医疗图像注册和细分是多种临床程序的关键任务。这些任务的手动实现是耗时的，质量高度取决于医师的专业水平。为了减轻这项费力的任务，已经开发了自动工具，其中大多数解决方案都是有监督的技术。但是，在医疗领域中，拥有代表性的基础真理的强有力假设远非现实。为了克服这一挑战，已经研究了无监督的技术。但是，它们的性能仍然有限，并且无法产生合理的结果。在这项工作中，我们提出了一个新型的统一的无监督框架，用于图像注册和分割，我们称为PC-Swinmorph。我们框架的核心是两种基于补丁的策略，我们证明补丁表示是性能增益的关键。我们首先引入了基于补丁的对比策略，该策略可执行当地条件和更丰富的特征表示。其次，我们利用一个3D窗口/移动的窗口多头自发项模块作为补丁缝制策略，以消除贴片分裂中的人工制品。我们通过一组数值和视觉结果证明，我们的技术优于当前最新的无监督技术。

医疗图像分割是一项相关任务，因为它是多个诊断过程的第一步，因此在临床使用中是必不可少的。尽管已经使用监督技术报告了重大成功，但他们假设一套具有良好代表性的标签集。这是在医学领域中的一个有力的假设，在医学领域，注释昂贵，耗时且人类偏见固有。为了解决这个问题，文献中已经提出了无监督的技术，但由于学习任何转换模式的困难，它仍然是一个开放的问题。在这项工作中，我们介绍了一个新型的优化模型，构成了一个新的基于CNN的对比登记结构，用于无监督的医学图像分割。我们方法的核心是从对比度学习机制中利用图像级注册和特征级别，以执行基于注册的细分。首先，我们提出了一个体系结构，以通过注册进行无监督的医学图像分割来捕获图像到图像转换模式。其次，我们将一种对比的学习机制嵌入了注册体系结构中，以增强网络在功能级别中的区分能力。我们表明，我们提出的技术减轻了现有无监督技术的主要缺点。我们通过数值和视觉实验证明，我们的技术在两个主要的医疗图像数据集上的当前无监督分割方法显着优于当前的最新无监督分割方法。

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。

目的：在手术规划之前，CT图像中肝血管的分割是必不可少的，并引起了医学图像分析界的广泛兴趣。由于结构复杂，对比度背景下，自动肝脏血管分割仍然特别具有挑战性。大多数相关的研究采用FCN，U-Net和V-Net变体作为骨干。然而，这些方法主要集中在捕获多尺度局部特征，这可能导致由于卷积运营商有限的地区接收领域而产生错误分类的体素。方法：我们提出了一种强大的端到端血管分割网络，通过将SWIN变压器扩展到3D并采用卷积和自我关注的有效组合，提出了一种被称为电感偏置的多头注意船网（IBIMHAV-NET）的稳健端到端血管分割网络。在实践中，我们介绍了Voxel-Wise嵌入而不是修补程序嵌入，以定位精确的肝脏血管素，并采用多尺度卷积运营商来获得局部空间信息。另一方面，我们提出了感应偏置的多头自我关注，其学习从初始化的绝对位置嵌入的归纳偏置相对位置嵌入嵌入。基于此，我们可以获得更可靠的查询和键矩阵。为了验证我们模型的泛化，我们测试具有不同结构复杂性的样本。结果：我们对3Dircadb数据集进行了实验。四种测试病例的平均骰子和敏感性为74.8％和77.5％，超过现有深度学习方法的结果和改进的图形切割方法。结论：拟议模型IBIMHAV-Net提供一种具有交错架构的自动，精确的3D肝血管分割，可更好地利用CT卷中的全局和局部空间特征。它可以进一步扩展到其他临床数据。

计算机辅助医学图像分割已广泛应用于诊断和治疗，以获得靶器官和组织的形状和体积的临床有用信息。在过去的几年中，基于卷积神经网络（CNN）的方法（例如，U-Net）占主导地位，但仍遭受了不足的远程信息捕获。因此，最近的工作提出了用于医学图像分割任务的计算机视觉变压器变体，并获得了有希望的表现。这种变压器通过计算配对贴片关系来模拟远程依赖性。然而，它们促进了禁止的计算成本，尤其是在3D医学图像（例如，CT和MRI）上。在本文中，我们提出了一种称为扩张变压器的新方法，该方法在本地和全球范围内交替捕获的配对贴片关系进行自我关注。灵感来自扩张卷积核，我们以扩张的方式进行全球自我关注，扩大接收领域而不增加所涉及的斑块，从而降低计算成本。基于这种扩展变压器的设计，我们构造了一个用于3D医学图像分割的U形编码器解码器分层体系结构。 Synapse和ACDC数据集的实验表明，我们的D-Ager Model从头开始培训，以低计算成本从划痕训练，优于各种竞争力的CNN或基于变压器的分段模型，而不耗时的每训练过程。

视觉变形金刚（VIT）S表现出可观的全球和本地陈述的自我监督学习表现，可以转移到下游应用程序。灵感来自这些结果，我们介绍了一种新的自我监督学习框架，具有用于医学图像分析的定制代理任务。具体而言，我们提出：（i）以新的3D变压器为基础的型号，被称为往返变压器（Swin Unet），具有分层编码器，用于自我监督的预训练; （ii）用于学习人类解剖学潜在模式的定制代理任务。我们展示了来自各种身体器官的5,050个公共可用的计算机断层扫描（CT）图像的提出模型的成功预培训。通过微调超出颅穹窿（BTCV）分割挑战的预先调整训练模型和来自医疗细分牌组（MSD）数据集的分割任务，通过微调训练有素的模型来验证我们的方法的有效性。我们的模型目前是MSD和BTCV数据集的公共测试排行榜上的最先进的（即第1号）。代码：https://monai.io/research/swin-unetr.

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.

Segmenting the fine structure of the mouse brain on magnetic resonance (MR) images is critical for delineating morphological regions, analyzing brain function, and understanding their relationships. Compared to a single MRI modality, multimodal MRI data provide complementary tissue features that can be exploited by deep learning models, resulting in better segmentation results. However, multimodal mouse brain MRI data is often lacking, making automatic segmentation of mouse brain fine structure a very challenging task. To address this issue, it is necessary to fuse multimodal MRI data to produce distinguished contrasts in different brain structures. Hence, we propose a novel disentangled and contrastive GAN-based framework, named MouseGAN++, to synthesize multiple MR modalities from single ones in a structure-preserving manner, thus improving the segmentation performance by imputing missing modalities and multi-modality fusion. Our results demonstrate that the translation performance of our method outperforms the state-of-the-art methods. Using the subsequently learned modality-invariant information as well as the modality-translated images, MouseGAN++ can segment fine brain structures with averaged dice coefficients of 90.0% (T2w) and 87.9% (T1w), respectively, achieving around +10% performance improvement compared to the state-of-the-art algorithms. Our results demonstrate that MouseGAN++, as a simultaneous image synthesis and segmentation method, can be used to fuse cross-modality information in an unpaired manner and yield more robust performance in the absence of multimodal data. We release our method as a mouse brain structural segmentation tool for free academic usage at https://github.com/yu02019.

可变形的图像配准能够在一对图像之间实现快速准确的对准，因此在许多医学图像研究中起着重要作用。当前的深度学习（DL）基础的图像登记方法通过利用卷积神经网络直接从一个图像到另一个图像的空间变换，要求地面真相或相似度量。然而，这些方法仅使用全局相似性能量函数来评估一对图像的相似性，该图像忽略了图像内的感兴趣区域（ROI）的相似性。此外，基于DL的方法通常估计直接图像的全球空间转换，这永远不会注意图像内ROI的区域空间转换。在本文中，我们介绍了一种具有区域一致性约束的新型双流转换网络，其最大化了一对图像内的ROI的相似性，并同时估计全局和区域空间转换。四个公共3D MRI数据集的实验表明，与其他最先进的方法相比，该方法可实现准确性和泛化的最佳登记性能。

卷积神经网络（CNN）已成为医疗图像分割任务的共识。但是，由于卷积操作的性质，它们在建模长期依赖性和空间相关性时受到限制。尽管最初开发了变压器来解决这个问题，但它们未能捕获低级功能。相比之下，证明本地和全球特征对于密集的预测至关重要，例如在具有挑战性的环境中细分。在本文中，我们提出了一种新型方法，该方法有效地桥接了CNN和用于医学图像分割的变压器。具体而言，我们使用开创性SWIN变压器模块和一个基于CNN的编码器设计两个多尺度特征表示。为了确保从上述两个表示获得的全局和局部特征的精细融合，我们建议在编码器编码器结构的跳过连接中提出一个双层融合（DLF）模块。在各种医学图像分割数据集上进行的广泛实验证明了Hiformer在计算复杂性以及定量和定性结果方面对其他基于CNN的，基于变压器和混合方法的有效性。我们的代码可在以下网址公开获取：https：//github.com/amirhossein-kz/hiformer

Transformer-based models, capable of learning better global dependencies, have recently demonstrated exceptional representation learning capabilities in computer vision and medical image analysis. Transformer reformats the image into separate patches and realize global communication via the self-attention mechanism. However, positional information between patches is hard to preserve in such 1D sequences, and loss of it can lead to sub-optimal performance when dealing with large amounts of heterogeneous tissues of various sizes in 3D medical image segmentation. Additionally, current methods are not robust and efficient for heavy-duty medical segmentation tasks such as predicting a large number of tissue classes or modeling globally inter-connected tissues structures. Inspired by the nested hierarchical structures in vision transformer, we proposed a novel 3D medical image segmentation method (UNesT), employing a simplified and faster-converging transformer encoder design that achieves local communication among spatially adjacent patch sequences by aggregating them hierarchically. We extensively validate our method on multiple challenging datasets, consisting anatomies of 133 structures in brain, 14 organs in abdomen, 4 hierarchical components in kidney, and inter-connected kidney tumors). We show that UNesT consistently achieves state-of-the-art performance and evaluate its generalizability and data efficiency. Particularly, the model achieves whole brain segmentation task complete ROI with 133 tissue classes in single network, outperforms prior state-of-the-art method SLANT27 ensembled with 27 network tiles, our model performance increases the mean DSC score of the publicly available Colin and CANDI dataset from 0.7264 to 0.7444 and from 0.6968 to 0.7025, respectively.

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。

Owing to the success of transformer models, recent works study their applicability in 3D medical segmentation tasks. Within the transformer models, the self-attention mechanism is one of the main building blocks that strives to capture long-range dependencies, compared to the local convolutional-based design. However, the self-attention operation has quadratic complexity which proves to be a computational bottleneck, especially in volumetric medical imaging, where the inputs are 3D with numerous slices. In this paper, we propose a 3D medical image segmentation approach, named UNETR++, that offers both high-quality segmentation masks as well as efficiency in terms of parameters and compute cost. The core of our design is the introduction of a novel efficient paired attention (EPA) block that efficiently learns spatial and channel-wise discriminative features using a pair of inter-dependent branches based on spatial and channel attention. Our spatial attention formulation is efficient having linear complexity with respect to the input sequence length. To enable communication between spatial and channel-focused branches, we share the weights of query and key mapping functions that provide a complimentary benefit (paired attention), while also reducing the overall network parameters. Our extensive evaluations on three benchmarks, Synapse, BTCV and ACDC, reveal the effectiveness of the proposed contributions in terms of both efficiency and accuracy. On Synapse dataset, our UNETR++ sets a new state-of-the-art with a Dice Similarity Score of 87.2%, while being significantly efficient with a reduction of over 71% in terms of both parameters and FLOPs, compared to the best existing method in the literature. Code: https://github.com/Amshaker/unetr_plus_plus.

集成多模式数据以改善医学图像分析，最近受到了极大的关注。但是，由于模态差异，如何使用单个模型来处理来自多种模式的数据仍然是一个开放的问题。在本文中，我们提出了一种新的方案，以实现未配对多模式医学图像的更好的像素级分割。与以前采用模式特异性和模态共享模块的以前方法不同，以适应不同方式的外观差异，同时提取共同的语义信息，我们的方法基于具有精心设计的外部注意模块（EAM）的单个变压器来学习在训练阶段，结构化的语义一致性（即语义类表示及其相关性）。在实践中，可以通过分别在模态级别和图像级别实施一致性正则化来逐步实现上述结构化语义一致性。采用了提出的EAM来学习不同尺度表示的语义一致性，并且一旦模型进行了优化，就可以丢弃。因此，在测试阶段，我们只需要为所有模态预测维护一个变压器，这可以很好地平衡模型的易用性和简单性。为了证明所提出的方法的有效性，我们对两个医学图像分割方案进行了实验：（1）心脏结构分割，（2）腹部多器官分割。广泛的结果表明，所提出的方法的表现优于最新方法，甚至通过极有限的训练样本（例如1或3个注释的CT或MRI图像）以一种特定的方式来实现竞争性能。

多年来，卷积神经网络（CNN）已成为多种计算机视觉任务的事实上的标准。尤其是，基于开创性体系结构（例如具有跳过连接的U形模型）或具有金字塔池的Artous卷积的深度神经网络已针对广泛的医学图像分析任务量身定制。此类架构的主要优点是它们容易拘留多功能本地功能。然而，作为一般共识，CNN无法捕获由于卷积操作的固有性能的内在特性而捕获长期依赖性和空间相关性。另外，从全球信息建模中获利的变压器源于自我发项机制，最近在自然语言处理和计算机视觉方面取得了出色的表现。然而，以前的研究证明，局部和全局特征对于密集预测的深层模型至关重要，例如以不同的形状和配置对复杂的结构进行分割。为此，本文提出了TransDeeplab，这是一种新型的DeepLab样纯变压器，用于医学图像分割。具体而言，我们用移动的窗口利用层次旋转式变形器来扩展DeepLabV3并建模非常有用的空间金字塔池（ASPP）模块。对相关文献的彻底搜索结果是，我们是第一个用基于纯变压器模型对开创性DeepLab模型进行建模的人。关于各种医学图像分割任务的广泛实验证明，我们的方法在视觉变压器和基于CNN的方法的合并中表现出色或与大多数当代作品相提并论，并显着降低了模型复杂性。代码和训练有素的模型可在https://github.com/rezazad68/transdeeplab上公开获得

Fully Convolutional Neural Networks (FCNNs) with contracting and expanding paths have shown prominence for the majority of medical image segmentation applications since the past decade. In FCNNs, the encoder plays an integral role by learning both global and local features and contextual representations which can be utilized for semantic output prediction by the decoder. Despite their success, the locality of convolutional layers in FCNNs, limits the capability of learning long-range spatial dependencies. Inspired by the recent success of transformers for Natural Language Processing (NLP) in long-range sequence learning, we reformulate the task of volumetric (3D) medical image segmentation as a sequence-to-sequence prediction problem. We introduce a novel architecture, dubbed as UNEt TRansformers (UNETR), that utilizes a transformer as the encoder to learn sequence representations of the input volume and effectively capture the global multi-scale information, while also following the successful "U-shaped" network design for the encoder and decoder. The transformer encoder is directly connected to a decoder via skip connections at different resolutions to compute the final semantic segmentation output. We have validated the performance of our method on the Multi Atlas Labeling Beyond The Cranial Vault (BTCV) dataset for multiorgan segmentation and the Medical Segmentation Decathlon (MSD) dataset for brain tumor and spleen segmentation tasks. Our benchmarks demonstrate new state-of-the-art performance on the BTCV leaderboard. Code: https://monai.io/research/unetr

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。

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。

变形金刚占据了自然语言处理领域，最近影响了计算机视觉区域。在医学图像分析领域中，变压器也已成功应用于全栈临床应用，包括图像合成/重建，注册，分割，检测和诊断。我们的论文旨在促进变压器在医学图像分析领域的认识和应用。具体而言，我们首先概述了内置在变压器和其他基本组件中的注意机制的核心概念。其次，我们回顾了针对医疗图像应用程序量身定制的各种变压器体系结构，并讨论其局限性。在这篇综述中，我们调查了围绕在不同学习范式中使用变压器，提高模型效率及其与其他技术的耦合的关键挑战。我们希望这篇评论可以为读者提供医学图像分析领域的读者的全面图片。