我们研究Claire（一种差异性多形状，多-GPU图像注册算法和软件）的性能 - 在具有数十亿素素的大规模生物医学成像应用中。在这样的分辨率下，大多数用于差异图像注册的软件包非常昂贵。结果，从业人员首先要大量删除原始图像，然后使用现有工具进行注册。我们的主要贡献是对降采样对注册性能的影响的广泛分析。我们通过将用Claire获得的全分辨率注册与合成和现实成像数据集的低分辨率注册进行比较，研究了这种影响。我们的结果表明，完全分辨率的注册可以产生卓越的注册质量 - 但并非总是如此。例如，将合成图像从$ 1024^3 $减少到$ 256^3 $将骰子系数从92％降低到79％。但是，对于嘈杂或低对比度的高分辨率图像，差异不太明显。克莱尔不仅允许我们在几秒钟内注册临床相关大小的图像，而且还可以在合理的时间内以前所未有的分辨率注册图像。考虑的最高分辨率是$ 2816 \ times3016 \ times1162 $的清晰图像。据我们所知，这是有关此类决议中图像注册质量的首次研究。

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.

许多注册方法都存在着早期工作，重点是基于优化的图像对方法。最近的工作着重于深度注册网络，以预测空间转换。在这两种情况下，通常使用的非参数登记模型，该模型估计转换功能而不是低维转换参数，都需要选择合适的正常器（鼓励平滑转换）及其参数。这使得模型难以调整，并将变形限制为所选正规器允许的变形空间。尽管存在不正常转换的光流的深度学习模型，而是完全依赖于数据，这些模型可能不会产生对医学图像注册期望的差异转换。因此，在这项工作中，我们在无监督的图标深度学习登记方法上开发了Gradicon，该方法仅使用逆矛盾进行正则化。但是，与图标相反，我们证明并从经验上验证，使用梯度反矛盾损失不仅显着改善了收敛性，而且还会导致所得转换图的类似隐式正则化。磁共振（MR）膝关节图像和计算机断层扫描（CT）肺图像的合成实验和实验表明Gradicon的表现出色。我们在保留简单的注册公式的同时，实现了最新的（SOTA）精度，这实际上很重要。

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。

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。

Deformable image registration, i.e., the task of aligning multiple images into one coordinate system by non-linear transformation, serves as an essential preprocessing step for neuroimaging data. Recent research on deformable image registration is mainly focused on improving the registration accuracy using multi-stage alignment methods, where the source image is repeatedly deformed in stages by a same neural network until it is well-aligned with the target image. Conventional methods for multi-stage registration can often blur the source image as the pixel/voxel values are repeatedly interpolated from the image generated by the previous stage. However, maintaining image quality such as sharpness during image registration is crucial to medical data analysis. In this paper, we study the problem of anti-blur deformable image registration and propose a novel solution, called Anti-Blur Network (ABN), for multi-stage image registration. Specifically, we use a pair of short-term registration and long-term memory networks to learn the nonlinear deformations at each stage, where the short-term registration network learns how to improve the registration accuracy incrementally and the long-term memory network combines all the previous deformations to allow an interpolation to perform on the raw image directly and preserve image sharpness. Extensive experiments on both natural and medical image datasets demonstrated that ABN can accurately register images while preserving their sharpness. Our code and data can be found at https://github.com/anonymous3214/ABN

这项研究提出了一个基于移动网格参数化的端到端无监督的差异可变形登记框架。使用此参数化，可以使用其转换雅各布的决定因素和末端速度场的卷曲来建模。变形场的新模型具有三个重要优势。首先，它放松了对成本函数的显式正则化项和相应重量的需求。平滑度隐含在溶液中，从而导致物理上合理的变形场。其次，它通过适用于转换雅各布决定因素的明确约束来保证差异性。最后，它适用于心脏数据处理，因为该参数化的性质是根据​​径向和旋转成分定义变形场。通过在包括2D和3D心脏MRI扫描在内的三个不同数据集上评估拟议方法来研究算法的有效性。结果表明，所提出的框架在生成差异变换的同时优于现有的基于学习的方法和基于非学习的方法。

Recent years have witnessed a growth in mathematics for deep learning--which seeks a deeper understanding of the concepts of deep learning with mathematics, and explores how to make it more robust--and deep learning for mathematics, where deep learning algorithms are used to solve problems in mathematics. The latter has popularised the field of scientific machine learning where deep learning is applied to problems in scientific computing. Specifically, more and more neural network architectures have been developed to solve specific classes of partial differential equations (PDEs). Such methods exploit properties that are inherent to PDEs and thus solve the PDEs better than classical feed-forward neural networks, recurrent neural networks, and convolutional neural networks. This has had a great impact in the area of mathematical modeling where parametric PDEs are widely used to model most natural and physical processes arising in science and engineering, In this work, we review such methods and extend them for parametric studies as well as for solving the related inverse problems. We equally proceed to show their relevance in some industrial applications.

图像分割的随机沃克方法是半自动图像分割的流行工具，尤其是在生物医学领域。但是，它的线性渐近运行时间和内存要求使应用于增加大小不切实际的3D数据集。我们提出了一个分层框架，据我们所知，这是克服这些随机沃克算法的限制并实现sublinear的运行时间和持续的内存复杂性的尝试。该框架的目的是 - 与基线​​方法相比，而不是改善细分质量，以使交互式分割在核心外数据集中成为可能。确认该方法的合成数据和CT-ORG数据集进行了定量评估，其中确认了算法运行时间的预期改进，同时确认了高分段质量。即使对于数百千兆字节的大小，增量（即互动更新）运行时间也已在标准PC上以秒为单位。在一个小案例研究中，证明了当前生物医学研究对大型现实世界的适用性。在广泛使用的卷渲染和处理软件Voreen（https://www.uni-muenster.de/voreen/）的5.2版5.2版中，介绍方法的实现公开可用。

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。

从磁共振成像（MRI）数据（称为颅骨条状）中去除非脑信号是许多神经图像分析流的组成部分。尽管它们很丰富，但通常是针对具有特定采集特性的图像量身定制的，即近乎各向异性的分辨率和T1加权（T1W）MRI对比度，这些分辨率在研究环境中很普遍。结果，现有的工具倾向于适应其他图像类型，例如在诊所常见的快速旋转回声（FSE）MRI中获得的厚切片。尽管近年来基于学习的大脑提取方法已获得吸引力，但这些方法面临着类似的负担，因为它们仅对训练过程中看到的图像类型有效。为了在成像协议的景观中实现强大的颅骨缠身，我们引入了Synthstrip，这是一种快速，基于学习的脑萃取工具。通过利用解剖学分割来生成具有解剖学，强度分布和远远超过现实医学图像范围的完全合成训练数据集，Synthstrip学会了成功推广到各种真实获得的大脑图像，从而消除了使用训练数据的需求目标对比。我们证明了合成条的功效对受试者人群的各种图像采集和决议的功效，从新生儿到成人。我们显示出与流行的颅骨基线的准确性的实质性提高 - 所有这些基线都采用单个训练有素的模型。我们的方法和标记的评估数据可在https://w3id.org/synthstrip上获得。

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。

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。

可变形图像注册在医学图像分析的各种任务中起着至关重要的作用。从常规能源优化或深层网络中得出的成功的注册算法需要从计算机专家那里进行巨大努力来井设计注册能源，或者仔细调整特定类型的医疗数据类型的网络架构。为了解决上述问题，本文提出了一种自动学习注册算法（Autoreg），该算法（Autoreg）合作优化了建筑及其相应的培训目标，使非计算机专家，例如医疗/临床用户，以方便地查找现有的注册各种情况的算法。具体而言，我们建立了一个三级框架，以自动搜索机制和合作优化来推导注册网络体系结构和目标。我们对多站点卷数据集和各种注册任务进行图像注册实验。广泛的结果表明，我们的自动化可能会自动学习给定量的最佳深度注册网络并实现最先进的性能，也比主流UNET体系结构显着提高了计算效率（从0.558到0.558至0.270秒，对于3D图像对相同的配置）。

目的：在数字组织病理学中，虚拟多染色对于诊断和生物标志物研究很重要。此外，它为各种深度学习任务提供了准确的基础真相。可以使用不同的连续部分或重新染色同一部分来获得虚拟多染色。两种方法都需要图像注册来补偿组织变形，但是很少关注其准确性。方法：我们比较连续和重新染色部分的变异图像注册，并分析图像分辨率的效果，从而影响准确性和所需的计算资源。我们提供了一个新的重新染色和连续部分的混合数据集（Hyreco，81个滑梯对，约3000个地标），我们公开可用，并将其图像注册结果与自动非辅助组织学图像注册（ANHIR）挑战数据进行比较（连续230个滑梯对）。结果：在连续部分之间，我们在注册7.1 {\ Mu} M（Hyreco）和16.0 {\ Mu} M（anhir）后获得了中位标记错误。在重新染色的部分之间，Hyreco数据集的两个子集中的中值注册误差为2.3 {\ MU} M和0.9 {\ MU} M。我们观察到，在两种情况下，可变形的注册导致比仿射注册的地标性较低，尽管在重新染色部分中的影响较小。结论：连续和重新染色部分的可变形注册是对不同污渍联合分析的有价值的工具。意义：虽然重新染色切片的注册允许核级比对，从而可以直接分析相互作用的生物标志物，但连续切片仅允许转移区域级注释。可以使用更粗的图像分辨率以低计算成本来实现后者。

许多成像问题可以作为映射问题提出。一般的映射问题旨在获得最佳的映射，该映射可最大程度地减少给定约束的能量功能。解决映射问题的现有方法通常效率低下，有时可能被困在本地最小值中。当需要进行最佳映射为差异时，就会出现额外的挑战。在这项工作中，我们通过提出基于准文献（QC）Teichmuller理论的深入学习框架来解决问题。主要策略是学习Beltrami系数（BC），该系数代表了深度神经网络中的潜在特征向量的映射。卑诗省测量映射下的局部几何变形，可以增强深神经网络的解释性。在此框架下，可以通过网络中的简单激活函数来控制映射的差异属性。最佳映射也可以通过将BC整合到损失函数中来轻松正规化。提出的框架的关键优势是，一旦成功训练了网络，就可以实时获得与每个输入数据信息相对应的优化映射。为了检查提出的框架的功效，我们将方法应用于差异图像登记问题。实验结果在效率和准确性方面都优于其他最新的注册算法，这证明了我们提出的框架解决映射问题的有效性。

Brain extraction and registration are important preprocessing steps in neuroimaging data analysis, where the goal is to extract the brain regions from MRI scans (i.e., extraction step) and align them with a target brain image (i.e., registration step). Conventional research mainly focuses on developing methods for the extraction and registration tasks separately under supervised settings. The performance of these methods highly depends on the amount of training samples and visual inspections performed by experts for error correction. However, in many medical studies, collecting voxel-level labels and conducting manual quality control in high-dimensional neuroimages (e.g., 3D MRI) are very expensive and time-consuming. Moreover, brain extraction and registration are highly related tasks in neuroimaging data and should be solved collectively. In this paper, we study the problem of unsupervised collective extraction and registration in neuroimaging data. We propose a unified end-to-end framework, called ERNet (Extraction-Registration Network), to jointly optimize the extraction and registration tasks, allowing feedback between them. Specifically, we use a pair of multi-stage extraction and registration modules to learn the extraction mask and transformation, where the extraction network improves the extraction accuracy incrementally and the registration network successively warps the extracted image until it is well-aligned with the target image. Experiment results on real-world datasets show that our proposed method can effectively improve the performance on extraction and registration tasks in neuroimaging data. Our code and data can be found at https://github.com/ERNetERNet/ERNet

主要的神经影像学研究推动了1.0 mm以下的3T MRI采集分辨率，以改善结构定义和形态学。然而，只有很少的时间 - 密集的自动化图像分析管道已被验证为高分辨率（雇用）设置。另一方面，有效的深度学习方法很少支持多个固定分辨率（通常1.0 mm）。此外，缺乏标准的杂交数据分辨率以及具有足够覆盖的扫描仪，年龄，疾病或遗传方差的多样化数据的有限可用性会带来额外的，未解决的挑战培训网络。将分辨率独立于基于深度学习的分割，即在一系列不同的体素大小上以其本地分辨率进行分辨率的能力，承诺克服这些挑战，但目前没有这种方法。我们现在通过向决议独立的分割任务（VINN）引入VINOSEIZED独立的神经网络（VINN）来填补这个差距，并呈现FastSurfervinn，（i）建立并实施决议独立，以获得深度学习作为同时支持0.7-1.0 mm的第一种方法分割，（ii）显着优于跨决议的最先进方法，（iii）减轻雇用数据集中存在的数据不平衡问题。总体而言，内部分辨率 - 独立性相互益处雇用和1.0 mm MRI分割。通过我们严格验证的FastSurfervinn，我们将为不同的神经视线镜分析分发一个快速工具。此外，VINN架构表示更广泛应用的有效分辨率的分段方法

基于深神经网络（DNN）的不确定性（基于DNN）的图像登记算法在部署图像注册算法中起着至关重要的作用在面向研究的处理管道中。目前可用的基于DNN的图像登记算法的不确定性估计方法可能导致临床决策，这是由于对注册的不确定性的潜在不准确估计源是对注册潜在空间的假定参数分布的源。我们引入了NPBDREG，这是一种完全非参数贝叶斯框架，通过将ADAM优化器与随机梯度Langevin Dynamics（SGLD）相结合，以通过后验通过后抽样将基于DNN的可变形图像注册中的不确定性估计。因此，它具有提供与出现未分布数据的存在高度相关的不确定性估计值。我们使用四个公开可用数据库中的$ 390 $图像对（MGH10，CMUC12，ISBR18和LPBA40）在Brain MRI图像配准上证明了NPBDREG的附加价值，与基线概率VoxelMorph模型（PRVXM）相比。 NPBDREG显示了预测不确定性与分布数据（$ r> 0.95 $ vs. $ r <0.5 $）的更好相关性，并且注册准确性提高了7.3％（骰子得分，$ 0.74 $ vs。 $ 0.69 $，$ p \ ll 0.01 $），注册平滑度提高了18％（变形字段中的折叠百分比为0.014 vs. 0.017，$ p \ ll 0.01 $）。最后，与基线PRVXM方法相比，NPBDREG证明了由混合结构噪声损坏的数据（骰子得分为$ 0.73 $，$ 0.69 $，$ p \ ll 0.01 $）的概括能力更好。

动态MRI可以捕获具有高对比度的软组织器官中的时间解剖变化，但是获得的序列通常遭受有限的体积覆盖，这使得器官形状轨迹的高分辨率重建在时间研究中的主要挑战。由于腹部器官形状的变异性跨越时间和受试者，本研究的目的是朝向3D致密速度测量来完全覆盖整个表面并提取有意义的特征，其特征在于观察到的器官变形并实现临床作用或决定。我们在深呼吸运动期间提出了一种用于表征膀胱表面动力学的管道。对于紧凑的形状表示，首先使用重建的时间体积来使用LDDMM框架建立专用的动态4D网状序列。然后，我们从诸如网格伸长和失真的机械参数执行器官动力学的统计表征。由于我们将器官引用作为非平面，因此我们还使用平均曲率变化为度量来量化表面演变。然而，曲率的数值计算强烈地取决于表面参数化。为了应对这一依赖性，我们采用了一种用于表面变形分析的新方法。独立于参数化并最小化测地曲线的长度，通过最小化Dirichlet能量，它使表面曲线平滑地朝向球体。 eulerian PDE方法用于从曲线缩短流中导出形状描述符。使用Laplace Beltrami操作员特征函数来计算各个运动模式之间的接口，用于球形映射。用于提取用于局部控制的模拟形状轨迹的表征相关曲线的应用演示了所提出的形状描述符的稳定性。