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。

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.

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。

纵向形象注册是具有挑战性的，并且由于深学习，尚未受益于主要的性能改善。通过深映像的启发，本文介绍了不同利用的深层架构作为常规，以解决图像登记问题。我们提出了一种称为MIRRBA的特定主题可变形的登记方法，依赖于深的金字塔架构是限制变形场的现有参数模型。 MIRRBA不需要学习数据库，而是仅登记的图像，以便注册一对图像以优化网络参数并提供变形字段并提供变形字段。我们展示了深度架构的正规化力量，并呈现了新的元素，以了解架构在注册的深度学习方法中的作用。因此，要研究网络参数的影响，我们在110个转移乳腺癌全身宠物图像的私有数据集中运行了不同的架构配置，具有大脑，膀胱和转移性病变的手动分割。我们将其与传统的迭代登记方法进行比较和监督基于深度学习的模型。使用检测率和骰子分数评估全局和局部注册准确性，而使用雅加诺的决定因素评估登记现实。此外，我们计算了不同方法以消失的速率缩小消失的病变的能力。 MIRRBA显着改善了监督模型的器官和病变骰子分数。关于消失率，MIRRBA多倍于最佳性能的传统方法SYNCC得分。因此，我们的工作提出了一种替代方法来弥合常规和深度学习的方法之间的性能差距，并展示了深度架构的规律力量。

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。

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。

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。

这项工作调查了鲁棒优化运输（OT）的形状匹配。具体而言，我们表明最近的OT溶解器改善了基于优化和深度学习方法的点云登记，以实惠的计算成本提高了准确性。此手稿从现代OT理论的实际概述开始。然后，我们为使用此框架进行形状匹配的主要困难提供解决方案。最后，我们展示了在广泛的具有挑战性任务上的运输增强的注册模型的性能：部分形状的刚性注册;基蒂数据集的场景流程估计;肺血管树的非参数和肺部血管树。我们基于OT的方法在准确性和可扩展性方面实现了基蒂的最先进的结果，并为挑战性的肺登记任务。我们还释放了PVT1010，这是一个新的公共数据集，1,010对肺血管树，具有密集的采样点。此数据集提供了具有高度复杂形状和变形的点云登记算法的具有挑战性用例。我们的工作表明，强大的OT可以为各种注册模型进行快速预订和微调，从而为计算机视觉工具箱提供新的键方法。我们的代码和数据集可在线提供：https：//github.com/uncbiag/robot。

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）。

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

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。

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。

神经网络在医疗图像分割任务上的成功通常依赖于大型标记的数据集用于模型培训。但是，由于数据共享和隐私问题，获取和手动标记大型医疗图像集是资源密集的，昂贵的，有时是不切实际的。为了应对这一挑战，我们提出了一个通用的对抗数据增强框架Advchain，旨在提高培训数据对医疗图像分割任务的多样性和有效性。 AdvChain通过动态数据增强来增强数据，从而产生随机链接的光线像和几何转换，以类似于现实而又具有挑战性的成像变化以扩展训练数据。通过在培训期间共同优化数据增强模型和分割网络，可以生成具有挑战性的示例，以增强下游任务的网络可推广性。所提出的对抗数据增强不依赖生成网络，可以用作通用分割网络中的插件模块。它在计算上是有效的，适用于低声监督和半监督学习。我们在两个MR图像分割任务上分析和评估该方法：心脏分割和前列腺分割具有有限的标记数据。结果表明，所提出的方法可以减轻对标记数据的需求，同时提高模型泛化能力，表明其在医学成像应用中的实际价值。

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

Unsupervised image registration commonly adopts U-Net style networks to predict dense displacement fields in the full-resolution spatial domain. For high-resolution volumetric image data, this process is however resource intensive and time-consuming. To tackle this problem, we propose the Fourier-Net, replacing the expansive path in a U-Net style network with a parameter-free model-driven decoder. Specifically, instead of our Fourier-Net learning to output a full-resolution displacement field in the spatial domain, we learn its low-dimensional representation in a band-limited Fourier domain. This representation is then decoded by our devised model-driven decoder (consisting of a zero padding layer and an inverse discrete Fourier transform layer) to the dense, full-resolution displacement field in the spatial domain. These changes allow our unsupervised Fourier-Net to contain fewer parameters and computational operations, resulting in faster inference speeds. Fourier-Net is then evaluated on two public 3D brain datasets against various state-of-the-art approaches. For example, when compared to a recent transformer-based method, i.e., TransMorph, our Fourier-Net, only using 0.22$\%$ of its parameters and 6.66$\%$ of the mult-adds, achieves a 0.6\% higher Dice score and an 11.48$\times$ faster inference speed. Code is available at \url{https://github.com/xi-jia/Fourier-Net}.

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。

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。

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。

跨模式图像合成是一个主动研究主题，具有多个医学临床相关的应用。最近，允许对配对但未对准数据进行培训的方法开始出现。但是，没有适用于广泛的现实世界数据集的健壮且良好的方法。在这项工作中，我们通过引入新的变形均衡性鼓励损失函数，对跨模式图像合成问题的问题提出了一个通用解决方案。该方法包括对图像合成网络的联合培训以及单独的注册网络，并允许在输入上进行对抗训练，即使使用未对准数据。这项工作通过允许对更困难的数据集进行跨模式图像合成网络的毫不费力培训来降低新的临床应用程序的标准，并为开发新的基于通用学习的跨模式注册算法开发机会。