在目前的生物和医学研究中，统计形状建模（SSM）提供了解剖/形态学表征的基本框架。这种分析通常通过识别群体样本中发现的相对少量的几何一致性特征来驱动。这些特征随后可以提供有关人口形状变化的信息。密集的对应模型可以提供易于计算，并在后面减小时产生可解释的低维形状描述符。然而，用于获得这种对应关系的自动方法通常需要图像分割，然后是显着的预处理，这在计算和人力资源方面都是征税。在许多情况下，分段和后续处理需要手动指导和解剖学特定域专业知识。本文提出了一种自我监督的深度学习方法，用于发现可以直接用作形状描述符的图像中的地标进行分析。我们使用地标驱动的图像登记作为主要任务，以强制神经网络发现井注册图像的地标。我们还提出了一个正则化术语，允许对神经网络的稳健优化进行稳健优化，并确保地标均匀跨越图像域。所提出的方法避免分割和预处理，并直接使用仅2D或3D图像产生可用的形状描述符。此外，我们还提出了在训练损失函数上提出了两个变体，允许将现有的形状信息集成到模型中。我们在几个2D和3D数据集上应用此框架以获取其形状描述符，并分析其实用程序以获取各种应用程序。

统计形状建模是解剖学群体定量分析的重要工具。点分布模型（PDMS）通过密集的相应关系，直观且易于使用的形状表示来表示解剖表面，用于后续应用。这些对应关系在两个坐标空间中展出：局部坐标，其描述每个单独解剖表面的几何特征和代表在给定队列中的样本的全局对准差异之后表示人口级统计形状信息的世界坐标。我们提出了一种基于深度学习的框架，它同时从容积图像中直接学习这两个坐标空间。建议的联合模型用于双重目的;世界界据可以直接用于形状分析应用，避免了传统PDM模型中涉及的重预处理和分段。另外，本地对应关系可用于解剖分段。我们展示了这种联合模型在推断解剖表面时形成了两个数据集的形状建模应用的效果。

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。

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.

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

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。

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。

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。

统计形状建模（SSM）是一种有价值且强大的工具，可以生成复杂解剖结构的详细表示，该解剖结构可以实现定量分析和形状及其变化的比较。 SSM应用数学，统计和计算来将形状解析为定量表示（例如对应点或地标），这些表示将有助于回答有关整个人群解剖学变化的各种问题。复杂的解剖结构具有许多不同的部分，具有不同的相互作用或复杂的结构。例如，心脏是四腔解剖结构，腔室之间有几个共同的边界。对于在整个身体中充分灌注末端器官，必要的心脏腔室的协调和有效收缩是必要的。这些心脏共享边界内的细微形状变化可以表明潜在的病理变化，导致不协调的收缩和末端器官灌注不良。早期检测和稳健的量化可以洞悉理想的治疗技术和干预时机。但是，现有的SSM方法无法明确对共享边界的统计数据进行建模。本文提出了一种通用且灵活的数据驱动方法，用于构建具有共同边界的多器官解剖结构的统计形状模型，可捕获单个解剖学及其在整个人群中共享边界表面的形态和对齐变化。我们通过开发形状模型来证明使用双脑室心脏数据集的提议方法的有效性，从而在整个人群数据中始终如一地参数化心脏双脑室结构和介入的室内隔膜（共享边界表面）。

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：我们对颅颌面（CMF）骨骼进行解剖地标，而无需明确分割它们。为此，我们提出了一种新的简单而有效的深层网络体系结构，称为\ textit {关系推理网络（RRN）}，以准确地学习CMF骨骼中地标之间的本地和全球关系；具体而言，下颌骨，上颌和鼻骨。方法：拟议的RRN以端到端的方式工作，利用基于密集块单元的地标的学习关系。对于给定的少数地标作为输入，RRN将地标的过程类似于数据推出问题，而数据插图问题被认为缺少了预测的地标。结果：我们将RRN应用于从250名患者获得的锥束计算机断层扫描扫描。使用4倍的交叉验证技术，我们获得了平均均方根误差，每个地标小于2 mm。我们提出的RRN揭示了地标之间的独特关系，这些关系帮助我们推断了关于地标的信息的几个\ textit {推理}。所提出的系统即使骨骼中存在严重的病理或变形，也可以准确地识别缺失的地标性位置。结论：准确识别解剖标志是CMF手术的变形分析和手术计划的关键步骤。实现这一目标而无需明确的骨骼分割解决了基于分割方法的主要局限性，在这种方法中，分割失败（在具有严重病理或变形的骨骼中通常情况下）很容易导致地标不正确。据我们所知，这是使用深度学习发现对象的解剖学关系的第一种此类算法。

对颅面畸形的评估需要稀疏可用的患者数据。统计形状模型提供了现实和合成数据，从而实现了公共数据集上现有方法的比较。我们建立了第一个公开可获得的颅骨肌肤肤化患者的统计3D头号，并将重点关注比1.5年更年轻的婴儿。对于通信建立，我们测试和评估四种模板变形方法。我们进一步提出了一种基于模型的基于模型的基于模型的分类方法，用于摄影测图表面扫描。据我们所知，我们的研究使用最大的Craniosynosisosis患者数据集，以迄今为止的粗糙化和统计形状建模的分类研究。我们展示了我们的形状模型与人头的其他统计形状模型类似。特异性抗皱性病理学在该模型的第一个特征模具中表示。关于Craniosynostis的自动分类，我们的分类方法能够提供97.3％的精度，与使用两种计算机断层扫描扫描和立体测量法进行的其他最先进的方法相当。我们公开的颅骨弯曲特异性统计形状模型能够评估粗糙化和合成数据的颅骨。我们进一步提出了一种基于最先进的形状模型的分类方法，用于无放射诊断性的颅骨。

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

The existence of completely aligned and paired multi-modal neuroimaging data has proved its effectiveness in diagnosis of brain diseases. However, collecting the full set of well-aligned and paired data is expensive or even impractical, since the practical difficulties may include high cost, long time acquisition, image corruption, and privacy issues. A realistic solution is to explore either an unsupervised learning or a semi-supervised learning to synthesize the absent neuroimaging data. In this paper, we are the first one to comprehensively approach cross-modality neuroimage synthesis task from different perspectives, which include the level of the supervision (especially for weakly-supervised and unsupervised), loss function, evaluation metrics, the range of modality synthesis, datasets (aligned, private and public) and the synthesis-based downstream tasks. To begin with, we highlight several opening challenges for cross-modality neuroimage sysnthesis. Then we summarize the architecture of cross-modality synthesis under various of supervision level. In addition, we provide in-depth analysis of how cross-modality neuroimage synthesis can improve the performance of different downstream tasks. Finally, we re-evaluate the open challenges and point out the future directions for the remaining challenges. All resources are available at https://github.com/M-3LAB/awesome-multimodal-brain-image-systhesis

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。

机器学习和计算机视觉技术近年来由于其自动化，适合性和产生惊人结果的能力而迅速发展。因此，在本文中，我们调查了2014年至2022年之间发表的关键研究，展示了不同的机器学习算法研究人员用来分割肝脏，肝肿瘤和肝脉管结构的研究。我们根据感兴趣的组织（肝果，肝肿瘤或肝毒剂）对被调查的研究进行了划分，强调了同时解决多个任务的研究。此外，机器学习算法被归类为受监督或无监督的，如果属于某个方案的工作量很大，则将进一步分区。此外，对文献和包含上述组织面具的网站发现的不同数据集和挑战进行了彻底讨论，强调了组织者的原始贡献和其他研究人员的贡献。同样，在我们的评论中提到了文献中过度使用的指标，这强调了它们与手头的任务的相关性。最后，强调创新研究人员应对需要解决的差距的关键挑战和未来的方向，例如许多关于船舶分割挑战的研究的稀缺性以及为什么需要早日处理他们的缺席。

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。

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。

病理学家需要结合不同染色病理切片的信息，以获得准确的诊断结果。可变形图像配准是融合多模式病理切片的必要技术。本文提出了一个基于混合特征的基于特征的可变形图像登记框架，用于染色的病理样品。我们首先提取密集的特征点，并通过两个深度学习功能网络执行匹配点。然后，为了进一步减少虚假匹配，提出了一种结合隔离森林统计模型和局部仿射校正模型的异常检测方法。最后，插值方法基于上述匹配点生成用于病理图像注册的DVF。我们在非刚性组织学图像注册（ANHIR）挑战的数据集上评估了我们的方法，该挑战与IEEE ISBI 2019会议共同组织。我们的技术的表现使传统方法的平均水平注册目标误差（RTRE）达到0.0034。所提出的方法实现了最先进的性能，并在评估测试数据集时将其排名1。提出的基于特征的混合特征的注册方法可能会成为病理图像注册的可靠方法。

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。