Риманова метрика и скобка Ли в вычислительной анатомии
Судя по всему, основной автор этой статьи тесно связан с ее предметом. ( декабрь 2017 г. ) |
Вычислительная анатомия (КА) — это исследование формы и формы в медицинской визуализации . Изучение деформируемых форм в вычислительной анатомии основано на многомерных группах диффеоморфизмов. которые порождают орбиты вида . В CA эта орбита вообще считается гладким римановым многообразием. поскольку в каждой точке многообразия есть внутренний продукт, вызывающий норму в касательном пространстве которая плавно меняется от точки к точке в многообразии форм. . Это создается путем просмотра группа диффеоморфизмов как риманово многообразие с , связанный с касательным пространством в точке . Это индуцирует норму и метрику на орбите под действием группы диффеоморфизмов.
Группа диффеоморфизмов, порожденная лагранжевыми и эйлеровыми потоками
[ редактировать ]Диффеоморфизмы в вычислительной анатомии генерируются для удовлетворения лагранжевой и эйлеровой спецификации полей потока . , порожденный с помощью обыкновенного дифференциального уравнения
( Лагранжев поток ) |
с эйлеровыми векторными полями в для , с обратным потоком, заданным выражением
( Эйлеров поток ) |
и Матрица Якоби для потоков в дано как
Для обеспечения гладкости потоков диффеоморфизмов с обратными векторные поля должна быть хотя бы 1-кратно непрерывно дифференцируема в пространстве [1] [2] которые моделируются как элементы гильбертова пространства используя теоремы вложения Соболева так, чтобы каждый элемент имеет производные, интегрируемые с 3 квадратами, поэтому следует гладко вкладывается в 1-раз непрерывно дифференцируемые функции. [1] [2] Группа диффеоморфизмов — это потоки с векторными полями, абсолютно интегрируемыми в соболевской норме:
( Группа диффеоморфизмов ) |
Модель римановой орбиты
[ редактировать ]Формы в вычислительной анатомии (КА) изучаются с помощью диффеоморфного отображения для установления соответствий между анатомическими системами координат. В этом случае трехмерные медицинские изображения моделируются как диффеморфные преобразования некоторого образца, называемого шаблоном. , в результате чего наблюдаемые изображения становятся элементами модели случайной орбиты CA . Для изображений они определяются как , где для диаграмм, представляющих подмногообразия, обозначаются как .
Риманова метрика
[ редактировать ]Орбита фигур и форм в вычислительной анатомии создается групповым действием. . Это превращается в риманову орбиту путем введения метрики, связанной с каждой точкой и соответствующим касательным пространством. Для этого на группе определяется метрика, индуцирующая метрику на орбите. Возьмем в качестве метрики вычислительной анатомии для каждого элемента касательного пространства. в группе диффеоморфизмов
- ,
с векторными полями, смоделированными так, чтобы они находились в гильбертовом пространстве с нормой в гильбертовом пространстве. . Мы моделируем как воспроизводящее ядро гильбертова пространства (RKHS), определяемое 1-1 дифференциальным оператором . Для распределение или обобщенная функция, линейная форма определяет норму: и внутренний продукт для в соответствии с
где интеграл вычисляется интегрированием по частям для обобщенная функция двойное пространство. Дифференциальный оператор выбирается так, чтобы ядро Грина, связанное с обратным, было достаточно гладким, чтобы векторные поля поддерживали 1-непрерывную производную .
Правоинвариантная метрика на диффеоморфизмах
[ редактировать ]Метрика группы диффеоморфизмов определяется расстоянием, определенным на парах элементов в группе диффеоморфизмов согласно
( метрические диффеоморфизмы ) |
Это расстояние обеспечивает правоинвариантную метрику диффеоморфометрии, [3] [4] [5] инвариантен к перепараметризации пространства, поскольку для всех ,
Скобка Ли в группе диффеоморфизмов
[ редактировать ]Скобка Ли дает корректировку члена скорости, возникающего в результате возмущения движения в условиях искривленных пространств. Использование принципа наименьшего действия Гамильтона позволяет получить оптимизирующие потоки как критическую точку для интеграла действия интеграла кинетической энергии. Скобка Ли для векторных полей в вычислительной анатомии была впервые введена Миллером, Труве и Юнесом. [6] Вывод вычисляет возмущение на векторных полях через производную по времени группового возмущения, скорректированного коррекцией скобки Ли векторных полей в этой настройке функции с участием матрицы Якоби, в отличие от случая матричной группы:
данный | ( сопряженная скобка Лие ) |
Доказательство: Доказательство того, что скобка Ли векторных полей принимает возмущение потока первого порядка в точке. .
Скобка Ли дает изменение векторного поля первого порядка относительно изменения первого порядка потока.
Обобщенное уравнение Эйлера–Лагранжа для метрики на диффеоморфных потоках
[ редактировать ]Уравнение Эйлера-Лагранжа можно использовать для расчета геодезических потоков через группу, которая составляет основу метрики. Интеграл действия для лагранжиана кинетической энергии принципа Гамильтона принимает вид
( Интеграл действия Гамильтона ) |
Интеграл действия через векторное поле соответствует интегрированию кинетической энергии
Геодезические соединения кратчайших путей на орбите определяются с помощью принципа наименьшего действия Гамильтона, требующего вариаций первого порядка решений на орбитах вычислительной анатомии, которые основаны на вычислении критических точек на метрической длине или энергии пути. Исходный вывод уравнения Эйлера [7] связанный с геодезическим потоком диффеоморфизмов, использует обобщенное функциональное уравнение, когда является распределением или обобщенной функцией, принимает вариацию интеграла действия первого порядка с помощью сопряженного оператора для скобки Ли ( сопряженная скобка Лия ) дает для всех гладких ,
Использование кронштейна и дает
( ЭЛ-Генерал ) |
значит все гладко
Уравнение ( общее Эйлера ) — это уравнение Эйлера, когда диффеоморфный импульс формы является обобщенной функцией. [8] Это уравнение было названо EPDiff, уравнением Эйлера – Пуанкаре для диффеоморфизмов, и изучалось в контексте механики жидкости для несжимаемых жидкостей с метрика. [9] [10]
Риманова экспонента для позиционирования
[ редактировать ]В модели случайной орбиты Вычислительной анатомии весь поток сводится к начальному состоянию, которое формирует координаты, кодирующие диффеоморфизм, а также обеспечивает средства позиционирования информации на орбите. Впервые это была система геодезического позиционирования Миллера, Труве и Юнеса. [4] Из начального состояния тогда геодезическое позиционирование относительно римановой метрики вычислительной анатомии решает поток уравнения Эйлера-Лагранжа. Решение геодезической из начального условия называется римановой экспонентой, отображением при принадлежности к группе.
Риманова экспонента удовлетворяет для исходного состояния , динамика векторного поля ,
- для классического уравнения о диффеоморфном шейп-импульсе как гладком векторе с уравнение Эйлера существует в классическом смысле, впервые полученном для плотности: [11]
- для обобщенного уравнения , затем
Это распространился на всю группу, .
Вариационная задача сопоставления или регистрации информации о системе координат в вычислительной анатомии.
[ редактировать ]Сопоставление информации в различных системах координат имеет центральное значение для вычислительной анатомии . Добавление соответствующего термина к интегралу действия уравнения ( интегралу действия Гамильтона ) который представляет целевую конечную точку
Член конечной точки добавляет граничное условие для уравнения Эйлера-Лагранжа ( EL-General ) что дает уравнение Эйлера с граничным членом. Взятие вариации дает
- Необходимое геодезическое условие:
Доказательство: [11] Доказательство с помощью вариационного исчисления использует приведенные выше возмущения и аргументы классического вариационного исчисления.
Условия конечной геодезической точки Эйлера – Лагранжа для сопоставления изображений
[ редактировать ]Самые ранние алгоритмы диффеоморфного метрического картографирования большой деформации ( LDDMM ) решали проблемы сопоставления, связанные с изображениями и зарегистрированными ориентирами. находятся в векторном пространстве. Геодезическое уравнение сопоставления изображений удовлетворяет классическому динамическому уравнению с условием конечной точки. Необходимые условия геодезической для сопоставления изображений имеют форму классического уравнения ( EL-Classic ) Эйлера-Лагранжа с граничными условиями:
- Необходимое геодезическое условие:
Условия конечной геодезической точки Эйлера – Лагранжа для сопоставления ориентиров
[ редактировать ]Зарегистрированная задача сопоставления ориентиров удовлетворяет динамическому уравнению для обобщенных функций с условием конечной точки:
- Необходимые геодезические условия:
Доказательство: [11]
Вариант требует вариации обратного обобщает матричное возмущение обратного через предоставление предоставление
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б П. Дюпюи, У. Гренандер, М. И. Миллер, Существование решений на потоках диффеоморфизмов, Ежеквартальный журнал прикладной математики, 1997.
- ^ Перейти обратно: а б А. Найден. Бесконечномерное групповое действие и распознавание образов. CR Acad Sci Paris Sér I Math, 321 (8): 1031–1034, 1995.
- ^ Миллер, Мичиган; Юнес, Л. (1 января 2001 г.). «Групповые действия, гомеоморфизмы и сопоставление: общие принципы». Международный журнал компьютерного зрения . 41 : 61–84. CiteSeerX 10.1.1.37.4816 . дои : 10.1023/A:1011161132514 . S2CID 15423783 .
- ^ Перейти обратно: а б Миллер, Майкл И.; Юнес, Лоран; Труве, Ален (01 марта 2014 г.). «Диффеоморфометрия и системы геодезического позиционирования для анатомии человека» . Технология . 2 (1): 36–43. дои : 10.1142/S2339547814500010 . ISSN 2339-5478 . ПМК 4041578 . ПМИД 24904924 .
- ^ Миллер, Майкл И.; Труве, Ален; Юнес, Лоран (1 января 2015 г.). «Гамильтоновы системы и оптимальное управление в вычислительной анатомии: 100 лет со времен Д'Арси Томпсона». Ежегодный обзор биомедицинской инженерии . 17 (1): 447–509. doi : 10.1146/annurev-bioeng-071114-040601 . ПМИД 26643025 .
- ^ Миллер, Майкл И.; Труве, Ален; Юнес, Лоран (31 января 2006 г.). «Геодезическая съемка для вычислительной анатомии» . Журнал математического изображения и видения . 24 (2): 209–228. дои : 10.1007/s10851-005-3624-0 . ISSN 0924-9907 . ПМЦ 2897162 . ПМИД 20613972 .
- ^ Миллер, Майкл И.; Труве, Ален; Юнес, Лоран (31 января 2006 г.). «Геодезическая съемка для вычислительной анатомии» . Журнал математического изображения и видения . 24 (2): 209–228. дои : 10.1007/s10851-005-3624-0 . ISSN 0924-9907 . ПМЦ 2897162 . ПМИД 20613972 .
- ^ М. И. Миллер, А. Труве, Л. Юнес, Геодезическая съемка в вычислительной анатомии, IJCV, 2006.
- ^ Роберто, Камасса; Холм, Дэррил Д. (13 сентября 1993 г.). «Интегрируемое уравнение мелкой воды с остроконечными солитонами». Письма о физических отзывах . 71 (11): 1661–1664. arXiv : patt-sol/9305002 . Бибкод : 1993PhRvL..71.1661C . doi : 10.1103/PhysRevLett.71.1661 . ПМИД 10054466 . S2CID 8832709 .
- ^ Холм, Дэррил Д.; Марсден, Джеррольд Э.; Ратиу, Тудор С. (1998). «Уравнения Эйлера – Пуанкаре и полупрямые произведения с приложениями к теориям континуума» . Достижения в математике . 137 (1): 1–81. arXiv : чао-дин/9801015 . дои : 10.1006/aima.1998.1721 .
- ^ Перейти обратно: а б с М.И. Миллер, А. Труве, Л. Юнес, О метрике и уравнениях Эйлера – Лагранжа вычислительной анатомии, Анну. Преподобный Биомед. англ. 2002. 4: 375–405. doi : 10.1146/annurev.bioeng.4.092101.125733 Авторские права °c, 2002 г., Annual Reviews.