自由电子激光单颗粒重建方法、装置、介质、产品及终端

本技术涉及单颗粒成像，特别是涉及一种自由电子激光单颗粒重建方法、装置、介质、产品及终端。

背景技术：

1、随着生命科学领域的蓬勃发展，对病毒、蛋白质等生物分子的结构研究日益受到科研界的关注。这些生物分子的结构信息对于理解其生物功能、推动医药和生物技术的进步，以及探索生命的起源和演化至关重要。传统的生物结构分析技术虽已取得显著成就，但仍有诸多局限，尤其是在非晶态生物样品的高分辨率成像方面。

2、近年来，超亮、超快、超短脉冲、超相干的自由电子激光技术的出现，为生物结构分析领域带来了革命性的突破。自由电子激光技术凭借其独特的优势，能够在接近自然状态下对生物样品进行高分辨率成像，为揭示生物分子的精细结构提供了强有力的工具。基于“先成像再破坏”的原则，并借助相干衍射成像和泵浦探测技术，使用自由电子激光脉冲对全同颗粒进行衍射，可以获取到单分子/单颗粒的二维衍射数据，实现对单分子/单颗粒的动态、无损、高分辨成像，进而可以实现对超快超微过程、动态化学反应、新奇电子行为、极端条件物质性能及蛋白质近生理条件下结构解析等前沿、基础、难点、热点问题的探索。

3、然而，在使用x射线自由电子激光对物质进行结构分析时，实验采集到的数据仅仅包含了衍射强度，即结构因子的振幅信息，其相位信息在此过程中完全丢失。从数学角度出发，样品的实空间电子密度图是其倒空间衍射信息的傅立叶变换。因此，衍射图样的相位信息对于样品结构的重建是必不可少的，仅通过衍射强度(即结构因子的振幅信息)无法直接重建出样品的结构。因此，如何有效地恢复相位信息成为了结构分析中的关键挑战。

4、为了解决这一问题，国内外已经发展了一系列算法，如hio(hybrid input-output)、er(error reduction)、raar(relaxed averaged alternating reflections)和dm(difference map algorithm)等用来重建样品的相位信息。这些算法的核心均在于双空间迭代——实空间和倒空间的双重约束，在实空间和倒空间对样品的结构进行双重约束，从而逐渐逼近真实的样品结构。具体而言，实空间的约束条件主要依赖于样品的密度分布区域(即样品的轮廓)，而倒空间的约束则基于实验采集到的衍射强度信息(振幅信息)。如此循环，随着迭代的进行，根据结果的收敛与否来判断算法是否结束，相位恢复是否完成。

5、然而，这些算法在实际应用中仍面临一些挑战。首先，在对实空间约束的时候，通常需要算法使用者的介入，对样品在实空间的支撑信息进行设置，这要求使用者对样品尺寸、实验参数、过采样率等一系列先验信息有深入的了解，并对重建算法有丰富的经验，过度依赖使用者的先验知识和经验可能导致结果的不稳定性和不确定性，不同的使用者可能会根据各自的经验和判断给出不同的参数设置，从而影响重建的准确性和效率。其次，即使存在自动重建样品支撑信息的算法(如shrinkwrap)，也需要使用者根据样品的特点和实验条件进行参数设置，这无疑增加了算法使用的难度和复杂度，导致使用者在使用过程中出现错误或遗漏，进而影响重建结果的质量。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术的目的在于提供一种自由电子激光单颗粒重建方法、装置、介质、产品及终端，用于解决现有技术中样品结构重建过程中存在的过度依赖使用者的先验知识和经验，从而导致重建结果不准确、不稳定以及重建效率低等问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第一方面提供一种自由电子激光单颗粒重建方法，包括：对二维像素阵列探测器采集到的原始单颗粒衍射数据进行预处理，以获取待重建的单颗粒衍射数据；对所述待重建的单颗粒衍射数据进行解析，以生成单颗粒实空间约束支撑数据；基于双空间迭代算法，并根据所述单颗粒实空间约束支撑数据，对所述待重建的单颗粒衍射数据进行相位重构，以生成重建的单颗粒实空间密度数据。

3、于本技术的第一方面的一些实施例中，对所述待重建的单颗粒衍射数据进行解析，以生成单颗粒实空间约束支撑数据的方式包括：对所述待重建的单颗粒衍射数据进行傅里叶变换处理，以生成单颗粒实空间分布数据；对所述单颗粒实空间分布数据进行高斯滤波处理，并基于阈值分割算法，以生成单颗粒实空间约束支撑数据。

4、于本技术的第一方面的一些实施例中，对二维像素阵列探测器采集到的原始单颗粒衍射数据进行预处理，以获取待重建的单颗粒衍射数据的方式包括：基于弗里德定律，对所述原始单颗粒衍射数据的强度分布情况进行分析，以识别出所述原始单颗粒衍射数据中衍射花样的中心位置；根据所述衍射花样的中心位置，对所述原始单颗粒衍射数据进行中心化处理，使得所述衍射花样的中心位置与所述原始单颗粒衍射数据的中心位置相重合；基于预设的下采样算法，对中心化处理后的原始单颗粒衍射数据进行尺寸修改，以获取待重建的单颗粒衍射数据。

5、于本技术的第一方面的一些实施例中，基于双空间迭代算法，并根据所述单颗粒实空间约束支撑数据，对所述待重建的单颗粒衍射数据进行相位重构，以生成重建的单颗粒实空间密度数据的方式包括：基于预设的初始相位数据，对所述待重建的单颗粒衍射数据进行傅里叶变换处理，以生成原始单颗粒实空间密度数据；根据所述单颗粒实空间约束支撑数据，并基于实空间约束条件，对原始单颗粒实空间密度数据进行修正处理，以生成初级单颗粒实空间密度数据；对所述初级单颗粒实空间密度数据进行傅里叶反变换处理，以生成倒空间单颗粒衍射数据；基于倒空间约束条件，对所述倒空间单颗粒衍射数据进行约束处理，以生成新的倒空间数据；利用新的倒空间数据重复执行傅里叶变换处理、修正处理、傅里叶反变换处理、约束处理的操作，以生成重建的单颗粒实空间密度数据。

6、于本技术的第一方面的一些实施例中，所述倒空间约束条件的计算方式包括：

7、

8、其中，f’(h)表示约束后的倒空间单颗粒衍射数据；|fobs|表示实验测得的振幅数据；表示相位数据；i表示虚数单位；表示复数指数函数。

9、于本技术的第一方面的一些实施例中，所述实空间约束条件的计算方式包括：

10、

11、其中，r表示单颗粒实空间密度数据中像素点的坐标；ρn(r)表示第n轮迭代的单颗粒实空间密度数据；ρn-1'(r)表示第n-1轮迭代约束过的单颗粒实空间密度数据；ρn'(r)表示第n轮迭代约束过的单颗粒实空间密度数据；s表示单颗粒实空间约束支撑数据中为预设值的像素点的坐标集合；n表示迭代的轮数；ε表示超参数。

12、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第二方面提供一种自由电子激光单颗粒重建装置，包括：数据预处理模块，用于对二维像素阵列探测器采集到的原始单颗粒衍射数据进行预处理，以获取待重建的单颗粒衍射数据；数据解析模块，用于对所述待重建的单颗粒衍射数据进行解析，以生成单颗粒实空间约束支撑数据；数据重建模块，用于基于双空间迭代算法，并根据所述单颗粒实空间约束支撑数据，对所述待重建的单颗粒衍射数据进行相位重构，以生成重建的单颗粒实空间密度数据。

13、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的自由电子激光单颗粒重建方法。

14、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第四方面提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品中包括计算机程序代码，当所述计算机程序代码在计算机上运行时，使得所述计算机实现如上所述的自由电子激光单颗粒重建方法。

15、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第五方面提供一种电子终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序以实现如上所述的自由电子激光单颗粒重建方法。

16、如上所述，本技术的自由电子激光单颗粒重建方法、装置、介质、产品及终端，具有以下有益效果：对二维像素阵列探测器采集到的原始单颗粒衍射数据进行预处理，以获取待重建的单颗粒衍射数据；对所述待重建的单颗粒衍射数据进行解析，以生成单颗粒实空间约束支撑数据；基于双空间迭代算法，并根据所述单颗粒实空间约束支撑数据，对所述待重建的单颗粒衍射数据进行相位重构，以生成重建的单颗粒实空间密度数据，如此通过解析待重建的单颗粒衍射数据所包含的尺寸信息，并引入计算机视觉算法，即对单颗粒实空间分布数据进行高斯滤波处理和阈值分割，快速、高效地进行自动化参数设置，实现自动生成高质量的单颗粒实空间约束支撑数据，无需了解单颗粒信息、实验参数等先验信息，尤其是在对算法结构及原理不了解的情况下，仅需输入原始单颗粒衍射数据，即可自动提取相应的单颗粒实空间约束支撑数据，用于相位恢复并输出重建结果，实现了单颗粒重建的智能化、自动化，保证了单颗粒重建效率，提高了重建结果的稳定性和准确性，降低了算法使用的难度和复杂度，为非专业的算法使用者提供了便利。