使用 ANTs 进行 MRI (结构、功能)图像配准——安装,配准详细解答

2023-05-16

使用 ANTs 进行 MRI 图像配准——安装,配准详细解答

  • 一、为什么要进行配准?
  • 二、使用 ANTs 进行配准
    • (1)使用 ANTs 进行结构像配准
    • (2)使用 ANTs 进行功能像配准

ANTs软件的安装:ANTs安装

一、为什么要进行配准?

由于不同个体的大脑形态不同,为了比较不同个体在大脑结构和功能上的差异,需要先将不同个体配准到一个标准大脑模板上。配准的过程就对个体大脑图像进行变形,使得个体大脑与模板图像尽可能一致。在配准过程中不同个体大脑如何变得一致,同时又保留个体原有的差异?这是我一直没有理解的问题,不过这是基于 fMRI 研究的普遍做法。

二、使用 ANTs 进行配准

简单介绍一下我使用 ANTs 进行 MRI 图像配准的方法,更详细的说明参见 ANTs 的官方文档

(1)使用 ANTs 进行结构像配准

antsRegistrationSyN.sh -d 3 -f MNI_T1_2mm_brain.nii.gz -m brain.nii.gz -o rega2t

其中 MNI_T1_2mm_brain.nii.gz是分辨率为 2mm 的标准大脑(在 FSL 的$FSLDIR/data/standard
件夹下可以找到),brain.nii.gz是个体 T1 图像并进行了颅骨剥离,rega2t是输出文件名的前缀。

这个配准过程在我电脑上大约需要 半小时左右,共生成 5 个文件,其中
rega2t0GenericAffine.matrega2t1Warp.nii.gz 分别表示线性变换和非线性变换估计出的映射关系,
rega2tWarped.nii.gz 表示配准后的图像,通过比较这个图像与标准大脑的差异,可以检查配准的质量。

slicer brain.nii.gz -z -120 before_reg.png
slicer rega2tWarped.nii.gz -z -34 after_reg.png
slicer MNI152_T1_2mm_brain.nii.gz -z -34 standard.png
slicer MNI152_T1_2mm_brain.nii.gz rega2tWarped.nii.gz -z -34 after_reg_on_standard.png

使用上面几行命令,(如下图所示)可以得到配准前(左上)、标准大脑(右上)、配准后(左下)以及将配准后的个体大脑(轮廓)叠加到标准大脑上的图像(右下)。
在这里插入图片描述

(2)使用 ANTs 进行功能像配准

为了将个体功能像转换到标准大脑,并不是直接将功能像与标准大脑进行配准,而是以个体结构像为中介,将个体功能像配准到个体结构像,再根据个体结构像与标准大脑的映射关系,将个体功能像转换到标准大脑。下面几行命令实现个体功能像到个体结构像的配准(其中参数 r 表示刚体变换):

antsRegistrationSyN.sh -d 3 -f brain.nii.gz -m example_func_brain.nii.gz -t ‘r’ -o regf2a

其中brain.nii.gz表示个体结构像并经过颅骨剥离,example_func_brain.nii.gz表示一个功能像,由
于功能像一般有上百个图像,这里选取其中一个(可以使用 FSL 的命令 fslroi 选取其中一个功能像,比如:

fslroi func.nii.gz example_func.nii.gz 0 1

表示选取第一个时间点的图像);另外,也需要对这个功能像进行颅骨剥离(AFNI 的 3dAutomask 命令可以用于功能像颅骨剥离,也是我这里采用的方法,基本用法如下:

3dAutomask -prefix example_func_brain.nii.gz example_func.nii.gz 

共生成 3 个文件,其中regf2a0GenericAffine.mat表示从个体功能像到结构像的映射关系,regf2aWarped.nii.gz 表示配准后的功能像,按照结构像检查的相同的步骤进行功能像配
准效果的检查(不再赘述),如下图:
在这里插入图片描述

为了将功能像转换到标准大脑,需要联合从个体功能像到个体结构像、个体结构像到标准大脑的变换关系,具体实现命令如下:

antsApplyTransforms -d 3 -i example_func_brain.nii.gz -o example_func2standard.nii.gz \
-r MNI_T1_2mm_brain.nii.gz -t rega2t1Warp.nii.gz \
-t rega2t0GenericAffine.mat -t regf2a0GenericAffine.mat

这个过程生成一个文件,即example_func2standard.nii.gz,也就是个体功能像变换到标准大脑后的图像,同样地,可以据此生成配准前后的比较图:
在这里插入图片描述

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