[發(fā)明專利]一種冷凍電鏡局部斷層三維圖像重構(gòu)方法及系統(tǒng)

在審

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• 申請日: 2020-09-14
• 公開（公告）號: CN112215942A
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發(fā)明（設計）人: 呂永春;趙曉芳;劉曉東;史驍;王暉;鄭曉輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院計算技術(shù)研究所
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/30
• 代理公司: 北京律誠同業(yè)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11006
• 代理人: 祁建國

本發(fā)明提供一種冷凍電鏡局部斷層三維圖像重構(gòu)方法，其包括以下步驟：挑選并平均同構(gòu)象的多個局部斷層三維圖像顆粒，得到局部斷層三維圖像配準的初始參考結(jié)構(gòu)；利用快速旋轉(zhuǎn)/平移匹配算法，得到多對最優(yōu)粗旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)；利用局部斷層三維圖像配準算法來不斷更新旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)，使所述局部斷層三維圖像顆粒得到配準；利用配準得到的旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)對局部斷層三維圖像進行對齊和平均，得到重構(gòu)的局部斷層三維圖像。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)生物學技術(shù)領域，特別涉及一種冷凍電鏡局部斷層三維圖像重構(gòu)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

冷凍電子斷層掃描(cryo-electron tomography,cryo-ET)是一種在自然條件下重建細胞大分子復合物三維結(jié)構(gòu)的成像技術(shù)。隨著冷凍電子斷層掃描圖像采集技術(shù)的提高，越來越多的圖像被獲取和處理，得到大量的二維圖像，利用二維圖像重構(gòu)出三維圖像。近年來，低溫電子顯微技術(shù)有了長足的發(fā)展，三維重建的圖像質(zhì)量有了極大的改善。然而，冷凍電子斷層掃描圖像仍然具有低分辨率、部分數(shù)據(jù)丟失和低信噪比(SNR)等特點。導致利用冷凍電子斷層掃描重構(gòu)得到的斷層三維圖像分辨率低，很難研究其生物大分子的三維結(jié)構(gòu)和功能。

為了解決這些問題并提高斷層三維圖像中局部斷層三維重構(gòu)的分辨率，類似單顆粒重構(gòu)技術(shù)，需要迭代配準和平均包含相同結(jié)構(gòu)的大量局部斷層三維圖像顆粒。具體流程：在斷層重構(gòu)的三維圖像里把同構(gòu)象的三維顆粒挑選出來，進行三維圖像的配準，然后進行三維圖像的平均，不斷迭代配準和平均過程，從而得到高分辨率的局部斷層三維結(jié)構(gòu)。

目前局部斷層三維重構(gòu)技術(shù)主要分為基于互相關(guān)方法、基于經(jīng)驗貝葉斯方法、粗粒度多分辨率方法。但是目前存在的局部斷層三維重構(gòu)技術(shù)都需對局部斷層三維圖像進行配準，涉及三維圖像計算量大，并且局部斷層三維重構(gòu)過程需要多次迭代，導致算法的時間開銷大。通常根據(jù)局部斷層三維圖像數(shù)據(jù)量的多少，需要幾天、甚至數(shù)周的持續(xù)計算，這樣對計算資源是一個重大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種冷凍電鏡局部斷層三維圖像重構(gòu)方法，其包括以下步驟：

步驟1、利用局部斷層三維分類方法，挑選出同構(gòu)象的多個局部斷層三維圖像，并且對所述多個局部斷層三維圖像進行平均化，得到初始參考結(jié)構(gòu)；

步驟2、利用快速旋轉(zhuǎn)匹配算法(FRM)和快速平移匹配算法(FTM)，對所述多個局部斷層三維圖像中的每一者分別與所述初始參考結(jié)構(gòu)進行比較，所述多個局部斷層三維圖像中的每一者均對應得到多對最優(yōu)粗旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)；

步驟3、對所述多對最優(yōu)粗旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)每一者進行初始化，得到對應的初始旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)，并設定所述局部斷層三維圖像配準的參數(shù)，包括更新頻率m、學習速率η、最小距離min_d、原有距離old_d、最小距離差值eps、內(nèi)迭代次數(shù)maxIter_in、外迭代次數(shù)maxIter_out；

步驟4、通過計算得到所述初始旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)的平均導數(shù)；

所述平均導數(shù)的計算公式為：

其中，H_i(R，T)＝(V₁(x_i)^★-Λ_RΛ_TV₂(x_i)^★)²，i是所述局部斷層三維圖像沿x軸的下標。

步驟5、針對所述初始化旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)進行m次迭代計算，得到對應的次優(yōu)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)；

所述迭代計算公式為：