D-004

Prosiding Conference on Smart-Green Technologyin Electrical and Information Systems

Bali, 14-15 November 2013

Segmentasi Kepala Janin Pada Citra USG Dalam Ruang Warna RGB dengan Metode Fuzzy C-Means

Putu Desiana Wulaning Ayu Jurusan Teknik Elektro, Universitas Udayana Denpasar-Bali, Indonesia [email protected]

Abstrak-Segmentasi kepala janin pada citra USG bertujuan untuk memperoleh skleton kepala janin.Skeleton kepala janin yang lengkap dapat digunakan untuk mencari pegukuran yang berkaitan dengan obsetri janin, seperti pengukuran biparetal diameter dan head circumference pada janin dapat dilakukan dengan menerapkan metode-metode pengukuran, hasil pengukuran ini digunakan untuk mendiagnosa perkembangan dan usia janin.Untuk mendukung hasil pengukuran maka, hasil segmentasi pun harus baik.Beberapa metode segmentasi yang telah dikembangkan, antara lain segmentasi dengan metode adaptive tresholding dan segmentasi berbasis clustering dengan K-Means. Sehingga dalam penelitian ini, mencoba melakukan segmentasi berbasis clustering dengan metode Fuzzy C-Means dengan data uji berada dalam ruang warna RGB.Pengujian dilakukan untuk mengetahui hasil segmentasi dengan membagi citra uji dalam masing-masing cluster. Hasil penelitian menunjukkan cluster (pengelompokkan data) pada Fuzzy C-Means sangat berpengaruh terhadap hasil segmentasi, pencapaian iteraksi maksimum serta waktu yang dibutukan dalam proses segmentasi (running time). Hasil segmentasi dengan 2 cluster menunjukkan hasil yang lebih baik dari cluster lainnya. Running time untuk proses segmentasi terhadap 2 cluster membutuhkan rata-rata waktu 9 detik, sedangkan untuk cluster 3 dan 4 masing-masing membutuhkan waktu sebesar 39 detik dan 55 detik.

Kata Kunci- Skleton, Adaptive Tresholding, K-Means, Fuzzy C-Means, Cluster

  • I.    PENDAHULUAN

Citra USG merupakan hasilcitra dari foto yang dihasilkan oleh mesin USG.USG adalah suatu alat dalam dunia kedokteran yang memanfaatkan gelombang ultrasonik, yaitu gelombang suara yang memiliki frekuensi yang tinggi (250 kHz - 2000 kHz) yang kemudian hasilnya ditampilkan dalam layar monitor [1].Gelombang yang diterima masih dalam bentuk gelombang akusitik (gelombang pantulan) sehingga fungsi kristal disini adalah untuk mengubah gelombang tersebut menjadi gelombang elektronik yang dapat dibaca oleh

komputer sehingga dapat diterjemahkan dalam bentuk gambar.alat pada usg yang digunakan sebagai penerima gelombang akuistik dari pasien disebut dengan transduser.Transduser adalah komponen usg yang ditempelkan pada bagian tubuh yang akan diperiksa dimana dalam transduser sendiriterdapat kristal yang digunakan untuk menangkap pantulan gelombang yang disalurkan oleh transduse[1].

Kualitas suatu gambar hasil pada USG di pengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya faktor individu dan faktor mesin USG [2]. Faktor individu terbagi menjadi dua yaitu, pasien dan operator (dokter), sedangkan untuk faktor mesin dapat dipengaruhi oleh kesesuaian setting pada alat USG itu sendiri [2]. Semakin baik kualitas citra USG dapat dilihat dari banyak atau tidaknya noise berupa speckleyang terdapat pada citra tersebut. Salah satu cara untuk dapat menghilangkan noises pada citra adalah dengan cara melakukan segmentasi. Segmentasi adalah metode pemisahan suatu objek yang menjadi bagian penting dari latar belakang objek atau membagi citra kedalam beberapa objek atau daerah [3].

Segmentasi kepala janin pada citra USG bertujuan untuk memperoleh skleton kepala janin.Beberapa metode segmentasi pada citra USG telah dikembangkan, antara lain segmentasi dengan metode adaptive tresholding yang dilakukan oleh Yufei S, 2009dengan menghilangkan piksel-piksel disekitar gambar skleton kepala yang diinginkan[4]. Kemudian segmentasi berbasis klastering dengan metode K-Means,yang dilakukan oleh Anil, 2010berupa klasterisasi piksel berdasarkan nilai keabuan [5].Dari kedua penelitian diatas hasil segmentasi berdasarkan metode yang digunakan menghasilkan segmentasi yang kurang baik, dimana noise pada gambar yang dihasilkan masih terlalu banyak.

Dari beberapa metode segmentasi yang telah dilakukan kenyataannya segmentasi berbasis clusteringdapat diterapkan pada citra USG, yaitu dengan melakukan perhitungankedekatan piksel ketetanggaan.Piksel-piksel pada citra USGakan dirubah terlebih dahulu menjadi derajad keabuan, sehingga piksel yang berdekatan dapat dicluster berdasarkan jarak keabuan antar piksel.

Sehingga dalam penelitian ini membahas segmentasi kepala janin pada citra USG dengan preprocessing citra yaitu

dengan proses filter yang bertujuan untuk mereduksi noise yang terdapat pada citra, kemudian dilanjutkan dengan metode Fuzzy C-Means untuk menghasilkan segmentasi citra berbasiscluster. Dengan kombinasi metode ini diharapkan dapat menghasilkan segmentasi berupa skleton kepala pada bayi yang lebih baik.

  • II.    KAJIAN PUSTAKA

  • A.    Ruang Warna RGB

Setiap matriks pada ruang warna RGB mengandung informasi intensitas warna komponen dengan resolusi 8 bit, dengan demikian gambar digital berwarna memiliki sistem pewarnaan 24 bit [6].

Koordinat RGBCIE sebagai berikut [6]:

X Y Z


Rn Gn .Bn.

(1)


0.490

0.177

0.000

0.310

0.813

0.010

0.200

0.011

1.990


  • B.    Segmentasi Berbasis Cluster dengan

Fuzzy C-Means

Segmentasi adalah metode pemisahan suatu objek yang menjadi bagian penting dari latar belakang objek atau membagi citra kedalam beberapa objek atau daerah [3].Sedangkan segmentasi berbasis clustering berfungsi untuk mengelompokkan data yang ada ke dalam beberapa cluster yang ditentukan berdasarkan kedekatan jarak antar piksel [3] sehingga akan memberikan hasil segmentasi yang lebih baik.

Algoritma Fuzzy C-Means dapat mengelompokkan data berdasarkan jumlah cluster sebanyak 2 atau lebih [7]. AlgoritmaFuzzy C-Means dapat diuraikan sebagai berikut [7]: 1) Menentukan clusterminimum, iterasi maksimum, toleransi kesalahan (ξ), fungsi objective awal (treshold).

  • 2)    Membangkitkan bilangan random pada matrik awal µik, i = 1,2,...,n; k = 1,2,...,c; sebagai

elemen-elemen matriks partisi awal µik. dengan persamaan ;

= ∑                            (2)

=                                (3)

µikmerupakan bilangan random pada suatu matrik dengan nilai awal yang telah ditentukan, sedangkan membangkitkan bilangan random pada matrik awal.

  • 3)    Menghitung pusat cluster ke-k dengan persamaan ;

∑   ((    )∗    )

= ∑                           (4)

merupakan pusat cluster,sedangkan       merupakan

bilangan random yang telah mendapat bobot dari pembangkitan nilai awal.

  • 4)    Menghitung fungsi objektifitas pada iterasi ke-t, dengan persamaan;

= ∑ ∑    ∑      -           (5)

merupakan fungsi objektifitas atau batasan nilai yang didapatkan pada saat clustering berlangsung. Sedangkan merupakan euclidean distance (jarak ketetanggaan antar piksel)

  • 5)    Menghitung perubahan matrik partisi, dengan persamaan ;

∑

=                                    (6)

∑∑

  • 6)    Cek kondisi untuk berhenti melakukan iterasi, dengan persamaan ;

Jika (|Pt – Pt-1| <ξ) atau (t> MaxIter) maka berhenti;

Jika tidak: t = t + 1, ulangi langkah

ke-d.                                        (7)

  • C.    Filtering

Reduksi noise atau derau dapat dilakukan dengan penapisan atau filtering. Salah satu metode filtering yang dapat dilakukan adalah dengan proses konvolusi dengan sebuah mask atau kernel low-pass filter atau operasi penghalusan [8]. Secara umum smooth filter menyusun setiap piksel ke nilai rata-ratanya, dari nilai piksel itu sendiri dan nilai piksel tetangganya. Smooth filter menggunakan fungsi tapis low-pass filter atau konvolusi yang dapat dinyatakan sebagai berikut [6]

gxy =   ² exp (-( + )/2 ²                (8)

Operasi konvolusi dilakukan dengan menggeser kernel konvolusi piksel per piksel mulai dari posisi kiri atas sampai posisi kanan bawah yang sering disebut dengan sliding window. Hasil dari proses konvolusi disimpan pada matrik yang sama dengan koordinat yang sama.

  • III.    METODOLOGI PENELITIAN

Pada bagian ini dipaparkan mengenai data penelitian, gambar umum sistem dan metode pengujian yang dilakukan dalam penelitian.

  • A.    Data Penelitian

Data uji berupa citra USG kepala janin sebanyak 10 sampel dengan tipe file bmp (bitmap). 10 citra sampel diperoleh dari beberapa dokter kandungan.Citra uji diberi label dengan nama citra 1.bmp, citra 2.bmp dst. Semua citra uji memiliki dimensi gambar yang sama yaitu 273x240 piksel dan berada pada ruang warna RGB.

  • B.    Gambar Umum Sistem

Tujuan segmentasi kepala janin pada penelitian ini adalah untuk mengetahui perbedaan timing run, jumlah iterasi maksimum dan hasil segmentasi lingkar kepala pada citra USG. Citra uji berada dalam ruang warna RGB.Masing-masing citra uji yang telah berada dalam ruang warna RGB selanjutnya dilakukan preprocessing citra yaitu dengan proses smooth filtering.Preprocessing citra ini bertujuan untuk mereduksi noise atau speckle yang terdapat pada citra uji, sehingga membantu proses segmentasi dengan metode Fuzzy C-Means.

Selanjutnya metode Fuzzy C-Means bertujuan untuk menghasilkan segmentasi lingkar kepala.Pada algoritma Fuzzy C-Means dilakukan penetapan parameter seperti jumlah minimum clusteradalah 2, iterasi maksimum sebesar 50, dan fungsi objektifitas (threshold) sebesar 0.5.

  • C.    Metode Pengujian

Metode pengujian dalam penelitian ini terbagi menjadi menjadi 3, dimana pengujian pertama dilakukan untuk mengetahui hasil segmentasi dengan jumlah cluster 2, 3 dan 4 sehingga mendapatkan perbandingan hasil segmentasi, pengujian kedua dilakukan untuk mengetahui pencapaian iterasi maksimum terhadap hasil pengujian pertama,pengujian ketiga dilakukan untuk mengetahui hasil timing run terhadap hasil pada pengujian pertama.

  • IV.    HASIL DAN PEMBAHASAN

  • A.    Hasil Segmentasi Berbasis Clustering

dengan Cluster Sebanyak 2, 3 dan 4

Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui hasil segmentasi terbaik dengan membagi citra uji ke dalam beberapa cluster yang sudah ditetapkan. Masing-masing citra uji setelah melalui proses smooth filter, kemudian dilanjutkan dengan metode Fuzzy C-Means untuk mendapatkan hasil segmentasi berdasarkan perbedaan cluster. Hasil segmentasi dengan perbedaan cluster pada ruang warna RGB ditunjukkan oleh Tabel 1.

  • B.    Hasil Perbandingan Pencapaian Iterasi

Maksimum dengan 2, 3 dan 4 Cluster

Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui jumlah iterasi maksimum yang dibutuhkan oleh setiap data uji pada cluster yang berbeda. Hasil dari pengujian ditunjukkan pada Tabel 1.

TABEL 1

PENCAPAIAN ITERASI MAKSIMUM DENGAN CLUSTER YANG BERBEDA

Nama Citra

Iterasi Maks. untuk 2 cluster

Iterasi Maks. untuk 3 cluster

Iterasi Maks. untuk 4 cluster

citra 1.bmp

9

50

50

citra 2.bmp

10

50

50

citra 3.bmp

23

23

30

citra 4.bmp

44

30

50

citra 5.bmp

21

50

50

citra 6.bmp

23

50

50

citra 7.bmp

5

50

50

citra 8.bmp

7

50

50

citra 9.bmp

24

20

23

citra 10.bmp

15

30

34

Dari Tabel 1, dapat digambarkan grafik iterasi maksimum data uji yang ditunjukkan oleh Gambar 2.

—♦— 2 cluster

---■--- 3 cluster

---■--- 4 cluster

Gambar 2. Grafik pencapaian iterasi maksimum dengan metode Fuzzy C-Mean

TABEL 2

HASIL SEGMENTASI DENGAN CLUSTER 2,3 DAN 4

Citra uji

2 cluster

3 cluster

4 cluster



  • C.    Hasil Perbandingan Running Time dengan 2, 3 dan 4 Cluster

Pengujian dilakukan dengan mencari rata-rata waktu yang dibutuhkan oleh setiap citra uji dalam ruang warna RGB.Pengujian dilakukan dengan melakukan 5 kali proses pencarian terhadap 10 data uji, sehingga akan ditemukan rata-rata waktu (running time) yang dibutuhkan dalam proses segmentasi dengan metode Fuzzy C-Means.

Rata-rata waktu yang dibutuhkan oleh tiap cluster berbeda-beda. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 3.

TABEL 3 RATA-RATA WAKTU PROSES SEGMENTASI DENGAN CLUSTER YANG BERBEDA

Nama Citra

rata-rata waktu untuk 2 cluster(detik)

rata-rata waktu untuk 3 cluster (detik)

rata-rata waktu untuk 4 cluster (detik)

citra 1.bmp

5

56

72

citra 2.bmp

6

50

70

citra 3.bmp

7

12

29

citra 4.bmp

24

26

66

citra 5.bmp

11

59

78

citra 6.bmp

8

43

57

citra 7.bmp

9

47

62

citra 8.bmp

4

43

65

citra 9.bmp

10

19

11

citra 10.bmp

8

33

39

Dari Tabel 3, dapat digambarkan grafik running timeyang ditunjukkan oleh Gambar 3.

—♦— 2 cluster

---■--- 3 cluster

---■--- 4 cluster

Gambar3. Grafik running timehasil segmentasi dengan metode Fuzzy C-Means

  • D.    Pembahasan Hasil

Hasil uji coba pada skenario pertama yang ditunjukkan oleh Tabel 2, dimana terdapat perbedaan hasil segmentasi antar cluster.Pada hasil segmentasi dengan 2 cluster memberikan hasil segmentasi yang terbaik dari cluster lainnya.Pada segmentasi dengan 2 cluster, citra yang dihasilkan lebih baik dari cluster lainnya, hal ini disebabkan karena pada metode Fuzzy C-Meanspiksel-piksel dari citra yang berada dalam ruang warna RGB dirubah ke dalam biner, dimana piksel pembentuknya terdiri dari 0 dan 1, sehingga ketika dilakukan klasterisasi pada saaat pembangkitan matrik ketetanggan antar piksel terdekat dengan 2 clustermenghasilkan segmentasi yang lebih baik dari cluster yang lainnnya. Semakin banyak cluster yang digunakan maka, makin banyak bagian atau pengelompokkan piksel, sehingga makin sulit dianalisa jarak ketetanggan antar piksel dan menyebabkan segmentasi kurang maksimal.

Iterasi maksimum menunjukkan berhentinya perhitungan pusat clusterdan perbaikan nilai keanggotaan. Dari grafik pada Gambar 2, didapatkan hasil iterasi maksimal tiap cluster, dimana segmentasi dengan 2cluster berada pada iterasi rata-rata ke 18, sedangkan sebanyak 7 citra uji pada cluster 3 dan 4 berada pada iterasi maksimum pada iterasi ke 50.Pada cluster 3 terdapat 6 citra uji yang berada pada iterasi maksimal (50 iterasi), sedangkan pada cluster ke 4, terdapat 7 citra uji yang berada pada iterasi maksimal (50 iterasi). Hal ini disebabkan karena semakin besar nilai cluster, akan mengakibatkan semakin banyaknya perbaikan nilai keanggotaan pada setiap iterasi dan perhitungan untuk mencari pusat clusterterhadap derajad keanggotaan piksel akan semakin banyak.

Dari grafik pada Gambar 3didapatkan hasil rata-rata waktu (running time) tiap cluster, dimana 2 cluster berada pada rata-rata waktu 9 detik, 3 cluster berada pada waktu 39 detik dan cluster ke 4 berada pada 55 detik. Hal ini disebabkan karena semakin banyak cluster yang ditetapkan, maka iterasi yang dilakuka semakin banyak, sehingga waktu yang diperlukan (running time) menjadi semakin lama.

  • V.    KESIMPULAN

Unjuk kerja yang ditunjukkan dari metode Fuzzy C-Means terhadap citra USG dalam mendapatkan skleton kepala janin, dimana penentuan jumlah cluster sangat berpengaruh terhadap hasil segmentasi, dari 10 data uji dengan menggunakan pemilihan 2 cluster, memberikan hasil yang sangat baik dibandingkan cluster3 dan 4,pencapaian iterasi maksimum rata-rata berada di angka ke 18, sedangkan untuk cluster 3 dan 4 rata-rata berada di iterasi ke 50, running time yang diperlukan dalam segmentasi dengan 2 cluster sebesar 9 detik, sedangkan cluster ke 3 sebesar 39 detik, dan cluster ke 4 sebesar 55 detik. Fuzzy C-Means dapat menjadi salah satu metode yang digunakan untuk melakukan segmentasi, khususnya dalam citra medis terutama USG.

Penelitian selanjutnya diharapkan dapat melakukan analisa lebih lanjut terhadap ruang warna, mencoba mengkombinasikan citra uji dalam ruang warna yang berbeda

seperti HSV, LUV, Lab dengan menggabungkan metode segmentasi yang berbeda.

DAFTAR PUSTAKA

  • [1]    mose, pribadi a, firman w, “Ultrasonografi obsetri dan ginekologi,” Jakarta: Sagung Setyo. 2011.

  • [2]    Endjun J, “Ultrasonografi Dasar Obsestri dan Ginekologi,” Jakarta: Balai Penerbit FKUI. 2007.

  • [3]    Puspitasari D, Handayani T, ”Deteksi Kepala Janin Pada Gambar USG Menggunakan Fuzzy C-Means (FCM) Dengan Informasi Spasial Dan Iterative Randomized Hough Transform (IRHT),” Surabaya. 2010: 2.

  • [4]    Yufei S, Jinhua Y, Yuzhong S, “Fetal Skull Analysis in Ultrasound ImagesBased onIterative Randomized Hough Transform ”, Proceedings of Ultrasonic and Signal. SPIE. 2009; 7265: 2.

  • [5]    Chitade A, Katyar, “Color Based Image Segmentation Using K-Means Clustering. International Journal of Engineering Science and Technology”, 2010; 2(10) : 5319.

  • [6]    Putra D, Pengolahan Citra Digital, Yogyakarta:Andi. 2010.

  • [7]    Shah B, Satis S, Kosta, “Novel Improved Fuzzy C-Means Algorithm For MR-Image Segmentatio”,International Journal of Soft Computing and Enggineering”, 2012; 2(3): 355-356.

  • [8]    Wardani N, Delimayanti, “Analisis Penerapan Metode Konvolusi Untuk Reduksi Derau Pada Citra Digital”,Electrical Engginering Department, Politeknik Negri Jakarta.192.

214

ISBN: 978-602-7776-72-2 © Universitas Udayana2013