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
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
ii
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
iv
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
v
UCAPAN TERIMAKASIH
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus, karena atas kasih dan anugerahNya tesis yang berjudul “PRA PENGOLAHAN CITRA XRAY 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 vi
Pura yang selalu memberikan dorongan semangat bagi penulis untuk menyelesaikan perkuliahan di S2 Elektro. Iefan, Gerson, Sunarya dan temanteman 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
vii
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 paruparu 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 paruparu, namun tidak memberikan kontribusi yang signifikan pada segmentasi jantung. Kata kunci - Preprocessing, anisotropic diffusion filter, segmentasi, medical imaging, clustering, x-ray thorax
viii
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
ix
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
x
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
xi
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
xii
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
xiii
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
xiv
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
xv
