[发明专利]一种冷冻电镜局部断层三维图像重构方法及系统

说明书

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：挑选并平均同构象的多个局部断层三维图像颗粒，得到局部断层三维图像配准的初始参考结构；利用快速旋转/平移匹配算法，得到多对最优粗旋转参数和平移参数；利用局部断层三维图像配准算法来不断更新旋转参数和平移参数，使所述局部断层三维图像颗粒得到配准；利用配准得到的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，得到重构的局部断层三维图像。

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_i(R，T)＝(V₁(x_i)^★-Λ_RΛ_TV₂(x_i)^★)²，i是所述局部断层三维图像沿x轴的下标。

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：