[发明专利]基于掩膜的冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种图像处理领域的技术，具体是一种基于掩膜的冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法。

背景技术

冷冻电镜(Cryo-EM)技术已经成为结构生物学一个必不可少的研究手段。与传统X射线(X-ray)和核磁共振(NMR)相比，冷冻电镜有着特定的优势，如：(1)不需要生长晶体，因此求解的分子结构更接近其自然的生理状态；(2)可用于求解分子量巨大的复合物、病毒、甚至是细胞器的三维结构；(3)可研究活性生物大分子的动态结构。近年来，随着电子显微镜、数据采集相机、高效算法和程序、高性能计算机的发展，冷冻电镜技术在结构生物学领域正发挥着越来越重要的作用，大有引领未来结构生物学研究的趋势。

单颗粒冷冻电镜重构是冷冻电镜技术的主要应用，其主要流程如下：样品制备、电镜成像采集、电镜图像的CTF校正、颗粒挑选、分类和平均，生成初始模型和模型迭代化。冷冻电镜重构质量的客观评价标准是该领域的一个重要的研究课题，而对单颗粒冷冻电镜来说，重构得到的三维密度图的分辨率是评价重构质量的重要标准。分辨率分为全局分辨率和局部分辨率，全局分辨率反映整个模型的好坏，反映该模型在多大程度上解析生物大分子的结构；而局部分辨率反映每一个像素或区域的分辨率，是评价模型局部质量好坏的标准。

分辨率估计的方法随着冷冻电镜的发展而发展，目前常用的方法有计算傅里叶壳相关(Fourier shell correlation，FSC)方法和计算光谱信噪比(Spectral signal-to-noise ratio，SSNR)方法。计算FSC方法将采集到的数据集分为两个独立的半数据集，分别对两个半数据集独立地进行重构，然后计算两个重构密度图之间的FSC，最后从FSC曲线估计得到全局分辨率。但该方法有如下缺陷：该方法有赖于重构过程，易受噪声和过拟合的影响；两个独立的半数据集重构的结构质量低于全部数据集重构，是冗余的计算过程；从FSC曲线估计分辨率要求有阈值标准，而目前还没有统一的阈值标准。

SSNR的定义是频域空间信号和噪声的功率比例。计算SSNR方法的关键是如何估计信号和噪声的功率，传统的方法是对重构的三维密度图进行反投影得到一组二维图像集，并在傅里叶频域空间从该图像集估算信号的功率，从该图像集与原始输入图像集的差估算噪声功率。实际上该方法是在计算重构结果与输入数据的一致性，该方法明显依赖于反投影物的过程并且需要原始数据集。

上述两种依赖性的分辨率估计方法显然与当前冷冻电镜技术的快速发展是不相符的，因此需要一种能够仅通过重构结果去客观估计分辨率的方法。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104732531A，公告日2015.6.24，公开了一种高分辨率遥感图像信噪比曲线自适应获取方法，包括：对整幅图像进行傅里叶变换，通过不同频率区间的掩膜，求得功率谱密度趋于稳定的频率区间；掩膜后的噪声频谱傅里叶反变换到空间域，对信号图像和噪声图像进行非重叠的小块划分，分别求得每个小块的平均值和方差；去除信号平均值和噪声方差的野值，逐步迭代拟合得到噪声方差与信号平均值的线性关系，求得直线的斜率和截距；整个灰度值范围内的信号除以噪声标准偏差得到信噪比曲线。但该技术需要先求得噪声的平均值和方差，再依此求得信号的平均值和方差，将噪声的计算误差带入信号的计算，并需迭代拟合，过程复杂，存在误差风险。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于掩膜的冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法，通过掩膜分割三维密度图，分别求得膜内膜外的信号功率和噪声功率，根据信噪比曲线选取阈值估计全局分辨率，不需依赖图像的重构，可从密度图直接估算，且算法简单。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过三维二值掩膜对冷冻电镜重构的三维密度图进行分割，分别计算三维密度图的膜内颗粒结构部分和膜外背景噪声部分基于傅里叶空间三维球壳的半径功率谱(Radial Power Spectrum，RPS)，得到三维密度图的信号功率和噪声功率，进而通过光谱信噪比计算得到的基于掩膜的光谱信噪比(mask-SSNR，mSSNR)曲线和选定的阈值得到全局分辨率的估计值，实现对冷冻电镜的重构质量的评测。

所述的半径功率谱是指：密度图的功率在傅里叶空间频率上的分布，即：RPS(s)＝∑k|Shell(s)|M(k)|²其中：s是傅里叶空间三维球壳的半径，k为傅里叶空间的坐标向量，Shell(s)为半径为s的三维球壳，M(k)为三维密度图的傅里叶变换。