In this study, whole system for Cryo-EM single particle reconstruction is designed. This system is mainly composed with two parts, projection/backprojection algorithm and estimation of particle orientations in 3D space. Direct use of conventional distance driven approach for Cryo-EM purpose will result in inaccurate approximation, which results in reconstruction artifacts. Distance Driven (DD) approach is successfully applied for projection/backprojection purpose in Cryo-EM imaging area after modification and improvements. The interpolation process in DD is done by calculating the overlap area between the detector and pixel boundaries. This procedure removes some interpolation artifacts and reduced the computational complexity. Estimation based on Polar Fourier Transform (PFT) is utilized for projection view determination. Due to the rotation invariant property of PFT, the reference library is effectively reduced, so estimation process can be speeded up. A global angle searching method is first applied for estimation. The intrinsic drawbacks of this approach result in large reference library, high computational complexity, artifacts due to non-uniform distribution of estimated projection views, and low resolution due to large sampling interval of reference library. To overcome these problems, angle estimation based on icosahedrons symmetries is proposed. With this method, reference library size is effectively reduced. Sampling interval of reference library can be as small as 1 degree, which make it possible for accurate estimation. Artifacts are removed since estimated projection views are uniformly distributed along 4 pi steradian. Experimental results of synthetic and real data are given and analyzed.
본 연구에서, 동결전자현미경(Cryo-electron microscopy, Cryo-EM)을 이용한 단일입자복원(Single particle reconstruction)에 필요한 전체 시스템을 고안하였다. 본 연구의 시스템은 크게 두 부분, Projection/Backprojection 알고리즘 부분 및 입자의 3차원 각도를 측정하는 부분으로 구성된다.
고전적인 Distant driven (DD) 방법을 Cryo-EM에 적용하는 것은 부정확한 근사 방법이므로, Artifact가 존재한다. 본 연구에서 사용한 수정된 DD방법은 Cryo-EM 영상 처리에 필요한 Projection/Backprojection 과정에 성공적으로 적용되었다. DD 과정 중 내삽 과정(Interpolation process)은 관측기와 픽셀 가장자리 사이 중복되는 영역을 사용하였다. 이러한 방법은 내삽으로 인한 오차를 크게 감소시키며 또한 계산 복잡도를 획기적으로 줄일 수 있다.
3차원 각도를 측정하기 위해서는 Polar Fourier Transform(PSF)를 사용하였다. PSF의 Rotation invariant 성질을 사용하면 Reference Library의 크기가 크게 줄어드므로, 측정 과정의 계산속도가 빨라진다. 각도의 측정을 위하여 첫단계로 Global angle searching method를 사용하였다. 이 방법은 큰 Reference Library가 필요하고, 복잡도가 높으며 균일하지 않은 각도의 분포에 대해서 에러를 일으키는 문제가 있다. 이를 극복하기 위하여 Icosahedron 대칭성을 이용한 측정법을 고안하였다. 이를 이용하면, Reference Library의 크기를 크게 줄일 수 있다.
Reference Library사이의 간격은 1도 이하로, 정확한 각도 측정이 가능하도록 하였다. 측정된 각도가 4 pi steradian을 따라서 균일하게 분포되었으므로 Artifact 가 제거되었다.
고안한 시스템에 여러 실험 결과를 적용하여 확인하였다.
