用于相關(guān)噪聲去除的擴(kuò)展場迭代重構(gòu)技術(shù)（efirt）的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于通過在三維（3D)結(jié)構(gòu)重構(gòu)中應(yīng)用擴(kuò)展場迭代重構(gòu)技術(shù) (EFIRT)來去除相關(guān)噪聲的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 如今，在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)應(yīng)用中層析重構(gòu)已經(jīng)成為廣泛使用的用于結(jié)構(gòu)確定的技 術(shù)。諸如蛋白質(zhì)和核酸的大分子是重要的生物大分子，該大分子在其結(jié)構(gòu)內(nèi)擁有重要的功 能信息。此外，大部分含有蛋白質(zhì)的生物大分子是柔性的，具有與其它分子相互作用的增強(qiáng) 的能力。因此，結(jié)構(gòu)確定尤其對于理解分子之間相互作用的目的具有重要應(yīng)用，并且因此， 在藥物開發(fā)中是至關(guān)重要的。
[0003] 許多標(biāo)準(zhǔn)3D結(jié)構(gòu)確定技術(shù)（諸如，X射線晶體學(xué)、核磁共振（NMR)或單顆粒低溫電 子顯微術(shù)）是基于取平均，這可能會導(dǎo)致關(guān)于大分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)造或柔韌性的大部分信息的 損失。為了克服該問題，引入低溫電子層析攝影術(shù)（Cryo-ET)，其涉及以不同傾角拍攝低溫 樣品的透射電子顯微鏡（TEM)圖像并且通過校準(zhǔn)和反向投射不同的圖像來重構(gòu)3D層析圖。 Cryo-ET由于快速冷凍至液氮溫度而保留了分子的天然結(jié)構(gòu)，并且不必涉及取平均。結(jié)果， 使得能夠在天然狀態(tài)下對柔性多域蛋白進(jìn)行全面研究。
[0004] 大分子的Cryo-ET 3D重構(gòu)會遇到幾種類型的噪聲。一種類型的噪聲是樣品噪聲， 該樣品噪聲主要是由于在數(shù)據(jù)記錄期間樣品的重排或者由于電子束損傷導(dǎo)致的退化而引 起的。通常使用足夠低的劑量來最小化這種類型的噪聲。然而，低劑量增大了由低照度造 成的不相關(guān)的散粒噪聲。另外，相關(guān)噪聲可能由于TEM檢測器的缺陷而出現(xiàn)。這是因?yàn)橥?常建立增益基準(zhǔn)以均衡來自單個檢測器元件的響應(yīng)，但是增益基準(zhǔn)的誤差可能產(chǎn)生與檢測 器的區(qū)域（而不是與樣品）相關(guān)的噪聲。
[0005] 使用用于正則化修正（regularized refinement)的過程（諸如，約束型最大熵層 析攝影術(shù)（COMET))能夠顯著降低cryo-ET重構(gòu)中的大部分不相關(guān)的散粒噪聲。在醫(yī)學(xué)應(yīng) 用中，由于會使用大劑量，所以通常很大程度地避免了散粒噪聲。然而，產(chǎn)生自檢測器測量 的相關(guān)噪聲難以處理，這是因?yàn)檫@種類型的噪聲與檢測器表面上的靈敏度變化相關(guān)。為了 確保同質(zhì)的信號響應(yīng)，實(shí)踐中通常使用平場，但是給出平場的質(zhì)量的變化，那么所產(chǎn)生的基 線隨之變化?；€周圍的變化導(dǎo)致位置相關(guān)的噪聲，在2D或3D重構(gòu)中，該位置相關(guān)的噪聲 在取決于與檢測器表面正交的方向的長度的位置上或者對于許多投射在不傾斜的波束方 向上產(chǎn)生增大的背景。
[0006] 鑒于以上，存在對用于針對增強(qiáng)的三維（3D)重構(gòu)圖像去除相關(guān)噪聲的改進(jìn)技術(shù) 的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 技術(shù)問題
[0008] 因此，本發(fā)明致力于基本上避免由于相關(guān)技術(shù)的限制和缺陷而造成的上述討論的 一個或更多個問題和其它問題的方案。
[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于去除3D重構(gòu)中的相關(guān)噪聲的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng) 和方法。
[0010] 問題的解決方案
[0011] 為實(shí)現(xiàn)這些和其它優(yōu)勢并且根據(jù)本發(fā)明的目的，如實(shí)施和廣泛描述的，在一個方 面，本發(fā)明提供了一種在三維（3D)重構(gòu)中通過應(yīng)用擴(kuò)展場迭代重構(gòu)技術(shù)（EFIRT)去除相關(guān) 噪聲的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，其中，該方法包括：對大于感興趣區(qū)域（ROI)的擴(kuò)展場執(zhí)行一組 連續(xù)的重構(gòu)；以及從所述一組連續(xù)的重構(gòu)中提取ROI并對ROI取平均。
[0012] 在一個方面，本發(fā)明提供了一種包括以上引用的特征的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，其中， 通過在電子場的方向上增大z值以增大每個連續(xù)的重構(gòu)的體積來執(zhí)行該一組連續(xù)的重構(gòu)。
[0013] 在另一方面，本發(fā)明提供了一種包括以上引用的特征的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，并且 還包括利用COMET (約束型最大相關(guān)熵層析攝影術(shù)）去除所述3D重構(gòu)中的不相關(guān)噪聲。
[0014] 在又一方面，本發(fā)明提供了一種包括以上引用的特征的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，其中， 經(jīng)由低溫電子層析攝影術(shù)（Cryo-ET)應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)3D重構(gòu)。
[0015] 在一個方面，本發(fā)明還提供了一種用于改善樣品的三維（3D)重構(gòu)的裝置，所述裝 置被程序化以執(zhí)行指令，所述指令包括：利用COMET(約束型最大相關(guān)熵層析攝影術(shù)）去除 所述3D重構(gòu)中的不相關(guān)噪聲；以及通過應(yīng)用擴(kuò)展場迭代重構(gòu)技術(shù)（EFIRT)過程去除所述 3D重構(gòu)中的相關(guān)噪聲。
[0016] 在另一方面，本發(fā)明提供了一種包括以上引用的特征的裝置，其中，所述EFIRT過 程包括對大于感興趣區(qū)域（ROI)的擴(kuò)展場執(zhí)行一組連續(xù)的重構(gòu)；以及從所述一組連續(xù)的重 構(gòu)中提取ROI并且對ROI取平均。
[0017] 發(fā)明的有益效果
[0018] 本發(fā)明的附加或單獨(dú)的特征和優(yōu)勢將在以下描述中被陳述，并且部分地將從說明 書中顯而易見，或者可以通過本發(fā)明的實(shí)踐來了解。本發(fā)明的目的和其它優(yōu)勢將通過在其 書面說明書和權(quán)利要求書以及附圖中具體指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和達(dá)到。
[0019] 應(yīng)當(dāng)理解，之前的一般性描述和以下的詳細(xì)描述兩者均是示例性和說明性的，并 且旨在提供對所要求的本發(fā)明的進(jìn)一步解釋。
【附圖說明】
[0020] [圖1]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的在結(jié)構(gòu)重構(gòu)中如何應(yīng)用擴(kuò)展場迭代重 構(gòu)技術(shù)（EFIRT)的示圖。
[0021] [圖2]圖2是提供根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式在結(jié)構(gòu)重構(gòu)中如何應(yīng)用EFIRT的另選圖 解的示圖。
[0022] [圖3]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的針對3D重構(gòu)使用EFIRT的示例。
[0023] [圖4]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的針對3D重構(gòu)使用EFIRT的示例。
[0024] [圖5]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的針對3D重構(gòu)使用EFIRT的示例。
[0025] [圖6]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的針對3D重構(gòu)使用EFIRT的示例。
[0026] [圖7]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的針對3D重構(gòu)使用EFIRT的示例。
[0027] [圖8]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的針對3D重構(gòu)使用EFIRT的另一示例。
[0028] [圖9]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的針對3D重構(gòu)使用EFIRT的另一示例。
[0029] [圖10]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的針對3D重構(gòu)使用EFIRT的另一示 例。
[0030] [圖11]圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于通過去除不相關(guān)和相關(guān)噪聲來 提高3D重構(gòu)性能的算法。
[0031] [圖12]圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于實(shí)現(xiàn)圖11的算法的計(jì)算機(jī)或 數(shù)據(jù)處理器的示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 本發(fā)明改善了結(jié)構(gòu)重構(gòu)中的數(shù)據(jù)處理，并且更具體地，在一些實(shí)施方式中，提供了 一種用于去除3D重構(gòu)中由于檢測器缺陷導(dǎo)致的相關(guān)噪聲的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法和系統(tǒng)。
[0033] 在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，系統(tǒng)的主要方面如下。
[0034] 示例 1
[0035] -種用于改善3D重構(gòu)圖像的算法包括：首先，利用COMET(約束型最大相關(guān)熵層析 攝影術(shù)）去除散粒噪聲或不相關(guān)噪聲，并且此外，通過應(yīng)用EFIRT過程去除殘余噪聲（包括 來自檢測器的相關(guān)噪聲）。顯然，該算法可以在數(shù)據(jù)處理軟件或者安裝有所述數(shù)據(jù)處理軟件 的數(shù)據(jù)處理器或計(jì)算機(jī)中被實(shí)現(xiàn)。另外，該算法可以被應(yīng)用于各種應(yīng)用（包括但不限于，低 溫電子層析攝影術(shù)（Cryo-ET)和其它3D重構(gòu)過程/裝置）中。應(yīng)當(dāng)注意，在一些實(shí)施方式 中，可以以各種方式（包括但不限于COMET)完成對在應(yīng)用EFRIT以去除相關(guān)噪聲之前的散 粒噪聲或不相關(guān)噪聲的去除。在其它實(shí)施方式中，給定數(shù)據(jù)組可能不包括顯著的散粒噪聲， 并且因此不必在執(zhí)行EFRIT以去除相關(guān)噪聲之前去除散粒噪聲。換言之，執(zhí)行EFRIT以去 除相關(guān)噪聲可以是獨(dú)立于不相關(guān)噪聲的去除的過程。
[0036] 示例 2
[003