冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法技术

本发明专利技术提供一种冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法，包括步骤：输入冷冻电镜三维密度图和纯噪声三维密度图；生成掩膜集；利用各掩膜分别对纯噪声三维密度图进行分割分别获得第一膜内数据和第一膜外数据；计算第一膜内噪声谱功率和第一膜外噪声谱功率；计算获得线性参数集；利用各掩膜分别对冷冻电镜三维密度图进行分割分别获得第二膜内数据和第二膜外数据；根据第二膜内数据、第二膜外数据和线性参数集计算获得各掩膜所对应的第二膜内数据谱信噪比曲线图；根据第二膜内数据谱信噪比曲线图获得分辨率集，根据分辨率集绘制分辨率集三维曲面图；获得全局分辨率值。本发明专利技术的一种冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法，具有简单、直观、操作便捷的优点。

【技术实现步骤摘要】
冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法
本专利技术涉及图像处理领域，尤其涉及一种冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法。
技术介绍
作为一项新兴技术，冷冻电镜(Cryo-EM)技术近年来迅速发展并取得了卓越的成就，越来越多大分子通过冷冻电镜技术重构得到亚纳米级三维结构。结构生物领域传统的三维重构技术，如x-射线三维重构技术和核磁共振三维重构技术(NMR)，各自有其固有缺陷，如x-射线技术只能对晶体进行研究，不能对非晶体进行三维重构；核磁共振技术不能对大分子量(超过100KDa)的分子进行三维重构。相比之下，冷冻电镜技术具有显著的优势：(1)对研究样本没有结晶要求，对晶体和非晶体都可进行三维重构；(2)对研究样本没有分子量限制，可对大分子量的生物分子进行三维重构；(3)对样品进行快速冷冻，使样品中的水处于玻璃态，生物分子非常接近生理状态；(4)样本中的生物分子处于生理过程的不同阶段，可研究生理过程中生物分子的动态演化过程等。冷冻电镜技术显著的优越性使其具有广阔的发展前景。利用冷冻电镜技术进行三维重构的主要方法是单颗粒重构(SPR)。单颗粒重构的流程如下：(1)冷冻样品制备；(2)电镜成像采集；(3)电镜图像处理，包括：CTF校正，颗粒挑选等；(4)三维重构，包括对颗粒进行分类、平均，构建初始模型，迭代优化最终模型等。单颗粒重构得到生物分子的三维密度图后，对重构模型的质量进行评估，即分辨率检测，具有重要的意义：有助于比较重构算法的优劣，促进不同技术的融合交流，促进冷冻电镜技术的发展，促进结构生物学的发展等。目前常用的分辨率检测方法有傅里叶壳相关(Fouriershellcorrelation,FSC)方法和谱信噪比(Spectralsignal-to-noiseratio,SSNR)方法。通过FSC方法检测分辨率需要将颗粒数据集随机分成两个半数据集，对这两个半数据集进行三维重构，然后计算两个半数据集重构结果在傅里叶空间的相关性，得到FSC曲线，通过阈值截断，得到最终的全局分辨率。使用FSC方法进行分辨率检测存在以下缺点：(1)该方法检测的实际上是重构算法的可重复性，与传统的分辨率检测意义不同，阈值的选取没有直观的含义，目前依然存在较大争议；(2)该方法易受噪声影响，由于高频部分的噪声多，该方法在计算时，往往会将噪声的相关性作为颗粒相关性来计算，出现过拟合现象；(3)该方法需要将颗粒数据集分成两个半数据集并分别进行三维重构，半数据集的重构质量低于全部数据集的重构质量，据此计算出的分辨率与全部数据集的重构结果分辨率不符，且计算过程冗余。SSNR方法计算三维密度图在频域的信号与噪声的功率比，然后通过阈值截断，计算全局分辨率。与FSC方法相比，计算分辨率时使用的阈值有明确的含义，如常取1作为阈值，此时信号功率等于噪声功率。现有的计算SSNR的方法是将三维密度图进行再投影，投影空间的图像被认为是去噪后的图像，用原始图像减去投影图像得到噪声图像，然后使用由纯噪声三维密度图得到的噪声衰减因子，对投影图像的信号功率和噪声功率进行修正，最后由修正后的投影图像信号功率比修正后的噪声功率得到三维密度图的谱信噪比。使用现有方法计算SSNR是在二维空间考虑三维空间的信噪比，不具有直观性，计算结果依赖于再投影过程，且计算过程中需要原始数据集。冷冻电镜技术正处于快速发展阶段，且具有广阔的应用前景，而现有的冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法都存在较大缺陷，因此需要提出一种新的分辨率检测方法。
技术实现思路
针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法，在三维空间中直接计算三维密度图的谱信噪比，不需要再投影过程，具有简单、直观、操作便捷的优点。为了实现上述目的，本专利技术提供一种冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法，包括步骤：S1：输入一冷冻电镜三维密度图和所述冷冻电镜三维密度图的一纯噪声三维密度图；S2：根据所述冷冻电镜三维密度图生成一掩膜集，所述掩膜集包括n个大小不同的掩膜，n为大于零的整数；S3：利用各所述掩膜分别对所述纯噪声三维密度图进行分割分别获得所述纯噪声三维密度图的与各所述掩膜对应的一第一膜内数据和一第一膜外数据；S4：根据所述第一膜内数据和所述第一膜外数据计算各所述掩膜对应的一第一膜内噪声谱功率和一第一膜外噪声谱功率；S5：根据各组所述第一膜内噪声谱功率和所述第一膜外噪声谱功率计算获得一线性参数集λp；其中，0≤p≤n，且p为整数，为第p掩膜所对应的第一膜内噪声谱功率，为第p掩膜所对应的第一膜外噪声谱功率；λp为线性拟合参数；S6：利用各所述掩膜分别对所述冷冻电镜三维密度图进行分割分别获得所述冷冻电镜三维密度图的与各所述掩膜对应的一第二膜内数据和一第二膜外数据；S7：根据所述第二膜内数据、所述第二膜外数据和所述线性参数集计算获得各掩膜所对应的第二膜内数据谱信噪比曲线图；S8：根据所述第二膜内数据谱信噪比曲线图获得一分辨率集，并根据所述分辨率集绘制一分辨率集三维曲面图；S9：根据所述分辨率集三维曲面图计算获得所述冷冻电镜三维密度图的一全局分辨率值。优选地，所述掩膜采用二值掩膜，所述二值掩膜包括一掩膜区域，所述掩膜区域内的值为1，所述掩膜区域外的值为0。优选地，在所述S2步骤中，通过在一透射电子显微镜图像处理软件中设置并调整一三维密度图的密度等值面阈值参数和一向外扩展的高斯层数参数，处理所述冷冻电镜三维密度图，获得所述掩膜集。优选地，所述S3步骤进一步包括步骤：将所述纯噪声三维密度图在三维空间每个坐标上的值与当前所述掩膜相应坐标上的值相乘，获得当前掩膜所对应的所述第一膜内数据；将所述纯噪声三维密度图减去所述第一膜内数据，获得当前掩膜所对应的所述第一膜外数据；重复步骤，直至获得所有所述掩膜所对应的所述第一膜内数据和所述第一膜外数据。优选地，所述S4步骤进一步包括步骤：将当前所述掩膜所对应的所述第一膜内数据通过傅里叶变换转换到一第一频率空间；将当前所述掩膜所对应的所述第一膜外数据通过傅里叶变换转换到一第二频率空间；分别在所述第一频率空间和所述第二频率空间内建立一球壳模型shell(s)，s为所述球壳模型的半径；根据一公式(2)计算当前所述掩膜所对应的所述第一膜内噪声谱功率和所述第一膜外噪声谱功率：其中，RPS(s)为谱功率；当RPS(s)为所述第一膜内噪声谱功率时，Ks为所述第一频率空间内所述球壳模型上的点的坐标，所述Ns为所述第一频率空间内所述球壳模型上的点的数量，M(Ks)为所述第一膜内数据的傅里叶变换；当RPS(s)为所述第一膜外噪声谱功率时，Ks为所述第二频率空间内所述球壳模型上的点的坐标，所述Ns为所述第二频率空间内所述球壳模型上的点的数量，M(Ks)为所述第一膜外数据的傅里叶变换。优选地，所述S7步骤进一步包括步骤：S71：将当前所述掩膜所对应的所述第二膜内数据通过傅里叶变换转换到一第三频率空间；将当前所述掩膜所对应的所述第二膜外数据通过傅里叶变换转换到一第四频率空间；S72：分别在所述第三频率空间和所述第四频率空间内建立一球壳模型shell(s)，s为所述球壳模型的半径；S73：根据所述公式(2)计算当前所述掩膜所对应的一第二膜内信号和噪声加和的谱功率和一第二膜外噪声谱功率：当RPS(s)为所述第二膜内信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法，包括步骤：S1：输入一冷冻电镜三维密度图和所述冷冻电镜三维密度图的一纯噪声三维密度图；S2：根据所述冷冻电镜三维密度图生成一掩膜集，所述掩膜集包括n个大小不同的掩膜，n为大于零的整数；S3：利用各所述掩膜分别对所述纯噪声三维密度图进行分割分别获得所述纯噪声三维密度图的与各所述掩膜对应的一第一膜内数据和一第一膜外数据；S4：根据所述第一膜内数据和所述第一膜外数据计算各所述掩膜对应的一第一膜内噪声谱功率和一第一膜外噪声谱功率；S5：根据各组所述第一膜内噪声谱功率和所述第一膜外噪声谱功率计算获得一线性参数集λp；

【技术特征摘要】
1.一种冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法，包括步骤：S1：输入一冷冻电镜三维密度图和所述冷冻电镜三维密度图的一纯噪声三维密度图；S2：根据所述冷冻电镜三维密度图生成一掩膜集，所述掩膜集包括n个大小不同的掩膜，n为大于零的整数；S3：利用各所述掩膜分别对所述纯噪声三维密度图进行分割分别获得所述纯噪声三维密度图的与各所述掩膜对应的一第一膜内数据和一第一膜外数据；S4：根据所述第一膜内数据和所述第一膜外数据计算各所述掩膜对应的一第一膜内噪声谱功率和一第一膜外噪声谱功率；S5：根据各组所述第一膜内噪声谱功率和所述第一膜外噪声谱功率计算获得一线性参数集λp；其中，0≤p≤n，且p为整数，为第p掩膜所对应的第一膜内噪声谱功率，为第p掩膜所对应的第一膜外噪声谱功率；λp为线性拟合参数；S6：利用各所述掩膜分别对所述冷冻电镜三维密度图进行分割分别获得所述冷冻电镜三维密度图的与各所述掩膜对应的一第二膜内数据和一第二膜外数据；S7：根据所述第二膜内数据、所述第二膜外数据和所述线性参数集计算获得各掩膜所对应的第二膜内数据谱信噪比曲线图；S8：根据所述第二膜内数据谱信噪比曲线图获得一分辨率集，并根据所述分辨率集绘制一分辨率集三维曲面图；S9：根据所述分辨率集三维曲面图计算获得所述冷冻电镜三维密度图的一全局分辨率值。2.根据权利要1所述的冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法，其特征在于，所述掩膜采用二值掩膜，所述二值掩膜包括一掩膜区域，所述掩膜区域内的值为1，所述掩膜区域外的值为0。3.根据权利要2所述的冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法，其特征在于，在所述S2步骤中，通过在一透射电子显微镜图像处理软件中设置并调整一三维密度图的密度等值面阈值参数和一向外扩展的高斯层数参数，处理所述冷冻电镜三维密度图，获得所述掩膜集。4.根据权利要3所述的冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法，其特征在于，所述S3步骤进一步包括步骤：将所述纯噪声三维密度图在三维空间每个坐标上的值与当前所述掩膜相应坐标上的值相乘，获得当前掩膜所对应的所述第一膜内数据；将所述纯噪声三维密度图减去所述第一膜内数据，获得当前掩膜所对应的所述第一膜外数据；重复步骤，直至获得所有所述掩膜所对应的所述第一膜内数据和所述第一膜外数据。5.根据权利要4所述的冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法，其特征在于，所述S4步骤进一步包括步骤：将当前所述掩膜所对应的所述第一膜内数据通过傅里叶变换转换到一第一频率空间；将当前所述掩膜所对应的所述第一膜外数据通过傅里叶变换转换到一第二频率空间；分别在所述第一频率空间和所述第二频率空间内建立一球壳模型shell(s)，s为所述球壳模型的半径；根据一公式(2)计算当前所述掩膜所对应的所述第一膜内噪声谱功率和所述第一膜外噪声谱功率：其中，RPS(s)为谱功率；当RPS(s)为所述第一膜内噪声谱功率时，Ks为所述第一频率空间内所述球壳模型上的点的坐标，所述Ns为所述第一频率空间内所述球壳模型上的点的数量，M(Ks)为所述第一膜内数据的傅里叶变换；当RPS(s)为所述第一膜外噪声谱功率时，Ks为所述第二频率空间内所述球壳模型上的点的坐标，所述Ns为所述第二频率空间内所述球壳模型上的点的数量，M(Ks)为所述第一膜外数据的傅里叶变换。6.根据权利要5所述的冷冻电镜三维密度图分辨率检测方法，其特征在于，所述S7步骤进一步包括步骤：S71：将当前所述掩膜所对应的所述第二膜内...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈红斌，杨宇蛟，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31