In image-guided liver surgery, 3D-3D non-rigid registration methods play a crucial role in estimating the mapping between the preoperative model and the intraoperative surface represented as point clouds, addressing the challenge of tissue deformation. Typically, these methods incorporate a biomechanical model, represented as a finite element model (FEM), used to regularize a surface matching term. This paper introduces a novel 3D-3D non-rigid registration method. In contrast to the preceding techniques, our method uniquely incorporates the FEM within the surface matching term itself, ensuring that the estimated deformation maintains geometric consistency throughout the registration process. Additionally, we eliminate the need to determine zero-boundary conditions and applied force locations in the FEM. We achieve this by integrating soft springs into the stiffness matrix and allowing forces to be distributed across the entire liver surface. To further improve robustness, we introduce a regularization technique focused on the gradient of the force magnitudes. This regularization imposes spatial smoothness and helps prevent the overfitting of irregular noise in intraoperative data. Optimization is achieved through an accelerated proximal gradient algorithm, further enhanced by our proposed method for determining the optimal step size. Our method is evaluated and compared to both a learning-based method and a traditional method that features FEM regularization using data collected on our custom-developed phantom, as well as two publicly available datasets. Our method consistently outperforms or is comparable to the baseline techniques. Our code and datasets will be available at https://github.com/zixinyang9109/BCF-FEM.


翻译:在图像引导肝脏手术中,三维-三维非刚性配准方法对于估计术前模型与以点云形式表示的术中表面之间的映射关系至关重要,旨在解决组织形变带来的挑战。传统方法通常将生物力学模型(以有限元模型(FEM)表示)作为正则化项引入表面匹配项中。本文提出了一种新颖的三维-三维非刚性配准方法。与现有技术不同,本方法创新性地将FEM直接嵌入表面匹配项内部,确保估计的形变在整个配准过程中保持几何一致性。此外,我们无需在FEM中确定零边界条件及外力施加位置,这是通过在刚度矩阵中引入软弹簧单元并允许外力分布于整个肝脏表面实现的。为进一步提升鲁棒性,我们提出了一种针对力幅值梯度的正则化技术,该技术施加空间平滑性约束,有助于防止对术中数据中不规则噪声的过拟合。优化过程通过加速近端梯度算法实现,并辅以我们提出的最优步长确定方法以提升性能。我们在自主研发的体模采集数据及两个公开数据集上,将本方法与基于学习的方法以及采用FEM正则化的传统方法进行了对比评估。实验结果表明,本方法在各项指标上均优于或与基线方法相当。我们的代码与数据集将在https://github.com/zixinyang9109/BCF-FEM 公开。

0
下载
关闭预览

相关内容

Surface 是微软公司( Microsoft)旗下一系列使用 Windows 10(早期为 Windows 8.X)操作系统的电脑产品,目前有 Surface、Surface Pro 和 Surface Book 三个系列。 2012 年 6 月 18 日,初代 Surface Pro/RT 由时任微软 CEO 史蒂夫·鲍尔默发布于在洛杉矶举行的记者会,2012 年 10 月 26 日上市销售。
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员