Lecture Notes in Computer Science


  Decision of Insert Position of a Scale Free Network


Download 12.42 Mb.
Pdf ko'rish
bet33/88
Sana16.12.2017
Hajmi12.42 Mb.
#22381
1   ...   29   30   31   32   33   34   35   36   ...   88

5.1   Decision of Insert Position of a Scale Free Network 

The MAM has a two-stage recall process. Introducing a scale free network can be 

inserted to three locations (first stage, second stage, and both stages). Effective insert 

position of the scale free network is determined by investigating their noise tolerance. 

Fig.4 shows noise tolerance of the MAM introducing the scale free network in the 

first stage, the second stage, and both stages. Here, threshold value is ‘1’. 

0

20

40



60

80

100



0

2

4



6

8

10



Noise Rate[%]

P

er



fe

ct

 R



ec

al

l R



at

e[

%]



Normal

First


Second

Both


 

Fig. 4. Difference of Noise Tolerance of the MAM with Different Inserting Position of a Scale 

Free Network: “Normal “means a noise tolerance of fully connected MAM, “First” means 

introducing the scale free network in the first stage, “Second” in the second stage, and “Both” 

in both stages. 



Table 1. Noise Tolerance and Size of Memory Matrices 

 Normal 


First 

Stage 


Second 

Stage 


Both 

Stage 


Average of 

Recall Rate[%] 

30.7 34.9  34.5  34.8 

* Noise 


Tolerance 

― 4%↑ 4%↑ 4%↑ 

Size of Memory 

Matrices 

 

20000 


 

10291 


 

10291 


 

578 


      * As the base, Noise tolerance is defined in case of under 10% one. 

 

Effectiveness of Scale Free Network to the Performance Improvement of a MAM 

363 

Next, the effect on the size of the memory matrices is investigated. Table 1. shows 



improvement of noise tolerance and size reduction of the memory matrices of the 

MAM with different inserting position of the scale free network. 

From results, there is a little difference in improvement on noise tolerance. But 

noise tolerance is superior to the normal MAM. The ordinary MAM has two fully 

connected networks. However, the MAM introducing scale free network in the both 

stages has two low connected networks.

 

Size of memory matrices is drastically 



reduced by introducing a scale free network in both stages. 

5.2   Evaluation of MAM with Scale Free Network in Both Stages 

A construction of the scale free network is controlled by threshold value. Therefore 

we examine the effect that a difference of a threshold value gives improvements for 

the MAM employing the scale free network in both stages. 

Table 2. shows the noise tolerance and the size of the memory matrices of the 

MAM which is introduced the scale free network in both stages for different threshold 

values. 

Table 2. Noise Tolerance and Size of Memory Matrices for different threshold values 

Threshold θ 

2 1 0.1 

0.01 


Average of Recall Rate[%] 

34.2 


34.8 

33.7 


36.5 

Size of Memory Matrices 

202 

578 


1334 

2128 


   * As the base, Noise tolerance is defined in case of under 10% one. 

 

As table 2. shows, noise tolerance of each threshold value is not difference. As a 



result, threshold value has no effect on the noise tolerance. 

6   Conclusion 

In this paper, we proposed a new MAM model using scale free network. The 

performance of the proposed model was confirmed by the autoassociation 

experiments for alphabet patterns. Inserting position and threshold value are 

determined by simulations. As the results, in the proposed model the perfect recall 

rate is improved about 4% and the size of the memory matrices is drastically reduced 

97% with compared to the ordinary fully connected MAM. To design distribution of 

weight for improvement of noise tolerance and to use more experimental evidence in 

the various conditions are future works. 

 

Acknowledgments. This work was supported in part by a 21st Century Center of 

Excellence Program,"World of Brain Computing Interwoven out of 

Animals and Robots (PI:T.Yamakawa)" granted in 2003 to Department of Brain 

Science and Engineering, (Graduate School of Life Science and Systems 

Engineering), Kyushu Institute of Technology by Japan Ministry of Education, 

Culture, Sports, Science and Technology. 



364 

T. Saeki and T. Miki 



References 

1.  Masuda, N., Miwa, H., Konno, N.: Phys.Rev. E 70(036124) (2004) 

2.  Barabási, A.-L., Albert, R.: Science 286, 509 (1999) 

3.  Albert, R., Barab´asi, A.-L.: Rev. Mod. Phys. 74, 47 (2002) 

4.  Watts, D., Strogatz, S.: Nature 393 (1998) 

5.  Ritter, G.X., Wilson, J.N., Davidson, J.L.: Comput, Vision Graphics Image Processing 

49(3) (1990) 

6.  Ritter, G.X., Sussner, P., Diaz-de-Leon, J.L.: IEEE Trans.Neural Networks 9(2) (1998) 

7.  Won, Y., Gader, P.D.: Proceedings of the 1995 IEEE International Conference on Neural 

Networks, Perth, Australia, November 1995, vol. 4 (1995) 

8.  Won, Y., Gader, P.D., Coffield, P.: IEEE Trans. Neural Networks 8(5) (1997) 

9.  Davidson, J.L.: Image Algebra and Morphological Image Processing III. In: Proceedings 

of SPIE, San Diego, CA, July 1992, vol. 1769 (1992) 

10.  Davidson, J.L., Hummer, F.: IEEE Systems Signal Processing 12(2) (1993) 



M. Ishikawa et al. (Eds.): ICONIP 2007, Part I, LNCS 4984, pp. 365–373, 2008. 

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008 



Intensity Gradient Self-organizing Map for Cerebral 

Cortex Reconstruction 

Cheng-Hung Chuang

1

, Jiun-Wei Liou



2,3,

*, Philip E. Cheng

2

, Michelle Liou



2

,  


and Cheng-Yuan Liou

3

 



1

 Dept. of Computer Science and Information Eng., Asia University, Taichung, Taiwan 

2

 Institute of Statistical Science, Academia Sinica, Taipei, Taiwan 



3

 Dept. of Computer Science and Information Eng., National Taiwan Univ., Taipei, Taiwan 

needgem@stat.sinica.edu.tw 

Abstract. This paper presents an application of a self-organizing map (SOM) 

model based on the image intensity gradient for the reconstruction of cerebral 

cortex from MR images. The cerebral cortex reconstruction is important for 

many brain science or medicine related researches. However, it is difficult to 

extract deep cortical folds. In our method, we apply the SOM model based on 

the image intensity gradient to deform the easily extracted white matter surface 

and extract the cortical surface. The intensity gradient vectors are calculated 

according to the intensities of image data. Thus the proper cortical surface can 

be extracted from the image information itself but not artificial features. The 

simulations on T1-weighted MR images show that the proposed method is 

robust to reconstruct the cerebral cortex.  

Keywords: Self-organizing map, brain science, cortical surface reconstruction, 

deformable surface models, active surface models, gradient vector field (GVF).  



1   Introduction 

Recently, due to advanced magnetic resonance imaging (MRI) techniques, MR 

images, which reveal high spatial resolution and soft-tissue contrast, have great 

potential to be used in the analysis of cognitive neuroscience, diseases (e.g., epilepsy, 

schizophrenia, Alzheimer's disease, etc.), and researches into anatomical structures of 

human brains in vivo. Modern anatomical MRI studies on human brains have been 

concentrated on the cerebral cortex, which is a thin and folded layer of gray matter on 

the cerebral surface and contains dense neurons to control high cortical functions like 

language and information processing. Many studies have shown that the cortical 

thickness decreases or changes in association with neurodegenerative diseases and 

psychiatric disorders, e.g., schizophrenia, Alzheimer’s disease [1], and autism [2]. 

The cerebral cortex reconstruction nowadays is an on-going research field that can 

help other researches like brain mapping to explore human brain.  

Generally speaking, there are three major brain tissues which can be approximately 

partitioned and segmented in human brains, i.e., gray matter (GM), white matter (WM), 

                                                           

* Corresponding author. 


366 

C.-H. Chuang et al. 

and cerebral spinal fluid (CSF). The cerebral cortex is the thin and folded layer between 

GM/WM and GM/CSF interfaces [3, 4]. The cortex reconstruction means to extract 

GM/WM and GM/CSF boundaries and rebuild its surface. A lot of methods in the 

literature have been proposed to solve this problem [1–5]. These methods can be 

roughly categorized into stochastic and morphological types. The methods using a 

stochastic model [1, 4] employ labeled cortical mantle distance maps or intensity 

distance histograms related to the GM/WM interface so that the extraction of GM/CSF 

interface is needless. On the other hand, the morphological methods [2, 3, 5] apply the 

dilation of GM/WM interface to extract the accurate GM/CSF boundary surface since 

the obvious GM/WM interface is easily extracted. In the latter, a cortex is usually 

regarded as a double surface structure [3]. The exterior surface following the interior 

surface is deformed with some constraints to find out the GM/CSF interface. 

The deformable surface model is a powerful method to reconstruct the cortical 

surface. However, it is difficult to deform the surface with correct topology inside the 

highly folded and buried cortex with image noise. In [5], a deformable surface model 

based on the gradient vector flow (GVF) [6] is proposed to overcome this problem. 

The model using an energy minimizing function, a weighted combination of internal 

and external energy, is basically a three-dimensional (3-D) snake model. The internal 

energy controls the continuity force of surface itself, while the external energy 

governs the attraction force like image gradients that leads the surface. Nevertheless, 

the computational cost of minimizing the energy function becomes larger as number 

of points on the surface increases. In [7], the self-organizing map (SOM) model [8-

10] plus a layered distance map (LDM) is applied to deform the GM/WM interface to 

find out the GM/CSF interface in segmented MR images. The layered distance map is 

calculated according to the extracted WM surface and segmented GM. Unfortunately, 

the distance values inside the sulci are usually symmetric that does not match the real 

cortical thickness.  

In this paper, we propose an advanced method in which the SOM model based on 

the image intensity gradient is applied to deform the GM/WM interface to find out the 

cortical surface in segmented MR images. In the simulation and experiment, a two-

dimensional (2-D) T1-weighted MR image and 3-D T1-weighted MRI data are used 

for test. In contrast with the results of previous method [7], our newly studies on T1-

weighted MRI data show that the proposed method gains more precise results to 

reconstruct cerebral cortex. 



2   The Problem 

In the cerebral cortex, there are many narrow and deep fissures called sulci. These 

concave parts sometimes contain invisible or unrecognizable CSF, which makes the 

reconstruction of cerebral cortex laborious. To easily understand the problem, a  

T1-weighted MR image shown in Fig. 1(a) is illustrated. This image shows a sulcus 

structure, i.e. the region of interest (ROI). Its segmented image is shown in Fig. 1(b), 

where the white color region represents WM, the gray color region indicates GM, and 

the black color region is CSF, other tissues, and background. It is easy to extract the 

boundaries of the segmented GM, as shown in Fig. 1(c). Now, the ROI image is 

enlarged and shown in Fig. 1(d). The ROI image is equalized to clearly display the 



 

Intensity Gradient Self-organizing Map for Cerebral Cortex Reconstruction 

367 

ideal boundary, as shown in Fig. 1(e). The extracted and ideal boundaries between 



Fig. 1(c) and Fig. 1(f) are obvious different and there should exist an interval within 

the sulcus. If the inner (WM) boundary line is deformed outward to extract the outer 

(GM) boundary according to the segmentation results, it will probably fail to catch the 

interval due to fewer extractable features inside the sulcus.  

 

 

 



(a)                                 (b)                                 (c) 

 

 



 

(d)                                     (e)                                     (f) 



Fig. 1. Illustration of a missing interval within a sulcus in a T1-weighted MR image: (a) the raw 

image and the ROI, (b) its segmented image and the ROI, (c) extracted boundary of ROI, (d) 

magnified ROI, (e) equalized ROI image with ideal boundary, (f) ideal boundary of ROI.  

3   Methods 

Since it is difficult to partition tissues inside sulci, the ideal GM surface is also hard to 

be extracted. One popular way is to dilate the GM/WM interface to extract the 

GM/CSF boundaries because the GM/WM boundaries are obvious and can be easily 

extracted. In our former method, this kind of dilation strategy is assisted by a layered 

distance map (LDM) [7]. The LDM is formed by calculating the connected voxels 

layer by layer from inner to outer surfaces within the segmented GM. Therefore, if the 

sulci are full of GM, distance values of LDM inside the sulci are symmetric and the 

detected interval is always in the center. To overcome this problem, the image 

intensity is employed in the new method. In a T1-weighted MR image, the intensity 

of WM, GM, and CSF is high, middle, and low, respectively. The GVF [6] is applied 

to obtain the intensity gradient flow between these three tissues. However, the 

intensity inhomogeneity should be removed prior to GVF processing. Fortunately,  


368 

C.-H. Chuang et al. 

Su et al. [11] proposed a wavelet-based bias correction method which is also 

independent of tissue classes and computationally simple.  



3.1   The Image Intensity Gradient 

In Fig. 2, the principle of boundary extraction inside the sulci by using GVF is 

demonstrated. The figures show two types of sulcus profile, where curves represent 

the dynamic intensity, i.e., the horizontal axis means positions and the vertical one 

indicates intensity values. GM, WM, and CSF are segmented and arrows denote 

gradient vectors. In Fig. 2(b), an interval should exist but it cannot be detected by the 

segmentation. The cortical thickness a is not equal to b, i.e. the structure is 

asymmetric and the LDM cannot find the ideal boundary. However, from the 

direction of gradient vectors, the most possible boundary, the long dash line in  

Fig. 2(b), can be easily extracted. 

 

 

 



(a) 

(b) 


Fig. 2. Illustration of boundary extraction inside the sulci by using GVF: (a) the sulcus profile 

with a clear interval, (b) the sulcus profile with an obscure interval 

The intensity GVF is computed from the bias-corrected MR images defined as I(x, 

y, z). The gradient of 3-D negative intensity map is defined first. Then the intensity 

GVF field is defined as the vector field V(x, y, z)=[u(x, y, z), v(x, y, z), w(x, y, z)] that 

minimizes the energy functional [6] 

2

2



2

V

f

V

f

dxdydz

ε

μ



=

+ ∇



− ∇

∫∫∫


(1) 


where 

f

 represents the 3-D negative intensity map, i.e.



 f =–I

,  μ is a weighting 

parameter, and 

▽ is the gradient operator, i.e. 

( ,

, )


x

y

z





∇ =


.

 

(2) 



In Eq. (1), the first term controls the smoothing function while the second term 

governs the maintaining capability. The formulation of computing 



V

 by iteratively 

minimizing ε is given in [6]. The final iterative solution is 

1

2



2

2

2



1

2

2



2

2

1



2

2

2



2

(

)(



)

(

)(



)

(

)(



)

n

n

n

n

x

x

y

z

n

n

n

n

y

x

y

z

n

n

n

n

z

x

y

z

u

u

u

u

f

f

f

f

v

v

v

v

f

f

f

f

w

w

w

w

f

f

f

f

μ

μ



μ

+

+



+



= ∇



+

+



= ∇


+



+



= ∇


+



+



(3) 

 

Intensity Gradient Self-organizing Map for Cerebral Cortex Reconstruction 

369 

where 


2

 is the Laplacian operator, n is the iteration number, and f



x

,  f



y

, and f



z

 are 


partial derivatives with respect to x,  y,  z, respectively. The initial conditions are set 

with 


0

0

0



0

(

,



,

)

(



,

,

)



x

y

z

V

u v w

f

f

f

f

=

= ∇ =



 

(4)


 

Basically, the main goal of this iterative process is to diffuse gradient properties to 

reduce image noise and form the vector flow all over the volume. 

3.2   The Intensity Gradient Self-organizing Map (IGSOM) Model 

The SOM model, which is a nonlinear, ordered, and smooth function, is an effective 

algorithm for the mapping between the neuron model and input data sets. In our 

applications, it is desired to deform the GM/WM interface to find out the GM/CSF 

interface by the SOM model. The boundary voxels of GM/WM are defined as the 

neuron data set. The SOM model driven by intensity gradient, called IGSOM, is 

applied to move the neuron data within the segmented GM. Finally, the GM/CSF 

interface is reconstructed by the converged neuron data set. 

The proposed IGSOM model is described in the following. First, it is needed to 

initialize deformable mesh network M. Here we use the isosurface of GM/WM 

interface. The mesh network M is a deformable surface inside the segmented GM. 

The segmented GM is defined as a volume set G. The best matching function of SOM 

is modified and rewritten as a point function P(.), i.e. 

(

)



(

), 


 

and 


,

j

j

j

j

j

P m

m

V m

m

G

m

M

=

+



 



(5) 

where  m



j

 is the randomly selected mesh network node, j is the index of mesh node, 

and V(m

j

) is the GVF on the node m

j

. The update function of SOM denotes 

(

1)

( )



( )

( , )[ (


)

( )],


j

j

j

j

m

k

m

k

k H D k P m

m

k

α



+ =



+

 



(6) 

where 


j

m

 including 



j

m

 represents all neighbors around 



j

m

,  k  = 0, 1, 2…is the 

iteration number, 

( )


[0,1)

k

α



 is the learning rate, and H is the neighborhood 

function which decreases when the distance metric D and iteration k increase. The 

update function is iteratively proceeded until the average variation of input data is less 

than a threshold value. The Gaussian function is usually applied to be the smoothing 

kernel, i.e. 

2

( , )



exp

2

( )



D

H D k

k

σ



=





 

(7) 



where ( )

k

σ

 is the standard deviation, i.e. the width of the smoothing kernel. The 



distance metric 

( , )


D

D j j



 defines the distance from 

j

m

 along the surface to 



j

m

When 



j

 is equal to j, i.e. 



j

j

m

m

=



D is zero and the neighborhood function H has 

the maximal value 1. 



370 

C.-H. Chuang et al. 



Download 12.42 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   29   30   31   32   33   34   35   36   ...   88




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling