Python-MNE-源空间和正模型07：修复BEM和头表面

news2024/9/24 13:18:10

有时在创建BEM模型时，由于可能出现的一系列问题(例如，表面之间的交叉)，表面需要手动校正。在这里，我们将看到如何通过将表面导出到3D建模程序blender，编辑它们，并重新导入它们来实现这一点。我们还将给出一个简单的例子，说明如何使用pymeshfix来修复拓扑问题。
本教程的大部分内容都是基于Ezequiel Mikulan的ezemikulan/blender_freesurfer。

import os
import shutil

import mne

data_path = mne.datasets.sample.data_path()
subjects_dir = data_path / "subjects"
bem_dir = subjects_dir / "sample" / "bem" / "flash"
surf_dir = subjects_dir / "sample" / "surf"

导出表面到blender

在本教程中，我们使用MNE-Sample集，其表面没有问题。为了演示如何修复有问题的表面，我们将手动放置一个内颅骨顶点在外颅骨顶点的外部的网格。

然后我们将表面转换为.obj文件，并在FreeSurfer subject文件夹中创建一个名为conv的新文件夹来保存它们。

# Put the converted surfaces in a separate 'conv' folder
conv_dir = subjects_dir / "sample" / "conv"
os.makedirs(conv_dir, exist_ok=True)

# Load the inner skull surface and create a problem
# The metadata is empty in this example. In real study, we want to write the
# original metadata to the fixed surface file. Set read_metadata=True to do so.
coords, faces = mne.read_surface(bem_dir / "inner_skull.surf")
coords[0] *= 1.1  # Move the first vertex outside the skull

# Write the inner skull surface as an .obj file that can be imported by
# Blender.
mne.write_surface(conv_dir / "inner_skull.obj", coords, faces, overwrite=True)

# Also convert the outer skull surface.
coords, faces = mne.read_surface(bem_dir / "outer_skull.surf")
mne.write_surface(conv_dir / "outer_skull.obj", coords, faces, overwrite=True)

（以上代码中的文件连接在新版本中更改）

在blender中编辑

查看下面的视频教程，了解如何在Blender中导入，编辑和导出表面(一步一步的说明也在下面)：
在blender中编辑
我们现在可以打开Blender并导入表面。进入文件>导入>Wavefront(.obj)。导航到conv文件夹并选择要导入的文件。确保选择“保持垂直顺序”（Keep Vert Order）选项。你还可以选择Y Forward选项以在正确的方向(RAS)加载坐标轴：
在这里插入图片描述
为方便起见，您可以通过按下Operator Presets旁边的+按钮来保存这些设置，对所有你想导入的表面重复这个过程。

你现在可以编辑任何你喜欢的表面。请参阅初学者blender系列教程来学习如何使用blender。可以看它的第2部分，教你如何使用基本的编辑工具来修复表面。
在这里插入图片描述

在MNE-Python中使用修复的表面

在Blender中，你可以通过选择它来导出一个表面作为.obj文件，然后进入file > export > Wavefront (.obj)。你需要再次选择Y Forwar选项，并选中Keep Vertex Order box。
在这里插入图片描述
每个surface都需要作为单独的文件导出。我们建议将它们保存在conv文件夹中，并以_fixed.obj为结尾，尽管不是严格必要的。
为了能够从上到下运行本教程脚本，我们在这里使用Python代码模拟您在Blender中手动进行的编辑：

coords, faces = mne.read_surface(conv_dir / "inner_skull.obj")
coords[0] /= 1.1  # Move the first vertex back inside the skull
mne.write_surface(conv_dir / "inner_skull_fixed.obj", coords, faces, overwrite=True)

现在回到Python，你可以读取修复后的.obj文件，并将它们保存为FreeSurfer的 .surf文件。为了mne.make_bem_model()函数找到它们，需要使用它们的原始名称保存在surf文件夹中，例如bem/inner_skull.surf。一定要先备份原来的表面，以防出错！

# Read the fixed surface
coords, faces = mne.read_surface(conv_dir / "inner_skull_fixed.obj")

# Backup the original surface
shutil.copy(bem_dir / "inner_skull.surf", bem_dir / "inner_skull_orig.surf")

# Overwrite the original surface with the fixed version
# In real study you should provide the correct metadata using ``volume_info=``
# This could be accomplished for example with:
#
# _, _, vol_info = mne.read_surface(bem_dir / 'inner_skull.surf',
#                                   read_metadata=True)
# mne.write_surface(bem_dir / 'inner_skull.surf', coords, faces,
#                   volume_info=vol_info, overwrite=True)

编辑头表面

有时头部表面有缺陷，需要手动编辑。我们使用mne.write_head_bem()将修改的表面转换为.fif文件。

低分辨率的头

对于EEG正向建模，outer_skin.surf可能是手动编辑的。在这种情况下，记得保存从编辑表面文件或配准得到的-head.fif的原始和修改版本。

# Load the fixed surface
coords, faces = mne.read_surface(bem_dir / "outer_skin.surf")

# Make sure we are in the correct directory
head_dir = bem_dir.parent

# Remember to backup the original head file in advance!
# Overwrite the original head file
#
# mne.write_head_bem(head_dir / 'sample-head.fif', coords, faces,
#                    overwrite=True)

高分辨率的头

我们使用mne.read_bem_surfaces()来读取head surface文件。编辑完成后，我们再次使用mne.write_head_bem()输出头文件。这里我们用-head.fif提高速度。

# If ``-head-dense.fif`` does not exist, you need to run
# ``mne make_scalp_surfaces`` first.
# [0] because a list of surfaces is returned
surf = mne.read_bem_surfaces(head_dir / "sample-head.fif")[0]

# For consistency only
coords = surf["rr"]
faces = surf["tris"]

# Write the head as an .obj file for editing
mne.write_surface(conv_dir / "sample-head.obj", coords, faces, overwrite=True)

# Usually here you would go and edit your meshes.
#
# Here we just use the same surface as if it were fixed
# Read in the .obj file
coords, faces = mne.read_surface(conv_dir / "sample-head.obj")

# Remember to backup the original head file in advance!
# Overwrite the original head file
#
# mne.write_head_bem(head_dir / 'sample-head.fif', coords, faces,
#                    overwrite=True)

1 BEM surfaces found

Reading a surface...
[done]
1 BEM surfaces read

blender编辑技巧

一个特别有用的操作是Shrinkwrap功能，它将一个表面限制在另一个表面内。使用方法如下：

①选择表面：选择产生问题的表面。
②选择顶点：在Edit Mode下，按C使用圆选择工具选择外面的顶点。
③-⑤对顶点进行分组：在 Object Data Properties选项卡使用+按钮添加一个顶点组，并单击Assign将当前选择分配到组。
⑥-⑧Shrinkwrap：在Modifiers选项卡中，在Add Modifier下添加一个Shrinkwrap，并将其设置为snap内部，外部表面为Target，之前创建的Group为Vertex Group。然后可以使用Offset参数来调整距离。
⑨应用：在Object Mode下，点击Shrinkwrap修饰符的向下箭头，然后点击应用。
在这里插入图片描述
如果上述操作后没有任何变化，内颅骨表面的法线可能被反转了。要解决这个问题，请选择所有的顶点或内部颅骨的所有面，并在工具栏中进行Mesh>Normals>Flip。
然后！我们就已经准备好继续分析了，例如继续运行mne.make_bem_model()。

还有错误怎么办？

blender操作

当在Blender中编辑BEM表面/网格时，请确保使用的工具不会改变顶点的数量或顺序，或三角形面的几何形状。例如，避免使用挤压工具（extrusion tool），因为它复制了被挤压的顶点。

用smoothing的方法清理坏的、密集的头部表面

如果你在使用mne make_scalp_surfaces时得到一个粗糙的头部表面，考虑使用FreeSurfer的高斯内核提前平滑T1，在受试者的mri目录中使用如下内容：

mri_convert --fwhm 3 T1.mgz T1_smoothed_3.mgz

这里的--fwhm参数决定了应用多少smoothing，单位为mm。然后删除SUBJECTS_DIR/SUBJECT/surf/lh.seghead重新运行mne make_scalp_surfaces并添加额外的参数--mri="T1_smoothed_3.mgz" --overwrite，你应该得到更clean的表面。

拓扑错误

MNE-Python要求网格满足一定的拓扑检查，以保证边界元求解、电极投影等后续处理能够正常工作。

下面是在MNE-Python中使用网格时可能遇到的一些错误示例，以及这些错误的可能原因。

  1. Cannot decimate to requested ico grade
    错误是由于顶点太少或太多造成的。完整的错误类似于：
RuntimeError: Cannot decimate to requested ico grade 4. The provided
BEM surface has 20516 triangles, which cannot be isomorphic with a
subdivided icosahedron. Consider manually decimating the surface to a
suitable density and then use ico=None in make_bem_model.
  1. Surface inner skull has topological defects
    在试图通过删除顶点来匹配原始三角形数量时，可能会发生此错误。完整的错误信息如下所示：
RuntimeError: Surface inner skull has topological defects: 12 / 20484
vertices have fewer than three neighboring triangles [733, 1014,
 2068, 7732, 8435, 8489, 10181, 11120, 11121, 11122, 11304, 11788]
  1. Surface inner skull is not complete
    这个错误，和前面的错误一样，反映了表面拓扑结构的一个问题，即预期的顶点/边/面模式被打乱了。
RuntimeError: Surface inner skull is not complete (sum of solid
angles yielded 0.999668, should be 1.)
  1. Triangle ordering is wrong
    这个错误反映了内存中表示曲面的方式(顶点/面定义的顺序)与MNE-Python所期望的不匹配。完整的错误是：
RuntimeError: The source surface has a matching number of triangles
but ordering is wrong
在blender中处理拓扑结构

对于任何这些错误，通常最简单的方法是从未编辑的BEM表面重新开始，并再次尝试，确保只移动顶点和面，而不添加或删除任何顶点和面。例如，选择一个圆的顶点，然后按G将它们拖动到想要的位置。在Blender中smoothing一组选中的顶点(右键单击并选择“smoothing”)也hen有用。

使用pymeshfix处理拓扑结构

pymeshfix是一个GPL许可的Python模块，用于生成满足上述拓扑检查的水密网格。例如，如果你的'SUBJECTS_DIR/SUBJECT/surf/lh.seghead'文件中有拓扑问题，通过上面的*“用smoothing的方法清理坏的、密集的头部表面”*行不通的，你可以尝试修复网格。在使用conda或pip从SUBJECTS_DIR/SUBJECT/surf目录安装pymeshfix后，你可以尝试：

import pymeshfix
rr, tris = mne.read_surface('lh.seghead')
rr, tris = pymeshfix.clean_from_arrays(rr, tris)
mne.write_surface('lh.seghead', rr, tris)

在某些情况下，这可以修复拓扑结构，以便后续对mne make_scalp_surfaces的调用可以成功，而不需要使用--force参数。

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