基于生成对抗网络的冷冻电镜图像去噪研究

发布时间：2021-01-08 10:08

　　冷冻电镜（Cryogenic electron microscopy,Cryo-em）是一种能够实现生物大分子三维重构的技术,它通过冷冻电镜图像和三维重构软件获得高分辨率的生物大分子结构。由于冷冻电镜成像的特殊性,导致采集到的冷冻电镜图像夹杂大量噪声,这对三维重构的精度有很大的影响。当前冷冻电镜图像去噪的主要方法是通过提取大量的单颗粒图像在傅里叶空间中进行求和平均来提高单颗粒图像的信噪比,但这种方式去噪效果无法将噪声有效去除且原始的冷冻电镜图像的极低信噪比和低对比度使得对单颗粒图像提取变得困难,因此有必要寻找一种对原始冷冻电镜图像有效的去噪算法。本文根据生成对抗网络的特点,将生成对抗网络看做图像编解码的过程,通过结合灰度约束项和wasserstein距离,有效地提取图像的特征进行图像还原,并避免了网络在训练中损失无法指导训练的问题,达到冷冻电镜图像的去噪效果。具体内容如下:1.提出了一种改进的基于wasserstein距离的判别模型。针对生成对抗网络训练不稳定和损失无法有效指导模型训练的问题,引入WGAN的思想,使用wasserstein距离对判别模型损失函数进行改进。将wassers... 

【文章来源】：湘潭大学湖南省

【文章页数】：60 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

MRC头文件数据结构

成像条件以及对比度衬度函数等参数信息。在没有进行冷冻电镜单颗粒提取之前，每个颗粒的坐标位置是未知的，需要通过颗粒提取才能获取颗粒的坐标信息，本文使用的冷冻电镜图像数据集中的MRC格式文件的CryoEM数据作为实验数据，同时为了进行更好的数据仿真，本文使用华威大学的公开机器学习数据集，该数据集为高清的电子显微镜图像数据。上面本文对MRC文件的数据结构进行了分析，本文通过上述的数据结构得知MRC文件中包含了数据类型，数值以及有关的坐标轴，通过这种数据格式编写读取函数来对.mrc冷冻电镜数据进行读取mrc图像如图2.3表示。图2.3部分冷冻电镜mrc图像2.1.2冷冻电镜三维重构原理自从20世纪上半叶Ruska兄弟发明第一个电子显微镜，并使用它对噬菌体进行观察和成像以来，生物结构学开始了蓬勃的发展，然而使用电子显微镜直接观察生物大分子存在很多的问题，因为考虑到电子在空气分子中会出现散射的问题，所以在观察生物大分子之前需要保证观察环境是真空状态下的，这样就对液态的生物大分子样品的保存造成了很强的影响，由于生物大分子本身比较脆弱，在通过电子束照射时电子束的能量会累积在样品上，这样会对生物大分子蛋白质之间的化学键进行破坏，容易造成辐射损伤，这对后续的三维重构研究带来困难。为了更好的了解生物大分子的功能，本文需要将生物大分子样本保存在最接近自然的状态时非常重要的。Dubochet[32]等人最早使用了冷冻技术将生物大分子样品保存在一层薄薄的无结晶的玻璃冰中。由于玻璃冰保持在液氮温度下，所以这种技术叫做冷冻电子显微镜技术。在冷冻电子显微镜中由于电子带来的辐射会造成损伤，为了减少伤害，需要对电子强度进行限制，这就造成了图像噪声水平过高，图像质量降低。冷冻电镜单颗粒三维重构的主要步骤如?

9冷冻电镜成像。将预处理好的样品放入冷冻电子显微镜中，调整电子探测头位置，曝光时间等配置，达到成像条件进行成像。单颗粒选龋在获取的冷冻电镜图像中通过自动或者半自动的方式挑选原始图像中质量良好的单颗粒，为了获得更多的生物大分子颗粒图像，本文需要提高冷冻电镜图像的整体质量。因此这里需要对原始图像进行图像去噪。颗粒取向分类。通过极大似然估计的方法对每一个单颗粒图像在傅里叶空间的图像进行取向分类。同取向图像平均。对同方向角的颗粒图像进行求和平均，获取当前方向角下清晰的单颗粒图像以及相关参数。单颗粒三维重构。对每一个取向的图像通过使用中央截面定理进行三维重构，得到样品在真实空间中的三维结构。中央截面定理是冷冻电镜单颗粒三维重构技术的一个关键理论，在二维频率域中过原点的与μ轴夹角为σ的直线上的值(,)及是投影函数()的一维傅里叶函数是相同方向角下的密度函数(,)的二维傅里叶变换函数，如图2.4。图2.4中心截面定理2.2图像噪声类型与分布本文使用以MRC文件格式存储的冷冻电镜图像，由于图像采集时使用透射电子显微镜的方法对速冻后的生物样品进行拍摄，所以样品本身的通透性和数模转换的过程都会影响图像质量。本文对图像进行分析，通过分析图像背景中各像素的数值分布来判定噪声模型，在常见的噪声中有高斯噪声，泊松噪声，伽马噪声[33]，瑞利噪声[34]等等，这些噪声的概率密度公式和

【参考文献】：
期刊论文
[1]快速PGPD去噪算法研究[J]. 池越,赵文静,周亚同.  铁道学报. 2018(10)



本文编号：2964405