Nowadays, advanced medical imaging is crucial for the diagnosis of various internal injuries. For instance, in bone fracture detection, X-ray images are among the fastest and cheapest medical-imaging techniques. However, various criteria such as varying brightness, presence of noise, and artificial effects make the bone segmentation and fracture detection a cumbersome task. These difficulties often lead to misdiagnosis and further inconvenience for the patients. This thesis proposes three ideas for quality enhancement, bone segmentation, and fracture detection in long bone X-ray images. We show that an edge-preserving smoothing filter, in addition to local contrast enhancement, enhances the quality of the image. Then, considering the tubular structure of long bone, we analyze the intensity fluctuations of the image to recognize the bone boundary. We show that our proposed algorithm provides more robust and accurate bone segmentation compared with former methods. For fracture detection, we extracted the skeleton of the segmented bone and searched for disjointed parts. An empirical evaluation of our method showed 96% accuracy on 100 images taken from public datasets.
Proofreading- Basics to Artificial Intelligence Integration - Presentation:Sl...
Master thesis - Long Bone Segmentation and Fracture Detection in X-ray Images
1. Long Bone Segmentation and
Fracture Detection in X-ray Images
by:
Salome Kazeminia
supervisors:
Prof. Shadrokh Samavi
Dr. Nader Karimi
January 2016
Isfahan University of Technology
4. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Different tasks require different structures
‣ Long Bone Structure
‣ Long Bone Fracture Types
Bone
4
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
✓ http://cnx.org/contents/9306de62-3f52-46f8-ab1a-94263c480eda@4/bone-structure.
✓ Müller,MauriceE,Koch,Peter,Nazarene,Serge,andSchatzker,Joseph.”Thecomprehensiveclassification of fractures of long bones”. Springer Science
& Business Media, 1990.
Simple Wedge Complex
Sprial Oblique Transverse Sprial Bending Fragmented Sprial Segmental Irregular
/48
5. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Role of medical imaging
‣ X-ray imaging
• Discovered by William Roentgen in 1895
• Radiation
• Absorption
• Radiography with X-Ray
X-Ray Imaging
5
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
✓ https://www.medicalradiation.com/types-of-medical-imaging/imaging-using-x-rays/radiography-plain-x- rays/
/48
6. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Gray Scale Images
‣ Rough texture
‣ Gaussian & Poisson Noise
Bone X-Ray Images Properties
6
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
✓ https://en.wikipedia.org/wiki/.
✓ Ribeiro, Maria Isabel. ”gaussian probability density functions: Properties and error characterization”. Instituto Superior Tcnico, Lisboa, Portugal, Tech.
Rep, pp. 1049–001, 2004.
✓ https://www.umass.edu/wsp/resources/poisson/.
/48
‣ Variable Size & Variable Magnification Zone
7. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Radiography Effects
• High brightness or darkness in images
• Misty and foggy images
• Low contrast images
• Presence of meaningless shadows in image
Bone X-Ray Images Properties (cont.)
7
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
/48
8. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Time Importance in Efficient treatment
‣ Invisible Fractures
• Low quality of bone X-Ray images
• Satisfaction of Search Error
• Other Medical Errors
‣ 31% to 60% Undetected Bone Fracture
Importance of Automatic Fracture Detection in Bone X-Ray
Images
8
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
/48
11. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
! Bone boundaries contain important information.
‣ Edge Preserving Smoothing Filters
• Anisotropic Diffusion Filter
• Non Local Mean Filter
• Bilateral Filter
‣ Morphology Functions
• Top-Hat
• Closing and Opening
Previous Approaches : Pre-processing
11
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
✓ Kundu, Rupam. ”structural enhancement of digital x-ray image of bone with a suitable denoising tech- nique”. in Indian Conference on Medical Informatics
and Telemedicine (ICMIT), pp. 17–22. 2013. /48
12. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Contrast Enhancement
- Histogram Equalization
• Partitioning pixels according to their brightness
• Local Processing
- Gamma Correction
Previous Approaches : Pre-processing (cont.)
12
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
✓ Chang, Yung-Tseng, Wang, Jen-Tse, Yang, Wang-Hsai, and Chen, Xiang-Wei. ”contrast enhancement in palm bone image using quad-histogram
equalization”. in International Symposium on Computer, Consumer and Control (IS3C), pp. 1091–1094, 2014.
✓ /48
13. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Active Contour Methods
✓Successful in low contrast images.
! Sensitive to Noise
! Only can detect a closed curve.
‣ Active Shape Methods
! Sensitive to noise and deformation of Bone
! Need Special Pattern
‣ Hough Transform
! Bone marrow is not always a straight line.
! Need suitable threshold in wedge and complex fractures
Previous Approaches : Segmentation
13
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
✓ Niroshika, UAA and Meegama, RGN. ”a deformable model to segment discontinuous boundaries of bone fractures in x-ray images”. in IEEE International
Conference on Industrial and Information Systems (ICIIS), pp. 309–314. IEEE, 2013.
✓
✓
/48
14. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Thresholding
! Challenge of variety of quality and brightness.
• Brightness
! Doesn’t work in challenging images.
• Standard deviation
• Entropy
Previous Approaches : Segmentation (cont.)
14
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
• Morphology - Thresholding
• Thresholding - Contour generation
• Simplification Contour
✓ Bandyopadhyay, Oishila, Chanda, Bhabatosh, and Bhattacharya, Bhargab B. ”entropy-based automatic segmentation of bones in digital x-ray images”. in
Springer, Pattern Recognition and Machine Intelligence, pp. 122–129. 2011.
✓
✓
/48
15. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Changes in Angle of Bone Marrow
• Joints are detected as fracture wrongly.
‣ Angle and Strength of Bone Internal Edges
• Only internal fracture can be detected.
‣ Machine Learning
• Need to appropriate feature
‣ Other techniques
Previous Approaches : Fracture Detection
15
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
✓ Wei, Zheng and Liming, Zhang. ”study on recognition of the fracture injure site based on x-ray images”. in IEEE, International Congress on Image and
Signal Processing (CISP), vol. 4, pp. 1947–1950, 2010. /48
24. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Rotation Angle Estimation
• Variety of Edge Magnitude on Bone Boundaries
• Same Boundary Direction of Bone and Tissue
! Rotated Image shouldn’t be Cropped
Rotation
24
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
/48
25. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Bone: always Brighter than its neighbors
• Local Brightness Normalization
• Local Gamma Correction
! (Max Brightness - min Brightness > 0.7) & (max Brightness > 0.1)
Local Contrast Enhancement
25
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
/48
Original Image Global Gamma Local Gamma
27. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
PreProcess Effect on Segmentation Methods
27
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
Region Growing Global Otsu
on
Original Image
on
PreProcessed Image
/48
28. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
28
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
/48
‣ Need to a Stable Property what doesn’t change in different conditions!
✴Existence of a spacial Pattern in a Cross Section of Long Bone
Long Bone Structure in a Cross Section of it
28
29. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
29
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
/48
! Maximum brightness value is somewhere near to bone boundary.
Bone Boundary Extraction 1
29
30. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
30
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
✓ Bandyopadhyay, Oishila, Chanda, Bhabatosh, and Bhattacharya, Bhargab B. ”entropy-based automatic segmentation of bones in digital x-ray images”. in Pattern
Recognition and Machine Intelligence, pp. 122–129. Springer, 2011.
✓ Bandyopadhyay,Oishila,Biswas,Arindam,Chanda,Bhabatosh,andBhattacharya,BhargabB.”bonecon- tour tracing in digital x-ray images based on adaptive
thresholding”. in Pattern Recognition and Machine Intelligence, pp. 465–473. Springer, 2013.
/48
Bone Boundary Extraction(1) Vs Previous Methods
30
31. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusionintroduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
Bone Boundary Extraction(1) on Challenging Images
31
‣ Successful in Bone Boundary Detection 40%
‣ Additional Internal Edges Detection 40%
‣ Additional External Edges Detection 18%
‣ Unsuccessful in Bone Boundary detection 2%
/48
32. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusionintroduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Local Maxima Detection and Thresholding is not Enough.
- There are many local maximum in different areas.
• Smoothed intense noise
• Smoothed rough texture
- Thresholding only can remove some of them.
• Internal edges remain
‣ Stronger Edge Detection
- Otsu is blind to location.
Bone Boundary Extraction(1) Weak Points
32/48
35. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusionintroduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Failure in Some Wedge and Complex Bone Fracture
- Limit of 4 vertical edge selection
‣ Non Boundary Edges Along Bone Boundaries
‣ Other Organs Existence
✓Long Bone Pattern Extraction
✓Consider The Properties of Individual or Group of Connected
Edges
Bone Boundary Extraction(2) - Weak Points
35/48
36. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusionintroduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
Bone Boundary Extraction(3) and Bone Segmentation
36/48
37. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusionintroduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
Bone Boundary Extraction(3) - Tubular Pattern Extraction
37
✓ Frangi, Alejandro F, Niessen, Wiro J, Vincken, Koen L, and Viergever, Max A. ”multiscale vessel en- hancement filtering”. in Medical Image Computing and
Computer-Assisted Interventation (MICCAI), Springer, pp. 130–137, 1998. /48
38. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusionintroduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Continuous Values
‣ Otsu Thresholding
Bone Boundary Extraction(3) - Tubular Pattern Quantization
38
Global Otsu
Local Otsu
PreProcesse
d
Image
✓ http://cse19-iiith.vlabs.ac.in/segment/images/image001.gif
/48
39. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusionintroduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Detect all Near Edges to Tubular Pattern
- Internal Bone Edges elimination
• Internal Edges are weaker than Bone Boundary.
➡ Individual and in Group of Connected Edges
• Internal Edges are Surrounded by Bone Boundary.
• The Number of Edges is not an odd number!
Bone Boundary Extraction(3) - Strong Boundaries Extraction
39/48
40. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusionintroduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
Bone Boundary Extraction(3) Vs. Bone Boundary
Extraction(2)6
40/48
version3version2
42. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Accurate Segmentation
‣ Black and White Mask Generation
• All edges extraction
• Bone marrow detection by eye diagnosis
‣ Mask Boundary area Correction
• Morphology Opening Function (Erosion - Dilation)
• Structure Element : Disk (r=5)
Segmented Mask Generation
42
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
✓ http://aishack.in/tutorials/mathematical-morphology-composite-operations/
/48
43. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Morphological Thinning
‣ Disconnected Bone Parts
‣ Junctions of Skeleton
- Fractures
- Expanded area of End of the Components
• 25% of the top and bottom of the Component - check Size
Mask Skeleton Extraction
43
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
✓ http://homepages.inf.ed.ac.uk/rbf/HIPR2/thin.htm
/48
45. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
Fracture Detection Evaluation
45
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ 96% Successful
‣ Unsuccessful Results
- Fractures cause to compress Bone
- Joint adjacent areas out of 25% range
- Too small Image
/48
49. introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
‣ Try Other Segmentation Methods
• Introduce Efficient Features to Applying Strong Segmentation Methods
‣ Try Other Fracture Detection Methods
• Detect more Efficient Features and Using Learning Methods
‣ Long Bone Fracture Classification
‣ Automatic Fracture Detection for Other Types of Bone
‣ Automatic Diagnosis of Other Bone Sickness Types
Suggestions
49
introduction Background PreProcessing Segmentation Fracture Detection Conclusion
/48
بر اساس شکلشان دسته بندی میشوند.
استخوان های بلند: ساختار خارجی سخت و در داخلشان مغز استخوان است. در انتهای خود مفصل دارند.
دو بخش: میله ای و انتهایی.
شکستگی در اثر ورود فشار خارج از تحمل. هر نوع از استخوان و هر بخش شکستگی های خاص خود را دارد.
سه نوع شکستگی در بخش میله ای استخوان بلند:
ساده: تنها یک خط شکستگی و عدم انفصال : مارپیچی و مورب و متقاطع
گوه ای: بیش از سه تکه: مارپیچی و خمیده و خرد شده.
پیچیده: بیش از سه تکه و نامرتب: مارپیچی و تکه تکه شده و نامنظم
کار تصویر برداری پزشکی تولید یک ارائه ی قابل فهم از اعضای داخلی بدن انسان است.
قدتوسط فیزیکدان آلمانی ویلیام رونتگن کشف شد. قدرت نفوذ بالایی دارد و از هرچیز غیر از فلزات عبور میکند.
تولید پرتو: ماده را با الکترون های پرانرژی بمباران میکنند. انرژی به الکترون های ماده منتقل شده از لایه ی پایدار خود خارج می شوند و بعد با از دست دادن انرژی به لایه ی پایدار باز میگردند. در این هنگام انرژی اضافه به صورت پرتو تابیده میشود. طول موج پرتو تولیدشده وابسته به میزان انرژی داده شده است.
جذب پرتو: انرژی پرتو تابیده شده توسط الکترون های مواد دیگر جذب میشود. که میزان این جذب به عناصر سازنده ی مواد و تراکم آنها وابسته است.
برای تصویربرداری از استخوان به انرژی زیادی نیاز است. از تنگستن استفاده میشود. به سمت بدن تابیده میشود. بخشی از پرتو توسط اندامها جذب میشود و بخشی عبور میکند. کنترل کننده ها متمرکز میکنند پرتو را و توری مشبک مانع از پراکندگی پرتوهای عبور کرده میشود.
تصویر تولید شده خاکستری گون است. جاهایی که پرتو برخورد کرده سیاه. نواحی ماهیچه خاکستری و نواحی استخوانی روشن است.
در استخوان ساختار زبر مشاهده میشود. ساختار اسفنجی که جای قرارگیری مغز استخوان تولیدکننده ی سلولهای خونی است باعث این زبری است.
نویز داریم روی تمام نواحی تصویر. از نوع گوسی و پواسون که تاثیر یکسانی دارند و فرمی گنبدی روی تصویر اضافه میکنند. با چشم دیده نمیشود اما در پردازش ها میتواند اثرگذار باشد.
تصاویر پرتو ایکس در اندازه ها و با میزان بزرگنمایی های مختلف تهیه میشوند. مثل تصویربرداری مغز و لگن فرم کلی ثابتی ندارند.
فاکتور تابش نادرست که باعث میشود بخشی از تصویر زیادی روشن و بخشی زیادی تیره شود و از تشخیص چشم خارج شود.
نقص در ظهور فیلم که باعث مه آلودگی میشود.
نقص تصویربردار که تنظیم زمانی اش بهم میریزد و یا ولتاژ تولید شده کم یا زیاد میشود. کنتراست تصویر کم میشود.
عدم آمادگی درست بیمار و وجود اشیاء اضافه که سایه تولید میکند.
وجود چند تاثیر منفی به طور همزمان
نقش مهم استخوان در بدن باعث میشود که عدم درمان درست در زمان مناسب منجر به خسارت شود.
مثلا در صورتی که شکستگی استخوان به موقع تشخیص داده نشود و درمان نشود مشکلاتی به وجود بیاورد.
دلیل عدم تشخیص شکستگی به دو عامل برمیگردد: کیفیت پایین تصویر و خطای SOS که زمانی رخ میدهد که چند شکستگی وجود دارد و وقتی یکی از آن ها که قوی تر است و بیشتر مورد توجه قرار میگیرد پیدا میشود بقیه به چشم نمی ایند. عوامل دیگر مثل خستگی و بی تجربگی پزشک هستند.
طبق آمار موجود بین ۳۱ تا ۶۰ درصد شکستگی های استخوان تشخیص داده نمیشن. چنین مشکلاتی به ویژه در شرایط اورژانسی که حجم جراحات و مراجعه کنندگان زیاد میشه بسیار اهمیت پیدا میکنه.
یکی از راههای حل مشکلات مطرح شده استفاده از یک سیستم تشخیص اتوماتیک با ذهن کامپیوتری است. این اتوماتیک سازی یک فرایند هست که میتوان آن را در ۴ دسته قرار داد.
برای این که کامپیوتر بتواند مثل چشم و ذهن انسان اطلاعات تصویر را پردازش کند به پیش زمینههایی نیاز است. که برای این کار باید مجموعه ای از عملیات پیش پردازشی روی تصویر انجام شود. این عملیات دو دسته هستند. یک دسته برای بهبود کیفیت تصویر استفاده میشوند که میتوانند در تشخیص شکستگی توسط پزشک هم مفید باشند و دسته دیگر عملیاتی که برای برآورده کردن نیازهای مراحل بعدی پردازشی کامپیوتری لازم هستند.
ناحیهي استخوانی باید در تصویر شناسایی بشه و از سایر بخشها جداسازی بشه تا برای تشخیص شکستگی بتوان آن را بررسی کرد.
مرحله ی بعدی هم به کارگیری الگوریتم مناسب برای تشخیص ناحیه استخوانی است
و در آخر باید نوع شکستگی پیدا شده تعیین شود که بتوان وخامت اوضاع رو مدیریت کرد.
در مقالاتی که در رابطه پیش پردازش تصویر تا به حال ارائه شدن و ما مطالعه کردیم چندین روش پیشپردازشی برای بهبود کیفیت تصویر ارائه شده است. در تمامی این مقالات از لبههای تشکیل دهنده ی مرز استخوان به عنوان اطلاعات مهم تصویر یاد شده. بنابراین برای حذف نویز مطرح شده باید از فیلترهایی استفاده کرد که لبه های تصویر رو تحت تأثیر قرار ندن. از جملهی این فیلترها میشه به این سه فیلتر اشاره کرد. در این شکلها تصویر اصلی یک قطعه از استخوان و اعمال فیلتر non local mean و bilateral رو مشاهده میکنید.
مشاهده کردیم که برخی از مقالات به جای فیلتر کردن تصویر از عملیات مورفولوژی استفاده کردن که این بافت زبر رو از بین ببرن. عملیات به کار رفته شامل top hat و closing-opening بودن
با بررسی های انجام شده روی این فیلترها دیدیم که از بین این فیلترها bilateral بهترین عملکرد را داشته. چرا که هم نویز رو برطرف میکنه و هم بافت زبر استخوان رو نرم میکنه.