【DIPY】DIPYを用いた拡散テンソルイメージング: DTI


1. 目的
2. 準備
2.1. DIPYのインストール
2.2. 使用データ
2.3. 前処理
3. 拡散テンソルイメージング(DTI)
3.1. 必要なパッケージをインポート
3.2. 画像およびMPG軸情報の読み込み
3.3. マスク画像の生成
3.4. モデルフィッティング
3.5. 拡散定量値の計算
3.6. NIfTI形式で保存
3.7. 結果


1. 目的

  • DIPYを用いた拡散テンソルイメージング: DTI

2. 準備

2.1. DIPYのインストール

pip3 install dipy

2.2. 使用データ

データを次のフォルダ構造で用意する。

Study/
└── Subject
    ├── DWI.nii.gz  # 拡散MRI
    ├── DWI_mask.nii.gz  # 拡散MRIマスク画像
    ├── bvals  # b-values
    └── bvecs  # b-vectors

2.3. 前処理

DTI(Diffusion Tensor Imaging)前に、拡散MRIの前処理をする。

  • 拡散MRIのノイズ除去(Software: MRtrix, DIPY)
  • ギブズのリンギングアーチファクト(Gibbs ringing)の除去(Software: MRtrix, DIPY)
  • 拡散MRIのバイアス(信号ムラ)補正(Software: MRtrix)
  • 拡散MRIの前処理 ~歪み・頭の動き・渦電流の補正(Software: FSL, MRtrix)

3. 拡散テンソルイメージング(DTI)

Pythonで以下のコマンドを実行。

3.1. 必要なパッケージをインポート

from dipy.segment.mask import median_otsu
import numpy as np
from dipy.io.image import load_nifti, save_nifti
from dipy.io.gradients import read_bvals_bvecs
from dipy.core.gradients import gradient_table
import dipy.reconst.dti as dti

3.2. 画像およびMPG軸情報の読み込み

DWI_FILE = 'DWI.nii.gz'
BVALS_FILE = 'bvals'
BVECS_FILE = 'bvecs'

data, affine = load_nifti(DWI_FILE)
bvals, bvecs = read_bvals_bvecs(BVALS_FILE, BVECS_FILE)
gtab = gradient_table(bvals, bvecs)

3.3. マスク画像の生成

median_otsu関数を用いて、b=0画像からマスク画像を生成する。vol_idxには、b0 volumeのvolume indexを渡す。

maskdata, mask = median_otsu(data, vol_idx=np.where(bvals == 0)[0])

3.4. モデルフィッティング

以下のコマンドで、DTIのモデルフィッティングを実行。

tenmodel = dti.TensorModel(gtab)
tenfit = tenmodel.fit(maskdata)

3.5. 拡散定量値の計算

モデルフィッティングができたら、拡散定量値を算出する。

FA = tenfit.fa
MD = tenfit.md
AD = tenfit.ad
RD = tenfit.rd
colour_FA = tenfit.color_fa

脳周囲の背景では、フィッティングミスをしてnanとなる場合があるため、そのようなnanを0に置き換える。

FA[np.isnan(FA)] = 0
MD[np.isnan(MD)] = 0
AD[np.isnan(AD)] = 0
RD[np.isnan(RD)] = 0
colour_FA[np.isnan(colour_FA)] = 0

3.6. NIfTI形式で保存

save_nifti関数で、画像をNIfTI形式で保存する。

save_nifti('DWI_masked.nii.gz', maskdata.astype(np.float32), affine)
save_nifti('DWI_mask.nii.gz', mask.astype(np.float32), affine)
save_nifti('FA.nii.gz', FA.astype(np.float32), affine)
save_nifti('MD.nii.gz', MD.astype(np.float32), affine)
save_nifti('AD.nii.gz', AD.astype(np.float32), affine)
save_nifti('RD.nii.gz', RD.astype(np.float32), affine)
save_nifti('colour_FA.nii.gz', colour_FA.astype(np.float32), affine)

3.7. 結果

DTIによって算出された定量値画像は、以下の通り。

【MRtrix】 MRtrixを用いた拡散テンソルイメージング: DTI


1. 目的
2. コマンド
3. 使用例
3.1. 前準備
3.2. テンソルの推定(コマンド:dwi2tensor
3.3. 拡散定量値の算出(コマンド:tensor2metric


1. 目的

  • MRtrixを用いた拡散テンソルイメージング: DTI

2. コマンド

MRtrixを用いて、拡散テンソルイメージング(DTI)をするには、dwi2tensortensor2metricコマンドを用いる。

dwi2tensor拡散MRI画像からテンソルを推定するコマンドで、tensor2metric推定したテンソルから拡散定量値を算出するコマンドである。

dwi2tensorのヘルプは、次の通り。

クリックして展開
SYNOPSIS

     Diffusion (kurtosis) tensor estimation

USAGE

     dwi2tensor [ options ] dwi dt

        dwi          the input dwi image.

        dt           the output dt image.


DESCRIPTION

     By default, the diffusion tensor (and optionally its kurtosis) is fitted
     to the log-signal in two steps: firstly, using weighted least-squares
     (WLS) with weights based on the empirical signal intensities; secondly, by
     further iterated weighted least-squares (IWLS) with weights determined by
     the signal predictions from the previous iteration (by default, 2
     iterations will be performed). This behaviour can be altered in two ways:

     * The -ols option will cause the first fitting step to be performed using
     ordinary least-squares (OLS); that is, all measurements contribute equally
     to the fit, instead of the default behaviour of weighting based on the
     empirical signal intensities.

     * The -iter option controls the number of iterations of the IWLS
     prodedure. If this is set to zero, then the output model parameters will
     be those resulting from the first fitting step only: either WLS by
     default, or OLS if the -ols option is used in conjunction with -iter 0.

     The tensor coefficients are stored in the output image as follows:
     volumes 0-5: D11, D22, D33, D12, D13, D23

     If diffusion kurtosis is estimated using the -dkt option, these are stored
     as follows:
     volumes 0-2: W1111, W2222, W3333
     volumes 3-8: W1112, W1113, W1222, W1333, W2223, W2333
     volumes 9-11: W1122, W1133, W2233
     volumes 12-14: W1123, W1223, W1233

OPTIONS

  -ols
     perform initial fit using an ordinary least-squares (OLS) fit (see
     Description).

  -mask image
     only perform computation within the specified binary brain mask image.

  -b0 image
     the output b0 image.

  -dkt image
     the output dkt image.

  -iter integer
     number of iterative reweightings for IWLS algorithm (default: 2) (see
     Description).

  -predicted_signal image
     the predicted dwi image.

DW gradient table import options

  -grad file
     Provide the diffusion-weighted gradient scheme used in the acquisition in
     a text file. This should be supplied as a 4xN text file with each line is
     in the format [ X Y Z b ], where [ X Y Z ] describe the direction of the
     applied gradient, and b gives the b-value in units of s/mm^2. If a
     diffusion gradient scheme is present in the input image header, the data
     provided with this option will be instead used.

  -fslgrad bvecs bvals
     Provide the diffusion-weighted gradient scheme used in the acquisition in
     FSL bvecs/bvals format files. If a diffusion gradient scheme is present in
     the input image header, the data provided with this option will be instead
     used.

Standard options

  -info
     display information messages.

  -quiet
     do not display information messages or progress status; alternatively,
     this can be achieved by setting the MRTRIX_QUIET environment variable to a
     non-empty string.

  -debug
     display debugging messages.

  -force
     force overwrite of output files (caution: using the same file as input and
     output might cause unexpected behaviour).

  -nthreads number
     use this number of threads in multi-threaded applications (set to 0 to
     disable multi-threading).

  -config key value  (multiple uses permitted)
     temporarily set the value of an MRtrix config file entry.

  -help
     display this information page and exit.

  -version
     display version information and exit.

tensor2metricのヘルプは、次の通り。

クリックして展開
SYNOPSIS

     Generate maps of tensor-derived parameters

USAGE

     tensor2metric [ options ] tensor

        tensor       the input tensor image.


OPTIONS

  -adc image
     compute the mean apparent diffusion coefficient (ADC) of the diffusion
     tensor. (sometimes also referred to as the mean diffusivity (MD))

  -fa image
     compute the fractional anisotropy (FA) of the diffusion tensor.

  -ad image
     compute the axial diffusivity (AD) of the diffusion tensor. (equivalent to
     the principal eigenvalue)

  -rd image
     compute the radial diffusivity (RD) of the diffusion tensor. (equivalent
     to the mean of the two non-principal eigenvalues)

  -cl image
     compute the linearity metric of the diffusion tensor. (one of the three
     Westin shape metrics)

  -cp image
     compute the planarity metric of the diffusion tensor. (one of the three
     Westin shape metrics)

  -cs image
     compute the sphericity metric of the diffusion tensor. (one of the three
     Westin shape metrics)

  -value image
     compute the selected eigenvalue(s) of the diffusion tensor.

  -vector image
     compute the selected eigenvector(s) of the diffusion tensor.

  -num sequence
     specify the desired eigenvalue/eigenvector(s). Note that several
     eigenvalues can be specified as a number sequence. For example, '1,3'
     specifies the principal (1) and minor (3) eigenvalues/eigenvectors
     (default = 1).

  -modulate choice
     specify how to modulate the magnitude of the eigenvectors. Valid choices
     are: none, FA, eigval (default = FA).

  -mask image
     only perform computation within the specified binary brain mask image.

Standard options

  -info
     display information messages.

  -quiet
     do not display information messages or progress status; alternatively,
     this can be achieved by setting the MRTRIX_QUIET environment variable to a
     non-empty string.

  -debug
     display debugging messages.

  -force
     force overwrite of output files (caution: using the same file as input and
     output might cause unexpected behaviour).

  -nthreads number
     use this number of threads in multi-threaded applications (set to 0 to
     disable multi-threading).

  -config key value  (multiple uses permitted)
     temporarily set the value of an MRtrix config file entry.

  -help
     display this information page and exit.

  -version
     display version information and exit.

DTI拡散定量値(FA, MD, AD, RD, カラーFA)を計算するための基本的な使い方は、以下の通り。

dwi2tensor <入力画像> <出力画像>
tensor2metric -fa <出力画像> -adc <出力画像> -ad <出力画像> -rd <出力画像> -vec <出力画像> tensor.mif

3. 使用例

3.1. 前準備

まず、次のファイルを用意する。

.
├── DWI.nii.gz  # 拡散MRI
├── DWI_mask.nii.gz
├── bvals  # b-values
├── bvecs  # b-vectors
└── headers.json  # ヘッダー情報の入ったJSONファイル

こちらの記事を参考に、拡散MRI(DWI.nii.gz)とそのMPG軸情報(bvecs, bvals)とヘッダー情報(headers.json)をまとめて、MIF形式(DWI.mif)に変換する。

mrconvert -fslgrad bvecs bvals -json_import headers.json DWI.nii.gz DWI.mif

3.2. テンソルの推定(コマンド:dwi2tensor

ファイルの用意ができたら、dwi2tensorを次のように実行する

dwi2tensor DWI.mif tensor.mif

mrinfoを使って「tensor.mif」の情報を確認すると、6 volumesのデータであることが分かる。

mrinfo tensor.mif
************************************************
Image name:          "tensor.mif"
************************************************
  Dimensions:        130 x 130 x 82 x 6
  Voxel size:        1.76923 x 1.76923 x 1.8 x 1
  Data strides:      [ -1 2 3 4 ]
  Format:            MRtrix
  Data type:         32 bit float (little endian)
  Intensity scaling: offset = 0, multiplier = 1
  Transform:                    1           0           0        -109
                               -0           1           0      -103.7
                               -0           0           1      -58.57

それぞれのボリュームは、各方向の拡散係数に相当する。

The tensor coefficients are stored in the output image as follows:
volumes 0-5: D11, D22, D33, D12, D13, D23

3.3. 拡散定量値の算出(コマンド:tensor2metric

先程推定した、「tensor.mif」を使って拡散定量値を算出する。

tensor2metric -fa FA.mif -adc MD.mif -ad AD.mif -rd RD.mif -vec color_FA.mif tensor.mif

DTIの各拡散定量値画像は、以下。

【FSL】FSLを用いた拡散テンソルイメージング: DTI


1. 目的
2. コマンド
3. 使用例


1. 目的

  • FSLを用いた拡散テンソルイメージング: DTI

2. コマンド

FSLを用いて、拡散テンソルイメージング(DTI)をするには、dtifitコマンドを用いる。

dtifitのヘルプは、次の通り。

クリックして展開
Usage: 
dtifit -k <filename>
 dtifit --verbose


Compulsory arguments (You MUST set one or more of):
	-k,--data	dti data file
	-o,--out	Output basename
	-m,--mask	Bet binary mask file
	-r,--bvecs	b vectors file
	-b,--bvals	b values file

Optional arguments (You may optionally specify one or more of):
	-V,--verbose	switch on diagnostic messages
	-h,--help	display this message
	--cni	Input confound regressors
	--sse	Output sum of squared errors
	-w,--wls	Fit the tensor with weighted least squares
	--kurt	Output mean kurtosis map (for multi-shell data)
	--kurtdir	Output  parallel/perpendicular kurtosis maps (for multi-shell data)
	--littlebit	Only process small area of brain
	--save_tensor	Save the elements of the tensor
	-z,--zmin	min z
	-Z,--zmax	max z
	-y,--ymin	min y
	-Y,--ymax	max y
	-x,--xmin	min x
	-X,--xmax	max x
	--gradnonlin	Gradient Nonlinearity Tensor file

基本的な使い方は、以下の通り。

dtifit -k <DWI images> -o <OUTPUT> -m <MASK> -r <b-vectors file> -b <b-values file>

3. 使用例

まず、次のファイルを用意する。

.
├── DWI.nii.gz  # 拡散MRI
├── DWI_mask.nii.gz  # 拡散MRIのマスク画像
├── bvals  # b-values
└── bvecs  # b-vectors

ファイルの用意ができたら、dtifitを次のように実行する

dtifit -k DWI.nii.gz -o output -m DWI_mask.nii.gz -r bvecs -b bvals

処理が終わると次のファイルが生成される。

  • output_V1 – 1st eigenvector (固有ベクトル)
  • output_V2 – 2nd eigenvector
  • output_V3 – 3rd eigenvector
  • output_L1 – 1st eigenvalue (固有値)
  • output_L2 – 2nd eigenvalue
  • output_L3 – 3rd eigenvalue
  • output_MD – mean diffusivity
  • output_FA – fractional anisotropy (isotropic ~ 0; stick-like ~1)
  • output_MO – mode of the anisotropy (oblate ~ -1; isotropic ~ 0; prolate ~ 1)
  • output_S0 – raw T2 signal with no diffusion weighting

FA, MD, L1の画像は、以下。

【MRtrix】MRtrixを用いた拡散MRIの前処理 ~歪み・頭の動き・渦電流の補正~


1. 目的
2. コマンド
3. 使用例
3.1. 前準備
3.2. 歪み補正と頭の動き補正


1. 目的

  • MRtrixを用いた拡散MRIの前処理(歪み・頭の動き・渦電流の補正)

2. コマンド

MRtrixを用いて、拡散MRIの歪み・頭の動き・渦電流を補正するには、dwifslpreprocを用いる(古いMRtrixバージョンではdwipreproc)。

dwipreprocは、FSLtopupeddyを用いるので、前もってFSLをインストールしておく必要がある。

dwifslpreprocのヘルプは、次の通り。

クリックして展開
SYNOPSIS

     Perform diffusion image pre-processing using FSL's eddy tool; including
     inhomogeneity distortion correction using FSL's topup tool if possible

USAGE

     dwifslpreproc [ options ] input output

        input        The input DWI series to be corrected

        output       The output corrected image series

DESCRIPTION

     This script is intended to provide convenience of use of the FSL software
     tools topup and eddy for performing DWI pre-processing, by encapsulating
     some of the surrounding image data and metadata processing steps. It is
     intended to simply these processing steps for most commonly-used DWI
     acquisition strategies, whilst also providing support for some more exotic
     acquisitions. The "example usage" section demonstrates the ways in which
     the script can be used based on the (compulsory) -rpe_* command-line
     options.

     The "-topup_options" and "-eddy_options" command-line options allow the
     user to pass desired command-line options directly to the FSL commands
     topup and eddy. The available options for those commands may vary between
     versions of FSL; users can interrogate such by querying the help pages of
     the installed software, and/or the FSL online documentation: (topup)
     https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/topup/TopupUsersGuide ; (eddy)
     https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/eddy/UsersGuide

     The script will attempt to run the CUDA version of eddy; if this does not
     succeed for any reason, or is not present on the system, the CPU version
     will be attempted instead. By default, the CUDA eddy binary found that
     indicates compilation against the most recent version of CUDA will be
     attempted; this can be over-ridden by providing a soft-link "eddy_cuda"
     within your path that links to the binary you wish to be executed.

     Note that this script does not perform any explicit registration between
     images provided to topup via the -se_epi option, and the DWI volumes
     provided to eddy. In some instances (motion between acquisitions) this can
     result in erroneous application of the inhomogeneity field during
     distortion correction. Use of the -align_seepi option is advocated in this
     scenario, which ensures that the first volume in the series provided to
     eddy is also the first volume in the series provided to eddy, guaranteeing
     alignment. But a prerequisite for this approach is that the image contrast
     within the images provided to the -se_epi option must match the b=0 volumes
     present within the input DWI series: this means equivalent TE, TR and flip
     angle (note that differences in multi-band factors between two acquisitions
     may lead to differences in TR).

EXAMPLE USAGES

     A basic DWI acquisition, where all image volumes are acquired in a single
     protocol with fixed phase encoding:
       $ dwifslpreproc DWI_in.mif DWI_out.mif -rpe_none -pe_dir ap -readout_time 0.55
     Due to use of a single fixed phase encoding, no EPI distortion correction
     can be applied in this case.

     DWIs all acquired with a single fixed phase encoding; but additionally a
     pair of b=0 images with reversed phase encoding to estimate the
     inhomogeneity field:
       $ mrcat b0_ap.mif b0_pa.mif b0_pair.mif -axis 3; dwifslpreproc DWI_in.mif DWI_out.mif -rpe_pair -se_epi b0_pair.mif -pe_dir ap -readout_time 0.72 -align_seepi
     Here the two individual b=0 volumes are concatenated into a single 4D image
     series, and this is provided to the script via the -se_epi option. Note
     that with the -rpe_pair option used here, which indicates that the SE-EPI
     image series contains one or more pairs of b=0 images with reversed phase
     encoding, the FIRST HALF of the volumes in the SE-EPI series must possess
     the same phase encoding as the input DWI series, while the second half are
     assumed to contain the opposite phase encoding direction but identical
     total readout time. Use of the -align_seepi option is advocated as long as
     its use is valid (more information in the Description section).

     All DWI directions & b-values are acquired twice, with the phase encoding
     direction of the second acquisition protocol being reversed with respect to
     the first:
       $ mrcat DWI_lr.mif DWI_rl.mif DWI_all.mif -axis 3; dwifslpreproc DWI_all.mif DWI_out.mif -rpe_all -pe_dir lr -readout_time 0.66
     Here the two acquisition protocols are concatenated into a single DWI
     series containing all acquired volumes. The direction indicated via the
     -pe_dir option should be the direction of phase encoding used in
     acquisition of the FIRST HALF of volumes in the input DWI series; ie. the
     first of the two files that was provided to the mrcat command. In this
     usage scenario, the output DWI series will contain the same number of image
     volumes as ONE of the acquired DWI series (ie. half of the number in the
     concatenated series); this is because the script will identify pairs of
     volumes that possess the same diffusion sensitisation but reversed phase
     encoding, and perform explicit recombination of those volume pairs in such
     a way that image contrast in regions of inhomogeneity is determined from
     the stretched rather than the compressed image.

     Any acquisition scheme that does not fall into one of the example usages
     above:
       $ mrcat DWI_*.mif DWI_all.mif -axis 3; mrcat b0_*.mif b0_all.mif -axis 3; dwifslpreproc DWI_all.mif DWI_out.mif -rpe_header -se_epi b0_all.mif -align_seepi
     With this usage, the relevant phase encoding information is determined
     entirely based on the contents of the relevant image headers, and
     dwifslpreproc prepares all metadata for the executed FSL commands
     accordingly. This can therefore be used if the particular DWI acquisition
     strategy used does not correspond to one of the simple examples as
     described in the prior examples. This usage is predicated on the headers of
     the input files containing appropriately-named key-value fields such that
     MRtrix3 tools identify them as such. In some cases, conversion from DICOM
     using MRtrix3 commands will automatically extract and embed this
     information; however this is not true for all scanner vendors and/or
     software versions. In the latter case it may be possible to manually
     provide these metadata; either using the -json_import command-line option
     of dwifslpreproc, or the -json_import or one of the -import_pe_* command-
     line options of MRtrix3's mrconvert command (and saving in .mif format)
     prior to running dwifslpreproc.

OPTIONS

  -pe_dir PE
     Manually specify the phase encoding direction of the input series; can be a
     signed axis number (e.g. -0, 1, +2), an axis designator (e.g. RL, PA, IS),
     or NIfTI axis codes (e.g. i-, j, k)

  -readout_time time
     Manually specify the total readout time of the input series (in seconds)

  -se_epi image
     Provide an additional image series consisting of spin-echo EPI images,
     which is to be used exclusively by topup for estimating the inhomogeneity
     field (i.e. it will not form part of the output image series)

  -align_seepi
     Achieve alignment between the SE-EPI images used for inhomogeneity field
     estimation, and the DWIs (more information in Description section)

  -json_import file
     Import image header information from an associated JSON file (may be
     necessary to determine phase encoding information)

  -topup_options " TopupOptions"
     Manually provide additional command-line options to the topup command
     (provide a string within quotation marks that contains at least one space,
     even if only passing a single command-line option to topup)

  -eddy_options " EddyOptions"
     Manually provide additional command-line options to the eddy command
     (provide a string within quotation marks that contains at least one space,
     even if only passing a single command-line option to eddy)

  -eddy_mask image
     Provide a processing mask to use for eddy, instead of having dwifslpreproc
     generate one internally using dwi2mask

  -eddy_slspec file
     Provide a file containing slice groupings for eddy's slice-to-volume
     registration

  -eddyqc_text directory
     Copy the various text-based statistical outputs generated by eddy, and the
     output of eddy_qc (if installed), into an output directory

  -eddyqc_all directory
     Copy ALL outputs generated by eddy (including images), and the output of
     eddy_qc (if installed), into an output directory

Options for specifying the acquisition phase-encoding design; note that one of the -rpe_* options MUST be provided

  -rpe_none
     Specify that no reversed phase-encoding image data is being provided; eddy
     will perform eddy current and motion correction only

  -rpe_pair
     Specify that a set of images (typically b=0 volumes) will be provided for
     use in inhomogeneity field estimation only (using the -se_epi option)

  -rpe_all
     Specify that ALL DWIs have been acquired with opposing phase-encoding

  -rpe_header
     Specify that the phase-encoding information can be found in the image
     header(s), and that this is the information that the script should use

Options for importing the diffusion gradient table

  -grad GRAD
     Provide the diffusion gradient table in MRtrix format

  -fslgrad bvecs bvals
     Provide the diffusion gradient table in FSL bvecs/bvals format

Options for exporting the diffusion gradient table

  -export_grad_mrtrix grad
     Export the final gradient table in MRtrix format

  -export_grad_fsl bvecs bvals
     Export the final gradient table in FSL bvecs/bvals format

Additional standard options for Python scripts

  -nocleanup
     do not delete intermediate files during script execution, and do not delete
     scratch directory at script completion.

  -scratch /path/to/scratch/
     manually specify the path in which to generate the scratch directory.

  -continue <ScratchDir> <LastFile>
     continue the script from a previous execution; must provide the scratch
     directory path, and the name of the last successfully-generated file.

Standard options

  -info
     display information messages.

  -quiet
     do not display information messages or progress status. Alternatively, this
     can be achieved by setting the MRTRIX_QUIET environment variable to a non-
     empty string.

  -debug
     display debugging messages.

  -force
     force overwrite of output files.

  -nthreads number
     use this number of threads in multi-threaded applications (set to 0 to
     disable multi-threading).

  -config key value  (multiple uses permitted)
     temporarily set the value of an MRtrix config file entry.

  -help
     display this information page and exit.

  -version
     display version information and exit.

基本的な使い方は、以下の通り。

dwifslpreproc <入力画像> <出力画像> [オプション]

3. 使用例

3.1. 前準備

位相エンコード方向を、APとPAそれぞれで撮像したデータがあったとする。DICOM形式からNIfTI形式に変換する方法は、以下の記事を参考にするとよい。

.
├── DWI_AP.nii.gz  # DW images (PE: AP)
├── DWI_PA.nii.gz  # DW images (PE: PA)
├── bvals_AP  # b-values (PE: AP)
├── bvals_PA  # b-values (PE: PA)
├── bvecs_AP  # b-vectors (PE: AP)
├── bvecs_PA  # b-vectors (PE: PA)
├── headers_AP.json  # DICOM headers (PE: AP)
└── headers_PA.json  # DICOM headers (PE: PA)

まず、こちらの記事を参考に、拡散MRI(DWI.nii.gz)とそのMPG軸情報(bvecs, bvals)とヘッダー情報(headers.json)をまとめて、MIF形式(DWI.mif)に変換する。

mrconvert -fslgrad bvecs_AP bvals_AP -json_import headers_AP.json DWI_AP.nii.gz DWI_AP.mif  # PE: AP
mrconvert -fslgrad bvecs_PA bvals_PA -json_import headers_PA.json DWI_PA.nii.gz DWI_PA.mif  # PE: PA

次に、mrcatを使ってDWI_AP.mifとDWI_PA.mifをひとつの画像(DWI_all.mif)にまとめる。

オプションの-axis 3は、4次元目のt軸(Volume)方向にまとめるという意味である(MRtrixではAxisを0から数える [i.e., x: 0, y: 1, z: 2, t: 3])。mrcatの詳細は、こちら。

mrcat DWI_AP.mif DWI_PA.mif DWI_all.mif -axis 3

次に、dwiextractを用いて、b=0のみを抽出する。dwiextractの詳細は、こちら。

dwiextract -bzero DWI_all.mif DWI_b0.mif

3.2. 歪み補正と頭の動き補正

歪み補正と頭の動き補正をするために、次のコマンドを実行する。

ここで使用した、各オプションは以下。

  • -rpe_header:位相エンコード情報を読み込む
  • -se_epi:b=0(spin-echo EPI images)を指定
  • -align_seepi:磁場の不均一性場の推定で用いられる、SE-EPI画像とDWIの間の位置合わせを実行

dwifslpreproc DWI_all.mif DWI_preproc.mif -rpe_header -se_epi DWI_b0.mif -align_seepi

歪み補正後の画像は、以下。

頭の動き補正後の画像は、以下。


【MRtrix】MRtrixを用いた5TT(five-tissue-type)画像の生成


1. 目的
2. コマンド
3. 使用例
3.1. FSLアルゴリズムを用いる場合
3.2. FreeSurferアルゴリズムを用いる場合
4. 結果


1. 目的

  • MRtrixを用いた5TT(five-tissue-type)画像の生成

2. コマンド

MRtrixの5ttgenを用いて、次の5つの組織(five-tissue-type: 5TT)画像を生成する。

  1. Cortical grey matter
  2. Sub-cortical grey matter
  3. White matter
  4. CSF
  5. Pathological tissue

5ttgenのヘルプは、次の通り。

クリックして展開
SYNOPSIS

     Generate a 5TT image suitable for ACT

USAGE

     5ttgen [ options ] algorithm ...

        algorithm    Select the algorithm to be used to complete the script operation;
                     additional details and options become available once an
                     algorithm is nominated. Options are: freesurfer, fsl, gif,
                     hsvs

DESCRIPTION

     5ttgen acts as a 'master' script for generating a five-tissue-type (5TT)
     segmented tissue image suitable for use in Anatomically-Constrained
     Tractography (ACT). A range of different algorithms are available for
     completing this task. When using this script, the name of the algorithm to
     be used must appear as the first argument on the command-line after
     '5ttgen'. The subsequent compulsory arguments and options available depend
     on the particular algorithm being invoked.

     Each algorithm available also has its own help page, including necessary
     references; e.g. to see the help page of the 'fsl' algorithm, type '5ttgen
     fsl'.

Options common to all 5ttgen algorithms

  -nocrop
     Do NOT crop the resulting 5TT image to reduce its size (keep the same
     dimensions as the input image)

  -sgm_amyg_hipp
     Represent the amygdalae and hippocampi as sub-cortical grey matter in the
     5TT image

Additional standard options for Python scripts

  -nocleanup
     do not delete intermediate files during script execution, and do not delete
     scratch directory at script completion.

  -scratch /path/to/scratch/
     manually specify the path in which to generate the scratch directory.

  -continue <ScratchDir> <LastFile>
     continue the script from a previous execution; must provide the scratch
     directory path, and the name of the last successfully-generated file.

Standard options

  -info
     display information messages.

  -quiet
     do not display information messages or progress status. Alternatively, this
     can be achieved by setting the MRTRIX_QUIET environment variable to a non-
     empty string.

  -debug
     display debugging messages.

  -force
     force overwrite of output files.

  -nthreads number
     use this number of threads in multi-threaded applications (set to 0 to
     disable multi-threading).

  -config key value  (multiple uses permitted)
     temporarily set the value of an MRtrix config file entry.

  -help
     display this information page and exit.

  -version
     display version information and exit.

基本的な使い方は、以下の通り。5ttgenのアルゴリズムは、freesurfer, fsl, gif, hsvsがあるが、ここではfreesurferとfslのアルゴリズムについて使い方を解説する。

5ttgen [アルゴリズム] <入力画像> <出力画像>

3. 使用例

3.1. FSLアルゴリズムを用いる場合

FSLアルゴリズムを用いる場合、3D-T1WI(T1w.nii.gz)が必要となる。また、オプションとして3D-T2WIも入力することができる。

5ttgen fsl T1w.nii.gz 5tt.nii.gz

3.2. FreeSurferアルゴリズムを用いる場合

FreeSurferアルゴリズムを用いる場合、Freesurferの生成ファイルであるaparc+aseg.mgz(asegとついたファイル)が必要となる。

FreeSurferの使い方は、こちらの記事を参考にするとよい。

aparc+aseg.mgzが準備できたら、以下のコマンドを実行する。

5ttgen freesurfer aparc+aseg.mgz 5tt.nii.gz

4. 結果

5ttgenで生成された画像は、5ボリュームデータであり、各ボリュームと対応する組織は次の通り。

  1. Cortical grey matter
  2. Sub-cortical grey matter
  3. White matter
  4. CSF
  5. Pathological tissue

以下に、FSLとFreeSurferのアルゴリズムを用いて5ttgenした結果(緑)を示す。

【MRtrix】MRtrixを用いた拡散MRIのバイアス(信号ムラ)補正


1. 目的
2. コマンド
3. 使用例
3.1. 前準備
3.2. 拡散MRIのバイアス(信号ムラ)補正


1. 目的

  • MRtrixを用いた拡散MRIのバイアス(信号ムラ)補正

2. コマンド

MRtrixを用いて拡散MRIのバイアス(信号ムラ)補正をするには、dwibiascorrectを使用する。

ここでは、ANTsのN4アルゴリズムを用いたバイアス補正を紹介する。ANTsアルゴリズムを使用する場合は、ANTsを前もってインストールしておく必要がある。

dwibiascorrectのヘルプは、次の通り。

クリックして展開
SYNOPSIS

     Perform B1 field inhomogeneity correction for a DWI volume series

USAGE

     dwibiascorrect [ options ] algorithm ...

        algorithm    Select the algorithm to be used to complete the script operation;
                     additional details and options become available once an
                     algorithm is nominated. Options are: ants, fsl

Options for importing the diffusion gradient table

  -grad GRAD
     Provide the diffusion gradient table in MRtrix format

  -fslgrad bvecs bvals
     Provide the diffusion gradient table in FSL bvecs/bvals format

Options common to all dwibiascorrect algorithms

  -mask image
     Manually provide a mask image for bias field estimation

  -bias image
     Output the estimated bias field

Additional standard options for Python scripts

  -nocleanup
     do not delete intermediate files during script execution, and do not delete
     scratch directory at script completion.

  -scratch /path/to/scratch/
     manually specify the path in which to generate the scratch directory.

  -continue <ScratchDir> <LastFile>
     continue the script from a previous execution; must provide the scratch
     directory path, and the name of the last successfully-generated file.

Standard options

  -info
     display information messages.

  -quiet
     do not display information messages or progress status. Alternatively, this
     can be achieved by setting the MRTRIX_QUIET environment variable to a non-
     empty string.

  -debug
     display debugging messages.

  -force
     force overwrite of output files.

  -nthreads number
     use this number of threads in multi-threaded applications (set to 0 to
     disable multi-threading).

  -config key value  (multiple uses permitted)
     temporarily set the value of an MRtrix config file entry.

  -help
     display this information page and exit.

  -version
     display version information and exit.

基本的な使い方は、以下の通り。

dwibiascorrect ants <入力画像> <出力画像>

3.使用例

3.1.前準備

まず、こちらの記事を参考に、拡散MRI(DWI.nii.gz)とそのMPG軸情報(bvecs, bvals)とヘッダー情報(headers.json)をまとめて、MIF形式(DWI.mif)に変換する。

mrconvert -fslgrad bvecs bvals -json_import headers.json DWI.nii.gz DWI.mif

3.2.拡散MRIのバイアス(信号ムラ)補正

以下のコマンドを実行する。-biasオプションを指定することで、バイアスフィールドを出力することができる。

dwibiascorrect ants DWI.mif DWI_unbiased.mif -bias bias.mif

補正後の画像は、以下。

【DIPY】DIPYを用いた拡散MRIのノイズ除去 ~Denoise~


1. 目的
2. 準備
2.1. DIPYのインストール
2.2. 使用データ
3. 拡散MRIのノイズ除去
3.1. 必要なパッケージをインポート
3.2. 画像およびMPG軸情報の読み込み
3.3. ノイズ除去(デノイズ)
3.4. NIfTI形式で保存
3.5. 結果
4. おまけ


1. 目的

  • DIPYを用いた拡散MRIのノイズ除去 ~Denoise~

2. 準備

2.1. DIPYのインストール

pip3 install dipy

2.2. 使用データ

データを次のフォルダ構造で用意する。

Study/
└── Subject
    ├── DWI.nii.gz  # 拡散MRI
    ├── DWI_mask.nii.gz  # 拡散MRIマスク画像
    ├── bvals  # b-values
    └── bvecs  # b-vectors

3. 拡散MRIのノイズ除去

Pythonで以下のコマンドを実行。

3.1. 必要なパッケージをインポート

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from time import time
from dipy.denoise.localpca import mppca
from dipy.core.gradients import gradient_table
from dipy.io.image import load_nifti, save_nifti
from dipy.io.gradients import read_bvals_bvecs
from dipy.segment.mask import median_otsu

3.2. 画像およびMPG軸情報の読み込み

DWI_FILE = 'DWI.nii.gz'
BVALS_FILE = 'bvals'
BVECS_FILE = 'bvecs'

data, affine = load_nifti(DWI_FILE)
bvals, bvecs = read_bvals_bvecs(BVALS_FILE, BVECS_FILE)
gtab = gradient_table(bvals, bvecs)

3.3. ノイズ除去(デノイズ)

mppca関数を用いて、Marchenko-Pastur PCAを用いたデノイズをする。

denoised_arr = mppca(data, patch_radius=3)

3.4. NIfTI形式で保存

save_nifti関数で、画像をNIfTI形式で保存する。

save_nifti('DWI_denoised.nii.gz', denoised_arr.astype(np.float32), affine)

3.5. 結果

拡散強調像(b=2000 s/mm^2)のデノイズ前後の比較と差分画像は、以下。

実際に、デノイズ前(上段)とデノイズ後(下段)でDTIおよびDKIを計算し、比較してみる。

4. おまけ

Marchenko-Pastur PCAアルゴリズムは、ノイズの標準偏差も推定することができる。ノイズの標準偏差を算出するためには、return_sigmaのフラグを「True」にする。

denoised_arr, sigma = mppca(data, patch_radius=3, return_sigma=True)
save_nifti('DWI_noise_sigma.nii.gz', sigma .astype(np.float32), affine)

ノイズの標準偏差マップは、以下の通り。

脳領域における平均ノイズ標準偏差は、次のようにして計測できる。

mean_sigma = np.mean(sigma[mask])
print(mean_sigma)

推定した平均ノイズ標準偏差を用いて、b=0 (s/mm^2)画像のSNRを算出する。

b0 = denoised_arr[..., 0]
mean_signal = np.mean(b0[mask])
snr = mean_signal / mean_sigma
print(snr)

【MRtrix】MRtrixを用いた拡散MRIのノイズ除去 ~Denoise~


1. 目的
2. コマンド
2.1. 使用例


1. 目的

  • MRtrixを用いた拡散MRIのノイズ除去(Denoise)

2. コマンド

拡散MRIのノイズ除去には、MRtrixdwidenoiseを用いる。dwidenoiseは、Marchenko-Pastur PCAを用いたデノイズである。

拡散MRIのノイズ除去は、前処理の一番最初に実行する必要がある。

dwidenoiseのヘルプは、次の通り。

クリックして展開
SYNOPSIS

     dMRI noise level estimation and denoising using Marchenko-Pastur PCA

USAGE

     dwidenoise [ options ] dwi out

        dwi          the input diffusion-weighted image.

        out          the output denoised DWI image.


DESCRIPTION

     DWI data denoising and noise map estimation by exploiting data redundancy
     in the PCA domain using the prior knowledge that the eigenspectrum of
     random covariance matrices is described by the universal Marchenko-Pastur
     (MP) distribution. Fitting the MP distribution to the spectrum of
     patch-wise signal matrices hence provides an estimator of the noise level
     'sigma', as was first shown in Veraart et al. (2016) and later improved in
     Cordero-Grande et al. (2019). This noise level estimate then determines
     the optimal cut-off for PCA denoising.

     Important note: image denoising must be performed as the first step of the
     image processing pipeline. The routine will fail if interpolation or
     smoothing has been applied to the data prior to denoising.

     Note that this function does not correct for non-Gaussian noise biases
     present in magnitude-reconstructed MRI images. If available, including the
     MRI phase data can reduce such non-Gaussian biases, and the command now
     supports complex input data.

OPTIONS

  -mask image
     Only process voxels within the specified binary brain mask image.

  -extent window
     Set the patch size of the denoising filter. By default, the command will
     select the smallest isotropic patch size that exceeds the number of DW
     images in the input data, e.g., 5x5x5 for data with <= 125 DWI volumes,
     7x7x7 for data with <= 343 DWI volumes, etc.

  -noise level
     The output noise map, i.e., the estimated noise level 'sigma' in the data.
     Note that on complex input data, this will be the total noise level across
     real and imaginary channels, so a scale factor sqrt(2) applies.

  -datatype float32/float64
     Datatype for the eigenvalue decomposition (single or double precision).
     For complex input data, this will select complex float32 or complex
     float64 datatypes.

  -estimator Exp1/Exp2
     Select the noise level estimator (default = Exp2), either: 
     * Exp1: the original estimator used in Veraart et al. (2016), or 
     * Exp2: the improved estimator introduced in Cordero-Grande et al. (2019).

Standard options

  -info
     display information messages.

  -quiet
     do not display information messages or progress status; alternatively,
     this can be achieved by setting the MRTRIX_QUIET environment variable to a
     non-empty string.

  -debug
     display debugging messages.

  -force
     force overwrite of output files (caution: using the same file as input and
     output might cause unexpected behaviour).

  -nthreads number
     use this number of threads in multi-threaded applications (set to 0 to
     disable multi-threading).

  -config key value  (multiple uses permitted)
     temporarily set the value of an MRtrix config file entry.

  -help
     display this information page and exit.

  -version
     display version information and exit.

基本的な使い方は、次の通り。

dwidenoise <入力画像> <出力画像>

2.1. 使用例

前処理する前の拡散MRI(DWI.nii.gz)に、dwidenoiseを実行する。

dwidenoise DWI.nii.gz DWI_denoised.nii.gz

処理後の画像は、以下。

【FSL】FSLを用いた構造MRIと拡散MRIの位置合わせ ~Boundary-Based Registration: BBR~


1. 目的
2. Boundary-Based Registration (BBR)とは
3. コマンド
4. 目的使用例
4.1. 目的前準備
4.2. 目的Boundary-Based Registration: BBB


1. 目的

2. Boundary-Based Registration (BBR)とは

Doug Greve氏によって開発されたEPI画像(拡散MRIや機能的MRI)用の位置合わせツールで、EPI画像と構造MRI画像(例:T1WI)との位置合わせで、灰白質・白質境界(Boundary)を頼りに位置合わせをする。以下のウェブサイトに、詳細な説明と分かりやすい図がある。

FLIRT_BBR

3. コマンド

Boundary-Based Registration (BBR) に基づいた構造MRIと拡散MRIの位置合わせをFSLで実装するには、epi_regを用いる。

epi_regのヘルプは、以下の通り。

クリックして展開
Usage: epi_reg [options] --epi=<EPI image> --t1=<wholehead T1 image> --t1brain=<brain extracted T1 image> --out=<output name>
 
Optional arguments
  --fmap=<image>         : fieldmap image (in rad/s)
  --fmapmag=<image>      : fieldmap magnitude image - wholehead extracted
  --fmapmagbrain=<image> : fieldmap magnitude image - brain extracted
  --gdc=<image>          : Gradient-distortion corection warpfield
  --wmseg=<image>        : white matter segmentation of T1 image
  --echospacing=<val>    : Effective EPI echo spacing (sometimes called dwell time) - in seconds
  --pedir=<dir>          : phase encoding direction, dir = x/y/z/-x/-y/-z
  --weight=<image>       : weighting image (in T1 space)
  --nofmapreg            : do not perform registration of fmap to T1 (use if fmap already registered) 
  --noclean              : do not clean up intermediate files
  -v                     : verbose output
  -h                     : display this help message
 
e.g.:  epi_reg --epi=example_func --t1=struct --t1brain=struct_brain --out=epi2struct --fmap=fmap_rads --fmapmag=fmap_mag --fmapmagbrain=fmap_mag_brain --echospacing=0.0005 --pedir=-y
 
Note that if parallel acceleration is used in the EPI acquisition then the *effective* echo spacing is the actual echo spacing between acquired lines in k-space divided by the acceleration factor.

基本的な使い方は、以下の通り。

epi_reg --epi=<b=0画像(spin-echo EPI)> --t1=<頭蓋除去前の3D-T1WI> --t1brain=<頭蓋除去後の3D-T1WI> --echospacing=<echo spacing時間(sec)> --pedir=<位相エンコード方向> --out=<出力画像>

4. 目的使用例

4.1 目的前準備

次のファイルを準備する。

.
├── CSF_GM_WM_seg.nii.gz:FASTで作成したCSF, GM, WMのセグメント
├── DWI.nii.gz:拡散MRI画像(b≠0)
├── DWI_b0.nii.gz:拡散MRIのb=0画像(spin-echo EPI)
├── T1_skull_stripped.nii.gz:頭蓋除去後の3D-T1WI
└── T1w.nii.gz:頭蓋除去前の3D-T1WI

頭蓋除去とFASTを用いたCSF, GM, WMのセグメントは、以下の記事を参考にするとよい。

また、拡散MRIからb値ごとに画像を抽出する方法は、以下の記事を参考にするとよい。

4.2. 目的Boundary-Based Registration: BBB

ここで、構造MRI(3D-T1WI)空間にあるCSF, GM, WMのセグメント(CSF_GM_WM_seg.nii.gz)を、拡散MRIの空間に移動させることを考える。

そのために、まずBBBを使って拡散MRIのb=0画像(spin-echo EPI)を、構造MRI(3D-T1WI)に位置合わせする。

この時、echo spacing時間( sec)--echospacingと位相エンコード方向--pedirを前もって調べておく必要がある。これらの情報は、dcm2niixを用いてDICOM形式からNIfTI形式に変換する際に出力されるJSONファイルに記載されている。dcm2niixの使い方は、以下の記事を参考にするとよい。

準備ができたら、以下のようにepi_regコマンドを実行して、拡散MRIから構造MRIへ位置合わせする変換行列を生成する。

epi_reg --epi=DWI_b0.nii.gz --t1=T1w.nii.gz --t1brain=T1_skull_stripped.nii.gz --echospacing=0.0380544 --pedir=-y --out=DWI2T1w

次に、先ほどの変換行列(拡散MRI空間→構造MRI空間)の逆変換行列(構造MRI空間→拡散MRI空間)を生成する。

convert_xfm -omat T1w2DWI.mat -inverse DWI2T1w.mat

逆変換行列(構造MRI空間→拡散MRI空間)を構造MRI空間にいるCSF, GM, WMのセグメント(CSF_GM_WM_seg.nii.gz)に適用することで、セグメントを拡散MRI空間に移動させる。このとき、-applyxfm-interp nearestneighbourとしていることに注意する。FLIRTの使い方の詳細はこちら

flirt -in CSF_GM_WM_seg.nii.gz -ref DWI_b0.nii.gz -out CSF_GM_WM_seg_DWIspace.nii.gz -init T1w2DWI.mat -applyxfm -interp nearestneighbour

処理前後のセグメントの様子をみてみる。

fsleyes DWI.nii.gz \
CSF_GM_WM_seg.nii.gz -cm random \
CSF_GM_WM_seg_DWIspace.nii.gz -cm random

軸位断で後頭葉付近を拡大してみる。

【MRtrix】拡散MRIからb値ごとに画像を抽出


1. 目的
2. コマンド
3.使用例
3.1.前準備
3.2.b=0のみを抽出
3.3.b≠0を抽出
3.4.b値ごとに抽出


1. 目的

  • 拡散MRIからb値ごとに画像を抽出

2. コマンド

拡散MRIからb値ごとに画像を抽出するには、MRtrixdwiextractを用いる。

dwiextractのヘルプは、次の通り。

クリックして展開
SYNOPSIS

     Extract diffusion-weighted volumes, b=0 volumes, or certain shells from a
     DWI dataset

USAGE

     dwiextract [ options ] input output

        input        the input DW image.

        output       the output image (diffusion-weighted volumes by default).


EXAMPLE USAGES

     Calculate the mean b=0 image from a 4D DWI series:
       $ dwiextract dwi.mif - -bzero | mrmath - mean mean_bzero.mif -axis 3
     The dwiextract command extracts all volumes for which the b-value is
     (approximately) zero; the resulting 4D image can then be provided to the
     mrmath command to calculate the mean intensity across volumes for each
     voxel.

OPTIONS

  -bzero
     Output b=0 volumes (instead of the diffusion weighted volumes, if
     -singleshell is not specified).

  -no_bzero
     Output only non b=0 volumes (default, if -singleshell is not specified).

  -singleshell
     Force a single-shell (single non b=0 shell) output. This will include b=0
     volumes, if present. Use with -bzero to enforce presence of b=0 volumes
     (error if not present) or with -no_bzero to exclude them.

DW gradient table import options

  -grad file
     Provide the diffusion-weighted gradient scheme used in the acquisition in
     a text file. This should be supplied as a 4xN text file with each line is
     in the format [ X Y Z b ], where [ X Y Z ] describe the direction of the
     applied gradient, and b gives the b-value in units of s/mm^2. If a
     diffusion gradient scheme is present in the input image header, the data
     provided with this option will be instead used.

  -fslgrad bvecs bvals
     Provide the diffusion-weighted gradient scheme used in the acquisition in
     FSL bvecs/bvals format files. If a diffusion gradient scheme is present in
     the input image header, the data provided with this option will be instead
     used.

DW shell selection options

  -shells b-values
     specify one or more b-values to use during processing, as a
     comma-separated list of the desired approximate b-values (b-values are
     clustered to allow for small deviations). Note that some commands are
     incompatible with multiple b-values, and will report an error if more than
     one b-value is provided. 
     WARNING: note that, even though the b=0 volumes are never referred to as
     shells in the literature, they still have to be explicitly included in the
     list of b-values as provided to the -shell option! Several algorithms
     which include the b=0 volumes in their computations may otherwise return
     an undesired result.

DW gradient table export options

  -export_grad_mrtrix path
     export the diffusion-weighted gradient table to file in MRtrix format

  -export_grad_fsl bvecs_path bvals_path
     export the diffusion-weighted gradient table to files in FSL (bvecs /
     bvals) format

Options for importing phase-encode tables

  -import_pe_table file
     import a phase-encoding table from file

  -import_pe_eddy config indices
     import phase-encoding information from an EDDY-style config / index file
     pair

Options for selecting volumes based on phase-encoding

  -pe desc
     select volumes with a particular phase encoding; this can be three
     comma-separated values (for i,j,k components of vector direction) or four
     (direction & total readout time)

Stride options

  -strides spec
     specify the strides of the output data in memory; either as a
     comma-separated list of (signed) integers, or as a template image from
     which the strides shall be extracted and used. The actual strides produced
     will depend on whether the output image format can support it.

Standard options

  -info
     display information messages.

  -quiet
     do not display information messages or progress status; alternatively,
     this can be achieved by setting the MRTRIX_QUIET environment variable to a
     non-empty string.

  -debug
     display debugging messages.

  -force
     force overwrite of output files (caution: using the same file as input and
     output might cause unexpected behaviour).

  -nthreads number
     use this number of threads in multi-threaded applications (set to 0 to
     disable multi-threading).

  -config key value  (multiple uses permitted)
     temporarily set the value of an MRtrix config file entry.

  -help
     display this information page and exit.

  -version
     display version information and exit.

基本的な使い方は、以下の通り。

dwiextract -bzero <入力画像> <出力画像>  # b=0のみを抽出
dwiextract -no_bzero <入力画像> <出力画像>  # b=0以外の拡散強調像を抽出
dwiextract -singleshell <入力画像> <出力画像>  # b=0以外の拡散強調像を抽出

3. 使用例

3.1. 前準備

まず、こちらの記事を参考に、拡散MRI(DWI.nii.gz)とそのMPG軸情報(bvecs, bvals)とヘッダー情報(headers.json)をまとめて、MIF形式(DWI.mif)に変換する。

mrconvert -fslgrad bvecs bvals -json_import headers.json DWI.nii.gz DWI.mif

ここで使用する拡散MRI(DWI.mif)は、b=0が1枚、b=1000が64枚、b=2000が64枚で構成されている(全部で129 volumes)。

mrinfo DWI.mif  |grep Dimensions
Dimensions:        130 x 130 x 82 x 129

3.2. b=0のみを抽出

オプション-bzeroを指定する。

dwiextract -bzero DWI.mif DWI_b0.mif

b=0の画像のみ抽出される。

mrinfo DWI_b0.mif  |grep Dimensions
Dimensions:        130 x 130 x 82 x 1

3.3. b≠0を抽出

オプション-no_bzeroを指定する。

dwiextract -no_bzero DWI.mif DWI_nonb0.mif

b≠0の画像のみ抽出される。

mrinfo DWI_nonb0.mif  |grep Dimensions
Dimensions:        130 x 130 x 82 x 128

3.4. b値ごとに抽出

オプション-singleshellを指定する。

例えば、b=1000のみを抽出する場合、以下のようになる。

dwiextract -shells 1000 DWI.mif DWI_b1000.mif

b=1000の画像のみ抽出される。

mrinfo DWI_b1000.mif  |grep Dimensions
Dimensions:        130 x 130 x 82 x 64

【MRtrix】MRtrixを用いた拡散MRIのマスク画像の作成


1. 目的
2. コマンド
3. 使用例
3.1. 前準備
3.2. 拡散MRIのマスク画像の作成


1. 目的

  • MRtrixを用いた拡散MRIのマスク画像の作成

2. コマンド

MRtrixを用いて拡散MRIのマスク画像の作成するには、dwi2maskを使用する。

dwi2maskのヘルプは、次の通り。

クリックして展開
SYNOPSIS

     Generates a whole brain mask from a DWI image

USAGE

     dwi2mask [ options ] input output

        input        the input DWI image containing volumes that are both
                     diffusion weighted and b=0

        output       the output whole-brain mask image


DESCRIPTION

     All diffusion weighted and b=0 volumes are used to obtain a mask that
     includes both brain tissue and CSF.

     In a second step peninsula-like extensions, where the peninsula itself is
     wider than the bridge connecting it to the mask, are removed. This may
     help removing artefacts and non-brain parts, e.g. eyes, from the mask.

OPTIONS

  -clean_scale value
     the maximum scale used to cut bridges. A certain maximum scale cuts
     bridges up to a width (in voxels) of 2x the provided scale. Setting this
     to 0 disables the mask cleaning step. (Default: 2)

DW gradient table import options

  -grad file
     Provide the diffusion-weighted gradient scheme used in the acquisition in
     a text file. This should be supplied as a 4xN text file with each line is
     in the format [ X Y Z b ], where [ X Y Z ] describe the direction of the
     applied gradient, and b gives the b-value in units of s/mm^2. If a
     diffusion gradient scheme is present in the input image header, the data
     provided with this option will be instead used.

  -fslgrad bvecs bvals
     Provide the diffusion-weighted gradient scheme used in the acquisition in
     FSL bvecs/bvals format files. If a diffusion gradient scheme is present in
     the input image header, the data provided with this option will be instead
     used.

基本的な使い方は、以下の通り。

dwi2mask <入力画像> <出力画像>

3. 使用例

3.1. 前準備

まず、こちらの記事を参考に、拡散MRI(DWI.nii.gz)とそのMPG軸情報(bvecs, bvals)とヘッダー情報(headers.json)をまとめて、MIF形式(DWI.mif)に変換する。

mrconvert -fslgrad bvecs bvals -json_import headers.json DWI.nii.gz DWI.mif

3.2. 拡散MRIのマスク画像の作成

以下のコマンドを実行する。

dwi2mask DWI.mif DWI_mask.mif

拡散MRIとマスク画像(緑)を重ね合わせてみる。