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Sandbox Physics

E44 · 冷冻断层

冷冻电子断层：分配剂量与平均副本

先平衡冻结薄层厚度、采集顺序与剂量，再从计数重建体中提取重复结构。

交互模型冷冻电子断层：分配剂量与平均副本
记录投影数量—\text{—}
所选记录倾角—\text{—}
记录的总入射剂量—\text{—}
所选曝光之前的剂量—\text{—}
所选像素入射电子数—\text{—}
所选帧平均记录计数—\text{—}
缺失角度范围—\text{—}
计数导出水平位移像素数—\text{—}
独立参考相关—\text{—}
参考相对均方根误差—\text{—}
记录冻结薄层厚度—\text{—}
所选帧冰层透射比例—\text{—}
指定最终结构保留比例—\text{—}
平均的测得副本数量—\text{—}
实验目标—\text{—}

物理教程

冷冻电子断层：分配剂量与平均副本

背景先平衡冻结薄层厚度、采集顺序与剂量，再从计数重建体中提取重复结构。

为什么值得理解平均能增强信号，又不补造缺失取向吗？

先抓重点

核心问题
平均能增强信号，又不补造缺失取向吗？
一句话直觉
更多副本可降低部分噪声，但不会提供缺失角度。

核心数学模型

平行射线投影

u=xcos⁡θ+zsin⁡θPθ(u,y)=∫μ(x,y,z) ds\begin{aligned}u&=x\cos\theta+z\sin\theta\\P_\theta(u,y)&=\int\mu(x,y,z)\,ds\end{aligned}

倾转轴为样品纵向坐标。在此标量模型中，每个相机像素测量一条射线积分。

从计数到光学厚度

⟨C⟩=N0e−be−Pθ‾P^θ=−ln⁡ ⁣(max⁡(C,1/2)N0)−b\begin{aligned}\langle C\rangle&=N_0 e^{-b}\overline{e^{-P_\theta}}\\\widehat P_\theta&=-\ln\!\left(\frac{\max(C,1/2)}{N_0}\right)-b\end{aligned}

扣除已知冰基线，但计数损失与噪声仍在。冷冻帧对曝光期间指定的剂量相关密度积分。

滤波反投影

Qθ=F−1 ⁣[∣ν∣F{Pθ}]μ^≈∑jwjQθj(xcos⁡θj+zsin⁡θj,y)\begin{aligned}Q_\theta&=\mathcal F^{-1}\!\left[|\nu|\mathcal F\{P_\theta\}\right]\\\widehat\mu&\approx\sum_j w_j Q_{\theta_j}(x\cos\theta_j+z\sin\theta_j,y)\end{aligned}

角度梯形权重只覆盖记录角度。可选三点低通降低噪声，也柔化细节；不会通过重新归一化抹去缺失楔。

常见难点

科学边界

容易误解完成目标就得到标定冷冻流程或真实解析结构。

正确理解标量平行射线吸收教学模型，非相衬冷冻电镜或标定仪器。虚构高斯密度；指定冰平均自由程 350 纳米、剂量衰减尺度每平方纳米 200 电子。可选择有种子计数统计或明确标注的期望计数快照。计数负对数经过有限 Ram-Lak 滤波与有限角反投影；处理不读取真值。不含 CTF、衍射、多重散射、运动校正、角度精修或实测分辨率声明。硬件与样品放大为示意。 同取向虚构粒子与给定粗略位置；仅对首个测得子体积做平移相关。保留相同缺失楔；不含自动挑选、取向搜索、分类或 FSC。

动手实验

  1. 01

    记录前预测

    选择倾转范围、角度间隔、总剂量与指定漂移。冷冻实验还需设置冰厚与采集顺序。

    应该观察到： 所有帧共享总剂量。增加角度会改变每帧计数。
  2. 02

    采集与观察

    采集新序列。选择记录帧，观察相机计数与物理倾角。

    应该观察到： 此时更改采集参数会保留存储序列，直到再次采集。
  3. 03

    对齐与重建

    启用计数导出的标记对齐，选择重建滤波器，再执行重建。

    应该观察到： 蓝色负旁瓣、深度拉长与角度缺口反映逆问题限制。
  4. 04

    平均测得副本

    提取并平均至少四个给定同取向位置。比较首个测得子体积与测得平均。

    应该观察到： 相关模板来自首个测得子体积。平均不插入已知密度。