Диффеоморфометрия - Diffeomorphometry

Диффеоморфометрия метрическое исследование образов, форм и форм в дисциплине вычислительная анатомия (CA) в медицинская визуализация. Изучение изображений в вычислительная анатомия полагаться на многомерные диффеоморфизм группы которые порождают орбиты вида , в которых изображения может быть плотным скаляром магнитный резонанс или же компьютерная аксиальная томография изображений. За деформируемые формы это коллекция коллекторы , точки, кривые и поверхности. Диффеоморфизмы перемещают изображения и фигуры по орбите в соответствии с которые определяются как групповые действия вычислительной анатомии.

Орбита фигур и форм превращается в метрическое пространство путем наведения метрики на группу диффеоморфизмов. Изучение метрик на группах диффеоморфизмов и изучение метрик между многообразиями и поверхностями было областью значительных исследований.[1][2][3][4][5][6] В разделе «Вычислительная анатомия» показатель диффеоморфометрии измеряет, насколько близко и далеко друг от друга находятся две фигуры или изображения. Неофициально метрика строится путем определения потока диффеморфизмов которые соединяют элементы группы друг с другом, поэтому для тогда . Тогда метрика между двумя системами координат или диффеоморфизмами является кратчайшей длиной или геодезический поток соединяя их. Метрика на пространстве, связанном с геодезическими, задается формулой. Метрики на орбитах наследуются от метрики, индуцированной на группе диффеоморфизмов.

Группа таким образом превращается в гладкую Риманово многообразие с римановой метрикой связанных с касательными пространствами вообще . В Риманова метрика удовлетворяет в каждой точке многообразия существует внутренний продукт введение нормы на касательное пространство который плавно меняется по .

Часто знакомые Евклидова метрика не применяется напрямую, потому что образцы форм и изображений не образуют векторное пространство. в Риманова орбитальная модель вычислительной анатомии, диффеоморфизмы, действующие на формы не действуйте линейно. Есть много способов определить показатели, и для наборов, связанных с формированием Метрика Хаусдорфа Другой. Метод, используемый для индукции Риманова метрика состоит в том, чтобы вызвать метрику на орбите фигур путем определения ее в терминах длины метрики между преобразованиями диффеоморфной системы координат потоков. Измерение длин геодезического потока между системами координат на орбите фигур называется диффеоморфометрия.

Группа диффеоморфизмов, порожденная лагранжевыми и эйлеровыми потоками

Диффеоморфизмы в вычислительная анатомия генерируются для удовлетворения Лагранжева и эйлерова спецификация полей течения, , порожденная обыкновенным дифференциальным уравнением

 

 

 

 

(Лагранжев поток)

с векторными полями Эйлера в за . Обратный поток дается выражениеми Матрица Якоби для потоков в дан как

Чтобы обеспечить гладкие потоки диффеоморфизмов с обратными, векторные поля должен быть хотя бы один раз непрерывно дифференцируемым в пространстве[7][8] которые моделируются как элементы гильбертова пространства с использованием Соболев теоремы вложения так, чтобы каждый элемент имеет 3-квадратично интегрируемые производные, таким образом, следует плавно вкладывается в одноразовые непрерывно дифференцируемые функции.[7][8] Группа диффеоморфизмов - это потоки с векторными полями, абсолютно интегрируемыми в норме Соболева:

 

 

 

 

(Группа диффеоморфизмов)

Модель римановой орбиты

Формы в Вычислительная анатомия (CA) изучаются с помощью диффеоморфного отображения для установления соответствий между анатомическими системами координат. В этой настройке трехмерные медицинские изображения моделируются как диффеморфные преобразования некоторого образца, называемого шаблоном. , в результате чего наблюдаемые изображения являются элементами случайного орбитальная модель КА. Для изображений они определены как , с для карт, представляющих подмногообразия, обозначенные как .

Риманова метрика

Орбита форм и форм в Computational Anatomy генерируется действием группы , . Они превращаются в римановы орбиты путем введения метрики, связанной с каждой точкой и связанным с ней касательным пространством. Для этого определена метрика на группе, которая индуцирует метрику на орбите. В качестве метрики для Вычислительная анатомия на каждом элементе касательного пространства в группе диффеоморфизмов

с векторными полями, смоделированными как находящиеся в гильбертовом пространстве с нормой в Гильбертово пространство . Мы моделируем как воспроизводящее ядро ​​гильбертова пространство (RKHS) определяется 1-1, дифференциальным оператором , куда является двойным пространством. В целом, является обобщенной функцией или распределением, линейная форма, связанная с внутренним продуктом, и норма для обобщенных функций интерпретируются путем интегрирования по частям в соответствии с для ,

Когда , векторная плотность,

Дифференциальный оператор подбирается так, чтобы Ядро Грина связанный с обратным, достаточно гладкий, так что векторные поля поддерживают 1-непрерывную производную. В Вложение Соболева Аргументы теоремы были приведены для демонстрации того, что 1-непрерывная производная требуется для гладких потоков. В Зелень оператор, созданный из Функция Грина (скалярный случай), связанный с дифференциальным оператором гладкости.

Для правильного выбора тогда является РХС с оператором . Ядра Грина, связанные с дифференциальным оператором, сглаживаются, поскольку для управления достаточным количеством производных в интегральном квадратическом смысле ядро непрерывно дифференцируем по обеим переменным, откуда

Диффеоморфометрия пространства форм и форм

Правоинвариантная метрика на диффеоморфизмах

Метрика на группе диффеоморфизмов определяется расстоянием, как определено на парах элементов в группе диффеоморфизмов согласно

 

 

 

 

(метрика-диффеоморфизмы)

Это расстояние обеспечивает правоинвариантную метрику диффеоморфометрии,[9][10][11] инвариантен к изменению параметров пространства, поскольку для всех ,

Метрика форм и форм

Расстояние на изображениях,[12] ,


 

 

 

 

(метрические формы-формы)

Расстояние по формам и формам,[13] ,


 

 

 

 

(метрические формы-формы)

Метрика геодезических потоков ориентиров, поверхностей и объемов на орбите

Для вычисления метрики геодезические - это динамическая система, поток координат и управление векторным полем связанный через Гамильтонов взгляд[14][15][16][17][18] изменяет параметры распределения импульса с точки зрения Гамильтонов импульс, множитель Лагранжа ограничение лагранжевой скорости .соответственно:

В Принцип максимума Понтрягина[14] дает гамильтониан Оптимизирующее векторное поле с динамикой . Вдоль геодезической гамильтониан постоянен:[19]. Метрическое расстояние между системами координат, связанными через геодезическую, определяемое индуцированным расстоянием между единицей и элементом группы:

Геодезические ориентиры или точки

За ориентиры, , гамильтонов импульс

с гамильтоновой динамикой, имеющей вид

с

Метрика между ориентирами

Динамика, связанная с этими геодезическими, показана на сопровождающем рисунке.

Наземные геодезические

За поверхности, гамильтониан импульс определяется по поверхности имеет гамильтониан

и динамика

Метрика между координатами поверхности

Объемные геодезические

За тома гамильтониан

с динамикой

Метрика между объемами

Программное обеспечение для диффеоморфного отображения

Программные комплексы содержащие множество алгоритмов диффеоморфного отображения, включают следующее:

Облачное программное обеспечение

Рекомендации

  1. ^ Miller, M. I .; Юнес, Л. (01.01.2001). «Групповые действия, гомеоморфизмы и сопоставление: общие рамки». Международный журнал компьютерного зрения. 41 (1–2): 61–84. Дои:10.1023 / А: 1011161132514. ISSN  0920-5691.
  2. ^ Юнес, Л. (1998-04-01). «Вычислимые упругие расстояния между формами». Журнал SIAM по прикладной математике. 58 (2): 565–586. CiteSeerX  10.1.1.45.503. Дои:10.1137 / S0036139995287685.
  3. ^ Мио, Вашингтон; Шривастава, Анудж; Джоши, Шантану (25 сентября 2006 г.). «О форме плоских упругих кривых». Международный журнал компьютерного зрения. 73 (3): 307–324. CiteSeerX  10.1.1.138.2219. Дои:10.1007 / s11263-006-9968-0.
  4. ^ Michor, Питер В .; Мамфорд, Дэвид; Шах, Джаянт; Юнес, Лоран (2008). «Метрика на пространстве форм с явной геодезией». Ренд. Lincei Mat. Appl. (). 9 (2008): 25–57. arXiv:0706.4299. Bibcode:2007arXiv0706.4299M.
  5. ^ Michor, Питер В .; Мамфорд, Дэвид (2007). «Обзор римановых метрик на пространствах кривых с использованием гамильтонова подхода». Прикладной и вычислительный гармонический анализ. 23 (1): 74–113. arXiv:математика / 0605009. Дои:10.1016 / j.acha.2006.07.004.
  6. ^ Куртек, Себастьян; Классен, Эрик; Гор, Джон С .; Дин, Чжаохуа; Шривастава, Анудж (01.09.2012). «Упругие геодезические пути в пространстве форм параметризованных поверхностей». IEEE Transactions по анализу шаблонов и машинному анализу. 34 (9): 1717–1730. Дои:10.1109 / TPAMI.2011.233. PMID  22144521.
  7. ^ а б П. Дюпюи, У. Гренандер, М.И. Миллер, Существование решений на потоках диффеоморфизмов, Quarterly of Applied Math, 1997.
  8. ^ а б А. Труве. Действие группы бесконечного измерения и разведки в формах. C R Acad Sci Paris Sér I Math, 321 (8): 1031–1034, 1995.
  9. ^ Miller, M. I .; Юнес, Л. (01.01.2001). «Групповые действия, гомеоморфизмы и сопоставление: общие рамки». Международный журнал компьютерного зрения. 41: 61–84. CiteSeerX  10.1.1.37.4816. Дои:10.1023 / А: 1011161132514.
  10. ^ Миллер, М. I; Юнес, L; Труве, А (2014). «Диффеоморфометрия и системы геодезического позиционирования для анатомии человека». Технологии. 2 (1): 36. Дои:10.1142 / S2339547814500010. ЧВК  4041578. PMID  24904924.
  11. ^ Миллер, Майкл I .; Труве, Ален; Юнес, Лоран (01.01.2015). "Гамильтоновы системы и оптимальное управление в вычислительной анатомии: 100 лет после Д'Арси Томпсона". Ежегодный обзор биомедицинской инженерии. 17 (1): 447–509. Дои:10.1146 / annurev-bioeng-071114-040601. PMID  26643025.
  12. ^ Miller, M. I .; Юнес, Л. (01.01.2001). «Групповые действия, гомеоморфизмы и сопоставление: общие рамки». Международный журнал компьютерного зрения. 41: 61–84. CiteSeerX  10.1.1.37.4816. Дои:10.1023 / А: 1011161132514.
  13. ^ Миллер, Майкл I .; Юнес, Лоран; Труве, Ален (март 2014 г.). «Диффеоморфометрия и системы геодезического позиционирования для анатомии человека». Технологии. 2 (1): 36. Дои:10.1142 / S2339547814500010. ISSN  2339-5478. ЧВК  4041578. PMID  24904924.
  14. ^ а б Миллер, Майкл I .; Труве, Ален; Юнес, Лоран (01.01.2015). "Гамильтоновы системы и оптимальное управление в вычислительной анатомии: 100 лет после Д'арси Томпсона". Ежегодный обзор биомедицинской инженерии. 17 (1): ноль. Дои:10.1146 / annurev-bioeng-071114-040601. PMID  26643025.
  15. ^ Глаунес Дж, Труве А, Юнес Л. 2006. Моделирование изменения плоской формы с помощью гамильтоновых потоков кривых // Статистика и анализ форм / Под ред. H Krim, A Yezzi Jr, стр. 335–61. Модель. Simul. Sci. Англ. Technol.Boston: Birkhauser
  16. ^ Arguillère S, Trélat E, Trouvé A, Younes L. 2014. Анализ деформации формы с точки зрения оптимального управления. arXiv:1401.0661 [math.OC]
  17. ^ Миллер, Мичиган; Юнес, L; Труве, А (2014). «Диффеоморфометрия и системы геодезического позиционирования для анатомии человека». Технологии (Singap World Sci). 2: 36. Дои:10.1142 / S2339547814500010. ЧВК  4041578. PMID  24904924.
  18. ^ Michor, Питер В .; Мамфорд, Дэвид (2007-07-01). «Обзор римановых метрик на пространствах кривых с использованием гамильтонова подхода». Прикладной и вычислительный гармонический анализ. Специальный выпуск по математической визуализации. 23 (1): 74–113. arXiv:математика / 0605009. Дои:10.1016 / j.acha.2006.07.004.
  19. ^ Миллер, Майкл I .; Труве, Ален; Юнес, Лоран (01.01.2015). "Гамильтоновы системы и оптимальное управление в вычислительной анатомии: 100 лет после Д'Арси Томпсона". Ежегодный обзор биомедицинской инженерии. 17 (1): 447–509. Дои:10.1146 / annurev-bioeng-071114-040601. PMID  26643025.
  20. ^ «Программное обеспечение - Стэнли Дуррлеман». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  21. ^ Avants, Brian B .; Тастисон, Николас Дж .; Песня, Банда; Кук, Филип А .; Кляйн, Арно; Джи, Джеймс С. (01.02.2011). «Воспроизводимая оценка эффективности метрики сходства ANT при регистрации изображений мозга». NeuroImage. 54 (3): 2033–2044. Дои:10.1016 / j.neuroimage.2010.09.025. ISSN  1053-8119. ЧВК  3065962. PMID  20851191.
  22. ^ Эшбёрнер, Джон (2007-10-15). «Быстрый алгоритм регистрации диффеоморфных изображений». NeuroImage. 38 (1): 95–113. Дои:10.1016 / j.neuroimage.2007.07.007. PMID  17761438.
  23. ^ «Программное обеспечение - Том Веркаутерен». sites.google.com. Получено 2015-12-11.
  24. ^ Бег, М. Фейсал; Миллер, Майкл I .; Труве, Ален; Юнес, Лоран (01.02.2005). "Вычисление метрических отображений большой деформации с помощью геодезических потоков диффеоморфизмов". Международный журнал компьютерного зрения. 61 (2): 139–157. Дои:10.1023 / B: VISI.0000043755.93987.aa. ISSN  0920-5691.
  25. ^ «Сравнение алгоритмов для диффеоморфной регистрации: стационарный LDDMM и диффеоморфные демоны (доступна загрузка PDF)». ResearchGate. Получено 2017-12-02.
  26. ^ «MRICloud». Университет Джона Хопкинса. Получено 1 января 2015.