「電子線トモグラフィー」の版間の差分

2014年4月25日 (金) 01:33時点における版

電子線トモグラフィーとは、電子顕微鏡を用いた３次元再構成法の一つで、同一視野を様々な方向からの投影された電子顕微鏡像をコンピュータの中で三次元像に再構成し、コンピュータを使って断層像（トモグラム）を作成する手法です。

　下記にその手順を順に述べていきます。

連続傾斜像の撮影

　この手法で撮影すると試料を特定の軸に対して一定間隔で回転した画像になります。また、回転角度が大きくなるにつれて視野は広くなるので、映っている物体は回転軸の中心に集まってきます。

１軸回転

２軸回転

画像の補正

　傾斜画像では、視野全体がアンダーフォーカスとなるように、通常の電子顕微鏡撮影よりも大きなデフォカース値をとる場合が多いです。その場合、LaB6などの電子銃では第一トーンリングより外側の情報がほとんど無いために、CTF補正等は必要ありませんが、電界放出銃を利用した場合には、場合によっては間違った情報を与える場合があるので注意が必要です。

ラフ・アラインメント

　傾斜画像の中心付近の画像の相関から、それぞれの傾斜画像の大まかな位置を合わせます。

入力ファイル(Y軸周りに±60°の範囲で2°刻みで回転)

10°刻みで表示

前処理(窓関数)

　窓関数を掛けて画像端のノイズを除去します。

今回は横80%、縦90%の窓関数を掛けます。

コマンド(1枚目の場合): mrcImageWindowing -i Set1000.roi -o Set1000.mask -W 0.2 0.2 0.1 0.1

こちらのMakefileを使用すると全てのroiファイルについて処理を行います。

設定内容

# For Windowing
WIN_X=0.2
WIN_X_MAX=0.2
WIN_Y=0.1
WIN_Y_MAX=0.1
WIN_MODE=18

コマンド

make Windowing

出力ファイル

10°刻みで表示

位置合わせ

　回転角度に応じて対象が平行移動しているので、位置を合わせます。このとき回転による影響を受けにくくするために隣同士の角度で位置合わせを行います。

例. 2°刻みで撮影した画像の場合
　2°画像の位置を0°画像の位置に合わせる
　4°画像の位置を位置補正後の2°画像の位置に合わせる
　6°画像の位置を位置補正後の4°画像の位置に合わせる
　.
　.

　(+が終わったら-についても同様に位置を合わせる)

mrcImageCorrelationを使用した場合

　こちらのMakefileを使用して位置合わせを実行します。Makefileを使用せずにコマンドを逐次入力しても位置合わせは可能ですが、mrc2Dto3D用の入力ファイルリストを作成する必要があります。

実行例1

入力ファイル

10°刻みで表示

コマンド

make CorFit1

出力ファイル

10°刻みで表示

ファイン・アラインメント

　傾斜画像の軸の位置、角度を出来る限り一致させます。

実行例1

　軸の傾きはmrcImageTiltAxisSearchで算出することができます。

入力ファイル(回転軸を10°傾けた１軸回転のデータ)

10°刻みで表示

使用Makefileの設定

# RotMode
ROTMODE=ZOYS
# Rot1
ROT1MIN=10
ROT1MAX=10
ROT1D=10
# Rot2
ROT2MIN=-60
ROT2MAX=60
ROT2D=2
# Rot3
ROT3MIN=0
ROT3MAX=0
ROT3D=30
### For mrcImageMove
SHIFT2MAX=10
SHIFT3MAX=0
### For mrcImageTiltAxisSearch
TILTMIN=0
TILTMAX=20
TILTD=2

コマンド

make TiltFit

出力した軸の傾き(.tiltinfoファイルに格納される)

9.895

傾斜軸の傾きを補正前後で３次元再構成したときの違い

補正前

補正後

xy平面	yz平面	zx平面

３次元再構成

　２次元画像のセットから３次元画像を再構成します。

元の3Dデータの画像

xy平面

yz平面

zx平面

最小

最大
平均値
標準偏差

標準誤差

0 (0, 0, 0)

4 (31, 26, 26)
0.0116844
0.147033

0.000287174

mrc2Dto3Dで実行

実行例1

　連続傾斜像の撮影で軸にズレがない場合は角度刻みをそのまま入力ファイルリストに設定します。

入力ファイル

10°刻みで表示

コマンド: mrc2Dto3D -i Input.3dlst -o Input.3d -m 1

こちらのMakefileを使用すれば、以下のコマンドでも実行できます。

make 3DList
make Input.3d

出力ファイル

xy平面

yz平面

zx平面

最小

最大
平均値
標準偏差

標準誤差

-0.00437076 (39, 34, 36)

0.00799233 (37, 34, 36)
3.45089e-06
0.000342836

6.69601e-07

実行例2(２軸回転)

２軸で回転した画像にて３次元再構成を行います。

入力ファイル(X, Y軸周りに±60°の範囲でそれぞれ10°刻みで回転)

X軸は30°、Y軸は10°刻みで表示

こちらのMakefileを使って、補正およびアラインメント、３次元再構成を行います。

コマンド

make Windowing
make CorFit1
make CorFit2
make 3D

出力ファイル

xy平面

yz平面

zx平面

最小

最大
平均値
標準偏差

標準誤差

-0.0012516 (30, 25, 51)

0.0027149 (31, 31, 38)
4.84671e-06
0.000196091

3.82989e-07

ラドン変換を使った３次元再構成で実行

　mrc2Dto3Dを使用するほかにラドン変換から３次元像を作る方法があります。ラドン変換は以下の流れで行います。

位置合わせ済みの2Dリスト
↓mrcImageSinogramCreate
シノグラムリスト
↓mrcRadon2Dto3D
3Dラドンファイル
↓mrcImageInverseRadonTransform

3Dファイル(完了)

こちらのMakefileを使い、mrc2Dto3Dの実行例2と同じ入力ファイルで実行します。

コマンド

make Windowing
make CorFit1
make CorFit2
make Radon3D

出力ファイル

xy平面	yz平面	zx平面

最小

最大
平均値
標準偏差

標準誤差

248.518 (3, 0, 15)

1509.49 (31, 24, 39)
538.572
213.62

0.417228

電子線トモグラフィー画像のもつ問題点

ミッシングエリア

　全方位からの投影像を得られないために、ミッシングエリア(１軸の場合はウェッジ、２軸の場合はピラミッド)とよばれる情報がない領域があります。そのため、方向依存でのボケを生じます。

元の３次元像

xy平面

yz平面

zx平面

最小

最大
平均値
標準偏差

標準誤差

0 (0, 0, 0)

2 (29, 29, 14)
0.108302
0.364429

0.000711774

使用MakeFileの変更箇所

# Initial Reference Model 
INITIAL=Input-ellipsoidal

# For mrcImageCorrelation
IN_CORR_EXT=roi
IN_CORR_LIST=ROIs

### For mrcImageMove
SHIFT2MAX=0
SHIFT3MAX=0

コマンド

make TestData
make CorFit1
make CorFit2
make 3D

１軸回転で投影して３次元再構成した場合(Y軸: -60° ~ 60°: 10°刻み)

変更箇所

# Rot2
ROT2MIN=-60
ROT2MAX=60
ROT2D=10
# Rot3
ROT3MIN=0
ROT3MAX=0
ROT3D=10

xy平面

yz平面

zx平面

最小

最大
平均値
標準偏差

標準誤差

-0.00196191 (61, 38, 32)

0.00269849 (24, 21, 37)
3.54393e-05
0.000409595

7.99991e-07

２軸回転で投影して３次元再構成した場合(X, Y軸: 各-60° ~ 60°: 10°刻み)

変更箇所

# Rot2
ROT2MIN=-60
ROT2MAX=60
ROT2D=10
# Rot3
ROT3MIN=-60
ROT3MAX=60
ROT3D=10

xy平面

yz平面

zx平面

最小

最大
平均値
標準偏差

標準誤差

-0.00143731 (50, 32, 45)

0.00230465 (53, 31, 37)
4.22143e-05
0.000363364

7.09696e-07

画像の位置、フォーカスの問題

　試料を傾けながら撮影するため回転軸からの距離に応じてレンズとの距離が変化していきます。これによって生じる問題をいかに補正するかも一つのポイントとなります。

平行移動の補正

　回転する角度が大きくなるほど、視野が広くなるため試料は回転軸の方へ近づいていきます。

軸の決定

　撮影した画像は必ずしも設定した軸を中心に回転しているとは限りません。これは電子顕微鏡自体の性能や試料の設置方法などによって多少のズレが生じてしまうからです。

トモグラフに使われる画像処理

平滑化

セグメンテーション

トモグラム画像の解釈 ==

　また、多様な構造を含むため、３次元画像から興味あるセグメントを切り出すなどの作業が必要です。そのための支援ソフトウェアが必要です。

== サブトモグラムの平均化==

@@ 行114: / 行114: @@
 == [[ファイン・アラインメント]] ==
 　傾斜画像の軸の位置、角度を出来る限り一致させます。
+===実行例1===
+<div>　軸の傾きは[[mrcImageTiltAxisSearch]]で算出することができます。</div>
+<br>
+<div>[[Media:1WDC-Tom-Tilt-2dSet.zip|入力ファイル]](回転軸を10°傾けた１軸回転のデータ)<br>
+	<table>
+		<tr>
+			<td><p align="Center">[[画像:1WDC-Tom-Tilt-2dSet.png]]<br>
+°刻みで表示<br></p>
+			</td>
+		</tr>
+	</table>
+<br>
+<div>[[Media:Makefile-Tomogram1.zip|使用Makefile]]の設定</div>
+<pre>
+# RotMode
+ROTMODE=ZOYS
+# Rot1
+ROT1MIN=10
+ROT1MAX=10
+ROT1D=10
+# Rot2
+ROT2MIN=-60
+ROT2MAX=60
+ROT2D=2
+# Rot3
+ROT3MIN=0
+ROT3MAX=0
+ROT3D=30
+### For mrcImageMove
+SHIFT2MAX=10
+SHIFT3MAX=0
+### For mrcImageTiltAxisSearch
+TILTMIN=0
+TILTMAX=20
+TILTD=2
+</pre>
+<br>
+<div>コマンド</div>
+<pre>
+make TiltFit
+</pre>
+<br>
+<div>出力した軸の傾き(.tiltinfoファイルに格納される)</div>
+<pre>
+.895
+</pre>
+<br>
+<div>傾斜軸の傾きを補正前後で３次元再構成したときの違い</div>
+	<table>
+		<tr>
+			<td>補正前</td>
+		</tr>
+		<tr>
+			<td>[[画像:Outdata-Tomogram4.png]]</td>
+			<td>[[画像:Outdata1-Tomogram4.png]]</td>
+			<td>[[画像:Outdata2-Tomogram4.png]]</td>
+		</tr>
+		<tr>
+			<td>補正後</td>
+		</tr>
+		<tr>
+			<td>[[画像:Outdata-Tomogram5.png]]</td>
+			<td>[[画像:Outdata1-Tomogram5.png]]</td>
+			<td>[[画像:Outdata2-Tomogram5.png]]</td>
+		</tr>
+		<tr>
+			<td>xy平面</td>
+			<td>yz平面</td>
+			<td>zx平面</td>
+		</tr>
+	</table>
 == [[３次元再構成]] ==
@@ 行339: / 行416: @@
 <br>
-<div>[[Media:Makefile-Tomogram2.zip|使用MakeFile]]の変更箇所</div>
+<div>[[Media:Makefile-Tomogram1.zip|使用MakeFile]]の変更箇所</div>
 <pre>
 # Initial Reference Model
@@ 行347: / 行424: @@
 IN_CORR_EXT=roi
 IN_CORR_LIST=ROIs
+### For mrcImageMove
+SHIFT2MAX=0
+SHIFT3MAX=0
 </pre>
 <br>
@@ 行362: / 行443: @@
 <div>変更箇所</div>
 <pre>
-# Rot1
-ROT1MIN=-60
-ROT1MAX=60
-ROT1D=10
 # Rot2
-ROT2MIN=0
+ROT2MIN=-60
-ROT2MAX=0
+ROT2MAX=60
 ROT2D=10
+# Rot3
+ROT3MIN=0
+ROT3MAX=0
+ROT3D=10
 </pre>
 	<table>
@@ 行402: / 行483: @@
 <div>変更箇所</div>
 <pre>
-# Rot1
-ROT1MIN=-60
-ROT1MAX=60
-ROT1D=10
 # Rot2
 ROT2MIN=-60
 ROT2MAX=60
 ROT2D=10
+# Rot3
+ROT3MIN=-60
+ROT3MAX=60
+ROT3D=10
 </pre>
 	<table>

「電子線トモグラフィー」の版間の差分

2014年4月25日 (金) 01:33時点における版

目次

連続傾斜像の撮影

画像の補正

ラフ・アラインメント

前処理(窓関数)

位置合わせ

mrcImageCorrelationを使用した場合

実行例1

ファイン・アラインメント

実行例1

３次元再構成

mrc2Dto3Dで実行

実行例1

実行例2(２軸回転)

ラドン変換を使った３次元再構成で実行

電子線トモグラフィー画像のもつ問題点

ミッシングエリア

画像の位置、フォーカスの問題

平行移動の補正

軸の決定

トモグラフに使われる画像処理

平滑化

セグメンテーション

トモグラム画像の解釈 ==

案内メニュー

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