Swin-VoxelMorph: A Symmetric Unsupervised Learning Model for Deformable Medical Image Registration Using Swin Transformer

计算机科学 变压器 人工智能 图像配准 嵌入 计算机视觉 编码器 模式识别(心理学) 图像(数学) 量子力学 操作系统 物理 电压
作者
Yongpei Zhu,Lu Shi
出处
期刊:Lecture Notes in Computer Science [Springer Science+Business Media]
卷期号:: 78-87 被引量:38
标识
DOI:10.1007/978-3-031-16446-0_8
摘要

Deformable medical image registration is widely used in medical image processing with the invertible and one-to-one mapping between images. While state-of-the-art image registration methods are based on convolutional neural networks, few attempts have been made with Transformers which show impressive performance on computer vision tasks. Existing models neglect to employ attention mechanisms to handle the long-range cross-image relevance in embedding learning, limiting such approaches to identify the semantically meaningful correspondence of anatomical structures. These methods also ignore the topology preservation and invertibility of the transformation although they achieve fast image registration. In this paper, we propose a novel, symmetric unsupervised learning network Swin-VoxelMorph based on the Swin Transformer which minimizes the dissimilarity between images and estimates both forward and inverse transformations simultaneously. Specifically, we propose 3D Swin-UNet, which applies hierarchical Swin Transformer with shifted windows as the encoder to extract context features. And a symmetric Swin Transformer-based decoder with patch expanding layer is designed to perform the up-sampling operation to estimate the registration fields. Besides, our objective loss functions can guarantee substantial diffeomorphic properties of the predicted transformations. We verify our method on two datasets including ADNI and PPMI, and it achieves state-of-the-art registration accuracy while maintaining desirable diffeomorphic properties.
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