Finding a realistic deformation that transforms one image into another, in case large deformations are required, is considered a key challenge in medical image analysis. Having a proper image registration approach to achieve this could unleash a number of applications requiring information to be transferred between images. Clinical adoption is currently hampered by many existing methods requiring extensive configuration effort before each use, or not being able to (realistically) capture large deformations. A recent multi-objective approach that uses the Multi-Objective Real-Valued Gene-pool Optimal Mixing Evolutionary Algorithm (MO-RV-GOMEA) and a dual-dynamic mesh transformation model has shown promise, exposing the trade-offs inherent to image registration problems and modeling large deformations in 2D. This work builds on this promise and introduces MOREA: the first evolutionary algorithm-based multi-objective approach to deformable registration of 3D images capable of tackling large deformations. MOREA includes a 3D biomechanical mesh model for physical plausibility and is fully GPU-accelerated. We compare MOREA to two state-of-the-art approaches on abdominal CT scans of 4 cervical cancer patients, with the latter two approaches configured for the best results per patient. Without requiring per-patient configuration, MOREA significantly outperforms these approaches on 3 of the 4 patients that represent the most difficult cases.


翻译:在需要大变形的情况下,找到一种将一幅图像变换为另一幅图像的符合实际的形变,被视为医学图像分析中的关键挑战。若能有恰当的图像配准方法实现这一目标,将催生众多需要图像间信息传递的应用。目前,许多现有方法因每次使用前需要大量配置工作,或无法(实际地)捕捉大变形,阻碍了临床推广。近期一种结合多目标实值基因池最优混合进化算法(MO-RV-GOMEA)与双动态网格变形模型的多目标方法显示出潜力,揭示了图像配准问题中固有的权衡关系,并在二维领域实现了大变形建模。本研究在此潜力基础上提出MOREA:首个基于进化算法、能够处理大变形的三维图像可变形配准多目标方法。MOREA包含一个用于物理合理性的三维生物力学网格模型,并实现了完全GPU加速。我们将MOREA与两种最新方法在4名宫颈癌患者的腹部CT扫描数据上进行对比,后两种方法针对每位患者进行了最优配置。在无需按患者进行配置的情况下,MOREA在代表最困难病例的4例患者中的3例上显著优于这些方法。

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图像配准是图像处理研究领域中的一个典型问题和技术难点,其目的在于比较或融合针对同一对象在不同条件下获取的图像,例如图像会来自不同的采集设备,取自不同的时间,不同的拍摄视角等等,有时也需要用到针对不同对象的图像配准问题。具体地说,对于一组图像数据集中的两幅图像,通过寻找一种空间变换把一幅图像映射到另一幅图像,使得两图中对应于空间同一位置的点一一对应起来,从而达到信息融合的目的。 该技术在计算机视觉、医学图像处理以及材料力学等领域都具有广泛的应用。根据具体应用的不同,有的侧重于通过变换结果融合两幅图像,有的侧重于研究变换本身以获得对象的一些力学属性。
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