使用ANTs进行MRI图像配准
Alex / 2016-12-10 / free_learner@163
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、如何安装ANTs？
ANTs（Advanced Normalization Tools）就我所知是目前配准质量最好的软件，它的安装方法见上的链接，以防该链接失效，我在下面重复一下安装过程（适用于Linux/OSX）。
（1）安装git, cmake和c++编译器
（2）在命令行中分别执行以下命令（假设当前目录在主目录下）：
git clone git://github/stnava/ANTs.git
mkdir antsbin
cd antsbin
ccmake ../ANTs
make -j 4
cp ANTs/Scripts/* ./bin/
（3）设置环境变量并添加到.profile或.bashrc文件中，即：
export ANTSPATH=/home/username/antsbin/bin/
export PATH=“$ANTSPATH:$PATH”
三、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_ -m -o rega2t
其中MNI_T1_2mm_是分辨率为2mm的标准大脑（在FSL的$FSLDIR/data/standard文件夹下可以到），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20分钟，共生成5个文件，其中
rega2t0GenericAffine.mat，分别表示线性变换和非线性变换估计出的映射关系，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 -z -120 before_reg.png
slicer -z -34 after_reg.png
slicer MNI152_T1_2mm_ -z -34 standard.png
slicer MNI152_T1_2mm_ -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）。
（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 -m example_func_ -t ‘r’ -o regf2a
cmake如何使用其中表示个体结构像并经过颅骨剥离，example_func_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 example_ 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_ example_）
这个过程只需要2-3分钟，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，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：
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_ -o example_ \
-r MNI_T1_2mm_ -t \
-t rega2t0GenericAffine.mat -t regf2a0GenericAffine.mat
这个过程生成一个文件，即example_，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：
因为fMRI数据处理有很多步骤，如何将ANTs纳入其他处理步骤中是一个问题。就我所知，目前有两
个现成的流水线工具包C-PAC和fmriprep都包含了ANTs，不过我都没有用过，也不知道是否好用。四、配准前的检查
配准前有必要检查一下两个图像间的空间朝向是否一致，方法是使用ITK-SNAP，分别打开待配准的两个图像，查看朝向是否一致，因为ANTs和ITK-SNAP使用的是相同的坐标系统（参考资料）。理论上，应该先检查再做配准，之所以放到把这个步骤放到最后，是因为实际操作中我还没有发现过朝向出错的
情况，而且逐个检查数据非常花费时间。

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