基于掩膜的冷凍電鏡三維密度圖分辨率檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種圖像處理領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于掩膜的冷凍電鏡三維 密度圖分辨率檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 冷凍電鏡（Cryo-EM)技術(shù)已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)一個(gè)必不可少的研究手段。與傳統(tǒng) X射線（X-ray)和核磁共振（NMR)相比，冷凍電鏡有著特定的優(yōu)勢(shì)，如：（1)不需要生長(zhǎng)晶 體，因此求解的分子結(jié)構(gòu)更接近其自然的生理狀態(tài)；（2)可用于求解分子量巨大的復(fù)合物、 病毒、甚至是細(xì)胞器的三維結(jié)構(gòu)；(3)可研究活性生物大分子的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。近年來，隨著電 子顯微鏡、數(shù)據(jù)采集相機(jī)、高效算法和程序、高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，冷凍電鏡技術(shù)在結(jié)構(gòu)生 物學(xué)領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用，大有引領(lǐng)未來結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的趨勢(shì)。
[0003] 單顆粒冷凍電鏡重構(gòu)是冷凍電鏡技術(shù)的主要應(yīng)用，其主要流程如下：樣品制備、電 鏡成像采集、電鏡圖像的CTF校正、顆粒挑選、分類和平均，生成初始模型和模型迭代化。冷 凍電鏡重構(gòu)質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是該領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究課題，而對(duì)單顆粒冷凍電鏡來 說，重構(gòu)得到的三維密度圖的分辨率是評(píng)價(jià)重構(gòu)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。分辨率分為全局分辨率 和局部分辨率，全局分辨率反映整個(gè)模型的好壞，反映該模型在多大程度上解析生物大分 子的結(jié)構(gòu)；而局部分辨率反映每一個(gè)像素或區(qū)域的分辨率，是評(píng)價(jià)模型局部質(zhì)量好壞的標(biāo) 準(zhǔn)。
[0004] 分辨率估計(jì)的方法隨著冷凍電鏡的發(fā)展而發(fā)展，目前常用的方法有計(jì)算傅里葉殼 相關(guān)（Fouriershellcorrelation，F(xiàn)SC)方法和計(jì)算光譜信噪比（Spectralsignal-to-noiseratio,SSNR)方法。計(jì)算FSC方法將采集到的數(shù)據(jù)集分為兩個(gè)獨(dú)立的半數(shù)據(jù)集，分別 對(duì)兩個(gè)半數(shù)據(jù)集獨(dú)立地進(jìn)行重構(gòu)，然后計(jì)算兩個(gè)重構(gòu)密度圖之間的FSC，最后從FSC曲線估 計(jì)得到全局分辨率。但該方法有如下缺陷：該方法有賴于重構(gòu)過程，易受噪聲和過擬合的影 響；兩個(gè)獨(dú)立的半數(shù)據(jù)集重構(gòu)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量低于全部數(shù)據(jù)集重構(gòu)，是冗余的計(jì)算過程；從FSC 曲線估計(jì)分辨率要求有閾值標(biāo)準(zhǔn)，而目前還沒有統(tǒng)一的閾值標(biāo)準(zhǔn)。
[0005] SSNR的定義是頻域空間信號(hào)和噪聲的功率比例。計(jì)算SSNR方法的關(guān)鍵是如何 估計(jì)信號(hào)和噪聲的功率，傳統(tǒng)的方法是對(duì)重構(gòu)的三維密度圖進(jìn)行反投影得到一組二維圖像 集，并在傅里葉頻域空間從該圖像集估算信號(hào)的功率，從該圖像集與原始輸入圖像集的差 估算噪聲功率。實(shí)際上該方法是在計(jì)算重構(gòu)結(jié)果與輸入數(shù)據(jù)的一致性，該方法明顯依賴于 反投影物的過程并且需要原始數(shù)據(jù)集。
[0006] 上述兩種依賴性的分辨率估計(jì)方法顯然與當(dāng)前冷凍電鏡技術(shù)的快速發(fā)展是不相 符的，因此需要一種能夠僅通過重構(gòu)結(jié)果去客觀估計(jì)分辨率的方法。
[0007] 經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN104732531A，公告日2015. 6. 24， 公開了一種高分辨率遙感圖像信噪比曲線自適應(yīng)獲取方法，包括：對(duì)整幅圖像進(jìn)行傅里葉 變換，通過不同頻率區(qū)間的掩膜，求得功率譜密度趨于穩(wěn)定的頻率區(qū)間；掩膜后的噪聲頻譜 傅里葉反變換到空間域，對(duì)信號(hào)圖像和噪聲圖像進(jìn)行非重疊的小塊劃分，分別求得每個(gè)小 塊的平均值和方差；去除信號(hào)平均值和噪聲方差的野值，逐步迭代擬合得到噪聲方差與信 號(hào)平均值的線性關(guān)系，求得直線的斜率和截距；整個(gè)灰度值范圍內(nèi)的信號(hào)除以噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏 差得到信噪比曲線。但該技術(shù)需要先求得噪聲的平均值和方差，再依此求得信號(hào)的平均值 和方差，將噪聲的計(jì)算誤差帶入信號(hào)的計(jì)算，并需迭代擬合，過程復(fù)雜，存在誤差風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于掩膜的冷凍電鏡三維密度圖 分辨率檢測(cè)方法，通過掩膜分割三維密度圖，分別求得膜內(nèi)膜外的信號(hào)功率和噪聲功率，根 據(jù)信噪比曲線選取閾值估計(jì)全局分辨率，不需依賴圖像的重構(gòu)，可從密度圖直接估算，且算 法簡(jiǎn)單。
[0009] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0010] 本發(fā)明通過三維二值掩膜對(duì)冷凍電鏡重構(gòu)的三維密度圖進(jìn)行分割，分別計(jì)算三維 密度圖的膜內(nèi)顆粒結(jié)構(gòu)部分和膜外背景噪聲部分基于傅里葉空間三維球殼的半徑功率譜 (RadialPowerSpectrum，RPS)，得到三維密度圖的信號(hào)功率和噪聲功率，進(jìn)而通過光譜信 噪比計(jì)算得到的基于掩膜的光譜信噪比（mask-SSNR，mSSNR)曲線和選定的閾值得到全局 分辨率的估計(jì)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凍電鏡的重構(gòu)質(zhì)量的評(píng)測(cè)。
[0011] 所述的半徑功率譜是指：密度圖的功率在傅里葉空間頻率上的分布，即：RPS(S) =Ek|Shell(s) |M(k) |2,其中：s是傅里葉空間三維球殼的半徑，k為傅里葉空間的坐標(biāo)向 量，Shell(s)為半徑為s的三維球殼，M(k)為三維密度圖的傅里葉變換。
RPSjPRPS。分別為三維密度圖的膜內(nèi)顆粒結(jié)構(gòu)部分和膜外背景噪聲部分的RPS曲線，^和Nci分別為膜內(nèi)顆粒結(jié)構(gòu)部分和膜外背景噪聲部分的長(zhǎng)度，S卩非零像素的個(gè)數(shù)。 技術(shù)效果
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明運(yùn)用掩膜計(jì)算光譜信噪比并依此計(jì)算全局分辨率，不需 要分開數(shù)據(jù)集，不需中間數(shù)據(jù)，即可從冷凍電鏡重構(gòu)的密度圖中單獨(dú)估算出全局分辨率。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明示意圖；
[0015] 圖2為實(shí)施例示意圖；
[0016] 圖中：1為三維密度圖，2為三維二值掩膜，3為膜內(nèi)顆粒結(jié)構(gòu)，4為膜外背景噪聲， 5為mSSNR曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。 實(shí)施例I
[0018] 如圖1和圖2所示，本實(shí)施例包括以下步驟：
[0019] 步驟1、從冷凍電鏡上獲取未經(jīng)處理的三維密度圖1，根據(jù)三維密度圖1生成一個(gè) 三維二值掩膜2。
[0020] 本實(shí)施例的三維密度圖1根據(jù)TOBentry: 3J7H仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行單顆粒重構(gòu)得到。
[0021] 所述的三維二值掩膜2的膜內(nèi)值為1，膜外值為0 ;該掩膜為松弛掩膜，且完全包裹 住三維密度圖1中的生物大分子顆粒。
[0022] 步驟2、通過三維二值掩膜2對(duì)三維密度圖1進(jìn)行分割，分別計(jì)算分割部