一种实时的冷冻电子断层成像数据处理、诊断方法及系统

本发明涉及冷冻电子断层处理，尤其涉及一种实时的冷冻电子断层成像数据处理、诊断方法及系统。

背景技术：

1、冷冻电子断层扫描技术（cryo-electron tomography，简称cryo-et）是一种能够在近天然状态下获取生物样品三维结构信息的重要技术，广泛应用于细胞原位结构解析和大分子复合物研究。随着直接电子探测器和自动化数据采集系统的发展，cryo-et的数据采集通量不断提升，对数据处理流程的自动化程度、实时性和稳定性提出了更高要求。

2、现有的cryo-et数据处理通常采用分步式、离线处理模式。整体流程一般包括预处理、倾转系列对齐与三维重构以及后续结构分析等多个相互独立的阶段。在预处理阶段，通常利用motioncor2等软件对采集的电影帧数据进行运动校正，并使用gctf或ctffind4等程序进行对比传递函数（ctf）估算，以获得每个倾转角度图像的成像参数。在倾转系列对齐与断层图重构阶段，常采用imod或aretomo等软件对倾转系列（tilt series, ts）进行对齐，并基于加权反投影或迭代重构算法生成三维断层图。在后处理阶段，通常使用dynamo、relion或其他相关软件对重构所得断层图进行子断层提取、对齐与平均（subtomogramaveraging, sta），以获得高分辨率结构信息。

3、近年来，为提升处理效率，出现了一些自动化工具。例如tomo live和aretomolive能够在数据采集过程中实现部分自动化重构，但其功能主要覆盖至重构阶段，缺乏后续结构分析模块；tomobear虽然能够覆盖较完整的数据处理流程，但缺乏图形化界面和实时反馈能力；warp在预处理方面具备较强自动化能力，但尚不支持自动化的倾转系列对齐功能。总体而言，现有自动化工具尚未形成覆盖采集、处理与质量控制的完整闭环系统。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种实时的冷冻电子断层成像数据处理、诊断系统。

2、本发明的另一个目的在于提出一种实时的冷冻电子断层成像数据处理、诊断方法。

3、本发明的第三个目的在于提出一种电子设备。

4、本发明的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。

5、为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种实时的冷冻电子断层成像数据处理、诊断系统，包括：

6、数据读取与内存流式处理模块，用于从电子显微镜服务器读取原始电影数据至处理服务器内存，并在内存中依次执行运动校正、ctf参数估算、倾转序列组装、倾转序列对齐及三维重建，仅将重建结果及对齐元数据写入磁盘；

7、实时诊断与监测模块，用于在所述运动校正、ctf估算及倾转序列对齐过程中实时计算离焦参数、ctf拟合分辨率、金颗粒或图像patch运动轨迹残差、图像视场重叠率以及beam tilt参数，并生成可视化诊断指标；

8、报警与反馈模块，用于在所述诊断指标超过预设阈值时输出异常报警信息，以提示用户在电镜采集过程中调整采集策略；

9、气液界面自动检测模块，用于对三维重建结果进行三维滤波处理，计算体素邻域香农熵并进行阈值分割，提取冰层上下表面点云，通过平面拟合计算样品厚度及预倾角参数；

10、参数修正模块，用于根据所述样品厚度及预倾角参数修正倾转序列对齐的几何输入参数；

11、干预-再处理模块，用于在接收用户对劣质倾转图剔除或对齐参数修改的指令后，能够一键批量触发倾转序列对齐及三维重建的重新执行；

12、格式转换模块，用于将处理后的几何变换参数、电子剂量参数及ctf参数转换为兼容高分辨率结构解析软件的标准数据格式文件；

13、场景自适应模块，用于解析采集元数据自动识别采集模式，并在预设参数模板之间进行切换，同时能够选择对应的倾转序列对齐策略。

14、可选的，数据读取与内存流式处理模块，具体用于：

15、从电子显微镜服务器读取原始电影数据至处理服务器内存，并通过显式内存管理方式进行数据流式处理；

16、在内存中依次执行运动校正、ctf参数估算、倾转序列组装、倾转序列对齐、倾转序列剂量加权、奇偶帧倾转序列组装及三维重建；

17、仅将重建后的断层图及相关元数据写入磁盘，将原始数据进行无损压缩归档存储，以减少磁盘i/o操作和提高处理效率。

18、可选的，实时诊断与监测模块，具体用于：

19、在所述数据读取与内存流式处理模块执行运动校正和ctf参数估算时，逐张提取每一倾转图像的离焦参数defocusu和defocusv数值以及ctf拟合分辨率数值，并将所述数值写入诊断缓存队列；

20、在所述倾转序列对齐过程中，识别金颗粒或基于图像分块生成的patch特征点，计算各特征点在不同倾角图像中的空间位移轨迹，进一步计算每一特征点的对齐残差值以及全部特征点残差的均值和标准差，以生成对齐质量评估结果；

21、基于相邻倾角图像的几何变换关系，计算对应图像之间的视场重叠面积与总视场面积的比值，以获得重叠率数值；

22、根据所述倾转序列对齐结果反求光束倾斜参数，计算倾转序列对应的beam tilt矢量分量，并将所述beam tilt矢量分量与预设稳定性阈值进行比较，以评估电子显微镜稳定状态；

23、将所述离焦参数、ctf拟合分辨率数值、残差均值、残差标准差、重叠率数值以及beam tilt矢量分量按照角度顺序生成连续曲线并输出至可视化界面，以形成完整的实时诊断流程。

24、可选的，气液界面自动检测模块，具体用于：

25、对细胞切片样品的原始断层图像进行三维sirt-like滤波处理，以增强图像对比度；

26、计算体素邻域内的香农熵，基于冰层与真空或空气在随机性上的差异生成熵图；

27、对所述熵图采用otsu阈值分割，并结合形态学闭运算提取冰层区域，获取冰层上下表面的点云数据；

28、基于ransac算法对所述上下表面点云进行平面拟合，得到对应的平面方程，并根据所述平面方程计算切片的精确厚度和预倾角。

29、可选的，所述场景自适应模块，具体用于：

30、解析电子显微镜采集生成的元数据文件，自适应识别倾转序列的采集模式；

31、根据识别结果自动组装倾转序列；

32、根据识别结果自动进行倾转序列的剂量加权；

33、根据所述采集模式自动匹配对应的倾转序列处理流程；

34、根据样品是否包含金颗粒选择相应的倾转序列对齐策略。

35、为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种实时的冷冻电子断层成像数据处理、诊断方法，其特征在于，包括：

36、从电子显微镜服务器读取原始电影数据至处理服务器内存，并在内存中依次执行运动校正、ctf参数估算、倾转序列组装、倾转序列对齐、倾转序列剂量加权、奇偶帧倾转序列组装及三维重建，仅将重建结果及相关对齐元数据写入磁盘；

37、在所述运动校正、ctf估算及倾转序列对齐过程中实时计算离焦参数、ctf拟合分辨率、金颗粒或图像patch运动轨迹残差、图像视场重叠率以及beam tilt参数，并生成可视化诊断指标；

38、在所述诊断指标超过预设阈值时输出异常报警信息，以提示用户在电镜采集过程中调整采集策略；

39、对三维重建结果进行三维滤波处理，计算体素邻域香农熵并进行阈值分割，提取冰层上下表面点云，通过平面拟合计算样品厚度及预倾角参数；

40、根据所述样品厚度及预倾角参数修正倾转序列对齐的几何输入参数；

41、在接收用户对劣质倾转图剔除或对齐参数修改的指令后，能够一键批量触发倾转序列对齐及三维重建的重新执行；

42、将处理后的几何变换参数、电子剂量参数及ctf参数转换为兼容高分辨率结构解析软件的标准数据格式文件；

43、场景自适应模块，用于解析采集元数据自动识别采集模式，并在预设参数模板之间进行切换，同时能够选择对应的倾转序列对齐策略。

44、为达上述目的，本技术第三方面实施例提出了一种电子设备，包括：处理器和存储器；其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现如第二方面实施例所述的方法。

45、为达上述目的，本技术第四方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第二方面实施例所述的方法。

46、本发明实施例的具有以下有益效果：

47、（1）显著提高通量与效率：实现了“边采边算”，一套数据采集后几分钟即可看到断层图像用于诊断，在数据采集结束后的数小时内即可获得初步结构（如hcov-229e案例中，采集7.5小时，自动处理仅需14.8小时即获得结构），大幅缩短周期 。

48、（2）提升数据质量与分辨率：通过实时诊断剔除劣质数据和awi算法精确测量冰层几何，使得即使在显微镜状态不佳（如rvfv案例）或样品极难（如细胞原位核糖体）的情况下，仍能解析出3.4å - 7.3å的高分辨率结构。

49、（3）降低使用门槛：高度集成化和自动化的gui设计，使得非专家用户也能通过预设参数获得高质量结果，无需编写复杂脚本或手动管理文件 。

50、（4）资源利用优化：内存计算和无损压缩技术显著降低了对高性能存储硬件的依赖，适合大规模数据采集。