Lung 4D CT Image Registration Based on High-Order Markov Random Field

图像配准 马尔可夫随机场 计算机科学 马尔可夫链 人工智能 算法 拓扑(电路) 数学优化 计算机视觉 数学 图像(数学) 图像分割 机器学习 组合数学
作者
Peng Xue,Enqing Dong,Huizhong Ji
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:39 (4): 910-921 被引量:18
标识
DOI:10.1109/tmi.2019.2937458
摘要

To solve the problem that traditional image registration methods based on continuous optimization for large motion lung 4D CT image sequences are easy to fall into local optimal solutions and lead to serious misregistration, a novel image registration method based on high-order Markov Random Field (MRF) is proposed. By analyzing the effect of the deformation field constraint of the potential functions with different order cliques in MRF model, energy functions with high-order cliques form are designed separately for 2D and 3D images to preserve topology of the deformation field. In order to preserve the topology of the deformation field more effectively, it is necessary to apply a smooth term and a topology preservation term simultaneously in the energy function and use logarithmic function to impose a penalty on the Jacobian matrix with high-order cliques in the topology preservation term. For the complexity of the designed energy function with high-order cliques form, Markov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithm is used to solve the optimization problem of the designed energy function. To address the high computational requirements in lung 4D CT image registration, a multi-level processing strategy is adopted to reduce the space complexity of the proposed registration method and promotes the computational efficiency. In the DIR-lab dataset with 4D CT images and the COPD (Chronic Obstructive Pulmonary Disease) dataset with 3D CT images, the average target registration error (TRE) of our proposed method can reach 0.95 mm respectively.
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