【FreeSurfer】FreeSurferを用いた頭蓋除去 ~Skull-stripping~

1. 目的
2. コマンド
3. 使用例
4. 結果

1. 目的

脳画像解析で、対象となる領域は脳実質でありその他の骨・筋・脂肪・眼球等の組織は、解析する上でノイズとなる。そのため、解析精度を高めるには頭蓋を除去することが重要である。

この記事では、FreeSurferを用いて頭蓋を除去する方法を解説する。

• FreeSurferを用いた頭蓋除去

2. コマンド

ここでは、FreeSurferの関数であるrecon-allコマンドを用いて、頭蓋を除去する。

基本的な使い方は、次の通り。

# FreeSurfer作業ディレクトリを指定
export SUBJECTS_DIR=<PATH>

# Autorecon1を実行
recon-all -subjid <被験者ID (任意)> -i <入力画像 (3D-T1WI)> -autorecon1

Autorecon1では、以下の処理を実行している。

1. 動き補正（同一被験者の3D-T1WIが二つある場合には、平均画像を生成）
2. Talairach変換
3. 信号ムラ（バイアス）の補正
4. 信号値の正規化
5. 頭蓋除去

3. 使用例

頭蓋除去前の3D-T1WI（T1w.nii.gz）に対して、recon-all -autorecon1コマンドを実行する。ここでは、被験者ID（-subjid）を「Subj001」にした。これは、自由に変えてもよい。

# FreeSurfer作業ディレクトリを指定
export SUBJECTS_DIR=$PWD

# Autorecon1を実行
recon-all -subjid Subj001 -i T1w.nii.gz -autorecon1

# Autorecon1で作成した頭蓋除去済みの脳マスク画像（brainmask）をNIfTIに変換
# ただし、元画像（T1w.nii.gz）と同じヘッダー情報を参考に（--likeオプション）
mri_convert Subj001/mri/brainmask.mgz brainmask.nii.gz --like T1w.nii.gz

# 元のT1WIにbrainmaskを適用
fslmaths T1w.nii.gz -mas brainmask.nii.gz T1_skull_stripped.nii.gz

recon-allでの処理が完了すると、被験者IDディレクトリ（Subj001）が生成され、このディレクトリ内に処理された結果が保存される。

Subj001/
├── label
├── mri
│   ├── T1.mgz
│   ├── brainmask.auto.mgz
│   ├── brainmask.mgz
│   ├── mri_nu_correct.mni.log
│   ├── mri_nu_correct.mni.log.bak
│   ├── nu.mgz
│   ├── orig
│   │   └── 001.mgz
│   ├── orig.mgz
│   ├── orig_nu.mgz
│   ├── rawavg.mgz
│   ├── talairach_with_skull.log
│   └── transforms
│       ├── bak
│       ├── talairach.auto.xfm
│       ├── talairach.auto.xfm.lta
│       ├── talairach.xfm
│       ├── talairach.xfm.lta
│       ├── talairach_avi.log
│       ├── talairach_avi_QA.log
│       ├── talairach_with_skull.lta
│       └── talsrcimg_to_711-2C_as_mni_average_305_t4_vox2vox.txt
├── scripts
│   ├── build-stamp.txt
│   ├── lastcall.build-stamp.txt
│   ├── patchdir.txt
│   ├── recon-all-status.log
│   ├── recon-all.cmd
│   ├── recon-all.done
│   ├── recon-all.env
│   ├── recon-all.local-copy
│   ├── recon-all.log
│   ├── recon-config.yaml
│   └── unknown-args.txt
├── stats
├── surf
├── tmp
├── touch
│   ├── conform.touch
│   ├── inorm1.touch
│   ├── nu.touch
│   ├── skull.lta.touch
│   ├── skull_strip.touch
│   └── talairach.touch
└── trash

頭蓋除去された画像は、「Subj001/mri/brainmask.mgz」にある。brainmask.mgz画像は、頭蓋除去済みの脳画像であるが、信号値の階調が0~225に圧縮（正規化）されてしまう。そこで、このbrainmask.mgzをマスク画像として扱い、元の3D-T1WIのマスク処理（マスキング）として適用する。

結果

処理前後の画像は次の通り。

著者情報： 斎藤 勇哉

順天堂大学医学部 大学院医学研究科 放射線診断学講座所属
脳MRI 画像解析が専門であり、テーマは①神経変性疾患の機序解明、②医用人工知能の開発、③多施設データのハーモナイゼーション、④速読が脳に与える影響や学習効果、⑤SNS解析を用いたマーケティング戦略の改善。
医療分野に関わらず、自然言語処理・スクレイピング・データ分析・Web アプリ開発を得意とし、企業や他大学の研究を支援。
主な使用言語は、Python、Shell Script、MATLAB、HTML、CSS