脳画像解析とUbuntu

筑波大学医学医療系精神医学根本 清貴

http://www.nemotos.nethttps://github.com/kytk

Ubuntu 16.10 リリース記念オフラインミーティング 16.12　 17/Dec/2016

目的

● 1ユーザーの立場から、脳画像研究領域において、Ubuntuはかなり役立っているということを伝えたい

● Ubuntuユーザーの方々と知り合いたい– 将来的に、共同研究・開発ができたら…

脳画像解析

● 主に脳のMRI画像を材料に、いろいろな観点から、脳を調べていく

● 大きくわけて、3つの側面からの研究が進んでいる– 構造画像：脳の容積がいろんな状況でどう変化するか？

– 機能画像：脳のネットワークはどうなっているのか？

– 拡散テンソル画像：脳の神経線維はどうやって走っているのか？

構造画像から脳のCPUだけ取り出す

● 脳におけるCPU→神経細胞：脳の表面（灰白質）

● 信号を伝える経路→神経線維：脳の深部（白質）

● MRI画像を元に、灰白質と白質に分割するアルゴリズムが確立している

元画像 灰白質像 白質像 脳脊髄液像

機能画像から脳のネットワークを求める

● 安静時脳機能MRI● 約10分間、MRIを160−200回撮影

● 各領域の信号値の時系列データを解析

Fox MD, et al. PNAS 2005

時系列解析

拡散テンソル画像から脳の神経線維を描出

● 拡散テンソルMRI● MRIを磁場の角度を変えて撮影

● 水の移動の仕方から、神経線維の走行がわかる

図：Chris Rorden

脳画像解析ソフトウェア

● 世界で広く使われているものは以下の3つ

● SPM（イギリス・ロンドン大学）

– Matlab上で動作（クロスプラットフォーム）

● FSL（イギリス・オックスフォード大学）

– UNIX系OSのみで動作

● AFNI （アメリカ・国立衛生研究所）

– UNIX系OSのみで動作

脳画像解析をする者にとってのLinux

● 「必要に迫られて」使うしかない● システムの設定などには興味ない人が多い● 大半にとっては、「解析ソフトが使えればいい」

● エンドユーザー的な発想が多い● そのニーズに応えられるものはあまりなかった

私とLinux● 2003年にある研究所で脳画像解析に触れる

● 上司から、「N3というソフトを使いたいんだけど、Linuxでしか動かないみたいだから、動かしてみて」

● ソフトをインストールするだけで約6ヶ月

– 周囲にLinuxについて詳しい人がいない

– Debian → Fedora → OpenSUSE

– まず、Linuxについての勉強が必要

– 研究に特化したソフトのため、日本語の情報はゼロ、英語でも情報が少ない

– 依存パッケージが多い

● 「なぜ、インストールだけでこんなに消耗しないといけないんだ！」

「教えてくん」がたくさん

● Linuxで画像解析をして、学会発表などをすると、「どうやったのか教えて」という質問を受けるように

● 様々な研究室を訪問しては、Linuxのインストール→画像解析ソフトのインストール→ソフトの設定の繰り返し

● 口コミで依頼が指数関数的に増加

● 「もっとこの作業を簡単にできないか？」

NeuroDebianとの出会い

● 2008年頃、NeuroDebianというリポジトリを知る

● Debian/Ubuntu用の脳科学関連のソフトウェアに特化したリポジトリ

● 様々な脳科学関連ソフトウェアが簡単にインストールできる

http://neuro.debian.net

KNOPPIX & Remastersys

● ほぼ同時期に、KNOPPIXとRemastersysも知る

– Live CDとして配布できる

– 自分でリマスタリングできる

● Ubuntu × Neurodebian × Remastersys = ?

● 脳画像解析に特化したディストリビューションを作ってしまおう！

● 2011年にLin4Neuroとして発表

Lin4Neuroのコンセプト

● Linux for Neuroimaging （脳画像のためのLinux）

● Ubuntu LTSのmini.isoをベース

– デスクトップ環境は、開発当初はGNOME/現在はXFCE

● 電源を入れたらすぐに必要な解析ができる– Live USB/ VM

● インターフェースが直感的– Linuxユーザーでなくても簡単に使える

● オープンソース– 再配布可能、改造大歓迎

現行Lin4Neuroのスクリーンショット

nemotos.net/lin4neuro

Remastersysが開発停止

● 2013年初頭、Remastersysが開発停止

– 14.04は少しいじるだけで動作可能

● ソースコードを原作者から50ドルで購入

– 自分でisoを作り上げるだけの能力はない

– 開発ができなくなるよりまし

● 様々なつてを頼って、2015年〜株式会社ディアイティ社(http://www.dit.co.jp/)にご協力いただき、Ubuntu 14.10以降でも動作するRemastersysを開発

脳画像解析チュートリアル

● 2009年より年1回、東大で主催

● 当初は、Live USBを利用（当日配布）→BIOSの設定など、トラブル多発

● その後、VMに移行。受講者は事前にLin4Neuro-VMをダウンロードし、Virtualboxにインストールして参加

● 全員が同一の環境なので、対応が容易に

● 教育コンテンツとして有用

● 研究者はLinuxを勉強する機会を欲している！

2016年チュートリアル「UNIX系OSの基礎と応用」のアンケートより

● UNIX系OSの基礎と応用に初めて参加しました。受講前は内容についていけるのか不安がありましたが、事前に予習できたので当日は精神的に余裕を持って参加できました。実際に手を動かせる内容であったので、理解につながりやすかったと思います。また、Lin4Neuroにより簡単に解析環境をセットアップできたことも「とっつきにくさ」を回避できたと思います。

www.nemotos.net/?page_id=1336

実際に使ったテキストやLin4Neuro-VMは以下から入手可能www.lin4neuro.net/cbsn/

Lin4NeuroはGitHubで公開

● Ubuntu-mini.isoをインストールしてから、Lin4Neuroを構築するまでの一連の流れをスクリプト化（ここでもディアイティ社から協力）

● Part 1: XFCE環境の構築

● Part 2: Lin4Neuroのユーザーインターフェースの構築

● Part 3: 脳画像解析ソフトウェアのインストール（これは手作業もあり）

● Part 4: リマスタリング

脳画像解析では、プログラマが必要

● MRIを多数例処理

● 解析はかなり時間を要し、なかにはCore-i7のCPUでも、1例あたり8時間以上かかるものも

● シェルスクリプトはほぼ必須

● 世界的には、Pythonで解析のパイプラインを作る流れがある

まとめ

● Ubuntuをはじめ、Linuxは脳画像解析ではメインストリーム

● Lin4Neuroは解析プラットフォームや教育用OSとして用いられている

● 脳科学領域は、多方面の方々が関わっており、今後も様々な方々とコラボレーションしていきたい

謝辞

● Ubuntu Japanese Teamの皆様、ネット上に有意義な情報を発信していらっしゃる皆様に感謝します

● Ubuntu Weekly Recipe

● Ubuntu 日本語フォーラム