[發(fā)明專(zhuān)利]基于增強(qiáng)自編碼的電子衍射晶體結(jié)構(gòu)加速重建方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210195074.X
• 申請(qǐng)日: 2022-03-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114332284B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁景凌;俞洋;麥立強(qiáng);朱登基
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06T11/00
• 分類(lèi)號(hào): G06T11/00;G06N3/04;G06N3/08;G06T1/20
• 代理公司: 武漢開(kāi)元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42104
• 代理人: 劉琳

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于增強(qiáng)自編碼的電子衍射晶體結(jié)構(gòu)加速重建方法和系統(tǒng)，所述方法包括S1初始相位數(shù)據(jù)生成，S2增強(qiáng)自編碼網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和初始相位測(cè)試，S3低劑量衍射成像，S4算法加速。本發(fā)明針對(duì)低劑量衍射成像中電子衍射晶體結(jié)構(gòu)重建速度提升的需求，通過(guò)傳統(tǒng)Fienup雜化輸入輸出的電荷反轉(zhuǎn)復(fù)合迭代成像算法引入增強(qiáng)自編碼器訓(xùn)練電鏡衍射圖到最優(yōu)初始相位的映射，結(jié)合余弦相似性和K近鄰算法預(yù)測(cè)新衍射圖的初始相位，并采用CUDA GPU并行計(jì)算改進(jìn)原始代碼，實(shí)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)重建速度的顯著提升。本發(fā)明具有自監(jiān)督學(xué)習(xí)、去噪效果好和易于增量訓(xùn)練的優(yōu)點(diǎn)，能有效預(yù)測(cè)最佳初始相位，顯著提升電子衍射晶體結(jié)構(gòu)重建的速度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電子衍射晶體結(jié)構(gòu)重建、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像分析等技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種基于增強(qiáng)自編碼的電子衍射晶體結(jié)構(gòu)加速重建方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著高強(qiáng)度X射線(xiàn)源、場(chǎng)發(fā)射電子槍和記錄設(shè)備靈敏度的不斷改進(jìn)，電子衍射晶體重構(gòu)成像方法由于物鏡傳遞函數(shù)對(duì)衍射強(qiáng)度遠(yuǎn)低于對(duì)相位的影響，得到的高階衍射斑使重構(gòu)分辨率能達(dá)到0.1nm，以及比高分辨像具有更高的信噪比等優(yōu)點(diǎn)。其理論研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)都受到廣泛關(guān)注。為消除高能電子對(duì)材料的輻照損傷，采用脈沖電子束和低劑量衍射成像技術(shù)，控制入射電子劑量，使樣品在脈沖間隔時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到基態(tài)。

為實(shí)現(xiàn)同步低劑量成像，傳統(tǒng)方法結(jié)合電荷反轉(zhuǎn)復(fù)合迭代算法與Fienup雜化輸入輸出算法解決晶體重建的相位問(wèn)題。通過(guò)從晶體分辨率模擬動(dòng)態(tài)電子衍射模式中檢索相位來(lái)重建薄晶體的二維靜電勢(shì)場(chǎng)分布。使用歸一化結(jié)構(gòu)因子作為輸入以增強(qiáng)正空間中的重構(gòu)像襯度。動(dòng)態(tài)混合算法解決了由局域最小值引起的程序停滯問(wèn)題和傳統(tǒng)布拉格衍射模式的相位問(wèn)題，降低了約束方程中未知數(shù)的要求。

然而傳統(tǒng)電荷反轉(zhuǎn)復(fù)合迭代算法需要在隨機(jī)初始相位的基礎(chǔ)上不斷迭代傅里葉變換得到晶體結(jié)構(gòu)重建結(jié)果，其執(zhí)行速度受到相位初始值的極大影響，較差的初始相位將導(dǎo)致迭代時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)或數(shù)日，較合適的初始相位則能使晶體結(jié)構(gòu)重建時(shí)間減少至數(shù)十分鐘至數(shù)小時(shí)。

另外，原始電鏡衍射圖與相應(yīng)最優(yōu)初始相位的參考數(shù)據(jù)仍然不足，難以提供大量數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行深度回歸訓(xùn)練。由于電荷反轉(zhuǎn)復(fù)合迭代算法的迭代計(jì)算受相位初始值影響較大，預(yù)測(cè)一個(gè)較好的初始相位是亟待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)快速低劑量衍射成像需求和現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提出一種基于增強(qiáng)自編碼的電子衍射晶體結(jié)構(gòu)加速重建方法及系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)算法采用的隨機(jī)生成相位初始值的方法難以針對(duì)不同的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行自適應(yīng)，也無(wú)法從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于增強(qiáng)自編碼的電子衍射晶體結(jié)構(gòu)加速重建方法，其特殊之處在于，所述方法包括如下步驟：

S1初始相位數(shù)據(jù)生成：高頻脈沖電子束通過(guò)光柵和磁透鏡打到用于訓(xùn)練的不同樣品上分別形成電鏡衍射圖，得到用于訓(xùn)練的電鏡衍射圖像集，計(jì)算電鏡衍射圖像集中每張電鏡衍射圖成像迭代次數(shù)最小的初始相位，建立電鏡衍射圖-初始相位的映射；

S2增強(qiáng)自編碼網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和初始相位測(cè)試：通過(guò)所述電鏡衍射圖-初始相位的映射訓(xùn)練增強(qiáng)自編碼網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)參及隱碼，訓(xùn)練完成后在測(cè)試階段通過(guò)碼本檢索建立隱碼-最優(yōu)初始相位的映射；

S3低劑量衍射成像：將高頻脈沖電子束通過(guò)光柵和磁透鏡打到樣品上得到樣品的電鏡衍射圖，通過(guò)所述增強(qiáng)自編碼網(wǎng)絡(luò)得到隱碼，并根據(jù)隱碼-最優(yōu)初始相位的映射預(yù)測(cè)初始相位；

S4算法加速：通過(guò)CUDA技術(shù)提升電鏡衍射圖與電荷反轉(zhuǎn)復(fù)合迭代的算法速度，得到晶體結(jié)構(gòu)成像。

優(yōu)選地，步驟S1中計(jì)算電鏡衍射圖成像迭代次數(shù)最小的初始相位時(shí)，使用等間距采樣選取初始相位，記錄不同初始相位條件下采用電荷反轉(zhuǎn)復(fù)合迭代算法正確成像的迭代次數(shù)，計(jì)算每張電鏡衍射圖迭代次數(shù)最小的最優(yōu)初始相位。

優(yōu)選地，步驟S1計(jì)算每張電鏡衍射圖迭代次數(shù)最小的最優(yōu)初始相位采用貪心算法實(shí)現(xiàn)，具體步驟包括：