图像注册可用于量化前列腺癌患者纵向MR图像的形态变化。本文描述了改善基于学习的注册算法的发展，对于这种挑战性的临床应用程序通常具有高度可变但有限的培训数据。首先，我们报告说，潜在空间可以聚集到一个比在经过训练的注册网络深层瓶颈特征的瓶颈特征中通常发现的尺寸空间要低得多。基于此观察结果，我们提出了一种层次量化方法，使用具有约束大小的共同训练的词典来离散学习的特征向量，以改善注册网络的概括。此外，在潜在的量化空间中，独立优化了一种新颖的协作词典，以合并其他先验信息，例如对腺体或其他感兴趣的区域的分割。根据来自86名前列腺癌患者的216张真实临床图像，我们显示了这两个组件的功效。从腺体上的骰子和相应地标的目标登记误差方面，获得了统计学意义的提高注册精度，后者的实现了5.46毫米，而没有量化的基线提高了28.7 \％。实验结果还表明，在训练数据和测试数据之间，性能的差异确实被最小化了。

We present VoxelMorph, a fast learning-based framework for deformable, pairwise medical image registration. Traditional registration methods optimize an objective function for each pair of images, which can be time-consuming for large datasets or rich deformation models. In contrast to this approach, and building on recent learning-based methods, we formulate registration as a function that maps an input image pair to a deformation field that aligns these images. We parameterize the function via a convolutional neural network (CNN), and optimize the parameters of the neural network on a set of images. Given a new pair of scans, VoxelMorph rapidly computes a deformation field by directly evaluating the function. In this work, we explore two different training strategies. In the first (unsupervised) setting, we train the model to maximize standard image matching objective functions that are based on the image intensities. In the second setting, we leverage auxiliary segmentations available in the training data. We demonstrate that the unsupervised model's accuracy is comparable to state-of-the-art methods, while operating orders of magnitude faster. We also show that VoxelMorph trained with auxiliary data improves registration accuracy at test time, and evaluate the effect of training set size on registration. Our method promises to speed up medical image analysis and processing pipelines, while facilitating novel directions in learning-based registration and its applications. Our code is freely available at http://voxelmorph.csail.mit.edu.

迄今为止，迄今为止，众所周知，对广泛的互补临床相关任务进行了全面比较了医学图像登记方法。这限制了采用研究进展，以防止竞争方法的公平基准。在过去五年内已经探讨了许多新的学习方法，但优化，建筑或度量战略的问题非常适合仍然是开放的。 Learn2reg涵盖了广泛的解剖学：脑，腹部和胸部，方式：超声波，CT，MRI，群体：患者内部和患者内部和监督水平。我们为3D注册的培训和验证建立了较低的入境障碍，这帮助我们从20多个独特的团队中汇编了65多个单独的方法提交的结果。我们的互补度量集，包括稳健性，准确性，合理性和速度，使得能够独特地位了解当前的医学图像登记现状。进一步分析监督问题的转移性，偏见和重要性，主要是基于深度学习的方法的优越性，并将新的研究方向开放到利用GPU加速的常规优化的混合方法。

可变形的图像注册对于许多医学图像分析是基础。准确图像注册的关键障碍在于图像外观变化，例如纹理，强度和噪声的变化。这些变化在医学图像中很明显，尤其是在经常使用注册的大脑图像中。最近，使用深神经网络的基于深度学习的注册方法（DLR）显示了计算效率，比基于传统优化的注册方法（ORS）快几个数量级。 DLR依靠一个全球优化的网络，该网络经过一组培训样本训练以实现更快的注册。但是，DLR倾向于无视ORS固有的目标对特异性优化，因此已经降低了对测试样品变化的适应性。这种限制对于注册出现较大的医学图像的限制是严重的，尤其是因为很少有现有的DLR明确考虑了外观的变化。在这项研究中，我们提出了一个外观调整网络（AAN），以增强DLR对外观变化的适应性。当我们集成到DLR中时，我们的AAN提供了外观转换，以减少注册过程中的外观变化。此外，我们提出了一个由解剖结构约束的损失函数，通过该函数，我们的AAN产生了解剖结构的转化。我们的AAN被目的设计为容易插入广泛的DLR中，并且可以以无监督和端到端的方式进行合作培训。我们用三个最先进的DLR评估了3D脑磁共振成像（MRI）的三个公共数据集（MRI）。结果表明，我们的AAN始终提高了现有的DLR，并且在注册精度上优于最先进的OR，同时向现有DLR增加了分数计算负载。

运动估计是用于评估目标器官解剖学和功能的动态医学图像处理的基本步骤。然而，通过评估局部图像相似性通过评估局部图像相似性优化运动场的基于图像的运动估计方法，易于产生令人难以置信的估计，尤其是在大运动的情况下。在这项研究中，我们提供了一种新颖的稀疏密度（DSD）的运动估计框架，其包括两个阶段。在第一阶段，我们处理原始密集图像以提取稀疏地标以表示目标器官解剖拓扑，并丢弃对运动估计不必要的冗余信息。为此目的，我们介绍一个无监督的3D地标检测网络，以提取用于目标器官运动估计的空间稀疏但代表性的地标。在第二阶段，我们从两个不同时间点的两个图像的提取稀疏地标的稀疏运动位移得出。然后，我们通过将稀疏地标位移突出回致密图像域，呈现运动重建网络来构造运动场。此外，我们从我们的两级DSD框架中使用估计的运动场作为初始化，并提高轻量级且有效的迭代优化中的运动估计质量。我们分别评估了两种动态医学成像任务的方法，分别为模型心脏运动和肺呼吸运动。与现有的比较方法相比，我们的方法产生了出色的运动估计精度。此外，广泛的实验结果表明，我们的解决方案可以提取良好代表性解剖标志，而无需手动注释。我们的代码在线公开提供。

在过去的十年中，卷积神经网络（Convnets）主导了医学图像分析领域。然而，发现脉搏的性能仍然可以受到它们无法模拟图像中体素之间的远程空间关系的限制。最近提出了众多视力变压器来解决哀悼缺点，在许多医学成像应用中展示最先进的表演。变压器可以是用于图像配准的强烈候选者，因为它们的自我注意机制能够更精确地理解移动和固定图像之间的空间对应。在本文中，我们呈现透射帧，一个用于体积医学图像配准的混合变压器-Cromnet模型。我们还介绍了三种变速器的变形，具有两个散晶变体，确保了拓扑保存的变形和产生良好校准的登记不确定性估计的贝叶斯变体。使用来自两个应用的体积医学图像的各种现有的登记方法和变压器架构进行广泛验证所提出的模型：患者间脑MRI注册和幻影到CT注册。定性和定量结果表明，传输和其变体导致基线方法的实质性改进，展示了用于医学图像配准的变压器的有效性。

最近，已广泛研究了基于深度学习的方法，以进行可变形的图像注册任务。但是，大多数努力将复合图像表示形式直接映射到通过卷积神经网络的空间转换，而忽略了其捕获空间对应关系的有限能力。另一方面，变压器可以更好地表征与注意机制的空间关系，其远程依赖性可能对注册任务有害，在这种情况下，距离太大的体素不太可能是相应的对。在这项研究中，我们提出了一个新型的变形器模块，以及用于可变形图像配准任务的多尺度框架。变形器模块旨在通过将位移矢量预测作为几个碱基的加权总和来促进从图像表示到空间转换的映射。借助多尺度框架以粗略的方式预测位移字段，与传统和基于学习的方法相比，可以实现卓越的性能。进行了两个公共数据集的全面实验，以证明所提出的变形器模块以及多规模框架的有效性。

脑MRI图像的登记需要解决变形领域，这对于对准复杂的脑组织，例如皮质核等，这是极其困难的现有努力，该努力在具有微小运动的中间子场中分解目标变形领域，即逐步登记阶段或较低的分辨率，即全尺寸变形场的粗析估计。在本文中，我们认为这些努力不是相互排斥的，并为普通和粗良好的方式同时提出统一的脑MRI登记统一框架。具体地，在双编码器U-Net上构建，定制移动的MRI对被编码和解码成从粗略到精细的多尺度变形子字段。每个解码块包含两个提出的新颖模块：i）在变形场积分（DFI）中，计算单个集成子字段，翘曲，其等同于来自所有先前解码块的子字段逐渐翘曲，并且II）非刚性特征融合（NFF），固定移动对的特征由DFI集成子场对齐，然后融合以预测更精细的子场。利用DFI和NFF，目标变形字段被修改为多尺度子场，其中较粗糙的字段缓解了更精细的一个和更精细的字段的估计，以便构成以前粗糙的较粗糙的那些错位。私人和公共数据集的广泛和全面的实验结果展示了脑MRI图像的优越的登记性能，仅限于逐步登记和粗略估计，平均骰子的粗略估计数量在最多8％上升。

小儿肌肉骨骼系统的临床诊断依赖于医学成像检查的分析。在医学图像处理管道中，使用深度学习算法的语义分割使人可以自动生成患者特定的三维解剖模型，这对于形态学评估至关重要。但是，小儿成像资源的稀缺性可能导致单个深层分割模型的准确性和泛化性能降低。在这项研究中，我们建议设计一个新型的多任务多任务多域学习框架，在该框架中，单个分割网络对由解剖学的不同部分产生的多个数据集进行了优化。与以前的方法不同，我们同时考虑多个强度域和分割任务来克服小儿数据的固有稀缺性，同时利用成像数据集之间的共享特征。为了进一步提高概括能力，我们从自然图像分类中采用了转移学习方案，以及旨在在共享表示中促进域特异性群集的多尺度对比正则化，以及多连接解剖学先验来执行解剖学上一致的预测。我们评估了使用脚踝，膝盖和肩关节的三个稀缺和小儿成像数据集进行骨分割的贡献。我们的结果表明，所提出的方法在骰子指标中的表现优于个人，转移和共享分割方案，并具有统计学上足够的利润。拟议的模型为智能使用成像资源和更好地管理小儿肌肉骨骼疾病提供了新的观点。

Purpose: This study aims to explore training strategies to improve convolutional neural network-based image-to-image registration for abdominal imaging. Methods: Different training strategies, loss functions, and transfer learning schemes were considered. Furthermore, an augmentation layer which generates artificial training image pairs on-the-fly was proposed, in addition to a loss layer that enables dynamic loss weighting. Results: Guiding registration using segmentations in the training step proved beneficial for deep-learning-based image registration. Finetuning the pretrained model from the brain MRI dataset to the abdominal CT dataset further improved performance on the latter application, removing the need for a large dataset to yield satisfactory performance. Dynamic loss weighting also marginally improved performance, all without impacting inference runtime. Conclusion: Using simple concepts, we improved the performance of a commonly used deep image registration architecture, VoxelMorph. In future work, our framework, DDMR, should be validated on different datasets to further assess its value.

医学计算机视觉的最新自我监督进步利用了在下游任务（例如分割）之前预处理的全球和局部解剖自我相似性。但是，当前方法假设I.I.D.图像采集是在临床研究设计中无效的，其中随访纵向扫描跟踪特定于主体的时间变化。此外，现有的自我监督方法用于医学上相关的图像到图像体系结构仅利用空间或时间自相似性，并且仅通过在单个图像尺度上应用的损失来进行，而天真的多尺度空间时空扩展崩溃了解决方案。对于这些目的，本文做出了两种贡献：（1）它提出了一种局部和多规模的时空表示方法，用于对纵向图像进行训练的图像到图像架构。它利用了学到的多尺度内部主体内特征的时空自相似性来进行训练，并开发出几种特征正规化，以避免崩溃的身份表示。 （2）在填充期间，它提出了一个令人惊讶的简单的自我监督分割一致性正规化以利用受试者内部的相关性。该框架以单次分割设置为基准，该框架的表现优于良好调整的随机定位基线和为I.I.D设计的当前自我监督技术。和纵向数据集。在纵向神经退行性的成年MRI和发育的婴儿脑MRI中，这些改进都得到了证明，并产生了更高的性能和纵向一致性。

大多数基于深度学习（DL）的可变形图像登记方法使用卷积神经网络（CNN）来估计移动和固定图像对的位移字段。但是，这要求CNN中的卷积内核不仅从输入中提取强度特征，而且还了解图像坐标系。我们认为，后者的任务对传统CNN来说是具有挑战性的，从而限制了他们在注册任务中的性能。为了解决此问题，我们首先介绍坐标翻译器，坐标转换器是一个可区分的模块，该模块识别固定和移动图像之间的匹配功能，并在不需要训练的情况下输出其坐标对应关系。它卸载了了解CNN的图像坐标系的负担，从而使它们可以专注于特征提取。然后，我们提出了一个新型的可变形注册网络IM2Grid，该网络使用多个坐标转换器与从CNN编码中提取的层次结构特征，并以粗略的方式输出变形字段。我们将IM2Grid与无监督的3D磁共振图像注册的最新DL和非DL方法进行了比较。我们的实验表明，IM2Grid在定性和定量上都优于这些方法。

在这项工作中，我们考虑了成对的跨模式图像注册的任务，这可能会受益于仅利用培训时间可用的其他图像，而这些图像从与注册的图像不同。例如，我们专注于对准主体内的多参数磁共振（MPMR）图像，在T2加权（T2W）扫描和具有高B值（DWI $ _ {high-b} $）的T2加权（T2W）扫描和扩散加权扫描之间。为了在MPMR图像中应用局部性肿瘤，由于相应的功能的可用性，因此认为具有零B值（DWI $ _ {B = 0} $）的扩散扫描被认为更易于注册到T2W。我们使用仅训练成像模态DWI $ _ {b = 0} $从特权模式算法中提出了学习，以支持具有挑战性的多模式注册问题。我们根据356名前列腺癌患者的369组3D多参数MRI图像提出了实验结果图像对，与注册前7.96毫米相比。结果还表明，与经典的迭代算法和其他具有/没有其他方式的经典基于测试的基于学习的方法相比，提出的基于学习的注册网络具有可比或更高准确性的有效注册。这些比较的算法也未能在此具有挑战性的应用中产生DWI $ _ {High-B} $和T2W之间的任何明显改进的对齐。

心肌运动和变形是表征心脏功能的丰富描述符。图像注册是心肌运动跟踪最常用的技术，是一个不当的反问题，通常需要先前对解决方案空间进行假设。与大多数现有的方法相反，它们强加了明确的通用正则化（例如平滑度），在这项工作中，我们提出了一种新的方法，该方法可以隐式地学习了特定于应用程序的生物力学知识，并将其嵌入了神经网络参数化转换模型中。尤其是，提出的方法利用基于变异自动编码器的生成模型来学习生物力学上合理变形的多种多样。然后，可以通过穿越学习的歧管来搜索最佳转换时，在考虑序列信息时搜索最佳转换。该方法在三个公共心脏Cine MRI数据集中进行了验证，并具有全面的评估。结果表明，所提出的方法可以胜过其他方法，从而获得更高的运动跟踪精度，并具有合理的量保存和更好地变化数据分布的概括性。它还可以更好地估计心肌菌株，这表明该方法在表征时空特征以理解心血管疾病方面的潜力。

我们介绍了一种基于梯度下降的图像登记网络（Gradirn），用于通过在深度学习框架中嵌入基于梯度的迭代能量最小化来学习可变形的图像配准。传统的图像登记算法通常使用迭代能量 - 最小化优化来查找一对图像之间的最佳变换，这在需要许多迭代时是耗时的。相比之下，基于学习的方法通过训练深神经网络来迁移这一昂贵的迭代优化，以便通过快速网络向前通过训练后可以实现一对图像的登记。通过图像重建技术的成功激励，与迭代变分能优化的数学结构相结合的深度学习，我们基于多分辨率梯度下降能量最小化制定新颖的登记网络。网络的前进通过通过卷积神经网络（CNN）参数化的显式图像相容梯度步骤和用于固定数量的迭代的卷积神经网络（CNN）。我们使用自我差异化来导出显式图像异化梯度W.r.t.的前向计算图。变换，因此可以在没有复杂和易于出错的梯度衍生的情况下使用任意图像相似度量和转换模型。我们证明，这种方法通过使用2D心动MR图像和3D脑MR图像使用更少的学习参数，在使用更少的学习参数时实现最先进的登记性能。

儿科肌肉骨骼系统的形态学和诊断评价在临床实践中至关重要。但是，大多数分段模型在稀缺的儿科成像数据上都不好。我们提出了一种新的预训练的正则化卷积编码器 - 解码器，用于分割异质儿科磁共振（MR）图像的具有挑战性的任务。在这方面，我们采用转移学习方法以及正规化策略来改善分段模型的概括。为此，我们已经构思了用于分割网络的新颖优化方案，其包括丢失函数的额外正则化术语。为了获得全局一致的预测，我们纳入了基于形状的正则化，从自动编码器学习的非线性形状表示来源。另外，通过鉴别器计算的对抗正规化是集成的，以鼓励合理的描绘。评估来自脚踝和肩部关节的两个稀缺的小儿摄像数据集的多骨分割任务的方法，包括病理和健康检查。所提出的方法与先前提出的骰子，灵敏度，特异性，最大对称表面距离，平均对称表面距离和相对绝对体积差异度量的方法更好或以前的方法进行更好或以前的方法进行比例。我们说明所提出的方法可以很容易地集成到各种骨骼分割策略中，并且可以提高在大型非医学图像数据库上预先培训的模型的预测准确性。获得的结果为小儿肌肉骨骼障碍的管理带来了新的视角。

图像注册广泛用于医学图像分析中，以提供两个图像之间的空间对应关系。最近提出了利用卷积神经网络（CNN）的基于学习的方法来解决图像注册问题。基于学习的方法往往比基于传统优化的方法快得多，但是从复杂的CNN方法中获得的准确性提高是适度的。在这里，我们介绍了一个新的基于深神经的图像注册框架，名为\ textbf {mirnf}，该框架代表通过通过神经字段实现的连续函数的对应映射。 MIRNF输出的变形矢量或速度向量给定3D坐标为输入。为了确保映射是差异的，使用神经ODE求解器集成了MiRNF的速度矢量输出，以得出两个图像之间的对应关系。此外，我们提出了一个混合坐标采样器以及级联的体系结构，以实现高相似性映射性能和低距离变形场。我们对两个3D MR脑扫描数据集进行了实验，这表明我们提出的框架提供了最新的注册性能，同时保持了可比的优化时间。

在医学图像分析中需要进行几次学习的能力是对支持图像数据的有效利用，该数据被标记为对新类进行分类或细分新类，该任务否则需要更多的培训图像和专家注释。这项工作描述了一种完全3D原型的几种分段算法，因此，训练有素的网络可以有效地适应培训中缺乏的临床有趣结构，仅使用来自不同研究所的几个标记图像。首先，为了弥补机构在新型类别的情节适应中的广泛认识的空间变异性，新型的空间注册机制被整合到原型学习中，由分割头和空间对齐模块组成。其次，为了帮助训练观察到的不完美比对，提出了支持掩模调节模块，以进一步利用支持图像中可用的注释。使用589个骨盆T2加权MR图像的数据集分割了八个对介入计划的解剖结构的应用，该实验是针对介入八个机构的八个解剖结构的应用。结果证明了3D公式中的每种，空间登记和支持掩模条件的功效，所有这些条件都独立或集体地做出了积极的贡献。与先前提出的2D替代方案相比，不管支持数据来自相同还是不同的机构，都具有统计学意义的少量分割性能。

可变形的注册包括找到两个不同图像之间的最佳密集对应。许多算法已发表，但临床应用难以解决优化问题所需的高计算时间。通过利用GPU计算和学习过程，深入学习超越了这种限制。然而，许多深度学习方法不考虑经典算法尊重的理想性质。在本文中，我们呈现MICS，一种用于医学成像注册的新型深度学习算法。由于注册是一个不良问题，我们将我们的算法集中在不同性质的方面：逆一致性，对称性和方向节约。我们还将我们的算法与多步策略组合以改进和改进变形网格。虽然许多方法向脑MRI应用了登记，但我们探讨了更具挑战性的身体定位：腹部CT。最后，我们在Learn2Reg挑战期间使用的数据集中评估了我们的方法，允许与已发布的方法进行公平比较。

可变形图像配准是医学成像和计算机视觉的基本任务之一。经典登记算法通常依赖于迭代优化方法来提供准确的变形，这需要高计算成本。虽然已经开发了许多基于深度学习的方法来进行快速图像登记，但估计具有较少拓扑折叠问题的变形场仍然挑战。此外，这些方法仅使登记到单个固定图像，并且不可能在移动和固定图像之间获得连续变化的登记结果。为了解决这个问题，我们介绍了一种新的扩散模型的概率图像配准方法，称为DemageUseMorph。具体而言，我们的模型了解移动和固定图像之间变形的得分函数。类似于现有的扩散模型，DiffUsemorph不仅通过反向扩散过程提供合成变形图像，而且还使运动图像的各种水平与潜在的空间一起。在2D面部表达图像和3D脑图像登记任务上的实验结果表明，我们的方法可以通过拓扑保存能力提供灵活和准确的变形。