BIDS¶

BIDS (Brain Imaging Data Structure) — это стандарт организации и описания данных нейровизуализации, разработанный для упрощения обмена, обработки и воспроизводимости результатов научных исследований. BIDS представляет собой набор правил именования файлов, структуры папок и метаданных, который позволяет единообразно описывать данные, полученные с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), электроэнцефалографии (ЭЭГ), магнитоэнцефалографии (МЭГ), позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и других методов. Стандарт был впервые предложен в 2015 году консорциумом исследователей под руководством Криса Горго-Левински (Chris Gorgolewski) и с тех пор стал де-факто стандартом в области нейронаук.

¶История

¶Предпосылки создания

До появления BIDS данные нейровизуализации хранились в произвольных форматах, что затрудняло их совместное использование и повторный анализ. Исследовательские группы использовали собственные схемы именования файлов и структуры папок, что делало невозможным автоматическую обработку данных без дополнительной документации. Проблема усугублялась ростом объёмов данных, собираемых в рамках крупных проектов, таких как Human Connectome Project (HCP) и UK Biobank.

¶Разработка и внедрение

В 2015 году группа исследователей из Стэнфордского университета, Института Макса Планка и других учреждений опубликовала статью «The brain imaging data structure, a format for organizing and describing outputs of neuroimaging experiments» в журнале Scientific Data. В ней был предложен стандарт BIDS, основанный на простых принципах:

• Файлы хранятся в форматах, поддерживаемых открытыми инструментами (например, NIfTI для МРТ, BDF для ЭЭГ).
• Метаданные описываются в текстовых файлах формата JSON (JavaScript Object Notation).
• Структура папок отражает логику эксперимента: субъект, сессия, тип данных.

В 2016 году была выпущена первая стабильная версия спецификации BIDS (v1.0.0). С тех пор стандарт активно развивается: добавлены расширения для ЭЭГ (BIDS-EEG), МЭГ (BIDS-MEG), ПЭТ (BIDS-PET) и других модальностей. В 2023 году вышла версия 1.9.0, включающая поддержку интракраниальной электрофизиологии.

¶Принятие сообществом

BIDS быстро получил признание в научном сообществе. Крупные проекты, такие как OpenNeuro (ранее OpenfMRI), обязали использовать BIDS для публикации данных. Многие журналы (например, NeuroImage, Human Brain Mapping) рекомендуют или требуют соблюдения стандарта при подаче статей. В России стандарт также используется в ряде исследовательских центров, включая Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН и Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт».

¶Структура и правила

¶Основные принципы

BIDS определяет иерархическую структуру папок, где каждый уровень соответствует определённому аспекту эксперимента:

• sub-<label> — папка субъекта (например, sub-01).
• ses-<label> — папка сессии (например, ses-mri1), если эксперимент включает несколько сессий.
• <datatype> — папка типа данных (например, anat для анатомических МРТ, func для функциональных МРТ, eeg для ЭЭГ).

Внутри папок типов данных файлы именуются по шаблону: sub-<label>[_ses-<label>]_<task-<label>>[_run-<index>]_<suffix>.<extension>. Например:

• sub-01_task-rest_run-1_bold.nii.gz — функциональная МРТ покоя.
• sub-01_ses-mri1_T1w.nii.gz — анатомическая МРТ T1-взвешенная.

¶Метаданные

Каждый файл данных сопровождается JSON-файлом с метаданными, описывающими параметры сбора (например, время повторения TR, угол наклона среза). Для МРТ обязательными полями являются:

• RepetitionTime — время повторения (в секундах).
• EchoTime — время эхо (в секундах).
• FlipAngle — угол отклонения (в градусах).

Для ЭЭГ обязательными являются:

• TaskName — название задачи.
• SamplingFrequency — частота дискретизации (в Гц).
• EEGReference — референсный электрод.

¶Дополнительные файлы

В корневой папке эксперимента должны находиться:

• dataset_description.json — описание набора данных (название, авторы, лицензия).
• participants.tsv — таблица с характеристиками субъектов (возраст, пол, диагноз).
• README.md — текстовое описание эксперимента.

¶Расширения

¶BIDS-EEG

Расширение для электроэнцефалографии, принятое в 2018 году. Поддерживает форматы: BDF, EDF, BrainVision, Neuroscan, EEGLAB. Позволяет описывать события (стимулы, ответы) в файлах _events.tsv.

¶BIDS-MEG

Расширение для магнитоэнцефалографии, принятое в 2019 году. Поддерживает форматы: FIF (Neuromag), CTF, 4D. Включает описание положения головы и калибровочных данных.

¶BIDS-PET

Расширение для позитронно-эмиссионной томографии, принятое в 2021 году. Требует указания радиофармпрепарата, времени инъекции и параметров реконструкции.

¶BIDS-iEEG

Расширение для интракраниальной электрофизиологии (внутричерепные электроды), принятое в 2023 году. Включает описание типов электродов (ECoG, sEEG) и их координат.

¶Инструменты и программное обеспечение

¶Валидаторы

Для проверки соответствия данных стандарту BIDS разработаны автоматические валидаторы:

• BIDS-Validator — веб-инструмент и библиотека Python, проверяющая структуру папок и метаданные.
• BIDS-Starter-Kit — набор шаблонов и скриптов для создания BIDS-совместимых наборов данных.

¶Конвертеры

Существуют инструменты для преобразования данных в формат BIDS:

• HeuDiConv — конвертер для МРТ, написанный на Python.
• BIDScoin — универсальный конвертер, поддерживающий МРТ, ЭЭГ, МЭГ.
• dcm2bids — конвертер из DICOM в BIDS.

¶Аналитические пайплайны

Многие популярные инструменты для анализа нейровизуализации поддерживают BIDS:

• fMRIPrep — пайплайн предобработки функциональной МРТ, работающий с BIDS на входе.
• SPM (Statistical Parametric Mapping) — пакет для MATLAB, поддерживающий импорт BIDS.
• EEGLAB — среда для анализа ЭЭГ, совместимая с BIDS-EEG.

¶Применение

¶Научные исследования

BIDS используется в крупных многоцентровых исследованиях, таких как:

• Human Connectome Project — картирование связей головного мозга.
• ABCD Study (Adolescent Brain Cognitive Development) — изучение развития мозга у подростков.
• ENIGMA (Enhancing Neuro Imaging Genetics through Meta-Analysis) — мета-анализ генетических и нейровизуализационных данных.

¶Образование и обучение

Стандарт применяется в учебных курсах по нейровизуализации, например, в программах университетов США и Европы. В России BIDS изучается на факультетах психологии и биоинженерии МГУ имени М. В. Ломоносова и НИУ ВШЭ.

¶Клиническая практика

Хотя BIDS изначально разрабатывался для научных целей, он начинает использоваться в клинических исследованиях, например, для стандартизации данных МРТ при диагностике опухолей головного мозга. Однако широкое внедрение в клиническую практику ограничено требованиями к форматам DICOM и PACS.

¶Критика и ограничения

¶Сложность начальной настройки

Создание BIDS-совместимого набора данных требует времени и навыков программирования, что может быть барьером для исследователей, не знакомых с командной строкой. Для упрощения процесса были разработаны графические интерфейсы, такие как BIDS-apps.

¶Ограничения для некоторых типов данных

BIDS плохо подходит для данных, не укладывающихся в стандартную схему «субъект-сессия-тип», например, для продольных исследований с нерегулярными временными точками или для данных с большим количеством модальностей.

¶Зависимость от форматов файлов

Стандарт требует использования определённых форматов (например, NIfTI для МРТ), что может быть неудобно для лабораторий, использующих проприетарные форматы. Конвертация в NIfTI может приводить к потере метаданных, хранящихся в DICOM.

¶Отсутствие поддержки некоторых модальностей

На 2025 год BIDS не поддерживает такие методы, как функциональная спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне (fNIRS) и ультразвуковая нейровизуализация, хотя ведутся работы по их включению.

¶Перспективы развития

¶Расширение на новые модальности

Планируется добавление поддержки для fNIRS, диффузионной спектроскопии и других методов. Ведётся работа над интеграцией BIDS с системами управления лабораторными данными (LIMS).

¶Автоматизация и искусственный интеллект

Разрабатываются инструменты на основе машинного обучения для автоматического создания BIDS-совместимых структур из сырых данных. Например, проект BIDSify использует нейронные сети для распознавания типов сканирования.

¶Глобальная стандартизация

BIDS постепенно становится частью более широких инициатив по открытой науке, таких как FAIR (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable) и Open Science Framework. Ожидается, что в будущем стандарт будет обязательным для всех публикаций в ведущих нейронаучных журналах.

¶Источники

• Gorgolewski, K. J., et al. (2016). The brain imaging data structure, a format for organizing and describing outputs of neuroimaging experiments. Scientific Data, 3, 160044.
• BIDS Specification (v1.9.0). (2023). Brain Imaging Data Structure. Доступно на: https://bids-specification.readthedocs.io
• Pernet, C. R., et al. (2019). BIDS-EEG: an extension to the brain imaging data structure for electroencephalography. Scientific Data, 6, 103.
• Niso, G., et al. (2021). BIDS-MEG: an extension to the brain imaging data structure for magnetoencephalography. Scientific Data, 8, 189.
• Knudsen, G. M., et al. (2021). BIDS-PET: an extension to the brain imaging data structure for positron emission tomography. Scientific Data, 8, 190.