Simulace formování obrazu v elektronovém mikroskopu pomocí sledování elektronů

• Název práce v češtině: Simulace formování obrazu v elektronovém mikroskopu pomocí sledování elektronů
• Název v anglickém jazyce: Simulating image formation in an electron microscope by electron tracing
• Klíčová slova: kryoelektronová mikroskopie|delta-tracking|trasování elektronů|pružný rozptyl
• Klíčová slova anglicky: cryo-electron microscopy|delta-tracking|electron tracing|elastic scattering
• Akademický rok vypsání: 2020/2021
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra softwaru a výuky informatiky (32-KSVI)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Tomáš Iser, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 04.11.2020
• Datum zadání: 04.11.2020
• Datum potvrzení stud. oddělením: 15.02.2021
• Datum a čas obhajoby: 04.02.2021 09:00
• Datum odevzdání elektronické podoby: 06.01.2021
• Datum odevzdání tištěné podoby: 06.01.2021
• Datum proběhlé obhajoby: 04.02.2021
• Oponenti: RNDr. Jiří Vorba

Zásady pro vypracování

The aim of this thesis is to develop an electron microscope simulator, with emphasis on a high-performance simulation of specimen-electron interactions. The existing algorithms and simulators usually turn to wave function formalism to describe and implement the interactions and microscope image formation. In this thesis, however, we will explore the intuitive possibility to simulate electrons as particles interacting with a volume, an approach common in rendering in computer graphics.

Within the thesis, a prototype of the electron microscope simulator will be developed. We will consider conditions similar to those in cryo-electron microscopy (cryo-EM) and apply simplifications common in the field (e.g., no explicit electron optics simulation, Born approximation for electron scattering). C++ and CUDA languages will be used for the implementation. The thesis will be realized in cooperation with the Eyen SE company, which will provide consultations and data.

In the future, such a simulator may find use in iterative reconstruction methods in cryo-EM.

Seznam odborné literatury

Vulović, M., Ravelli, R.B.G., v Vliet, L.J., Koster, A.J., Öktem, O., Rullgård, H., Lazić, I., Bajaj, C., Rand, A. and Rieger, B., 2013. Modeling of Image Formation in Cryo-Electron Microscopy (Doctoral dissertation, Ph. D. Thesis, Delft University of Technology).

Jan Novák, Iliyan Georgiev, Johannes Hanika, Jaroslav Křivánek, and Wojciech Jarosz. Monte Carlo methods for physically based volume rendering. ACM SIGGRAPH 2018 Courses (SIGGRAPH '18). ACM, New York, NY, USA.

Crowther, R.A., 2016. The resolution revolution: recent advances in cryoEM. Academic Press.

Předběžná náplň práce

Kryoelektronová mikroskopie (cryo-EM) je rozvíjející se obor umožňující zobrazování molekul s rozlišením v řádech pikometrů. Snímky se získávají vystřelováním elektronů skrz vzorky molekul a detekcí rozptýlených elektronů. Z těchto dat lze následně zrekonstruovat 3D tvar molekul. V současné době je simulování tvorby snímku z cryo-EM založeno buď na naivních absorpčních modelech nebo na aplikaci komplikované vlnové funkce.

V této práci zkoumáme možnost simulace snímku z cryo-EM pomocí trasování elektronů s využitím Monte Carlo přístupu. Kombinací algoritmu delta-tracking s funkcí elektronového pružného diferenciálního průřezu a s Rutherfordovými vzorci odvozujeme dva Monte Carlo estimátory. Tyto modely jsou dále implementovány ve vysoce výkonném prostředí C ++ / CUDA a porovnány s jinými běžně používanými modely. Naše simulované snímky vykazují značnou podobnost se známým vlnovým multislice modelem. Kvalitu naší simulace dále analyzujeme porovnáním s daty z reálných měření. Oba naše navrhované modely dosahují významně vyšších hodnot normalizované korelace s těmito daty než nejběžněji používaný absorpční model. Tato práce jednoznačně prokazuje použitelnost částicové simulace snímků z elektronového mikroskopu s využitím Monte Carlo přístupu a poskytuje intuitivní náhled do složitých procesů v cryo-EM.
Díky efektivní implementaci a vysoké korelaci s reálnými daty mají navíc odvozené modely potenciál do budoucna nahradit absorbční model běžně použivaný při rekonstrukcích molekulárních struktur.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Cryogenic electron microscopy (cryo-EM) is an evolving field allowing molecular visualizations with picometer resolutions. Images are acquired by shooting electrons through molecular samples and detecting the scattered electrons. From such data, 3D shapes of the molecules can be inversely reconstructed. Currently, describing and simulating the cryo-EM image formation is based either on naive transmittance models or complicated wave-function formalisms.

In this thesis, we explore the possibility of simulating cryo-EM image formation via Monte Carlo electron tracing. We combine a delta-tracking algorithm with an electron elastic differential cross-section function and Rutherford formulae to derive two Monte Carlo estimators. The derived models are implemented in a high-performance C++/CUDA environment and compared with other common models. Our particle-based simulated images show considerable similarity to the wave-based state-of-the-art multislice model. We also evaluate our models on class averages of real measurements. Both of our proposed models have significantly higher normalized cross-correlation scores with the measured class averages when compared to the most commonly used transmittance model. The thesis proves the viability of a particle-based Monte Carlo simulation of electron microscope images and provides insight into the processes in cryo-EM. The efficient GPU implementation and high real data cross-correlation demonstrate the potential of our models to replace the transmittance model commonly used for molecular structure reconstructions.