これらの曲線に最も厳密にフィットさせるには、どの補間方法を使用できますか？

私は、およびのように特定の領域が手でマークされている脳のMRI画像を使用しています。

私は、このような曲線を記述できる補間関数を考え出そうとしています。そのため、機械学習技術を使用して、やのようなマークされていない画像にそのようなマークを自動的に生成できます。

3次スプライン補間を使用して曲線を近似することを検討しましたが、私の知る限り、曲線を複数の部分に分割して補間する必要があります。

私は正しい軌道に乗っていますか、これを行う他の（より良い？）方法はありますか？

時系列の画像がある場合は、曲線の補間にCONDENSATIONアルゴリズムをお勧めします（ウィキペディアのページも参照してください）。特にopencvには、数多くの実装が用意されています。