生物图像电镜仿真及三维重构研究

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1、生物图像电镜仿真及三维重构研究周子颖2016年1月中图分类号：Q819UDC分类号：004.9生物图像电镜仿真及三维重构研究作者姓名周子颖学院名称计算机学院指导教师李玉岗讲师答辩委员会主席赵清杰教授申请学位工学硕士学科专业计算机科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月ResearchonTEMsimulationandthree-dimensionalreconstructionofbiologicalImagesCandidateName：ZiyingZhouSchoolorDepartme

2、nt:ComputerScienceandTechnologyFacultyMentor:LectureYugangLiChair,ThesisCommittee：Prof.QingjieZhaoDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：ComputerScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefense：January，2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导

3、教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要电子断层成像技术（Electrontomography，ET）是获取物体内部结构的一项重要方法。该方法使用电子显微镜对生物样本进行不同角度的拍摄，获取多张二维投影图像，并使用三维

4、重构方法反向重构出所研究对象的三维结构。迭代重构算法是目前应用普遍的三维重构方法，该方法通常对含有未知断层截面变量的方程组进行迭代求解，直到其呈现收敛状态。但是一些重构算法的重构结果边缘不够清晰，且往往噪声较大，因而影响了对生物结构的分析研究。目前用于对重构算法进行评价的方法一般是通过投影误差（projectionerror）的计算或者是与虚拟分子模型（phantom）进行比较。然而目前后者的已知方法中构造的虚拟分子模型与真实生物样本相差较大，因此应用范围有限。本文提出了一种基于同时代数迭代重构算法（Adapti

5、veSimultaneousAlgebraicReconstructionTechnique，ASART）的三维重构算法，该算法对重构流程进行了改进，加入了自适应梯度阈值参数的非线性各向异性滤波（Non-linearAnisotropicDiffusion，NAD），并使用mpi对滤波过程进行了并行化改进，提高了处理效率。通过与其它重构算法的对比可以发现本文所提出的重构算法可以有效的提高重构图像效果和质量。此外本文针对目前的虚拟分子模型不够贴近实际生物样本，以其为基础的电镜仿真模型不够真实的问题，设计了一个以连续

6、块面扫描电子显微镜（SerialBlockFaceScanningElectronMicroscopy，SBEM）图像为虚拟分子模型的电镜仿真系统用于对重构算法进行评价。首先，对初始的SBEM图像进行预处理操作；其次，对虚拟分子模型进行弯曲变形操作以模拟实际试验中电子束对样本的轰击使其变形的效果，并可以在虚拟分子模型中加入模拟胶体金颗粒以方便图像序列的对位；最后，把上一步中构造所得的虚拟分子模型使用螺旋变换模型进行投影，从而得到一系列不同角度的投影图像。电镜仿真系统的实验结果表明不论是虚拟分子模型还是所得的模拟投

7、影图像都与真实试验中更加相近，使用电镜仿真系统所得投影数据应用于本文提出的重构算法所得的重构结果，进一步验证了电镜仿真系统的实用性和应用价值。关键词：电子断层成像；电镜仿真系统；三维重构；非线性各向异性滤波I北京理工大学硕士学位论文AbstractElectrontomographyisanimportantmethodtoobtaininternalstructureoftheobject.Aseriesoftwo-dimensionalprojectionimagesweretakenthroughelect

8、ronmicroscopeatdifferentangles.Thentheseimagesareusedtoreconstructtheobjectbyusingsomereconstructionalgorithms.Iterativereconstructionalgorithmisoneofthewell-knowntechnologiesusinginthree