بخش‌بندی بافت‌های مغزی با استفاده از الگوریتم خوشه‌بندی گستافسون-کسل مبتنی بر اطلاعات مکانی شرطی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم مهندسی، دانشکده فناوری‌های نوین، دانشگاه محقق اردبیلی، نمین، ایران

2 عضو هیات علمی / دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند

3 گروه بیوالکتریک، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

چکیده

بخش‌بندی بافت‌های مغزی گامی ضروری برای ارزیابی تغییرات مورفولوژیکی نواحی مختلف مغز جهت شناسایی انواع بیماری‌ها بوده که به عوامل متعددی مانند نویز و غیریکنواختی شدت روشنایی وابسته است. الگوریتم خوشه‌بندی فازی (FCM) یکی از محبوب‌ترین روش‌ها در فرآیند بخش‌بندی تصویر بوده که به نویز حساس بوده و سرعت همگرایی آن تحت تأثیر توزیع داده قرار می‌گیرد. همچنین، فرآیند خوشه‌بندی در رویکردهای مبتنی بر FCM با استفاده از فاصله اقلیدسی و در نظر گرفتن توزیع داده‌ها در فضای کروی انجام می‌شود. این معیار، تغییرات فاصله بین نقاط داده در خوشه‌های مشابه و فشرده را در نظر نمی‌گیرد. علاوه بر این، وجود غیریکنواختی شدت روشنایی در سطوح مختلف، عمل‌کرد فرآیند خوشه‌بندی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. برای حل مسائل ذکر شده، در این مطالعه الگوریتم خوشه‌بندی گستافسون-کسل مبتنی بر اطلاعات مکانی شرطی (CSGK) ارائه می‌شود که با فرض توزیع داده در فضای بیضوی عمل‌کرد مناسبی در بخش‌بندی خوشه‌های فشرده نظیر مایع مغزی-نخاعی (CSF) دارد. جهت بهبود استحکام الگوریتم گستافسون-کسل استاندارد به نویز، از رویکرد ترکیبی اطلاعات محلی و سراسری در تابع عضویت استفاده شده است. همچنین، برای کاهش حساسیت داده‌های ورودی به غیریکنواختی شدت روشنایی، از فیلتر وینر به همراه تبدیل موجک (WFWT) در مرحله پیش‌پردازش تصاویر بهره گرفته شده است. نتایج نشان داد که الگوریتم CSGK روشی دقیق برای بخش‌بندی بافت‌های مغزی در سطوح مختلف نویز و غیریکنواختی شدت روشنایی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Brain Tissue Segmentation Using Conditional Spatial Gustafson-Kessel Clustering

نویسندگان [English]

  • Ali Fahmi Jafargholkhanloo 1
  • Mousa Shamsi 2
  • Mehdi Bashiri Bawil 3
1 Department of Engineering Sciences, Faculty of Advanced Technologies, University of Mohaghegh Ardabili, Namin, Iran.
2 Professor/Faculty of Biomedical Engineering, Sahand University of Technology
3 Faculty of Biomedical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
چکیده [English]

The segmentation of brain tissues is a crucial step in evaluating morphological changes in various brain regions for the identification of different diseases. This process is influenced by factors such as noise and intensity non-uniformity. Fuzzy c-means clustering (FCM) is a widely used method for image segmentation but is sensitive to noise, and its convergence rate is affected by data distribution. FCM-based approaches typically use Euclidean distance for clustering, assuming a spherical distribution of data, which overlooks distance variations in similar and compact clusters. Additionally, varying levels of intensity non-uniformity can impact clustering performance. To address these limitations, this study presents the Conditional Spatial Gustafson-Kessel (CSGK) algorithm, which performs well in segmenting compact clusters such as cerebrospinal fluid (CSF) by considering data distribution in an elliptical space. The robustness of the conventional Gustafson-Kessel algorithm is enhanced by incorporating both local and global spatial information into a weighted membership function. Furthermore, a Wiener filter combined with wavelet transform (WFWT) is applied during preprocessing to reduce the sensitivity of input data to intensity non-uniformity. Experimental results demonstrate that CSGK is an accurate algorithm for segmenting multiple brain tissues across different levels of noise and intensity non-uniformity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Brain Tissue Segmentation
  • Fuzzy c-means Clustering
  • Gustafson-Kessel Clustering
  • Conditional Spatial Information
  • MRI images
  • Wiener Filter