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。

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。

从电影心脏磁共振（CMR）成像中恢复心脏的3D运动可以评估区域心肌功能，对于理解和分析心血管疾病很重要。但是，3D心脏运动估计是具有挑战性的，因为获得的Cine CMR图像通常是2D切片，它限制了对整个平面运动的准确估计。为了解决这个问题，我们提出了一个新颖的多视图运动估计网络（Mulvimotion），该网络集成了以短轴和长轴平面获取的2D Cine CMR图像，以学习心脏的一致性3D运动场。在提出的方法中，构建了一个混合2D/3D网络，以通过从多视图图像中学习融合表示形式来生成密集的3D运动场。为了确保运动估计在3D中保持一致，在训练过程中引入了形状正则化模块，其中利用了来自多视图图像的形状信息，以提供3D运动估计的弱监督。我们对来自英国生物银行研究的580名受试者的2D Cine CMR图像进行了广泛评估，用于左心室心肌的3D运动跟踪。实验结果表明，该方法在定量和定性上优于竞争方法。

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。

基于治疗期间的单投影图像的器官形状重建具有广泛的临床范围，例如在图像引导放射治疗和手术指导中。我们提出了一种图形卷积网络，该网络实现了用于单视点2D投影图像的3D器官网格的可变形登记。该框架使得能够同时训练两种类型的变换：从2D投影图像到位移图，以及从采样的每周顶点特征到满足网格结构的几何约束的3D位移。假设申请放射治疗，验证了2D / 3D可变形的登记性能，用于尚未瞄准迄今为止，即肝脏，胃，十二指肠和肾脏以及胰腺癌的多个腹部器官。实验结果表明，考虑多个器官之间的关系的形状预测可用于预测临床上可接受的准确性的数字重建射线照片的呼吸运动和变形。

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。

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.

解剖标志的本地化对于临床诊断，治疗计划和研究至关重要。在本文中，我们提出了一种新的深网络，名为特征聚合和细化网络（Farnet），用于自动检测解剖标记。为了减轻医疗领域的培训数据有限的问题，我们的网络采用了在自然图像上预先培训的深网络，因为骨干网络和几个流行的网络进行了比较。我们的FARNET还包括多尺度特征聚合模块，用于多尺度特征融合和用于高分辨率热图回归的特征精制模块。粗细的监督应用于两个模块，以方便端到端培训。我们进一步提出了一种名为指数加权中心损耗的新型损失函数，用于准确的热爱回归，这侧重于地标附近的像素的损失并抑制了远处的损失。我们的网络已经在三个公开的解剖学地标检测数据集中进行了评估，包括头部测量射线照片，手射线照片和脊柱射线照相，并在所有三个数据集上实现最先进的性能。代码可用：\ url {https://github.com/juvenileinwind/farnet}

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。

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。

作为许多医疗应用的重要上游任务，监督的地标本地化仍然需要不可忽略的注释成本才能实现理想的绩效。此外，由于繁琐的收集程序，医疗地标数据集的规模有限，会影响大规模自我监督的预训练方法的有效性。为了应对这些挑战，我们提出了一个两阶段的单次医疗地标本地化框架，该框架首先通过无监督的注册从标记的示例中删除了地标，以便未​​标记的目标，然后利用这些嘈杂的伪标签来训练健壮的探测器。为了处理重要的结构变化，我们在包含边缘信息的新型损失函数的指导下学习了全球对齐和局部变形的端到端级联。在第二阶段，我们探索了选择可靠的伪标签和半监视学习的跨矛盾的自持矛盾。我们的方法在不同身体部位的公共数据集上实现了最先进的表现，这证明了其一般适用性。

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。

Deformable registration of two-dimensional/three-dimensional (2D/3D) images of abdominal organs is a complicated task because the abdominal organs deform significantly and their contours are not detected in two-dimensional X-ray images. We propose a supervised deep learning framework that achieves 2D/3D deformable image registration between 3D volumes and single-viewpoint 2D projected images. The proposed method learns the translation from the target 2D projection images and the initial 3D volume to 3D displacement fields. In experiments, we registered 3D-computed tomography (CT) volumes to digitally reconstructed radiographs generated from abdominal 4D-CT volumes. For validation, we used 4D-CT volumes of 35 cases and confirmed that the 3D-CT volumes reflecting the nonlinear and local respiratory organ displacement were reconstructed. The proposed method demonstrate the compatible performance to the conventional methods with a dice similarity coefficient of 91.6 \% for the liver region and 85.9 \% for the stomach region, while estimating a significantly more accurate CT values.

在医学领域，MRI的地标检测在减少扫描计划，图像登记等中的任务中减少医疗技术人员努力方面发挥着重要作用。首先，88个地标在三个相应的观点中分布在三个相应的观点中 - 矢状，冠状动脉和轴向手动注释，专家临床技术人员的后期准则被划分解剖学，以便更好地定位现有地标，以便即使在斜扫描中也定位重要的地图标志性地标。为了克服有限的数据可用性，我们实施现实的数据增强以生成合成3D容量数据。我们使用修改后的HIGHRES3DNET模型来解决脑MRI容量的地标检测问题。为了在视觉上解释我们的培训模型，并从较弱的模型中辨别更强的模型，我们实现了梯度加权类激活映射（GRAC-CAM），它产生突出显示模型聚焦的区域的粗糙定位图。我们的实验表明，该方法显示出有利的结果，并且整个管道可以扩展到可变数量的地标和其他解剖。

晚期钆增强磁共振成像（LGE MRI）通常用于可视化和量化左心房（LA）疤痕。疤痕的位置和程度提供了心理生理学和心房颤动进展的重要信息（AF）。因此，LGE MRI的La Scar分段和量化可用于AF患者的计算机辅助诊断和治疗分层。由于手动描绘可能是耗时的，并且经过专家内和专家间变异性，因此非常需要自动化这种计算，这然而仍然仍然具有挑战性和研究。本文旨在为La腔，墙壁，瘢痕和消融差距分割和LGE MRI的定量提供系统审查，以及AF研究的相关文献。具体而言，我们首先总结AF相关的成像技术，特别是LGE MRI。然后，我们详细介绍了四个计算任务的方法，并总结了每个任务中应用的验证策略。最后，概述了未来可能的未来发展，简要调查了上述方法的潜在临床应用。审查表明，该主题的研究仍处于早期阶段。虽然已经提出了几种方法，但特别是对于LA分割，由于与图像采集的高度变化相关的性能问题和图像采集差异有关的性能问题，仍有很大的算法发展。

Purpose: This study aims to explore training strategies to improve convolutional neural network-based image-to-image registration for abdominal imaging. Methods: Different training strategies, loss functions, and transfer learning schemes were considered. Furthermore, an augmentation layer which generates artificial training image pairs on-the-fly was proposed, in addition to a loss layer that enables dynamic loss weighting. Results: Guiding registration using segmentations in the training step proved beneficial for deep-learning-based image registration. Finetuning the pretrained model from the brain MRI dataset to the abdominal CT dataset further improved performance on the latter application, removing the need for a large dataset to yield satisfactory performance. Dynamic loss weighting also marginally improved performance, all without impacting inference runtime. Conclusion: Using simple concepts, we improved the performance of a commonly used deep image registration architecture, VoxelMorph. In future work, our framework, DDMR, should be validated on different datasets to further assess its value.

图像引导放射疗法中的CBCT为患者的设置和计划评估提供了关键的解剖学信息。纵向CBCT图像登记可以量化分裂间的解剖变化。这项研究的目的是提出一个无监督的基于深度学习的CBCT-CBCT变形图像登记。提出的可变形注册工作流程包括训练和推理阶段，这些培训和推理阶段通过基于空间转换的网络（STN）共享相同的进率前路。 STN由全球生成对抗网络（Globalgan）和本地GAN（Localgan）组成，分别预测了粗略和细尺度运动。通过最小化图像相似性损失和可变形矢量场（DVF）正则化损失，而无需监督地面真实DVF的训练，对网络进行了训练。在推理阶段，训练有素的Localgan预测了局部DVF的斑块，并融合形成全图像DVF。随后将局部全图像DVF与Globalgan生成的DVF合并以获得最终的DVF。在实验中，使用来自20名腹部癌症患者的100个分数CBCT评估了该方法，并在保持测试中来自21名不同腹部癌症患者的队列中的105个分数CBCT。从定性上讲，注册结果显示了变形的CBCT图像与目标CBCT图像之间的对齐。定量地，在基准标记和手动确定的地标计算的平均目标注册误差（TRE）为1.91+-1.11 mm。变形CBCT和目标CBCT之间的平均平均绝对误差（MAE），归一化的跨相关性（NCC）分别为33.42+-7.48 HU，0.94+-0.04。这种有希望的注册方法可以提供快速准确的纵向CBCT对准，以促进分流的解剖变化分析和预测。

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。

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。