شماره ركورد
31496
پديد آورنده
سيد حميدرضا نوشكاران
عنوان
كاربرد روشهاي خوشهبندي و همخوشهبندي در تشخيص تومور مغزي از تصاوير امآر
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
رياضي كاربردي
سال تحصيل
1398
تاريخ دفاع
1403/7/3
استاد راهنما
دكتر رحمان فرنوش
استاد مشاور
-
دانشكده
رياضي و علوم كامپيوتر
چكيده
تشخيص تومور مغزي در طي سالهاي متمادي يكي از ضروريترين و رقابتيترين مسائل براي محققان حوزه پزشكي بوده است. روشهاي زيادي براي تشخيص بافتهاي طبيعي و غيرطبيعي در تصاوير تشديد مغناطيسي توسعه يافتهاند. روشهاي بدون نظارت و بهخصوص خوشهبندي در تحقيقات زيادي براي اين مسائل به كار گرفته شدهاند اما همخوشهبندي كه به خوشهبندي همزمان سطرها و ستونهاي ماتريس اطلاق ميشود، به دليل محدوديتهايي كه دارد در اين مسائل به ندرت مورد استفاده قرار گرفته است. اين باعث ميشود كه نتوانيم از مزيتهاي اين روشها مانند سرعت بالا در اجرا و همچنين توانايي بالا در تشخيص موارد مشابه در دادههاي ماتريسي، استفاده كنيم. يك الگوريتم همخوشهبندي، پس از اجرا روي يك داده ماتريسي، ماتريس جديدي به همراه همخوشههاي بلوكي شكل توليد ميكند. شكل بلوكي همخوشهها باعث ميشود كه اين روشها در فرآيند قطعهبندي تومورها كه در اشكال مختلفي هستند، ناتوان باشند. بهعلاوه، هر الگوريتم همخوشهبندي پس از اجرا، مكان پيكسلها در ماتريس اصلي را به جهت قرارگيري در همخوشهها، تغيير ميدهد، كه اين عمل نيز باعث ميشود تا اين روشها در مكانيابي دقيق تومور كه يك اصل مهم است، ضعيف عمل كنند. هدف اين رساله برطرف كردن محدوديتهاي روشهاي همخوشهبندي و اصلاح و بكارگيري آنها در مسئله تشخيص تومور است. براي اين منظور، دو الگوريتم در رساله پيشنهاد ميشود.
الگوريتم اول كه همخوشهبندي تكراري و K-ميانگين نام دارد، از مدل بلوكي پنهان براي همخوشهبندي استفاده ميكند و آن را در يك فرآيند تكراري بكار ميگيرد و با ادغام روش خوشهبندي K-ميانگين، عمل قطعهبندي تومور را انجام ميدهد. نتايج اجراي اين روش به همراه آناليز مقايسهاي آن بر روي مجموعه داده برتس 2019 با استفاده از شاخضهاي ارزيابي مختلف بيان ميشود. براي شاخصهاي دقت و ضريب شباهت تاس اين روش بهترتيب اعداد 99.28% و 84.87% را نشان ميدهد كه اين نتايج عملكرد خوب روش پيشنهادي را در مقايسه با ساير روشها بهخصوص در تشخيص تومورهاي كوچك و سخت، نشان ميدهد.
روش دوم كه همخوشهبندي طيفي تكراري و C-ميانگين فازي نام دارد، ديد جديدي براي اين ساختار تكراري مطرح ميكند كه نام آن ساختار شبهعميق است. ساختار تكراري يا شبهعميق الگوريتم باعث ميشود كه با عبور از هر تكرار يا لايه، دقت و عملكرد الگوريتم بهخصوص براي تصاوير پيچيده همراه با تومورهاي كوچك، بهتر شود. همچنين در اين الگوريتم روش مكانيابي پيكسلهاي تغييرمكان داده شده و يافتن مكان اصلي آنها ارائه شده است. در اين الگوريتم از روش همخوشهبندي طيفي در هر لايه استفاده ميشود و روش C-ميانگين فازي به منظور قطعهبندي تومور، مورد استفاده قرار ميگيرد. نتايج عملكرد الگوريتم روي مجموعه دادههاي برتس 2020 و 2021 بيان ميشود. مقادير دقت و ضريب شباهت تاس براي برتس 2020 بهترتيب برابر 99.12% و 81.42% است و همچنين اين مقادير براي برتس 2021 بهترتيب برابر با 99.21% و 82.03% ميباشد كه اين مقادير به همراه مقادير ساير شاخصهاي ارائهشده، نشاندهنده كارايي و سرعت بالاي روش پيشنهادي در قطعهبندي و مكانيابي تومور است.
تاريخ ورود اطلاعات
1403/08/20
عنوان به انگليسي
Application of Clustering and Co-Clustering Methods in Brain Tumor Detection from MR Images
تاريخ بهره برداري
1/1/1900 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سيدحميدرضا نوش كاران
چكيده به لاتين
Brain tumor detection has been one of the most critical and competitive issues for researchers in the medical field over the years. Numerous methods have been developed to distinguish between normal and abnormal tissues in MR images. Unsupervised methods, particularly clustering, have been widely employed in these studies. However, Co-Clustering, which refers to the simultaneous clustering of rows and columns of a matrix, has rarely been used in these issues due to certain limitations. This has prevented the exploitation of Co-Clustering’s advantages, such as high execution speed and superior ability to detect similar patterns in matrix data. After applying a Co-Clustering algorithm on matrix data, a new matrix with block-shaped co-clusters is generated. The block-shaped Co-Clusters make these methods ineffective in segmenting tumors, which come in various shapes. Moreover, after execution, Co-Clustering algorithms alter the positions of pixels in the original matrix based on their inclusion in the Co-Clusters, which further weakens the performance of these methods in accurately localizing tumors, an essential aspect of detection. The aim of this thesis is to address these limitations and modify Co-Clustering methods to enhance their applicability in tumor detection. Two algorithms are proposed for this purpose.
The first algorithm, called Iterative Co-Clustering and K-Means, uses a Latent block model for Co-Clustering and applies it iteratively. By integrating the K-Means clustering method, the algorithm performs tumor segmentation. The results of this method, along with comparative analysis on the BraTS 2019 dataset using various evaluation metrics, are presented. For accuracy and Dice similarity coefficient, this method achieves 99.28% and 84.87%, respectively, demonstrating its strong performance compared to other methods, particularly in detecting small and challenging tumors.
The second method, called Iterative Spectral Co-Clustering and Fuzzy C-Means, introduces a novel perspective to this iterative structure, called pseudo-deep structure. The iterative or pseudo-deep structure of the algorithm enhances its accuracy and performance with each iteration or layer, especially for complex images with small tumors. This algorithm also includes a method for relocating the displaced pixels and identifying their original positions. Spectral Co-Clustering is used in each layer, while the Fuzzy C-Means method is employed for tumor segmentation. The results of the algorithm’s performance on the BraTS 2020 and 2021 datasets are presented. For BraTS 2020, accuracy and Dice similarity coefficient are 99.12% and 81.42%, respectively, while for BraTS 2021, these values are 99.21% and 82.03%, respectively. These results, along with other presented evaluation metrics, demonstrate the proposed method's efficiency and high speed in tumor segmentation and localization.
كليدواژه هاي فارسي
تشخيص تومور مغزي , مدل بلوكي پنهان , همخوشهبندي طيفي , ساختار شبهعميق , خوشهبندي K-ميانگين , خوشهبندي C-ميانگين فازي , تصاوير تشديد مغناطيسي
كليدواژه هاي لاتين
Brain tumor detection , Latent Block Model , Spectral Co-Clustering , Pseudo-deep structure , K-Means clustering , Fuzzy C-Means clustering , Magnetic resonance imaging
Author
Hamidreza Noushkaran
SuperVisor
Prof. Dr. Rahman Farnoosh