鲁达 脑功能MRI数据处理手册
作者：范嘉晨
指导老师：刘加成
单位：东南大学（江苏省分子影像与功能影像重点实验室）
目录：
- 本手册介绍
- 相关软件
- 图像格式
- Bold预处理
- Resting-Bold建模、统计分析、结果可视化
- Task-Bold建模、统计分析、结果可视化
- DTI预处理
- TBSS及DTI结果可视化、FDT
- 结构像预处理
- VBM及结果可视化
- 附录一：task-Bold处理相关参数
- 附录二：VBM处理相关参数
- 附录三：resting-Bold处理相关参数
- 附录四：DTI处理相关参数
- 附录五：行为学范式与磁共振扫描对应关系
一.本手册介绍
本手册主要详细讲解如何进行头颅磁共振数据的影像处理及相关步骤的原理。主要处理任务态磁共振（Stroop、N-back、facialrecognition）、静息态磁共振、弥散张量成像、3D结构像。本手册使用以下软件进行图像处理（建议下载最新版）：MRIConvert、MRIcron(自带dcm2nii)、MATLAB(R2015b)、SPM8、VBM8、xjview96、FSL、FreeSurfer。以上软件除了MATLAB是付费软件外（东南大学有购买正版版权，可以利用东大学生一卡通号进行注册激活），其余皆可在官网下载。需注意FSL、FreeSurfer目前主要在非windows系统下使用（Windows下安装子系统Ubuntu或安装虚拟机也可以运行，但是不稳定，具体参考FSL官网安装步骤）。
二.相关软件
1.图像格式转换软件：MRIConvert、MRIcron
1.1 下面讲一下MRIConvert使用方法，MRIcron类似，首先点击Input下Add files或者Add folders，添加文件或文件夹；也可以在DICOM series toconvert 右侧直接点击Add files或者Addfolders。在Output下选择Directory选择保存目录即保存位置，options可以设置保存文件的许多属性（比如名字）；也可以不点击Output,直接在首页点击Options或Directory。注意两白色框之间的文件格式选择（比如勾选FSL NifTI），最后点击Convert all（或者Convert-Convert All）。
1.2 下面讲一下MRIcron的用法，官网下载mricron，解压后双击里面的dcm2niigui.exe，打开其图形界面。可以通过File下不同转换方式（如DICOM to NIfTI）添加目标文件，Help下Preference可以选择输出文件的属性（如命名），Output Format可以选择输出文件的格式。当然也可以在linux的终端使用dcm2nii的命令来转换图像，具体命令如下：
2. 统计参数图SPM
SPM是伦敦大学学院基于MATLAB开发的功能磁共振成像分析软件包（当然其也可以处理PET，EEG等），可以从官网免费下载，但是要注意必须在MATLAB中设置路径里添加SPM这个软件的文件夹，然后在MATLAB里输入spm（小写），点击fMRI后才能打开SPM这个软件。
3. 可视化工具xjview
官网下载此软件后，同样需加入MATLAB设置路径（set path）里，终端输入xjview即可打开。
4. 基于体素的形态学分析包VBM
此软件可以用来分析大脑结构相（灰质、白质、脑脊液），官网下载此软件后，需将其复制到SPM文件夹下toolbox中，随SPM添加到MATLAB的设置路径里。此时在SPM8界面中Toolbox下拉即可出现VBM选项。注意VBM版本必须与SPM版本一致才能兼容。
5. FSL
FMRIB创建于牛津大学，可以分析静息态、任务态、动脉自旋标记成像、结构像、弥散张量成像等影像数据。但是FSL目前在Windows系统下不是很兼容，建议在UNIX平台下使用。本文主要在centos 7上面使用FSL。请注意：首先一定要正确安装FSL，在bash里设置正确的环境变量，否则在centos7终端输入fsl,不会唤起fsl图形界面（这个问题笔者遇到过很多次，在windows虚拟机上安装时、在windows的子系统Ubuntu上安装时、多次在centos7上安装时都遇到过，网上也有许多人遇到这个问题，所以一定要重视）；其次，利用FSL官网提供的测试数据（非练习数据）自动运行一遍，检测安装正确与否。
6. FreeSurfer
FreeSurfer是一个解剖磁共振分析软件包，它本身不是功能磁共振成像分析软件包。因为它提供了用最少的人力投入自动生成皮质表面模型和解剖分割的手段，所以它对于功能磁共振成像数据分析越来越有用。它可以基于表面配准的方法对齐被试间的数据，该方法在某些情况下比标准的基于体积配准的被试间对齐更精确；它还可以把使用FSL或SPM获得的统计结果投射到重建的皮质表面上，并允许基于表面的组间统计分析。请注意：一定要正确安装FresSurfer（本人在windows/Ubuntu/centos上都安装成功过），并正确设置其环境变量，否则打不开其图形界面；其次一定要按照官网安装步骤里提到的example运行一遍，检测所有环节有无纰漏。
7. 主要fMRI分析软件包
8. 处理流程概述
三.图像格式
本实验主要涉及DICOM、NIfTI格式。在从PHILIPS Ingenia 3.0T 磁共振机子上拷贝数据时注意：1.必须要拷贝所有图像的DICOM格式，尤其是DTI数据拷贝DICOM时，split data选项绝对不要勾（防止DTI数据转换成NIfTI时b0与b1000的图像分开）。2.除了所有图像的DICOM格式需要外，非DICOM格式如NIfTI格式及FSL NIfTI格式的数据也需要。（虽然可以使用图像转换软件将DICOM格式转换为NIfTI格式，但是部分机型磁共振可能不兼容，影响转换结果）。3.数据记得传PACS以及多方式备份，拷贝数据时一定要核对完整图片数量（如静息态数据采集240个时间点，每个时间点有33层，则图片总计240*33=7920张；任务态数据采集265个时间点，每个时间点有33层，则图片总计265*33=8745张。）。
1. DICOM
DICOM保留着在标头中最大数量的元数据，包括扫描仪和图像采集的基本信息及被试的相关信息。虽然DICOM时MRI扫描仪输出数据的标准格式，但在数据分析之前，我们通常需要把DICOM转换为其他格式。主要原因是，DICOM数据集是很难处理的，因为每个部分被存储为一个单独的文件。这可能会很快产生大量的阻碍文件系统运行和减慢分析速度的小文件。
2. Analyze
Analyze将每个数据集存储在一组两个文件里。一个扩展名为.img的数据文件，包含了图像的二进制数据。另一个扩展名为.hdr的头文件，包含了图像的元数据。其主要的缺陷是头文件中仅有相当有限的图像元数据。
3. NIfTI
NIfTI格式其中一个最重要的特点是它可以呈现三维像素指数和MRI扫描仪的空间位置关系。如果使用得当，这有助于确保人们总是可以准确地确定方向（如确定是神经学方向还是放射学方向）。NIfTI图像标准的文件扩展名是.nii，其中包括标题和图像数据。它也可以利用单独的图像（.img）和头文件（.hdr）代表NIfTI图像。单个文件.nii格式的一个方便的特点是文件可以被标准的压缩软件（如gzip）压缩，并且一些软件包如FSL可以直接读写压缩的nii文件（扩展名为.nii.gz）。