1. 目的
2. 位置合わせで使用する変換について
2.1. 拡大縮小・回転・平行移動・せん断を用いた変換
2.2. 非線形変換
3. コマンド
3.1. FLIRT
3.2. FNIRT
4. 使用例
4.1. 同一被験者における脳画像の位置合わせ（剛体変換）
4.2. 異なる被験者脳の位置合わせ（アフィン変換）
4.3. 異なる被験者脳の位置合わせ（アフィン変換+非線形変換）
4.4. 標準空間上にあるラベル（関心領域）を個人脳に位置合わせ（アフィン変換+非線形変換）
1. 目的
- 位置合わせで使用する種々の変換の理解
- 拡大縮小・回転・平行移動・せん断を用いた変換
- 非線形変換
2. 位置合わせで使用する変換について
位置合わせで使用する変換として、拡大縮小・回転・平行移動・せん断を用いた変換と非線形変換がある。
2.1. 拡大縮小・回転・平行移動・せん断を用いた変換
平行移動および回転を組み合わせた変換を剛体変換（Rigid transform）、拡大縮小・回転・せん断のようにY=AXで表現できる変換を線形変換（1次変換, linear transform）という。また、線形変換に平行移動を組み合わせたY=AX+Bの変換を、アフィン変換（Affine transform）という。詳細は、こちらを参考にすると分かりやすい。
脳MRI画像のような、3次元データの位置合わせの場合、拡大縮小・回転・平行移動・せん断それぞれの自由度は3である。つまり、剛体変換の自由度は6、線形変換の自由度は9、アフィン変換の自由度は12となる。
2.2. 非線形変換
脳のしわや脳室等の形は個人差があるので、個人脳を標準脳に合わせる際に、拡大縮小・回転・平行移動・せん断を用いた変換では、十分に位置合わせができない。そこで、脳のしわや脳室等までも合わせるために、非線形変換を導入する。
非線形変換は、Y=AX+Bのような線形式で表現できない変換であり、アルゴリズムとしてB-spline法がよく用いられている。詳細は、こちらを参考にするとよい。
3. コマンド
FSLコマンドの、flirtで拡大縮小・回転・平行移動・せん断、fnirtで非線形変換を実行することができる。
3.1. FLIRT
flirtのヘルプは次の通り。
Usage: flirt [options] -in <inputvol> -ref <refvol> -out <outputvol>
flirt [options] -in <inputvol> -ref <refvol> -omat <outputmatrix>
flirt [options] -in <inputvol> -ref <refvol> -applyxfm -init <matrix> -out <outputvol>
Available options are:
-in <inputvol> (no default)
-ref <refvol> (no default)
-init <matrix-filname> (input 4x4 affine matrix)
-omat <matrix-filename> (output in 4x4 ascii format)
-out, -o <outputvol> (default is none)
-datatype {char,short,int,float,double} (force output data type)
-cost {mutualinfo,corratio,normcorr,normmi,leastsq,labeldiff,bbr} (default is corratio)
-searchcost {mutualinfo,corratio,normcorr,normmi,leastsq,labeldiff,bbr} (default is corratio)
-usesqform (initialise using appropriate sform or qform)
-displayinit (display initial matrix)
-anglerep {quaternion,euler} (default is euler)
-interp {trilinear,nearestneighbour,sinc,spline} (final interpolation: def - trilinear)
-sincwidth <full-width in voxels> (default is 7)
-sincwindow {rectangular,hanning,blackman}
-bins <number of histogram bins> (default is 256)
-dof <number of transform dofs> (default is 12)
-noresample (do not change input sampling)
-forcescaling (force rescaling even for low-res images)
-minsampling <vox_dim> (set minimum voxel dimension for sampling (in mm))
-applyxfm (applies transform (no optimisation) - requires -init)
-applyisoxfm <scale> (as applyxfm but forces isotropic resampling)
-paddingsize <number of voxels> (for applyxfm: interpolates outside image by size)
-searchrx <min_angle> <max_angle> (angles in degrees: default is -90 90)
-searchry <min_angle> <max_angle> (angles in degrees: default is -90 90)
-searchrz <min_angle> <max_angle> (angles in degrees: default is -90 90)
-nosearch (sets all angular search ranges to 0 0)
-coarsesearch <delta_angle> (angle in degrees: default is 60)
-finesearch <delta_angle> (angle in degrees: default is 18)
-schedule <schedule-file> (replaces default schedule)
-refweight <volume> (use weights for reference volume)
-inweight <volume> (use weights for input volume)
-wmseg <volume> (white matter segmentation volume needed by BBR cost function)
-wmcoords <text matrix> (white matter boundary coordinates for BBR cost function)
-wmnorms <text matrix> (white matter boundary normals for BBR cost function)
-fieldmap <volume> (fieldmap image in rads/s - must be already registered to the reference image)
-fieldmapmask <volume> (mask for fieldmap image)
-pedir <index> (phase encode direction of EPI - 1/2/3=x/y/z & -1/-2/-3=-x/-y/-z)
-echospacing <value> (value of EPI echo spacing - units of seconds)
-bbrtype <value> (type of bbr cost function: signed [default], global_abs, local_abs)
-bbrslope <value> (value of bbr slope)
-setbackground <value> (use specified background value for points outside FOV)
-noclamp (do not use intensity clamping)
-noresampblur (do not use blurring on downsampling)
-2D (use 2D rigid body mode - ignores dof)
-verbose <num> (0 is least and default)
-v (same as -verbose 1)
-i (pauses at each stage: default is off)
-version (prints version number)
-help
基本的な使い方は、以下。
単純に、位置合わせを実行したい場合。
flirt -in <位置合わせしたい画像> -ref <位置合わせ先の画像> -dof <自由度> -out <出力画像>
一度、変換行列を生成して、次にそれを適応する場合。
# 変換行列を生成
flirt [options] -in <位置合わせしたい画像> -ref <位置合わせ先の画像> -dof <自由度> -omat <変換行列の出力ファイル>
# 変換行列を適用
flirt [options] -in <位置合わせしたい画像> -ref <位置合わせ先の画像> -applyxfm -init <適用したい変換行列> -out <出力画像>
3.2. FNIRT
fnirtのヘルプは次の通り。
Usage:
fnirt --ref=<some template> --in=<some image>
fnirt --ref=<some template> --in=<some image> --infwhm=8,4,2 --subsamp=4,2,1 --warpres=8,8,8
Compulsory arguments (You MUST set one or more of):
--ref name of reference image
--in name of input image
Optional arguments (You may optionally specify one or more of):
--aff name of file containing affine transform
--inwarp name of file containing initial non-linear warps
--intin name of file/files containing initial intensity mapping
--cout name of output file with field coefficients
--iout name of output image
--fout name of output file with field
--jout name of file for writing out the Jacobian of the field (for diagnostic or VBM purposes)
--refout name of file for writing out intensity modulated --ref (for diagnostic purposes)
--intout name of files for writing information pertaining to intensity mapping
--logout Name of log-file
--config Name of config file specifying command line arguments
--refmask name of file with mask in reference space
--inmask name of file with mask in input image space
--applyrefmask Use specified refmask if set, default 1 (true)
--applyinmask Use specified inmask if set, default 1 (true)
--imprefm If =1, use implicit masking based on value in --ref image. Default =1
--impinm If =1, use implicit masking based on value in --in image, Default =1
--imprefval Value to mask out in --ref image. Default =0.0
--impinval Value to mask out in --in image. Default =0.0
--minmet non-linear minimisation method [lm | scg] (Levenberg-Marquardt or Scaled Conjugate Gradient)
--miter Max # of non-linear iterations, default 5,5,5,5
--subsamp sub-sampling scheme, default 4,2,1,1
--warpres (approximate) resolution (in mm) of warp basis in x-, y- and z-direction, default 10,10,10
--splineorder Order of spline, 2->Quadratic spline, 3->Cubic spline. Default=3
--infwhm FWHM (in mm) of gaussian smoothing kernel for input volume, default 6,4,2,2
--reffwhm FWHM (in mm) of gaussian smoothing kernel for ref volume, default 4,2,0,0
--regmod Model for regularisation of warp-field [membrane_energy bending_energy], default bending_energy
--lambda Weight of regularisation, default depending on --ssqlambda and --regmod switches. See user documentation.
--ssqlambda If set (=1), lambda is weighted by current ssq, default 1
--jacrange Allowed range of Jacobian determinants, default 0.01,100.0
--refderiv If =1, ref image is used to calculate derivatives. Default =0
--intmod Model for intensity-mapping [none global_linear global_non_linear local_linear global_non_linear_with_bias local_non_linear]
--intorder Order of polynomial for mapping intensities, default 5
--biasres Resolution (in mm) of bias-field modelling local intensities, default 50,50,50
--biaslambda Weight of regularisation for bias-field, default 10000
--estint Estimate intensity-mapping if set, default 1 (true)
--numprec Precision for representing Hessian, double or float. Default double
--interp Image interpolation model, linear or spline. Default linear
-v,--verbose Print diagnostic information while running
-h,--help display help info
基本的な使い方は、以下。
単純に、位置合わせしたい場合。
fnirt --ref=<位置合わせ先の画像> --in=<位置合わせしたい画像> --iout=＜出力画像＞
最初にflirtを実行し、次にfnirtを実行して、位置合わせする場合。
flirt [options] -in <位置合わせしたい画像> -ref <位置合わせ先の画像> -dof <自由度> -omat <flirt変換行列の出力ファイル>
fnirt --in=<位置合わせしたい画像> --aff=<適用したいflirt変換行列> --cout=<fnirt変換行列の出力ファイル>
applywarp --in=<位置合わせしたい画像> --ref=<位置合わせ先の画像> --warp=<fnirt変換行列の出力ファイル> --out=<flirt/fnirt後の出力画像>
fnirtでは、様々なパラメータを設定することができるが、FSLでは種々のパラメータ値が記載された設定ファイル（.cnf）を提供している。設定ファイルは、${FSLDIR}/etc/flirtschで確認することができる。fnirtで設定ファイルを用いるには、-configオプションを用いて設定ファイルを指定する。
${FSLDIR}/etc/flirtsch
├── FA_2_FMRIB58_1mm.cnf # 個人FAとFMRIB58_1mm（標準FA）の設定ファイル
├── GM_2_MNI152GM_2mm.cnf # 個人灰白質（GM）とMNI152GM_2mm（標準GM）の設定ファイル
├── T1_2_MNI152_2mm.cnf # 個人T1WIとMNI152_2mm.cnf（標準T1WI）の設定ファイル
├── b02b0.cnf # 拡散強調画像のb=0画像の位置合わせで用いる設定ファイル
├── b02b0_1.cnf # 拡散強調画像のb=0画像の位置合わせで用いる設定ファイル
├── b02b0_2.cnf # 拡散強調画像のb=0画像の位置合わせで用いる設定ファイル
└── b02b0_4.cnf # 拡散強調画像のb=0画像の位置合わせで用いる設定ファイル
4. 使用例
flirtおよびfnirtを用いた脳画像の位置合わせについて、使用例を用いて解説していく。
位置合わせの精度を高めるために、位置合わせの前に前処理として頭蓋除去をしておくとよい。やり方は、以下の記事を参考にするとよい。
頭蓋除去をすると次のようになる。
4.1. 同一被験者における脳画像の位置合わせ（剛体変換）
標準空間上にある個人脳（T1_skull_stripped_inMNI.nii.gz）を、個人空間上の個人脳（T1_skull_stripped.nii.gz）に位置合わせする。
二つの画像には、個人脳と標準脳のとの間には、この程度の位置ずれがある。
標準空間上にある個人脳（T1_skull_stripped_inMNI.nii.gz）を、個人空間上の個人脳（T1_skull_stripped.nii.gz）に位置合わせするには、次のコマンドを実行する。同一被験者脳の位置合わせであるため、自由度（DoF）は6としている。
flirt -in T1_skull_stripped_inMNI.nii.gz -ref T1_skull_stripped.nii.gz -dof 6 -out T1_skull_stripped_MNI2individual.nii.gz
標準空間から個人空間に位置合わせした個人脳と、個人空間にある個人脳を重ね合わせると、次のようになる。
4.2. 異なる被験者脳の位置合わせ（アフィン変換）
頭蓋除去済みのT1WI（T1_skull_stripped.nii.gz）を標準脳T1WI（MNI152_T1_1mm_brain.nii.gz）に位置合わせする。MNI152_T1_1mm_brain.nii.gzは、「${FSLDIR}/data/standard/MNI152_T1_1mm_brain.nii.gz」にある。
個人脳と標準脳のとの間には、この程度の位置ずれがある。
個人脳を標準脳に合わせるには、次のコマンドを実行する。この時、自由度は12としている。
flirt -in T1_skull_stripped.nii.gz -ref MNI152_T1_1mm_brain.nii.gz -dof 12 -out T1_skull_stripped_inMNI.nii.gz
標準脳に位置合わせした個人脳と標準脳を重ね合わせると、次のようになる。
4.3. 異なる被験者脳の位置合わせ（アフィン変換+非線形変換）
頭蓋除去済みのT1WI（T1_skull_stripped.nii.gz）を標準脳T1WI（MNI152_T1_1mm_brain.nii.gz）に位置合わせする場合、アフィン変換だけでは、脳のしわや脳室等における位置合わせ不十分である（下図）。
そこで、アフィン変換にあわせて非線形変換も組み合わせる。
アフィン変換および非線形変換を用いて、頭蓋除去済みのT1WI（T1_skull_stripped.nii.gz）を標準脳T1WI（MNI152_T1_1mm_brain.nii.gz）に位置合わせするには、以下のコマンドを実行する。
flirt -in T1_skull_stripped.nii.gz -ref MNI152_T1_1mm_brain.nii.gz -omat indiv2std.mat
fnirt --ref=MNI152_T1_1mm_brain.nii.gz --in=T1_skull_stripped.nii.gz --aff=indiv2std.mat --iout=T1_skull_stripped_inMNI.nii.gz
アフィン変換および非線形変換を用いた、位置合わせの結果は以下。
4.4. 標準空間上にあるラベル（関心領域）を個人脳に位置合わせ（アフィン変換+非線形変換）
何らかのアトラスで定義された関心領域（ROI）を用いて、個人脳の何らかの定量値を計測したい場合がある。その時には、アトラスを個人脳に位置合わせしなくてはならない。
標準脳のFAにあるアトラス（JHU-ICBM-labels-1mm.nii.gz）を、個人脳のFAに位置合わせする。JHU-ICBM-labels-1mm.nii.gzは、「${FSLDIR}/data/atlases/JHU/JHU-ICBM-labels-1mm.nii.gz 」にある。
手順は、次の通り。
flirtを用いて個人脳FAを標準脳FAに位置合わせ- 1の変換行列を初期値として、
fnirtで個人脳FAを標準脳FAに位置合わせ
- 2で得られた変換行列（個人脳→標準脳）を反転させて、標準脳から個人脳へと変換する行列に
- 標準脳上にあるアトラスに、3の変換行列を適用して、アトラスを個人脳に位置合わせ
# 位置合わせ
flirt -in FA.nii.gz -ref FMRIB58_FA_1mm.nii.gz -dof 12 -omat indiv2std.mat
fnirt --in=FA.nii.gz --aff=indiv2std.mat --config=FA_2_FMRIB58_1mm.cnf --cout=warp_indiv2std.nii.gz
# 変換行列（個人脳→標準脳）を反転して、標準脳から個人脳へと変換する行列に
invwarp -w warp_indiv2std.nii.gz -o warp_std2indiv.nii.gz -r FA.nii.gz
# 変換行列を適用して、アトラスを個人脳に位置合わせ
applywarp --in=JHU-ICBM-labels-1mm.nii.gz --ref=FA.nii.gz --warp=warp_std2indiv.nii.gz --interp=nn --out=JHU-ICBM-labels-1mm_indiv.nii.gz
位置合わせの結果は、次の通り。
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
