從MRI到3D Modeling

IU的Psychological & Brain Science部門每個(gè)學(xué)期都進(jìn)行著各式各樣的項(xiàng)目在招募志愿者。這些實(shí)驗(yàn)的范圍從面對(duì)面采訪，調(diào)查問(wèn)卷，基于電腦的任務(wù)，再到跟機(jī)器人互動(dòng)，頭戴EEG(腦電圖描記器)在校園逛一圈，或戴著VR頭顯在MRI(核磁共振成像)里玩刺激的游戲。大部分都是有償?shù)?。去年我在參加了一個(gè)神經(jīng)語(yǔ)言學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，需要被試者躺在核磁共振里完成一系列語(yǔ)言學(xué)的任務(wù)。在完成長(zhǎng)達(dá)一小時(shí)的枯燥的反復(fù)的語(yǔ)義理解任務(wù)后，我獲得了一張包含我自己的腦成像光盤，以及40刀現(xiàn)金。

這幾天我把光盤找了出來(lái)，在網(wǎng)上找了教程，把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D模型，用3D打印機(jī)打印出了我的大腦。

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主要參考的是Nikki Marinsek的How to 3D print your brain(閱讀原文). Nikki這篇教程寫于2015年，那會(huì)兒3D打印還沒(méi)有現(xiàn)在這么普及，價(jià)格也相對(duì)較高。遵循她的教程所建的模型，左右半腦是分開(kāi)的，我猜這可能跟她有神經(jīng)動(dòng)力學(xué)PhD的背景有關(guān)。雖然Nikki在2017年對(duì)她的教程做了更新，但距離現(xiàn)在也有1年多了。我在這個(gè)教程中做了一些更新，并且加入了新的步驟。

第一步：準(zhǔn)備

去Psychological and Brain Science逛一圈，看看墻上有哪些用到MRI的實(shí)驗(yàn)在招募志愿者。郵件聯(lián)系負(fù)責(zé)人，預(yù)約時(shí)間，完成MRI實(shí)驗(yàn)，獲取關(guān)于你的腦成像。讀取光盤，把文件夾傳到自己的電腦里。檢查是否含有名為DICOM的文件夾，并且進(jìn)入子目錄，查看是否含有后綴為.dcm的文件。

如果你的文件都有.dcm后綴，請(qǐng)直接跳過(guò)以下內(nèi)容。

我的DICOM文件夾里有200多個(gè)無(wú)后綴文件，可能跟我使用的電腦是MacOS有關(guān)，Windows和Linux不清楚。接下來(lái)我們用OsiriX Lite把這些文件轉(zhuǎn)換成.dcm。

下載OsiriX Lite，需要輸入郵箱，下載鏈接在郵件里。下載完成后，打開(kāi)OsiriX Lite:

Import -> DICOM (選取的是整個(gè)文件夾) -> Export -> 得到一個(gè)新的包含所有.dcm文件的文件夾

需要注意的是，最好是T1類型的解刨成像。如果你不知道自己的腦部成像類型，可以問(wèn)問(wèn)給你做實(shí)驗(yàn)的人。

第二步：配置

下載并安裝FreeSurfer，這是一個(gè)由哈佛計(jì)算神經(jīng)影像實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件，用于分析和可視化結(jié)構(gòu)性或功能性腦部成像。僅限Linux和MacOS，不支持Windows。如果你的電腦操作系統(tǒng)是Windows，可以使用虛擬機(jī)。具體步驟我在這里不做闡述，google一下就有。

MacOS

1. 下載FreeSurfer，點(diǎn)此(https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/DownloadAndInstall)進(jìn)入下載頁(yè)面。

2. 雙擊運(yùn)行FreeSurfer的安裝包，留意README里的內(nèi)容，我看到的是這樣：

在Terminal中輸入：

$> touch ~/.bash_profile; open ~/.bash_profile

修改你的.bash_profile，把README中的指令復(fù)制進(jìn)去。根據(jù)使用情況的不同，.bash_profile的內(nèi)容也有所差異。以下是我的：

3. 下載XQuartz(https://www.xquartz.org), 以便運(yùn)行FreeSurfer。

4. 獲取FreeSurfer的License(https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/registration.html)。填完之后會(huì)收到一份郵件，講附件license.txt保存到FreeSurfer文件夾中。在MacOS里，FreeSurfer在Application中。如圖：

Linux

1. 打開(kāi)Termianl，輸入以下指令：

$> tar -C /usr/local -xzvf freesurfer-Linux-centos6_x86_64-stable-pub-v6.0.0.tar.gz

2. bash下輸入：

$> export FREESURFER_HOME=/usr/local/freesurfer

$> source $FREESURFER_HOME/SetUpFreeSurfer.sht

tcsh下輸入：

$> setenv FREESURFER_HOME /usr/local/freesurfer

$> source $FREESURFER_HOME/SetUpFreeSurfer.csh?

在電腦上安裝并配置好FreeSurfer后，要指定數(shù)據(jù)的路徑(這一步MacOS和Linux都需要)

bash(MacOS中Terminal自帶bash)：

$> export SUBJECTS_DIR=

tcsh：

$> setenv SUBJECTS_DIR

在MacOS中，可以直接把文件拖到temrinal中，獲取路徑。

第三步：建模

打開(kāi)Terminal，輸入以下指令建立FreeSurfer：

$> source /Applications/freesurfer/SetUpFreeSurfer.sh??

$> recon-all -i -subjid -all??

舉個(gè)例子，如果選擇DICOM文件夾中名為IM-0001-0020.dcm的文件，該文件路徑是/Users/hotthoughts/Desktop/brain/DICOM/IM-0001-0020.dcm 。假設(shè)用于儲(chǔ)存模型的新文件夾命名為my_3d_brain的話，我們輸入的指令如下：

$> recon-all -i /Users/hotthoughts/Desktop/brain/DICOM/IM-0001-0020.dcm -subjid my_3d_brain -all

接著需要調(diào)用recal-all函數(shù)來(lái)建模，把改成DICOM文件中的任意一個(gè).dcm文件的路徑，是用于儲(chǔ)存建模數(shù)據(jù)的新文件夾的名字。

完成這一步后，如果一切順利的話，后臺(tái)就會(huì)開(kāi)始分析數(shù)據(jù)并且給你的大腦建3D模型了。這一計(jì)算過(guò)程的耗時(shí)可能需要5～20小時(shí)。在Macbook Pro 256GB 16RAM上，我只花了大概5個(gè)小時(shí)。

切記不要讓電腦在計(jì)算過(guò)程中進(jìn)入睡眠狀態(tài)。我使用Amphetamine來(lái)保持電腦活躍，在App Store中可以下載。Linux的話，推薦Caffeine.

分析完成后，所有輸出數(shù)據(jù)都在你之前命名的文件夾中。在Termianl中進(jìn)入子文件夾surf ，里面含有腦部表面重建的所有文件。我們需要把文件的格式轉(zhuǎn)換到可用于3D打印的 .stl格式。用以下指令：

$> mris_convert lh.pial lh.pial.stl

$> mris_convert rh.pial rh.pial.stl???

注：你需要懂一點(diǎn)shell，在terminal中進(jìn)入surf。再執(zhí)行這兩條命令。換句話說(shuō)，你需要位于surf目錄下才能執(zhí)行這兩條命令。

以上分別轉(zhuǎn)換了你的左右半球。

第四步：打印

優(yōu)化大腦表面

目前我們的lh.pial.stl和rh.pial.stl還是比較粗糙的(如下圖)，用其他工具讓腦子的表面磨皮使其光滑。我在這里介紹用Meshlab的Laplaican Smooth。點(diǎn)此(http://www.meshlab.net/#download)下載Meshlab。

用Meshlab打開(kāi)lh.pial.stl，在上方工具欄，Fliters -> Smoothing, Fairing and Deformation -> Laplaican Smooth。在彈出窗口點(diǎn)擊apply，然后保存。對(duì)rh.pial.stl重復(fù)這個(gè)步驟。

合并左右半球

左右半球的3D模型已經(jīng)可以打印了，但是，我們也可以把左右半球合成一個(gè)完整的大腦。我用的是Meshmixer來(lái)合并兩個(gè)3D模型。點(diǎn)此(http://www.meshmixer.com/download.html)下載Meshmixer。

下載完成后，再M(fèi)eshmixer中打開(kāi)lh.pial.stl，再導(dǎo)入rh.pial.stl。點(diǎn)擊Combine，左右半球就合并成一個(gè)完整的?了。

導(dǎo)出，保存。可以打印了！

送去3D打印

我自己沒(méi)有打印機(jī)，所以考慮了兩種途徑：

1. 使用3D打印服務(wù)的初創(chuàng)公司，例如3DHub，Shapeways等。優(yōu)點(diǎn)是可選擇的打印材料非常之多，缺點(diǎn)是價(jià)格高，時(shí)間久。

2. 在學(xué)校的3D打印實(shí)驗(yàn)室打印。優(yōu)點(diǎn)是便宜，快捷。缺點(diǎn)是可選擇打印材料只有幾種。

如果你是IU的，可在這里(https://3dprint.uits.iu.edu)查看IUTS 3D Print Lab使用的器材和打印材料。

點(diǎn)此(https://3dprint.uits.iu.edu/request/index.html)提交打印請(qǐng)求。價(jià)格是$0.2每克。如果重量不滿5刀，則會(huì)收取5刀的費(fèi)用。

以下是我詢問(wèn)IUTS 3D Print Lab打印大腦的價(jià)格：

ScaleWeight (grams)Cost

100%	622	$124.40
50%	124	$24.80
30%	39	$7.80
25%	26	$5.20

提交完請(qǐng)求后，工作人員會(huì)給你回郵件協(xié)商。協(xié)商滿意后，要去給CrimsonCard充足夠的錢，工作人員會(huì)在CrimsonCash上扣除相應(yīng)的錢。打印好了工作人員會(huì)給你發(fā)郵件。我的大腦隔了一周才打印好。成品超級(jí)好，打印材料我選的Pearl(珍珠白)，這是IUTS 3D Print Lab提供的最接近大腦的顏色了。當(dāng)然如果你選擇專業(yè)的3D打印公司，會(huì)找到接近大腦膚質(zhì)的粉色材料。

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如有任何3D建模/打印的疑問(wèn)，歡迎后臺(tái)留言。

(謝謝)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的3d需要学linux_我的脑子—从核磁共振图像到3D打印的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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