Quantification of uncertainty in deep-neural-networks (DNN) based image registration algorithms plays a critical role in the deployment of image registration algorithms for clinical applications such as surgical planning, intraoperative guidance, and longitudinal monitoring of disease progression or treatment efficacy as well as in research-oriented processing pipelines. Currently available approaches for uncertainty estimation in DNN-based image registration algorithms may result in sub-optimal clinical decision making due to potentially inaccurate estimation of the uncertainty of the registration stems for the assumed parametric distribution of the registration latent space. We introduce NPBDREG, a fully non-parametric Bayesian framework for uncertainty estimation in DNN-based deformable image registration by combining an Adam optimizer with stochastic gradient Langevin dynamics (SGLD) to characterize the underlying posterior distribution through posterior sampling. Thus, it has the potential to provide uncertainty estimates that are highly correlated with the presence of out of distribution data. We demonstrated the added-value of NPBDREG, compared to the baseline probabilistic VoxelMorph model (PrVXM), on brain MRI image registration using $390$ image pairs from four publicly available databases: MGH10, CMUC12, ISBR18 and LPBA40. The NPBDREG shows a better correlation of the predicted uncertainty with out-of-distribution data ($r>0.95$ vs. $r<0.5$) as well as a 7.3%improvement in the registration accuracy (Dice score, $0.74$ vs. $0.69$, $p \ll 0.01$), and 18% improvement in registration smoothness (percentage of folds in the deformation field, 0.014 vs. 0.017, $p \ll 0.01$). Finally, NPBDREG demonstrated a better generalization capability for data corrupted by a mixed structure noise (Dice score of $0.73$ vs. $0.69$, $p \ll 0.01$) compared to the baseline PrVXM approach.


翻译:以深神经网络为基础的图像登记算法(DNN)的不确定性的量化,在对临床应用,如外科规划、内科指导、疾病进展或治疗功效的纵向监测以及研究导向处理管道,部署图像登记算法(NPD)的不确定性的部署中,具有关键作用。 在基于DNN的图像登记算法中,现有的不确定性估算方法可能导致对注册的不确定性的不确定性的不准确估计,因为注册潜藏空间的假定参数分布。 我们引入了NPBDREG,这是完全非参数的基值基值基值基值框架,用于在以DNNNN为基值的临床应用中进行不确定性的估算,其方法是将亚当的优化与斯图梯梯梯梯梯梯梯梯级兰格或治疗疗效的纵向监测,从而有可能提供与发行数据的存在高度关联的不确定性估算。 我们展示了NPBDDREG的附加值,其基值为基值为40美元(PRMD),其基值为基值为40美元,其基值为40美元,其基值为40美元,其基值为40美元,其基值为40美元,其基值为MLDRDRMLDR 其基值为40,其基值为MLDR IM 其基值为40,其基值为MLDR,其基值为40,其基值为40,其基值。

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