基于注册的Atlas Building经常在高维图像空间中造成计算挑战。在本文中，我们介绍了一种新的混合地图集建筑算法，该算法快速估计来自大规模图像数据集的图表，计算成本大大降低。与先前的方法相比，迭代地在估计的地图集和单个图像之间执行注册任务，我们建议使用从预先训练的神经网络的登记的学习前沿。这种新开发的混合框架具有（i）提供了一种有效的Atlas建筑工程，而不会失去结果的质量，以及（ii）在利用各种深度学习的注册方法提供灵活性。我们展示了这一提出模型对3D脑磁共振成像（MRI）扫描的有效性。

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。

差异图像注册是医学图像分析中的至关重要任务。最近基于学习的图像注册方法利用卷积神经网络（CNN）学习图像对之间的空间转换并达到快速推理速度。但是，这些方法通常需要大量的培训数据来提高其概括能力。在测试时间内，基于学习的方法可能无法提供良好的注册结果，这很可能是因为培训数据集的模型过于拟合。在本文中，我们提出了连续速度场（NEVF）的神经表示，以描述两个图像之间的变形。具体而言，该神经速度场为空间中的每个点分配了一个速度向量，该速度在对复杂变形场进行建模时具有更高的灵活性。此外，我们提出了一种简单的稀疏抽样策略，以减少差异注册的记忆消耗。提出的NEVF还可以与预先训练的基于学习的模型合并，该模型的预测变形被视为优化的初始状态。在两个大规模3D MR脑扫描数据集上进行的广泛实验表明，我们提出的方法的表现优于最先进的注册方法。

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。

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.

这项工作的目的是为弥漫性注册的深度学习方法的艺术造成贡献。我们提出了一种基于生成对抗网络的3D单模态图像对的对抗性学习LDDMM方法。该方法受到近期与对抗学习的可变形图像配准的文献的启发。我们将最佳性能的生成，鉴别和对抗性成分与在LDDMM范例内的最新状态中结合起来。我们已成功实施了两种模型，静止和扩展受限的非静止参数化的扩散形式。我们无人监督和数据饥饿的方法对基准监督和丰富数据方法的竞争性能表现出了竞争性能。此外，我们的方法显示了类似结果的基于模型的方法，其计算时间在一秒钟内。

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。

大脑的结构网络或结构连接组可以由多种拖拉机方法产生的纤维束表示。尽管这种方法给出了对大脑结构的定性见解，但对于它们是否可以提供定量信息，尤其是在人口水平上，却存在争议。为了实现结构连接组的人口级统计分析，我们提出代表连接组为Riemannian度量，这是无限二维流形的点。我们将这种歧管配备了Ebin Metric，这是该空间的自然度量结构，以获得Riemannian歧管及其相关的几何特性。然后，我们使用这个Riemannian框架应用面向对象的统计分析来将地图集定义为Riemannian指标人群的fr \'echet平均值。这种表述与现有的图像图像构造构造的现有框架相关联，使我们能够通过同时整合DWMRI的互补白质结构细节和T1加权MRI的皮质细节来构建多模式地图集。我们用Connectome注册和地图集组的2D数据示例说明了我们的框架。最后，我们使用从人类Connectome Project的主体子集估计的扩散张量衍生的T1图像和连接组构建了一个示例3D多模式地图集。

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）。

Template generation is a crucial step of groupwise image registration which deforms a group of subjects into a common space. Existing traditional and deep learning-based methods can generate high-quality template images. However, they suffer from substantial time costs or limited application scenarios like fixed group size. In this paper, we propose an efficient groupwise template generative framework based on variational autoencoder models utilizing the arithmetic property of latent representation of input images. We acquire the latent vectors of each input and use the average vector to construct the template through the decoder. Therefore, the method can be applied to groups of any scale. Secondly, we explore a siamese training scheme that feeds two images to the shared-weight twin networks and compares the distances between inputs and the generated template to prompt the template to be close to the implicit center. We conduct experiments on 3D brain MRI scans of groups of different sizes. Results show that our framework can achieve comparable and even better performance to baselines, with runtime decreased to seconds.

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

通常需要对术前和术后大脑图像进行注册，以评估脑神经胶质瘤治疗的有效性。尽管最近基于深度学习的可变形注册方法在健康的大脑图像方面取得了显着的成功，但由于参考图像中缺乏对应关系，它们中的大多数人将无法与病理相处。在本文中，我们提出了一种基于深度学习的可变形登记方法，该方法共同估计缺乏对应关系和双向变形场的区域。前向后的一致性约束用于帮助从两个图像中缺乏对应关系的体素的切除和复发区域的定位。来自Brats-Reg挑战的3D临床数据的结果表明，与传统和深度学习的注册方法相比，我们的方法可以改善图像对齐方式，无论是否具有成本函数掩盖策略。源代码可在https://github.com/cwmok/dirac上获得。

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。

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。

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。

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。

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。

Multimodal groupwise registration aligns internal structures in a group of medical images. Current approaches to this problem involve developing similarity measures over the joint intensity profile of all images, which may be computationally prohibitive for large image groups and unstable under various conditions. To tackle these issues, we propose BInGo, a general unsupervised hierarchical Bayesian framework based on deep learning, to learn intrinsic structural representations to measure the similarity of multimodal images. Particularly, a variational auto-encoder with a novel posterior is proposed, which facilitates the disentanglement learning of structural representations and spatial transformations, and characterizes the imaging process from the common structure with shape transition and appearance variation. Notably, BInGo is scalable to learn from small groups, whereas being tested for large-scale groupwise registration, thus significantly reducing computational costs. We compared BInGo with five iterative or deep learning methods on three public intrasubject and intersubject datasets, i.e. BraTS, MS-CMR of the heart, and Learn2Reg abdomen MR-CT, and demonstrated its superior accuracy and computational efficiency, even for very large group sizes (e.g., over 1300 2D images from MS-CMR in each group).

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。

用于医学图像重建的深度神经网络传统上使用高质量的地基图像作为训练目标训练。最近关于噪声的工作（N2N）已经示出了使用与具有地面真理的多个噪声测量的潜力。然而，现有的基于N2N的方法不适合于从经历非身份变形的物体的测量来学习。本文通过补偿对象变形来提出用于训练深层重建网络的变形补偿学习（DecoLearn）方法来解决此问题。DecoLearn的一个关键组件是一个深度登记模块，它与深度重建网络共同培训，没有任何地理监督。我们在模拟和实验收集的磁共振成像（MRI）数据上验证了甲板，并表明它显着提高了成像质量。