利用虚拟现实技术实现冷冻电子断层数据的沉浸式分割与分析

本研究中，我们介绍了一种利用 SciGlass 软件对冷冻电子断层扫描数据进行分割的实验方案。SciGlass 是一款基于虚拟现实的软件，可为冷冻电子断层扫描（cryo-ET）数据的分割提供沉浸式且直观的操作界面。我们证明了虚拟现实技术是一种可行的工具，能够整合到冷冻电子断层扫描数据分割流程中。冷冻电子断层扫描技术正随着各项创新而迅速发展，且日益聚焦深入。

对于更薄的样品和更快的数据采集方法，以及利用机器学习算法改进分割后的颗粒挑选，这些技术进步共同推动了冷冻电子断层扫描技术（cryo-ET）的发展，并促进了重要生物学发现的取得。然而，cryo-ET 仍面临一些挑战，例如冷冻样品通量较低；当样品厚度超过约 500 纳米时，以及由于目标区域拷贝数较少而难以精确定位感兴趣区域等问题。

此外，数据处理仍然是一个瓶颈，需要大量手动标注来进行颗粒挑选和分割，同时还需要具备冷冻电子断层扫描（cryo-ET）所需的专门专业知识，因此整个工作流程被显著拖慢。我们发现，与传统方法相比，虚拟现实技术能够提高分割效率。其沉浸式环境可与自动化方法相辅相成，弥补缺失部分并减少假阳性结果。

此外，该虚拟现实平台在培训和教育方面也具有高效性，使其成为冷冻电子断层扫描（cryo-ET）数据分析中一种多功能的工具。我们的实验方案旨在解决传统分割方法效率低下的问题，传统方法包括手动操作，过程缓慢且困难。通过利用虚拟现实所具有的沉浸感和直观性，我们力求简化分割流程，使其更加快速且易于使用。首先，将原始的冷冻电子断层扫描（cryo-ET）断层图转换为与SciGlass兼容的数据格式，例如TIFF图像序列。

使用 ImageJ 设置信号，确保颗粒在黑色背景上呈白色。依次导航至“Process”（处理）、“Enhance Contrast”（增强对比度），勾选“Equalize histogram”（均衡化直方图），并处理所有切片。在计算机上启动虚拟现实软件。

转到“文件”菜单并选择创建项目。单击“创建新项目”，然后在软件中单击“添加文件”。导航至 TIFF 文件所在的位置，并将它们导入项目中。

当系统提示时，点击“否”，确认这些文件不属于时间序列。接下来，为项目指定一个名称，然后点击“保存”以在项目列表下创建该项目。双击该项目以打开断层图并将其加载到交互式虚拟现实环境中。要设置虚拟现实（VR），请将VR头戴显示器和手柄控制器连接到计算机。

按照屏幕上的说明校准虚拟现实（VR）环境。调整系统，确保用于分割的目标区域位于虚拟现实环境的视野范围内，然后点击软件界面中的可视化按钮。调节对比度、窗宽、亮度和阈值滑块等可视化选项，以增强信号并减少噪声。

使用手柄控制器将断层图像拉近或推远，以进行更细致的观察。使用左手手柄控制器激活切割工具。目视检查断层图像内的不同切片。

在断层图像中导航至希望开始分割的目标切片。使用手柄控制器，在注释菜单下激活感兴趣区域（ROI）选项。断层图像中将出现一个绿色方框。

调整绿色方框的大小和位置，使其覆盖需要分割的区域。现在，使用左手控制器锁定该感兴趣区域（ROI）。工具将切换至分割的绘制模式。

放大或缩小断层图像以实现精确分割。顺时针或逆时针旋转调节画笔大小，以获得最佳控制效果。在三维区域内仔细分割目标区域，例如线粒体膜。

进行分割时，适当调整球体半径。使用辅助控制器的扳机键进入擦除模式，以纠正分割错误，并采用与分割相同的动作进行擦除。对所有区域重复分割过程，直至完成整个断层图像的分割。

完成分割后，点击已完成的项目以将其高亮。点击“项目”标签，然后选择“感兴趣区域”以继续操作。选择导出整个体积或特定的感兴趣区域，并指定分割数据的导出位置。

现在，将从 SciGlass 导出的分割数据加载到所选的软件中，以对分割数据进行进一步分析。在准备 cryo-ET 数据后，右键单击项目，然后点击“添加掩膜数据”，接着导航至初始分割数据的保存位置，并在同一项目下导入该数据。启用 ROI 标注以对初始分割结果进行编辑。

最后，通过添加或删除分割区域来优化初始分割结果。对每像素 16 埃重建的断层图像进行加权反投影，在去噪和填补缺失楔形区域校正后，可揭示线粒体及膜状结构。在沉浸式虚拟现实环境中进行可视化，结合直方图均衡化增强对比度后，可对膜结构进行细致的三维观察。

使用虚拟现实工具进行手动分割，可高精度地勾画线粒体和细胞器结构，包括精确绘制膜边界和感兴趣区域（ROI）。最终的三维重建图像揭示了线粒体的详细特征，例如外膜和内膜，以及具有平滑网格的磷酸钙沉积物。