........................................................................... 8

2.2 Medical Imaging ..................................................................................... 12

2.2.1 X-Ray....................................................................................................... 13

2.2.2 Thorax ..................................................................................................... 15

2.3 Pengolahan Citra Digital ......................................................................... 17

2.3.1 Jenis-jenis Citra Digital........................................................................... 17

2.3.2 Operasi Pengolahan Citra ....................................................................... 19

2.3.3 Langkah-Langkah Pengolahan Citra Digital .......................................... 20

xi

2.4 Pengenalan Pola ...................................................................................... 23

2.4.1 Anisotropic Diffusion Filtering ............................................................... 23

2.4.2 Guided Image Filter ................................................................................ 25

2.4.3 K-means Clustering ................................................................................ 28

2.4.4 Geometric Active Contour ...................................................................... 30

2.5 Receiver Operating Characteristic (ROC) ............................................. 34

BAB III.................................................................................................................. 37

METODE PENELITIAN ...................................................................................... 37

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ................................................................. 37

3.2 Alur Analisis ........................................................................................... 37

3.2.1 Pendefinisian masalah ............................................................................. 37

3.2.2 Studi Literatur ......................................................................................... 37

3.2.3 Akuisisi Data Citra .................................................................................. 38

3.2.4 Pra Pengolahan Citra............................................................................... 38

3.2.5 Segmentasi .............................................................................................. 38

3.3 Data ......................................................................................................... 39

3.3.1 Citra X-Ray Thorax ................................................................................. 39

3.3.2 Segmentasi Manual .................................................................................. 39

3.3.3 Struktur Anatomi ...................................................................................... 40

3.3.2 Metode Pengumpulan Data ..................................................................... 42

3.4 Cara Penelitian ........................................................................................ 42

3.4.1 Materi Penelitian ..................................................................................... 43

3.4.2 Instrumen Penelitian ............................................................................... 43

3.5 Perancangan Sistem ................................................................................ 44

3.5.1 Pra Pengolahan........................................................................................ 45

3.5.1.1 Anisotropic diffusion filter ..................................................................... 46

3.5.1.2 Guided Image filter................................................................................ 47

3.5.2 K-means Clustering ................................................................................ 49

3.5.3 Geometric Active Contour ...................................................................... 50

3.6 Validasi Menggunakan Receiver Operating Characteristic (ROC) ....... 53

3.6.1 Akurasi .................................................................................................... 54

3.6.2 Sensitivitas .............................................................................................. 55

xii

3.6.3 Spesifisitas .............................................................................................. 55

3.7 Perancangan Antar Muka Sistem ............................................................ 55

BAB IV ................................................................................................................. 58

HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................................. 58

4.1 Implementasi Sistem ............................................................................... 58

4.1.1 Implementasi Pra Pengolahan Sistem ..................................................... 58

4.1.1.1 Anisotropic Diffusion filter .................................................................... 59

4.1.1.2 Guided Image filter................................................................................ 61

4.1.1.3 Gaussian lowpass filter ......................................................................... 63

4.1.2 Implementasi Segmentasi ......................................................................... 63

4.1.2.1 K-means Clustering ............................................................................... 64

4.1.2.2 Geometric Active Contour ..................................................................... 66

4.1.2.3 Template Matching ................................................................................ 67

4.1.3 Implementasi Validasi .............................................................................. 69

4.2 Implementasi Antarmuka Sistem ................................................................ 71

4.2.1 Pemilihan Citra Uji dan Metode Pra Pengolahan ..................................... 71

4.2.2 Panel Hasil pra pengolahan dan segmentasi ............................................. 72

4.2.3 Panel validasi hasil segmentasi ................................................................ 73

4.3 Hasil Segmentasi dan Validasi .................................................................... 74

4.3.1 Organ Paru-paru ....................................................................................... 74

4.3.2 Organ Jantung ........................................................................................... 80

4.3.3 Kinerja Waktu ......................................................................................... 83

4.4 Analisa Hasil Penelitian .............................................................................. 85

BAB V ................................................................................................................... 89

KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................. 89

5.1 Kesimpulan .................................................................................................. 89

5.2 Saran ............................................................................................................ 90

Daftar Pustaka ....................................................................................................... 91

Lampiran ............................................................................................................... 94

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1 Fish Bone Penelitian......................................................................... 10

Gambar 2. 2 Alat Rontgen .................................................................................... 13

Gambar 2. 3 Alur Pengolahan Citra (Putra, 2010) ................................................ 20

Gambar 2. 4 Alur Pengenalan Pola ....................................................................... 23

Gambar 2. 5 scale space yang dibangun oleh anisotropic filter ............................ 25

Gambar 2. 6 Kriteria ROC (MedCalc Software bvba, 2010) ................................ 35

Gambar 3. 1 Proses Segmentasi Manual ............................................................... 40

Gambar 3. 2 Rancangan umum system ................................................................. 44

Gambar 3. 3 Flowchart Anisotropic Diffusion untuk citra 2 dimensi ................... 46

Gambar 3. 4 Diagram alir proses k-means clustering ........................................... 50

Gambar 3. 5 Diagram alir proses geometric active contour ................................. 52

Gambar 3. 6 Perbedaan citra referensi dan hasil segmentasi ................................ 54

Gambar 3. 7 Formulasi matrik dari TP, TN, FP dan FN ....................................... 55

Gambar 4. 1 Antarmuka utama sistem ................................................................... 72

Gambar 4. 2 Antarmuka sistem proses segmentasi ............................................... 72

Gambar 4. 3 Validasi hasil segmentasi ................................................................. 73

xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 2. 1 Rangkuman State of the Art ................................................................. 11

Tabel 2. 2 Kontingensi ROC ................................................................................. 34

Tabel 3. 1 Contoh data x-ray dan segmentasi manualnya ...................................... 41

Tabel 4. 1 Hasil Segmentasi organ paru-paru kiri................................................. 74

Tabel 4. 2 Hasil segmentasi organ paru-paru kanan ............................................. 77

Tabel 4. 3 Hasil segmentasi organ jantung ........................................................... 80

xv

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4. 1 Hasil validasi dari segmentasi organ paru-paru kiri ........................... 76

Grafik 4. 2 Hasil validasi dari segmentasi organ paru-paru kanan ....................... 78

Grafik 4. 3 Hasil perhitungan validasi dari segmentasi organ jantung ................. 82

Grafik 4. 4 Lama Waktu pra pengolahan masing-masing metode filter ............... 84