Bayesovský model výpočetní anatomie - Bayesian model of computational anatomy

Výpočetní anatomie (CA) je disciplína uvnitř lékařské zobrazování se zaměřením na studium anatomického tvaru a formy ve viditelném nebo hrubý anatomický stupnice morfologie. Pole je široce definováno a zahrnuje základy v anatomie, aplikovaná matematika a čistá matematika, počítaje v to lékařské zobrazování, neurovědy, fyzika, pravděpodobnost, a statistika. Zaměřuje se spíše na zobrazované anatomické struktury než na lékařské zobrazovací zařízení. Centrální zaměření sub-pole výpočetní anatomie v rámci lékařské zobrazování je mapování informací napříč anatomickými souřadnicovými systémy, nejčastěji husté informace měřené v a obraz magnetické rezonance (MRI). Zavedení toků do CA, které jsou podobné pohybovým rovnicím používaným v dynamice tekutin, využívá představu, že husté souřadnice při analýze obrazu sledují Lagrangian a Eulerian pohybové rovnice. V modelech založených na Lagrangeových a Euleriánských tocích difeomorfismů je omezení spojeno s topologickými vlastnostmi, jako jsou zachovány otevřené množiny, souřadnice nepřekračující implikující jedinečnost a existenci inverzního mapování a připojené sady zůstávající připojené. Využívání difeomorfních metod rychle rostlo, aby ovládlo pole mapovacích metod po Christensenově[1]originální papír s rychlými a symetrickými metodami.[2][3]

Hlavní statistický model

Model zdrojového kanálu zobrazující zdroj obrázků deformovatelnou šablonu a výstup kanálu spojený se senzorem MRI

Ústřední statistický model výpočetní anatomie v kontextu lékařské zobrazování byl model zdrojového kanálu Shannonova teorie; zdrojem je deformovatelná šablona obrázků , výstupy kanálu jsou zobrazovací senzory s pozorovatelnými (viz obrázek). Důležitost modelu zdrojového kanálu spočívá v tom, že variace v anatomické konfiguraci jsou modelovány odděleně od variace senzorů lékařských snímků. The Bayesova teorie diktuje, že model je charakterizován předchozím zdrojem, na a podmíněná hustota na pozorovatelném

podmíněno .

V teorii deformovatelných šablon jsou obrázky propojeny se šablonami, s deformacemi skupina, která působí na šablonu; viz skupinová akce ve výpočetní anatomii Pro obrazovou akci , potom předchozí ve skupině vyvolá předchozí na obrázcích , psaný jako hustoty log-posterior má formu

Následující model náhodné oběžné dráhy určuje, jak generovat prvky skupiny, a tedy náhodný rozstřik objektů, které tvoří předchozí distribuci.

Náhodný orbitální model výpočetní anatomie

Karton zobrazující náhodnou oběžnou dráhu mozku prostřednictvím hladkého potrubí.
Oběžné dráhy mozků spojené s akcí difeomorfní skupiny na šablonách zobrazených prostřednictvím plynulého toku spojeného s geodetickými toky s náhodným postřikem spojeným s náhodným generováním počátečního vektorového pole tečného prostoru ; publikoval v.

The náhodný model oběžné dráhy of Computational Anatomy poprvé objevil v[4][5][6] modelování změny v souřadnicích spojených s náhodností skupiny působící na šablony, což vyvolává náhodnost zdroje obrazů v anatomické oběžné dráze tvarů a forem a výsledná pozorování pomocí lékařských zobrazovacích zařízení. Takový náhodný model oběžné dráhy ve kterém náhodnost na skupině vyvolává náhodnost na obrázcích byla zkoumána pro speciální euklidovskou skupinu pro rozpoznávání objektů, ve kterých byl prvek skupiny byla speciální euklidovská skupina v.[7]

Pro studium deformovatelného tvaru v CA jsou vysoce dimenzionální skupiny difeomorfismu používané ve výpočetní anatomii generovány plynulými toky které splňují Lagrangeovu a Eulerovu specifikaci tokových polí splňujících obyčejnou diferenciální rovnici:

Ukazující lagraniánský tok souřadnic s přidruženými vektorovými poli vyhovující obyčejné diferenciální rovnici .

 

 

 

 

(Lagrangeův tok)

s vektorová pole nazval Eulerian rychlost částic v poloze toku. Vektorová pole jsou funkce ve funkčním prostoru, modelované jako vyhlazování Hilbert prostor s vektorovými poli s 1-spojitou derivací. Pro , inverze toku je dána vztahem

 

 

 

 

(Eulerianflow)

a Jacobian matrix for flow in uveden jako

Pro zajištění plynulého toku difeomorfismů s inverzí, vektorová pole musí být alespoň 1krát nepřetržitě diferencovatelné v prostoru[8][9] které jsou modelovány jako prvky Hilbertova prostoru za použití Sobolev vkládání vět tak, aby každý prvek má 3-čtvercové integrovatelné deriváty. Tím pádem plynulé vložení do jednorázových nepřetržitě diferencovatelných funkcí.[8][9] Skupina difeomorfismu jsou toky s vektorovými poli absolutně integrovatelnými v Sobolevově normě:

 

 

 

 

(Skupina difomomorfismu)

kde s lineární operátor definující normu RKHS. Integrál se počítá integrací po částech, když je zobecněná funkce v duálním prostoru .

Riemannova exponenciální

V náhodný orbitální model výpočetní anatomie, celý tok je redukován na počáteční stav, který tvoří souřadnice kódující difeomorfismus. Od počátečního stavu poté geodetické polohování vzhledem k Riemannova metrika výpočetní anatomie řeší tok Euler-Lagrangeovy rovnice. Řešení geodetiky z počátečního stavu se nazývá Riemannovo-exponenciální, mapování při identitě do skupiny.

Riemannovský exponenciál uspokojuje pro počáteční stav , dynamika vektorového pole ,

  • pro klasickou rovnici diffeomorfní tvar hybnosti , , pak
  • tedy pro zobecněnou rovnici ,

Je rozšířena na celou skupinu, Na přiloženém obrázku je znázorněno náhodné oběžné dráhy kolem každého exempláře, , generované randomizací toku generováním počátečního vektorového pole tečného prostoru v identitě a poté generování náhodného objektu .

Obrázek ukazuje náhodně syntetizované struktury
Obrázek znázorňující náhodný rozstřik syntetizovaných subkortikálních struktur rozložený v dvojrozměrné mřížce představující rozptyl vlastní funkce použité pro hybnost syntézy.

Na obrázku vpravo na oběžné dráze komiksu je znázorněn náhodný nástřik podkorporálních variet generovaných náhodným výběrem vektorových polí podporované přes podmanifolds. Náhodný model oběžné dráhy indukuje předchozí tvary a obrázky podmíněné konkrétním atlasem . Za tímto účelem generativní model generuje střední pole jako náhodná změna souřadnic šablony podle , kde se difeomorfní změna souřadnic generuje náhodně prostřednictvím geodetických toků.

Odhad MAP v orbitálním modelu s více atlasy

Náhodný model oběžné dráhy indukuje předchozí tvary a obrázky podmíněné konkrétním atlasem . Za tímto účelem generativní model generuje střední pole jako náhodná změna souřadnic šablony podle , kde se difeomorfní změna souřadnic generuje náhodně prostřednictvím geodetických toků. Předchozí na náhodných transformacích na je indukován tokem , s vytvořeno jako Gaussovo náhodné pole před . Hustota náhodných pozorovatelných látek na výstupu snímače jsou dány

Maximální a posteriori odhad Odhad (MAP) je pro moderní použití zásadní statistická teorie. Zajímavé parametry mít mnoho forem včetně (i) ​​typu onemocnění, jako je neurodegenerativní nebo neurovývojový nemoci, (ii) typ struktury, jako jsou kortikální nebo subkortikální struktury v problémech spojených se segmentací obrazů, a (iii) rekonstrukce šablony z populací. Vzhledem k pozorovanému obrazu , Odhad MAP maximalizuje zadní:

To vyžaduje výpočet podmíněných pravděpodobností . Vícenásobný model oběžné dráhy atlasu náhodně rozděluje početnou sadu atlasů . Model na obrázcích na oběžné dráze má formu multimodální distribuce směsi

Podmíněný Gaussův model byl důkladně zkoumán pro nepřesné porovnávání v hustých obrazech a pro porovnávání mezníků.

Hustá emage shoda

Modelka podmíněně podmíněné Gaussovo náhodné pole, střední pole, . Pro jednotnou odchylku hrají termíny chyby koncového bodu roli podmíněného protokolu (pouze funkce středního pole), který dává termín koncového bodu:

 

 

 

 

(Podmíněné Gaussian)

Shoda mezníků

Modelka jako podmíněně Gaussian se středním polem , konstantní změna šumu nezávislá na orientačních bodech Podmíněný protokol (pouze funkce středního pole) lze zobrazit jako termín koncového bodu:

Segmentace MAP na základě více atlasů

Náhodný model oběžné dráhy pro více atlasů modeluje oběžnou dráhu tvarů jako spojení přes více anatomických oběžných drah generovaných ze skupinové akce diffeomorfismů, , přičemž každý atlas má šablonu a předdefinované segmentační pole . začlenění parcelace do anatomických struktur souřadnic MRI. Páry jsou indexovány přes mřížku voxelů s obrazem MRI a hustým označením všech souřadnic voxelů. Anatomické značení parcelovaných struktur jsou ruční vymezení neuroanatomy.

Bayesův problém segmentace[10] je dané měření se středním polem a rozdělením , anatomické označení . mustg musí být odhadnut pro měřený obraz MRI. Střední pole pozorovatelného obrázek je modelován jako náhodná deformace z jedné ze šablon , který je také náhodně vybrán, , Optimální difeomorfismus je skrytý a působí na pozadí pozadí souřadnic náhodně vybraného obrázku šablony . Dostal jediný atlas , model pravděpodobnosti pro odvození je určen společnou pravděpodobností ; s více atlasy získá fúze funkcí pravděpodobnosti model multimodální směsi s předchozím průměrováním nad modely.

Odhad MAP segmentace je maximalizátor daný , což zahrnuje směs přes všechny atlasy.

Množství se počítá fúzí pravděpodobností z více deformovatelných atlasů, s je předchozí pravděpodobnost, že se pozorovaný obraz vyvíjí z konkrétního obrazu šablony .

Segmentaci MAP lze iteračně vyřešit pomocí maximalizace očekávání algoritmus

MAP odhad objemových šablon z populací a EM algoritmus

Empirické generování šablon z populací je základní disciplínou všudypřítomnou pro danou disciplínu. Objevilo se několik metod založených na Bayesiánských statistikách pro podmanifoldy a husté objemy obrazů. problém je odhadnout šablonu na oběžné dráze hustých obrazů . Main postup trvá počáteční hypertemplate jako výchozí bod a modeluje šablonu na oběžné dráze pod neznámým, aby se odhadoval diffeomorfismus , s parametry, které mají být odhadnuty, log-souřadnice určení geodetického mapování hyper-šablony .

V Bayesovský model náhodné oběžné dráhy výpočetní anatomie pozorované obrazy MRI jsou modelovány jako podmíněně Gaussovo náhodné pole se středním polem , s náhodná neznámá transformace šablony. Problémem odhadu MAP je odhad neznámé šablony vzhledem k pozorovaným MRI obrazům.

Main postup pro husté snímky trvá počáteční hypertemplate jako výchozí bod a modeluje šablonu na oběžné dráze pod neznámým, aby se odhadoval diffeomorfismus . Pozorovatelné objekty jsou modelovány jako podmíněná náhodná pole, A podmíněné Gaussian náhodné pole se středním polem . Neznámá proměnná, která se má explicitně odhadnout pomocí MAP, je mapování hyper-šablony , s ostatními mapováními považovanými za obtěžující nebo skryté proměnné, které jsou integrovány pomocí Bayesovy procedury. Toho je dosaženo pomocí maximalizace očekávání algoritmus.

Orbitový model se využívá spojením neznámých odhadovaných toků s jejich logickými souřadnicemi přes Riemannianův geodetický protokol a exponenciální pro výpočetní anatomie počáteční vektorové pole v tečném prostoru v identitě tak, že , s mapování hyper-šablony. Problém s odhadem MAP se stane

Algoritmus EM bere jako úplná data souřadnice vektorového pole parametrizující mapování, a iterativně vypočítat podmíněné očekávání

  • Vypočítejte novou šablonu maximalizující Q-funkci, nastavení
  • Vypočtěte aproximaci režimu pro očekávání aktualizující očekávané hodnoty pro hodnoty režimu:

Reference

  1. ^ Christensen, G. E.; Rabbitt, R.D .; Miller, M.I. (01.02.1996). "Deformovatelné šablony využívající velkou deformační kinematiku". Transakce IEEE na zpracování obrazu. 5 (10): 1435–1447. Bibcode:1996ITIP ... 5.1435C. doi:10.1109/83.536892. PMID  18290061.
  2. ^ Ashburner, J. (červenec 2007). Msgstr "Rychlý algoritmus difeomorfní registrace obrazu". NeuroImage. 38 (1): 95–113. doi:10.1016 / j.neuroimage.2007.07.007. PMID  17761438.
  3. ^ Avants, B. B .; Epstein, C. L .; Grossman, M .; Gee, J. C. (2008-02-01). „Symetrická diffeomorfní registrace obrazu s vzájemnou korelací: hodnocení automatizovaného značení staršího a neurodegenerativního mozku“. Analýza lékařského obrazu. 12 (1): 26–41. doi:10.1016 / j.media.2007.06.004. ISSN  1361-8423. PMC  2276735. PMID  17659998.
  4. ^ Miller, Michael; Banerjee, Ayananshu; Christensen, Gary; Joshi, Sarang; Khaneja, Navin; Grenander, Ulf; Matejic, Larissa (01.06.1997). "Statistické metody ve výpočetní anatomii". Statistické metody v lékařském výzkumu. 6 (3): 267–299. doi:10.1177/096228029700600305. PMID  9339500.
  5. ^ U. Grenander a M. I. Miller (08.02.2007). Teorie vzorů: Od reprezentace k závěru. Oxford University Press. ISBN  9780199297061.
  6. ^ Miller a S.Mori a X. Tang a D. Tward a Y. Zhang (2015-02-14). Bayesovské více deformovatelných šablon Atlas. Mapování mozku: encyklopedická reference. Akademický tisk. ISBN  9780123973160.
  7. ^ Srivastava, S .; Miller, M. I .; Grenander, U. (01.01.1997). Byrnes, Christopher I .; Datta, Biswa N .; Martin, Clyde F .; Gilliam, David S. (eds.). Ergodické algoritmy pro speciální euklidovské skupiny pro ATR. Systémy a řízení: Základy a aplikace. Birkhäuser Boston. 327–350. CiteSeerX  10.1.1.44.4751. doi:10.1007/978-1-4612-4120-1_18. ISBN  978-1-4612-8662-2.
  8. ^ A b P. Dupuis, U. Grenander, M.I. Miller, Existence Solutions on Flows of Diffeomorphisms, Quarterly of Applied Math, 1997.
  9. ^ A b Trouvé, A. (1995). "Akce skupiny dimenzí infinie a průzkumné formy". Comptes Rendus de l'Académie des Sciences, Série I (francouzsky). 321 (8): 1031–1034.
  10. ^ Tang, Xiaoying; Oishi, Kenichi; Faria, Andreia V .; Hillis, Argye E .; Albert, Marilyn S .; Mori, Susumu; Miller, Michael I. (2013-06-18). „Bayesiánský odhad parametrů a segmentace v modelu náhodných orbitů Multi-Atlas“. PLOS ONE. 8 (6): e65591. Bibcode:2013PLoSO ... 865591T. doi:10.1371 / journal.pone.0065591. PMC  3688886. PMID  23824159.