一种冷冻电镜局部断层三维图像重构方法及系统

技术领域

本发明涉及结构生物学技术领域，特别涉及一种冷冻电镜局部断层三维图像重构方法及系统。

背景技术

冷冻电子断层扫描(cryo-electron tomography,cryo-ET)是一种在自然条件下重建细胞大分子复合物三维结构的成像技术。随着冷冻电子断层扫描图像采集技术的提高，越来越多的图像被获取和处理，得到大量的二维图像，利用二维图像重构出三维图像。近年来，低温电子显微技术有了长足的发展，三维重建的图像质量有了极大的改善。然而，冷冻电子断层扫描图像仍然具有低分辨率、部分数据丢失和低信噪比(SNR)等特点。导致利用冷冻电子断层扫描重构得到的断层三维图像分辨率低，很难研究其生物大分子的三维结构和功能。

为了解决这些问题并提高断层三维图像中局部断层三维重构的分辨率，类似单颗粒重构技术，需要迭代配准和平均包含相同结构的大量局部断层三维图像颗粒。具体流程：在断层重构的三维图像里把同构象的三维颗粒挑选出来，进行三维图像的配准，然后进行三维图像的平均，不断迭代配准和平均过程，从而得到高分辨率的局部断层三维结构。

目前局部断层三维重构技术主要分为基于互相关方法、基于经验贝叶斯方法、粗粒度多分辨率方法。但是目前存在的局部断层三维重构技术都需对局部断层三维图像进行配准，涉及三维图像计算量大，并且局部断层三维重构过程需要多次迭代，导致算法的时间开销大。通常根据局部断层三维图像数据量的多少，需要几天、甚至数周的持续计算，这样对计算资源是一个重大的挑战。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种冷冻电镜局部断层三维图像重构方法，其包括以下步骤：

步骤1、利用局部断层三维分类方法，挑选出同构象的多个局部断层三维图像，并且对所述多个局部断层三维图像进行平均化，得到初始参考结构；

步骤2、利用快速旋转匹配算法(FRM)和快速平移匹配算法(FTM)，对所述多个局部断层三维图像中的每一者分别与所述初始参考结构进行比较，所述多个局部断层三维图像中的每一者均对应得到多对最优粗旋转参数和平移参数；

步骤3、对所述多对最优粗旋转参数和平移参数每一者进行初始化，得到对应的初始旋转参数和平移参数，并设定所述局部断层三维图像配准的参数，包括更新频率m、学习速率η、最小距离min_d、原有距离old_d、最小距离差值eps、内迭代次数maxIter_in、外迭代次数maxIter_out；

步骤4、通过计算得到所述初始旋转参数和平移参数的平均导数；

所述平均导数的计算公式为：

其中，H

步骤5、针对所述初始化旋转参数和平移参数进行m次迭代计算，得到对应的次优旋转参数和平移参数；

所述迭代计算公式为：

其中，i

步骤6、计算并判断当前的所述局部断层三维图像的欧式距离d是否小于最小距离min_d，如是，将欧式距离d赋值给最小距离min_d，否则，最小距离min_d保持原有值；

步骤7、判断最小距离min_d与原有距离old_d的差值绝对值是否小于最小距离差值eps，如是，则输出所述次优旋转参数和平移参数，否则，将最小距离min_d赋值给原有距离old_d，并且将所述次优旋转参数和平移参数初始化，作为新的初始化旋转参数和平移参数，重复循环执行上述步骤3-步骤7maxIter次，输出第maxIter次得到的所述次优旋转参数和平移参数；

步骤8、按照所述次优旋转参数和平移参数对对应的所述局部断层三维图像在实空间内进行对齐，并将对齐的所述局部断层三维图像进行平均化，得到重构的局部断层三维图像；

其中，V

本发明还提供一种冷冻电镜局部断层三维图像重构系统，其包括：

模块1、用于利用局部断层三维分类方法，挑选出同构象的多个局部断层三维图像，并且对所述多个局部断层三维图像进行平均化，得到初始参考结构；

模块2、用于利用快速旋转匹配算法(FRM)和快速平移匹配算法(FTM)，对所述多个局部断层三维图像中的每一者分别与所述初始参考结构进行比较，所述多个局部断层三维图像中的每一者均对应得到多对最优粗旋转参数和平移参数；

模块3、用于对所述多对最优粗旋转参数和平移参数每一者进行初始化，得到对应的初始旋转参数和平移参数，并设定所述局部断层三维图像配准的参数，包括更新频率m、学习速率η、最小距离min_d、原有距离old_d、最小距离差值eps、内迭代次数maxIter、外迭代次数maxIter_out；

模块4、用于通过计算得到所述初始旋转参数和平移参数的平均导数；

所述平均导数的计算公式为：

其中，H

模块5、用于针对所述初始化旋转参数和平移参数进行m次迭代计算，得到对应的次优旋转参数和平移参数；

所述迭代计算公式为：

其中，i

模块6、用于计算并判断当前的所述局部断层三维图像的欧式距离d是否小于最小距离min_d，如是，将欧式距离d赋值给最小距离min_d，否则，最小距离min_d保持原有值；

模块7、用于判断最小距离min_d与原有距离old_d的差值绝对值是否小于最小距离差值eps，如是，则输出所述次优旋转参数和平移参数，否则，将最小距离min_d赋值给原有距离old_d，并且将所述次优旋转参数和平移参数初始化，作为新的初始化旋转参数和平移参数，重复循环执行上述模块3-模块7maxIter次，输出第maxIter次得到的所述次优旋转参数和平移参数；

模块8、用于按照所述次优旋转参数和平移参数对对应的所述局部断层三维图像在实空间内进行对齐，并将对齐的所述局部断层三维图像进行平均化，得到重构的局部断层三维图像；

其中，V

由以上方案可知，本发明的优点在于：基于随机方差减少梯度，本发明提供一种局部断层三维图像配准方法及系统，该方法及系统能够有效地减少三维图像配准过程中的采样范围，降低局部断层三维图像重构过程的时间，因而在能够得到相同分辨率精度的局部断层三维重构图像的前提下，所使用计算时间更少，从而有效提高了基于局部断层三维重构图像的研究效率。

附图说明

图1为本发明一实施例冷冻电镜局部断层三维图像重构方法的流程图。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和效果能阐述的更明确易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下

图1本发明一实施例冷冻电镜局部断层三维图像重构方法的流程图。

步骤1：同构象的多个局部断层三维图像颗粒的挑选和局部断层三维图像配准的初始参考结构的产生。其具体包括如下步骤：

步骤11、利用局部断层三维图像的分类方法，挑选并得到同构象的多个局部断层三维图像。在本技术领域中已知，上述同构象的局部断层三维图像可以由现有的局部断层三维图像的数据库中进行挑选得到。

步骤12、将上述同构象的局部断层三维图像进行平均化，产生进行局部断层三维图像配准的初始参考结构，所述初始参考结构用V

步骤2：利用快速旋转匹配算法(FRM)和快速平移匹配算法(FTM)，对第一步中同构象的多个局部断层三维图像中的每一者分别与初始参考结构V

步骤21、首先，将多个局部断层三维图像V

上述公式(1)-(4)中，V

通过上述公式计算得到CCC值，并且CCC值的峰值表示最优粗旋转参数R

步骤22、首先，将局部断层三维图像V

其中，

归一化和配准的局部断层三维图像

局部断层三维图像的均值

局部约束性互相关函数

上述公式(5)-(10)中，V

因此，步骤21-步骤22的操作，即通过FRM和FTM对步骤1中同构象的多个局部断层三维图像中的每一个与初始参考结构进行比较，使得多个局部断层三维图像中的每一个均对应得到多对最优粗旋转和平移参数，例如表示为{(R

步骤3：对步骤1中的多个局部断层三维图像依次进行配准操作，具体表现为，在给定局部断层三维图像的初始旋转参数R和平移参数T条件下，本发明的实施例通过局部断层三维图像配准算法来不断更新(R，T)。其具体包括如下步骤：

步骤31、设置局部断层三维图像配准所需的参数以及初始化旋转参数

步骤32、为局部断层三维图像配准的旋转参数

其中H

步骤33、设定m次迭代，m为更新频率，并计算当前迭代t中局部断层三维图像的旋转参数R

步骤331、在1至n中随机选择i

步骤332、计算当前迭代t中局部断层三维图像的旋转参数R

步骤333、判断当前迭代次数t是否达到最大值m次，如果未满足，则转入步骤331；否则，转入步骤34，并得到第m次迭代得到的旋转参数R

步骤34、对当前迭代k中旋转参数

步骤35、计算当前操作的局部断层三维图像的欧式距离d(R，T)，其中

步骤36、判断欧式距离d是否小于最小距离min_d，如成立，则将当前欧式距离d的值赋给最小距离min_d。

步骤37、判断最小距离min_d与原有距离old_d的差值绝对值是否小于最小距离差值eps，如成立，则输出当前迭代k对应的次优旋转参数和平移参数，并转入步骤4；否则将最小距离min_d的值赋给原有距离old_d。

步骤38、判断当前迭代次数k是否达到内迭代次数maxIter_in次，如未满足，则转入步骤32；否则，输出当前迭代k对应的次优旋转参数和平移参数，并转入步骤4。

步骤4：利用步骤3得到的次优旋转参数和平移参数对局部断层三维图像进行对齐和平均，并得到重构的局部断层三维图像。其具体包括如下步骤：

步骤41、局部断层三维图像按照第三步中得到的次优旋转参数和平移参数进行空间位置的变换，在实空间实现局部断层三维图像的对齐。

步骤42、局部断层三维图像对齐后，按照奇偶序号对其进行拆分，从而得到2组对齐后的局部断层三维图像，然后针对每一组各自平均化，形成2个重构的局部断层三维图像，分别用half_map1和half_map2表示。

步骤43、将half_map1和half_map2三维图像转换到傅里叶空间，利用傅里叶球壳系数(FSC)计算2个三维结构对应的分辨率，其中FSC阈值设为0.143，指定局部断层三维图像的体素值，得到对应的分辨率current_resolution。FSC的计算公式为：

其中s

步骤44、将所有对齐的局部断层三维图像进行平均化，得到重构的局部断层三维图像。

步骤45、判断分辨率current_resolution值是否小于一分辨率预设阈值，如是，则输出步骤44得到的重构的局部断层三维图像以及步骤43中得到的分辨率current_resolution，如否，将步骤44得到重构的局部断层三维图像作为步骤2中的初始参考结构，并且转入步骤2，重复执行步骤2-步骤4，直至达到第maxIter_out次，并输出第maxIter_out次得到的重构的局部断层三维图像。

以下为与上述方法实施例对应的系统实施例，本实施例的系统可与上述实施方式互相配合实施。上述施方式中提到的相关技术细节在本实施的系统中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。

本发明还提供一种冷冻电镜局部断层三维图像重构系统，其包括：

模块1、用于利用局部断层三维分类方法，挑选出同构象的多个局部断层三维图像，并且对所述多个局部断层三维图像进行平均化，得到初始参考结构；

模块2、用于利用快速旋转匹配算法(FRM)和快速平移匹配算法(FTM)，对所述多个局部断层三维图像中的每一者分别与所述初始参考结构进行比较，所述多个局部断层三维图像中的每一者均对应得到多对最优粗旋转参数和平移参数；

模块3、用于对所述多对最优粗旋转参数和平移参数每一者进行初始化，得到对应的初始旋转参数和平移参数，并设定所述局部断层三维图像配准的参数，包括更新频率m、学习速率η、最小距离min_d、原有距离old_d、最小距离差值eps、内迭代次数maxIter、外迭代次数maxIter_out；

模块4、用于通过计算得到所述初始旋转参数和平移参数的平均导数；

所述平均导数的计算公式为：

其中，H

模块5、用于针对所述初始化旋转参数和平移参数进行m次迭代计算，得到对应的次优旋转参数和平移参数；

所述迭代计算公式为：

其中，i

模块6、用于计算并判断当前的所述局部断层三维图像的欧式距离d是否小于最小距离min_d，如是，将欧式距离d赋值给最小距离min_d，否则，最小距离min_d保持原有值；

模块7、用于判断最小距离min_d与原有距离old_d的差值绝对值是否小于最小距离差值eps，如是，则输出所述次优旋转参数和平移参数，否则，将最小距离min_d赋值给原有距离old_d，并且将所述次优旋转参数和平移参数初始化，作为新的初始化旋转参数和平移参数，重复执行上述模块3-模块7至maxIter_in次，输出第maxIter_in次得到的所述次优旋转参数和平移参数；

模块8、用于按照所述次优旋转参数和平移参数对对应的所述局部断层三维图像在实空间内进行对齐，并将对齐的所述局部断层三维图像进行平均化，得到重构的局部断层三维图像；

其中，V

于本发明的一实施例中，上述的冷冻电镜局部断层三维图像重构系统中的模块2包括：模块2.1、用于将所述多个局部断层三维图像和初始参考结构由实空间转换到傅里叶空间；模块2.2、用于将所述多个局部断层三维图像对应的傅里叶系数转换到球坐标，并利用球谐函数进行展开，计算不同频率下的正则化球函数的约束性互相关值，得到所述约束性互相关值的三维数组；以及模块2.3、用于在所述约束性互相关值的三维数组中检索所述多个最优旋转参数，其中所述约束性互相关值的最大值对应所述多个最优粗旋转参数；

于本发明的一实施例中，上述的冷冻电镜局部断层三维图像重构系统中模块2还包括：模块2.4、用于将所述多个局部断层三维图像和初始参考结构约束在傅里叶空间中；以及模块2.5、用于利用基于快速傅里叶变换算法(FFT)分别计算所述多个局部断层三维图像和初始参考结构的局部相关性值，并得到对应的所述多个最优粗平移参数；

于本发明的一实施例中，上述的冷冻电镜局部断层三维图像重构系统中的模块3中的所述参数设置为更新频率m＝10、学习速率η＝1/(20*maxIter)、最小距离min_d＝原有距离old_d＝-1、最小距离差值eps＝0.0001、内迭代次数maxIter_in＝外迭代次数maxIter_out＝20。

于本发明的一实施例中，上述的冷冻电镜局部断层三维图像重构系统中的模块8包括：模块8.1、用于将对齐的所述局部断层三维图像按照奇偶序号进行拆分，得到两组对齐的所述局部断层三维图像，并且分别对其进行平均化，得到两个重构的局部断层三维图像；模块8.2、用于将上述两个重构的局部断层三维图像转换到傅里叶空间，利用傅里叶球壳系数(FSC)计算所述两个重构的局部断层三维图像对应的当前分辨率；以及模块8.3、用于判断所述当前分辨率是否小于一预设分辨率，如是，则输出所述重构的局部断层三维图像，否则，将所述重构的局部断层三维图像作为新的初始参考结构，重复执行所述模块3-模块8至maxIter_out次，并输出第maxIter_out次的所述重构的局部断层三维图像。

综上所述，基于随机方差减少梯度，本发明提供一种局部断层三维图像配准方法及系统，该方法及系统能够有效地减少三维图像配准过程中的采样范围，降低局部断层三维图像重构过程的时间，因而在能够得到相同分辨率精度的局部断层三维重构图像的前提下，所使用计算时间更少，从而有效提高了基于局部断层三维重构图像的研究效率。