Freesurfer在癲癇病人腦模型重建中的應(yīng)用*

程學(xué)梅　崔　園

(1.成都醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院　成都　610083)(2.成都醫(yī)學(xué)院人文信息管理學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室　成都　610083)

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Freesurfer在癲癇病人腦模型重建中的應(yīng)用*

程學(xué)梅1崔園2

(1.成都醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院成都610083)(2.成都醫(yī)學(xué)院人文信息管理學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室成都610083)

摘要目的:用Freesurfer對(duì)癲癇病人的MRI數(shù)重建,分析MRI數(shù)據(jù)重建的方法對(duì)癲癇病人腦模型圖進(jìn)行分析,觀察癲癇病人的腦模型圖的特點(diǎn)。方法:用Freesurfer對(duì)MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行皮質(zhì)重建、體積分割,視覺(jué)成像用于檢查[1],主要用到的命令是recon-all、tkmedit、tksurfer,對(duì)檢查成圖進(jìn)行視覺(jué)比對(duì),觀察重建是否正確。結(jié)果:證明Freesurfer可以很好地重建MRI數(shù)據(jù),并且對(duì)Freesurfer的操作流程有一個(gè)更好的了解,通過(guò)重建可以順利地完成癲癇病人腦網(wǎng)絡(luò)成像的后續(xù)的步驟,最終可以更好地對(duì)癲癇病人的腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。結(jié)論:Freesuefer在MRI圖形數(shù)據(jù)分析中非常重要,它是一個(gè)功能強(qiáng)大的軟件,還可以進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)修正、厚度計(jì)算、全腦分割等,在腦科學(xué)研究中具有非常廣泛的用途。

關(guān)鍵詞Freesurfer; 癲癇; 重建; 檢查

Class NumberG243

1引言

Freesurfer是強(qiáng)大的工具套件,它主要的特點(diǎn)是可以對(duì)人類(lèi)的大腦廣泛地進(jìn)行自動(dòng)分析。這包括大腦結(jié)構(gòu)的體積分割[2],分割海馬的分支領(lǐng)域[3],基于皮質(zhì)折疊模式的主體間的校準(zhǔn)[4],用擴(kuò)散的MRI來(lái)分割白質(zhì)神經(jīng)束[5],基于皮質(zhì)折疊模式的分割[6],從體內(nèi)數(shù)據(jù)估計(jì)組織的邊界[7],映射大腦皮層灰質(zhì)的厚度[8],人類(lèi)大腦皮層的表面模型的建設(shè)[9]。所有的這些功能最后組成了Freesurfer。全世界約有1%的人口患有癲癇,近80%的病例都發(fā)生在發(fā)展中國(guó)家。它的發(fā)病機(jī)制是大腦神經(jīng)元的超同步放電,癲癇不能根治,但可以通過(guò)藥物控制手術(shù)、神經(jīng)刺激療法或改變飲食等進(jìn)行治療。癲癇的主要特點(diǎn)是長(zhǎng)期反復(fù)的抽搐,抽搐的時(shí)候病人腦部神經(jīng)元間的放電強(qiáng)烈,研究癲癇病人大腦中的電活動(dòng),找出腦網(wǎng)絡(luò)放電的規(guī)律,有利于找出癲癇的發(fā)病機(jī)制,更好地對(duì)病人進(jìn)行治療。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)癲癇病人MRI數(shù)據(jù)的重建,了解Freesurfer的使用過(guò)程,分析Freesurfer的視覺(jué)圖像,為癲癇腦網(wǎng)絡(luò)做基礎(chǔ)。

2方法

2.1Freesurfer對(duì)數(shù)據(jù)的重建

在MRI成像數(shù)據(jù)中,準(zhǔn)確地識(shí)別和分割大腦皮質(zhì)灰質(zhì)和皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)是許多解剖學(xué)和腦功能成像研究的關(guān)鍵。對(duì)于解剖學(xué)研究,自動(dòng)皮質(zhì)表面重建可以對(duì)大腦解剖解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行形態(tài)學(xué)定量分析,能夠敏感地測(cè)量大腦皮層厚度亞像素精度的變化,且可用于跟蹤或檢測(cè)腦萎縮,腦的可塑性和進(jìn)行性[10]。對(duì)于功能性研究,皮質(zhì)表面重建提供折疊的皮質(zhì)模型和許多分布式特征,這一點(diǎn)跨越在神經(jīng)元處理中,依據(jù)解剖學(xué)表面特征做分析的局勢(shì)[11]。Freesurfer對(duì)圖像數(shù)據(jù)的重建一般用recon-all,它用于完成Freesurfer皮質(zhì)重建的部分或全部過(guò)程。數(shù)據(jù)重建是為了把原始的MRI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成FS-FAST軟件包容易使用的格式,便于生成圖像和之后的統(tǒng)計(jì)分析,用Freesurfer分析的數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù),重建MRI數(shù)據(jù)的時(shí)候,首先打開(kāi)Linux系統(tǒng)的終端,在終端t@t-ThinkPad-X220:～$ 中鍵入sudo su,然后鍵入密碼,出現(xiàn)root@t-ThinkPad-X220:/home/t#,表示已經(jīng)進(jìn)入了Linux系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境,下面開(kāi)始讀取軟件目錄和運(yùn)行軟件。

export MNE_ROOT=sub1

這里表示mne所在的目錄,用以打開(kāi)mne,接下來(lái)是在mne中建立一個(gè)可視化的用戶(hù)環(huán)境。

$MNE_ROOT/bin/mne_setup_sh

同樣的代碼,用以打開(kāi)Freesurfer,

export FREESURFER_HOME=sub2

sub2表示Freesurfer所在的目錄,建立一個(gè)可視化的Freesurfer用戶(hù)環(huán)境:

source $FREESURFER_HOME/Set Up Freesurfer.sh

在讀取了軟件的位置之后,打開(kāi)文件的位置:

export SUBJECTS_DIR=sub3,

如果編輯的位置SUBJECTS_DIR中的內(nèi)存空間過(guò)小((/proj/braindata配額有限,通常>95%,所以請(qǐng)使用其他目錄)。

在文件的目錄下,找到所要重建的大腦數(shù)據(jù)的人名,進(jìn)入下一級(jí)的目錄

export SUBJECT=name,

在人名里面找到你要重建的文件,復(fù)制文件的目錄cd后面接文件的目錄sub4(sub4是sub3的字目錄),這里要注意的是:export表示的是終端獲取的文件目錄,cd表示的是終端中顯示的目錄,是可以看見(jiàn)的,這兩者可能不一樣。要查看終端獲取的目錄,其代碼是echo $SUBJECTS_DIR,cd后面可以直接接目錄,比如:cd /media/t/3T_data1/MEG,和終端目錄可能不同,也可以是cd $SUBJECTS_DIR/$SUBJECT/ 表示之前已經(jīng)被終端獲取的目錄。在目錄讀取正確之后就開(kāi)始重建,重建的時(shí)候要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)目錄name2,重建的內(nèi)容將會(huì)儲(chǔ)存在新建的目錄name2 下,重建的代碼為

recon-all-subject name2 -i /sub4/name3 -all

這里的name3表示的是所要重建的文件的其中一個(gè)文件名,后面的-all表示的是所有文件,這句代碼的意思是重建sub4里的所有文件到name2中。recon-all是一個(gè)批處理程序,它除了分割和生成脹平的腦模型圖等結(jié)果外,還產(chǎn)生了一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

重建代碼正確之后就是漫長(zhǎng)的計(jì)算過(guò)程,在使用8G的運(yùn)行內(nèi)存的情況下,大概要9個(gè)小時(shí)計(jì)算出結(jié)果,電腦的運(yùn)行內(nèi)存越大就越快算出結(jié)果,所以盡量用運(yùn)行速度快的電腦。在計(jì)算的時(shí)候可以在終端中打開(kāi)另一個(gè)窗口,同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)或者三個(gè)程序。在運(yùn)行的過(guò)程中也可以查看運(yùn)行的進(jìn)度,打開(kāi)一個(gè)新的窗口,鍵入sudo su 和密碼之后,鍵入top。

重建完成后,在sub3的目錄下會(huì)生成一個(gè)文件夾name2,重加的文件夾里包含了bem、label、mri、scripts、src、stats、surf、tmp、touch、trash這些文件夾,其中l(wèi)abel里面有大量的文件是對(duì)name里面的文件重建的結(jié)果。

2.2Freesurfer的檢查

在重建完成后就是檢查重建是否正確,Freesurfer的檢查常用到的程序語(yǔ)言是tkmedit、tksurfer。Freesurfer的檢查的時(shí)候進(jìn)入的是重建的目錄:

export MNE_ROOT=sub1

$MNE_ROOT/bin/mne_setup_sh

export FREESURFER_HOME=sub2

source $FREESURFER_HOME/Set Up Freesurfer.sh

export SUBJECTS_DIR=sub3

export SUBJECT=name2

數(shù)據(jù)的檢查是通過(guò)成像,觀察圖像有無(wú)差異來(lái)判斷重建是不是正確,在視覺(jué)檢查以前需要要先檢查recon-all.log文件是否報(bào)錯(cuò),用grep命令。

grep -n"error" recon-all.log

這個(gè)命令可以查找文件里有沒(méi)有"error",并且可以輸出"error"在第幾行,另外也可以查看是否有top錯(cuò)誤。

mris_euler_number sub1/surf/lh.orig

mris_euler_number sub1/surf/lh.white

mris_euler_number sub1/surf/lh.pial

如果這三個(gè)命令生成的數(shù)字完全一樣,說(shuō)明重建的結(jié)果是正確的,接下來(lái)就可以進(jìn)行視覺(jué)檢查了,進(jìn)行視覺(jué)檢查的時(shí)候主要是對(duì)頭骨、白質(zhì)、灰質(zhì)還有分割情況的檢查,首先檢查頭骨,用到的命令是:

tkmedit name2 T1.mgz

在檢查的時(shí)候,一般在 c130-170 這部分 slices 問(wèn)題比較多,總是弄錯(cuò)腦膜和灰質(zhì),需要編輯 brainmask.mgz。這時(shí)需要重新整理生成的數(shù)據(jù),根據(jù)recon-all的步驟,重新計(jì)算出錯(cuò)的部分,這就涉及到使用 Fs Tutorial / control points_tktools,就是要在運(yùn)行steps -autorecon2-cp的時(shí)候添加一個(gè)控制點(diǎn)。可以順利在steps -autorecon2-cp中完成檢查,在steps -autorecon2-cp運(yùn)行完成以后運(yùn)行-autorecon3,可以更新之前生成的數(shù)據(jù),頭骨時(shí)生成的圖像如圖1所示。

圖1　頭骨生成圖像

圖1中第一幅大腦圖是在切片位置是128,大腦冠狀位的切面圖,第二幅是在切片位置為100,大腦水平位的切面圖,第三副圖是切片位置是139,大腦矢狀位的大腦切面圖,以下所有的圖的位置都如這三副圖,統(tǒng)一位置,便于比較。

接下來(lái)是對(duì)白質(zhì)和灰質(zhì)的檢查,檢查白質(zhì)的命令是(生成圖像如圖2):

tkmedit name2 brainmask.mgz-aux wm.mgz -surfs

tkmedit name2 brainmask.mgz

圖2　白質(zhì)和灰質(zhì)生成圖像

圖2表示生成的白質(zhì)和灰質(zhì)。

如果出現(xiàn)錯(cuò)誤,在編輯了wm.mgz之后,再運(yùn)行-autorecon2-WM步驟和-autorecon3,編輯過(guò)的-autorecon2-WM可以使運(yùn)行更充分,并且可以用-autorecon2重建每一個(gè)數(shù)據(jù)都。如果在檢查灰質(zhì)的時(shí)候出現(xiàn)錯(cuò)誤,則運(yùn)行steps -autorecon-pial和-autorecon3

下面是生成三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的命令(生成圖像如圖3):

tksurfer name2 lh inflated -annot aparc

圖3　三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3中第一幅圖表示的是拉平皮層圖,也就是將腦溝和腦回展開(kāi),將皺折拉平。第二幅圖表示的是白質(zhì)的3維立體圖,第三副圖表示的是灰質(zhì),第四幅圖是白質(zhì)結(jié)構(gòu)。用不同的顏色表示了不同的腦區(qū)。

最后是對(duì)檢查分割是否正確,用到的命令是:(生成圖像如圖4)

tkmedit sun_xiao_yan brainmask.mgz -surf -aseg

圖4　分割情況圖

圖4表示白質(zhì)和灰質(zhì)的分割情況,該命令將大腦分為左右半球。左邊的白質(zhì)用綠色表示,右邊用白色表示,灰質(zhì)用紅色表示,不同的腦結(jié)構(gòu)用不同的顏色表示。

在對(duì)圖像的保存的時(shí)候編輯文件名時(shí)要將文件的類(lèi)型填寫(xiě)在文件名里面,該圖像一般保存的文件類(lèi)型是tiff格式。

3結(jié)果

比較圖1、圖2和圖4,三幅圖都是在同一切面,同意坐標(biāo)位截圖,所以具有可比性,分別比較大腦冠狀位、水平位、矢狀位的三幅圖,發(fā)現(xiàn)它們完全一樣,說(shuō)明Freesurfer的重建是正確的,則Freesurfer的重建結(jié)果可用。接下來(lái)可以運(yùn)用重建的結(jié)果塑造頭模型,配準(zhǔn)等,最后可以得到精確的某一時(shí)刻的腦網(wǎng)絡(luò)模式圖。然后可以根據(jù)圖形對(duì)癲癇病人的腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,研究癲癇的發(fā)病機(jī)制,尋找解決癲癇疾病的方法。

4結(jié)語(yǔ)

Freesurfer作為一個(gè)數(shù)據(jù)處理和圖像分析軟件,可以準(zhǔn)確地進(jìn)行MRI數(shù)據(jù)重建,除此之外,它可以有效地進(jìn)行拓?fù)湫拚?改善了以前使用表面表性技術(shù)來(lái)達(dá)到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性(不管是白質(zhì)、灰質(zhì)還是腦膜)的缺陷[12],即可以通過(guò)反映射來(lái)鑒定是否有拓?fù)溴e(cuò)誤,如果有則反映射不可能意義對(duì)應(yīng),Freesurfer通過(guò)考慮強(qiáng)度容積來(lái)找到白質(zhì)與灰質(zhì)的交界處來(lái)選擇正確的拓?fù)洳僮鳟a(chǎn)生精確的表面[13～14],還可以進(jìn)行表面的變形和厚度的計(jì)算,以前在模型建立中對(duì)白質(zhì)、灰質(zhì)、和腦膜的分界并不準(zhǔn)確[15],它們之間不同的頻率具有穿透性,使介質(zhì)產(chǎn)生諧振[16]。對(duì)此,可以用Freesurfer避免相互間的干擾。Freesurfer還在不斷地改進(jìn),更多的功能有自動(dòng)幾何精確拓?fù)湫Ｕ齕17],自動(dòng)跟蹤技術(shù)、邊界細(xì)胞結(jié)構(gòu)的概率估計(jì)、縱向分析[18]等。所以Freesurfer可做多方面的運(yùn)用。

參 考 文 獻(xiàn)

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Application in Epilepsy Patients Brain Reconstruction Model

CHENG Xuemei1CUI Yuan2

(1. School of Clinical Medicine, Chengdu Medical College, Chengdu610083)(2. Office of Computer Teaching, School of Humanities and Information, Chengdu Medical College, Chengdu610083)

AbstractObjective: Use Freesurfer to reconstruct MRI data of patients with epilepsy, analyze the brain network graphs using results of MRI reconstructions, observe the characteristics of patients’ brain networks. Methods: use Freesurfer to conduct cortex reconstruction, volume segmentationof MRI data. Visual imaging is used to evaluate the correctness of reconstruction[1]. The commonly used command includes recon-all, tkmedit, and tksurfer. One visually inspects the reconstructed data to confirm if the results are correct or not. Results: the test confirmed that Freesurfer is able to correctly reconstructed MRI data. The reconstructed results can lay a solid foundation for the subsequent steps of epilepsy patients’ brain network analysis, and ultimately complete brain network analysis. Conclusion: Freesurfer is very important in MRI data analysis. It is a powerful software and have ability of the topological modification, thickness calculation, and whole brain segmentation. It has a very wide range of uses in brain science research.

Key WordsFreesurfer, epilepsy, reconstruction, check

* 收稿日期:2015年11月2日,修回日期:2015年12月17日

基金項(xiàng)目:大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(編號(hào):201413705025);四川省教育廳項(xiàng)目(編號(hào):14ZB0241)資助。

作者簡(jiǎn)介:程學(xué)梅,女,研究方向:生物信號(hào)處理。崔園,女,碩士,講師,研究方向:計(jì)算機(jī)應(yīng)用、信號(hào)處理。

中圖分類(lèi)號(hào)G243

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.05.035