JP4139895B2 - Image processing method and image processing program - Google Patents
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Description
本発明は、画像処理方法および画像処理プログラムに関し、特に、高いノイズレベルの画像中に埋もれたコントラストの低い解析対象物の画像位置を簡便且つ自動的に特定することを可能とする画像処理方法および画像処理プログラムに関する。 The present invention relates to an image processing method and an image processing program, and in particular, an image processing method and an image processing method capable of easily and automatically specifying an image position of a low-contrast analysis object buried in an image with a high noise level. The present invention relates to an image processing program.
従来、タンパク質の構造を解析するに際しては、解析対象であるタンパク質を結晶化させて試料作成し、この試料をX線結晶構造解析法とNMR法とにより解析・評価する手法が主としてとられてきたが、近年では、極低温透過型電子顕微鏡(Cryo-EM)を用いてタンパク質の構造解析を行う方法(単粒子構造解析法)が開発されつつある(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, when analyzing the structure of a protein, a method of preparing a sample by crystallizing the protein to be analyzed and analyzing and evaluating the sample by an X-ray crystal structure analysis method and an NMR method has been mainly employed. However, in recent years, a method (single particle structure analysis method) for analyzing a protein structure using a cryogenic transmission electron microscope (Cryo-EM) is being developed (for example, see Non-Patent Document 1).
この単粒子構造解析法は、透過型電子顕微鏡(TEM)中で極低温に冷却した粒子状のタンパク質試料から得られたTEM画像から、個々の球状タンパク質試料の画像を切り出し、これらの試料画像を加算平均することで試料画像のノイズを低減させ、得られた加算平均画像から粒子状タンパク質試料の3次元構造を求める手法であり、近年の画像処理技術の高度化とコンピュータの高速化を背景に、有力・有用な解析手法として注目されてきている。 This single particle structure analysis method cuts out images of individual spherical protein samples from a TEM image obtained from a particulate protein sample cooled to a cryogenic temperature in a transmission electron microscope (TEM), and extracts these sample images. This is a technique to reduce the noise of the sample image by averaging and to obtain the three-dimensional structure of the particulate protein sample from the obtained averaged image. Against the backdrop of recent advances in image processing technology and computer speedup It has been attracting attention as a powerful and useful analysis method.
従来の単粒子構造解析法で画像処理を行うに際しては、電子顕微鏡画像中に撮影されているタンパク質の粒子画像の各々を解析者自らが目視によりマニュアルで切り出し、それらの画像を加算平均するという作業が求められる。 When performing image processing using a conventional single particle structure analysis method, the analyst himself manually cuts out each of the protein particle images captured in the electron microscope image, and adds and averages the images. Is required.
しかしながら、極低温Cryo-EMで得られるTEM画像のコントラストは低くならざるを得ないことに加えノイズレベルも高いため、タンパク質粒子の画像中での位置を特定することは経験を積んだ研究者にとっても難しい作業であるために迅速な解析が困難であり、さらに、解析者の熟練度や経験によって得られる結果の個人差が大きくならざるを得ないという問題があった。このことが、単粒子構造解析法の一般的な解析手法としての普及を阻害する大きな要因の一つとなっていた。 However, because the contrast of TEM images obtained with cryogenic Cryo-EM has to be low and the noise level is also high, identifying the position of protein particles in the image is an option for experienced researchers. Since this is a very difficult task, it is difficult to perform a quick analysis. Furthermore, there is a problem that individual differences in results obtained depending on the skill level and experience of the analyst must increase. This has been one of the major factors hindering the spread of the single particle structure analysis method as a general analysis method.
本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高いノイズレベルの画像中に埋もれたコントラストの低い解析対象物の画像位置を簡便且つ自動的に特定することを可能とする画像処理方法および画像処理プログラムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to easily and automatically specify the image position of an analysis object with low contrast buried in an image with a high noise level. An object is to provide an image processing method and an image processing program that can be performed.
本発明は、このような目的を達成するために、第1の発明は、画像内で解析対象像の位置を特定するための画像処理方法であって、前記画像内の局所部位画像を切り出すための複数のフレームを当該画像内に配置する第1のステップと、前記複数のフレームにより切り出された画像を平均化処理して平均フレーム画像を形成する第2のステップと、前記平均フレーム画像を基に第1のエネルギ値(E1)を算出する第3のステップと、前記複数のフレームの中から1つのフレームを選択して当該選択されたフレームの前記画像内での位置および角度を変更してフレームを再配置する第4のステップと、前記再配置後のフレームにより切り出された画像を平均化処理して平均フレーム画像を形成する第5のステップと、前記第5のステップで得られた平均フレーム画像を基に第2のエネルギ値(E2)を算出する第6のステップと、前記第1および第2のエネルギ値を比較して、E1<E2の場合には前記第4のステップのフレーム再配置を採用する一方、E1≧E2の場合には前記第4のステップのフレーム再配置を採用するか否かを判断する第7のステップと、前記第1〜第7のステップを所定回数だけ繰り返した後に温度パラメータTを減少させる第8のステップと、前記第1〜第8のステップを所定のサイクル数だけ繰り返す第9のステップと、を備えていることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides an image processing method for specifying a position of an analysis target image in an image, and for extracting a local part image in the image. A first step of arranging a plurality of frames in the image, a second step of averaging an image cut out by the plurality of frames to form an average frame image, and a basis of the average frame image A third step of calculating a first energy value (E1), and selecting one frame from the plurality of frames and changing the position and angle of the selected frame in the image Obtained in the fourth step of rearranging the frames, the fifth step of averaging the images cut out by the rearranged frames to form an average frame image, and the fifth step The sixth step of calculating the second energy value (E2) based on the average frame image obtained is compared with the first and second energy values. When E1 <E2, the fourth step While adopting step frame rearrangement, if E1 ≧ E2, the seventh step for determining whether or not to adopt the fourth step frame rearrangement, and the first to seventh steps, An eighth step of decreasing the temperature parameter T after repeating a predetermined number of times and a ninth step of repeating the first to eighth steps a predetermined number of cycles are provided.
好ましくは、前記第7のステップにおいて、E1≧E2の場合に前記第4のステップのフレーム再配置を採用するか否かの判断は、前記第1のエネルギ値E1と前記第2のエネルギ値E2との差(ΔE)から次式により採用確率P(ΔE)を求めて乱数との比較を行い、前記採用確率P(ΔE)が当該乱数よりも大きい場合は前記第4のステップにおけるフレーム再配置を採用する一方、前記採用確率P(ΔE)が前記乱数以下であった場合は第4のステップにおけるフレーム再配置前のフレーム配置を採用することにより実行される。 Preferably, in the seventh step, the determination as to whether or not to adopt the frame rearrangement of the fourth step when E1 ≧ E2 is made by determining whether the first energy value E1 and the second energy value E2 are used. The adoption probability P (ΔE) is obtained from the difference (ΔE) by the following equation and compared with a random number. If the adoption probability P (ΔE) is larger than the random number, the frame rearrangement in the fourth step is performed. On the other hand, when the adoption probability P (ΔE) is equal to or less than the random number, it is executed by adopting the frame arrangement before the frame rearrangement in the fourth step.
また、好ましくは、前記第1および第2のエネルギ値は、前記画像の実画像に基づいて算出されるエネルギ値(実画像のエネルギ値Ereal)または実画像をFFTして得られた画像に基づいて得られる周波数領域でのエネルギ値(周波数領域のエネルギ値Epow)の何れか一方または前記実画像のエネルギ値Erealと前記周波数領域のエネルギ値Epowの和(Ereal+Epow)である。 Preferably, the first and second energy values are energy values calculated based on the actual image of the image (energy value E real of the actual image) or an image obtained by performing FFT on the actual image. Either one of the energy values in the frequency domain (frequency domain energy value E pow ) obtained based on the sum of the energy value E real of the real image and the energy value E pow of the frequency domain (E real + E pow ) is there.
また、好ましくは、前記実画像のエネルギ値Erealは、前記平均フレーム画像内に設けられた(x,y)座標の各座標点での輝度d(x,y)を基に次式によりピクセル輝度平均値daveを求め、前記平均フレーム画像d(x,y)からピクセル輝度平均値daveを引いた値d’(x,y)を求め、さらに、当該d’(x,y)値を次式に代入して求められるものである。 Preferably, the energy value E real of the real image is calculated by the following equation based on the luminance d (x, y) at each coordinate point of the (x, y) coordinates provided in the average frame image. A luminance average value d ave is obtained, a value d ′ (x, y) obtained by subtracting the pixel luminance average value d ave from the average frame image d (x, y) is obtained, and the d ′ (x, y) value is further calculated. Is obtained by substituting into the following equation.
(NとMはフレームのx軸およびy軸のピクセルサイズ、HはErealの値が0.5となるときの輝度値) (N and M are the pixel sizes of the x-axis and y-axis of the frame, and H is the luminance value when the value of E real is 0.5)
また、好ましくは、前記周波数領域のエネルギ値Epowは、前記平均フレーム画像内に設けられた(x,y)座標の各座標点での輝度d(x,y)を基に次式によりピクセル輝度平均値daveを求め、前記平均フレーム画像d(x,y)からピクセル輝度平均値daveを引いた値d’(x,y)を求め、さらに、当該d’(x,y)値からFFTによりそのスペクトルの振幅|D’(u,v)|を求め、当該スペクトルの振幅|D’(u,v)|に透過周波数を規定する円形マスクを掛け、周波数領域における座標(u,v)での各ピクセルにつき次式により総和をとることにより求められるものである。 Preferably, the energy value E pow in the frequency domain is calculated by the following equation based on the luminance d (x, y) at each coordinate point of the (x, y) coordinates provided in the average frame image. A luminance average value d ave is obtained, a value d ′ (x, y) obtained by subtracting the pixel luminance average value d ave from the average frame image d (x, y) is obtained, and the d ′ (x, y) value is further calculated. The amplitude of the spectrum | D ′ (u, v) | is obtained by FFT from the above, and the amplitude of the spectrum | D ′ (u, v) | is multiplied by a circular mask that defines the transmission frequency, and coordinates (u, For each pixel in v), the sum is obtained by the following equation.
(NとMはフレームのx軸およびy軸のピクセルサイズ、rは透過周波数を規定する円形マスクの半径) (N and M are the pixel sizes of the x and y axes of the frame, r is the radius of the circular mask that defines the transmission frequency)
さらに、好ましくは、前記第8のステップにおける温度パラメータTの減少率Rは、次式で与えられるものである。 Further preferably, the rate of decrease R of the temperature parameter T in the eighth step is given by the following equation.
(T0:初期温度、Te:演算を終了させる最終温度、Cmax:第8のステップにおける所定回数) (T 0 : initial temperature, T e : final temperature at which calculation is terminated, C max : predetermined number of times in the eighth step)
第2の発明は、画像内で解析対象像の位置を特定するための画像処理をコンピュータに実行させるための画像処理プログラムであって、前記画像内の局所部位画像を切り出すための複数のフレームを当該画像内に配置する第1のステップと、前記複数のフレームにより切り出された画像を平均化処理して平均フレーム画像を形成する第2のステップと、前記平均フレーム画像を基に第1のエネルギ値(E1)を算出する第3のステップと、前記複数のフレームの中から1つのフレームを選択して当該選択されたフレームの前記画像内での位置および角度を変更してフレームを再配置する第4のステップと、前記再配置後のフレームにより切り出された画像を平均化処理して平均フレーム画像を形成する第5のステップと、前記第5のステップで得られた平均フレーム画像を基に第2のエネルギ値(E2)を算出する第6のステップと、前記第1および第2のエネルギ値を比較して、E1<E2の場合には前記第4のステップのフレーム再配置を採用する一方、E1≧E2の場合には前記第4のステップのフレーム再配置を採用するか否かを判断する第7のステップと、前記第1〜第7のステップを所定回数だけ繰り返した後に温度パラメータTを減少させる第8のステップと、前記第1〜第8のステップを所定のサイクル数だけ繰り返す第9のステップと、を備えていることを特徴とする。 A second invention is an image processing program for causing a computer to execute image processing for specifying the position of an analysis target image in an image, wherein a plurality of frames for extracting a local part image in the image are obtained. A first step for arranging within the image; a second step for averaging the images cut out by the plurality of frames to form an average frame image; and a first energy based on the average frame image. A third step of calculating a value (E1), and selecting one frame from the plurality of frames, rearranging the frame by changing the position and angle of the selected frame in the image A fourth step, a fifth step of averaging the images cut out by the rearranged frames to form an average frame image, and the fifth step The sixth step of calculating the second energy value (E2) based on the obtained average frame image is compared with the first and second energy values, and if E1 <E2, the fourth step In the case where E1 ≧ E2, the seventh step of determining whether to adopt the frame rearrangement of the fourth step and the first to seventh steps are adopted. Is repeated for a predetermined number of times, and an eighth step for decreasing the temperature parameter T and a ninth step for repeating the first to eighth steps for a predetermined number of cycles are provided.
好ましくは、前記第7のステップにおいて、E1≧E2の場合に前記第4のステップのフレーム再配置を採用するか否かの判断は、前記第1のエネルギ値E1と前記第2のエネルギ値E2との差(ΔE)から次式により採用確率P(ΔE)を求めて乱数との比較を行い、前記採用確率P(ΔE)が当該乱数よりも大きい場合は前記第4のステップにおけるフレーム再配置を採用する一方、前記採用確率P(ΔE)が前記乱数以下であった場合は第4のステップにおけるフレーム再配置前のフレーム配置を採用することにより実行される。 Preferably, in the seventh step, the determination as to whether or not to adopt the frame rearrangement of the fourth step when E1 ≧ E2 is made by determining whether the first energy value E1 and the second energy value E2 are used. The adoption probability P (ΔE) is obtained from the difference (ΔE) by the following equation and compared with a random number. If the adoption probability P (ΔE) is larger than the random number, the frame rearrangement in the fourth step is performed. On the other hand, when the adoption probability P (ΔE) is equal to or less than the random number, it is executed by adopting the frame arrangement before the frame rearrangement in the fourth step.
本発明の画像処理方法では、解析対象粒子が多数撮影されている画像内にローカルな画像を切り出すための仮想的なフレームを多数配置させ、これらのフレームをTEM画像内でランダムに動かしながら各フレームにより切り出された全画像の加算平均を求め、この平均画像のコントラストが高くなるように各フレームの位置移動と回転移動の双方に制約を加える。この制約は、温度パラメータTにより制御されており、温度パラメータTを高い値から低い値の減少させるための手順を定めるアニーリングスケジュールに従って温度を徐々に減少させることとしたので、高いノイズレベルの画像中に埋もれたコントラストの低い解析対象物の画像位置を簡便且つ自動的(full-auto)に特定することを可能とする画像処理方法および画像処理プログラムを提供することが可能となる。また、特定された位置の画像を加算平均することにより、解析対象物の形状を高精度で再現することが可能となる。 In the image processing method of the present invention, a large number of virtual frames for extracting a local image are arranged in an image in which a large number of particles to be analyzed are photographed, and each frame is moved while being randomly moved in the TEM image. The addition average of all the images cut out is obtained, and restrictions are imposed on both the position movement and the rotation movement of each frame so that the contrast of the average image becomes high. This restriction is controlled by the temperature parameter T, and the temperature is gradually decreased according to an annealing schedule that defines a procedure for decreasing the temperature parameter T from a high value to a low value. It is possible to provide an image processing method and an image processing program that can easily and automatically specify an image position of an analysis object with a low contrast buried in the image. Further, by averaging the images at the specified positions, the shape of the analysis object can be reproduced with high accuracy.
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施例においては、ノイズレベルの高い画像中に埋もれたコントラストの弱い解析対象物の画像の好適な例として、透過型電子顕微鏡画像(TEM画像)中にノイズに埋もれた状態で撮影されているコントラストが微弱なタンパク質粒子像を取り上げ、本発明の画像処理方法および画像処理プログラムを説明するが、本発明はこのような電子顕微鏡画像の処理に限定されるものではなく、例えば、航空写真中に撮影されている車両位置の特定などの一般的な適用が可能であることはいうまでもない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, as a suitable example of an image of an analysis object with a low contrast buried in an image having a high noise level, the image was taken in a state where it was buried in noise in a transmission electron microscope image (TEM image). The image processing method and the image processing program of the present invention will be described by taking up a protein particle image having a weak contrast, but the present invention is not limited to such electron microscope image processing. Needless to say, general application such as identification of the position of the vehicle photographed in the photograph is possible.
本発明の画像処理方法は、組み合わせ最適化問題の一つの解法として知られるアニーリング(焼きなまし)法(Simulated Annealing)に基づくアルゴリズムに従って粒子画像の自己集積化を実行する手法である。本発明の方法では、解析対象である粒子が多数撮影されている1枚のTEM画像内に、ローカルな画像を切り出すための仮想的なフレームを多数(例えば数100個)配置させる。これらのフレームをTEM画像内でランダムに動かしながら、各フレームにより切り出された全画像の加算平均を求め、この平均画像のコントラストが高くなるように各フレームの位置移動と回転移動の双方に制約を加える。この制約は、温度パラメータ(T)により制御されており、温度パラメータTを高い値から低い値の減少させるための手順を定めるアニーリングスケジュール(annealing
schedule)に従って温度を徐々に減少させると、最終的には各フレームが粒子画像位置へと高い精度で配置される。そして、このようにして配置された各フレームにより切り出された画像を加算平均して得られる画像は、解析対象である粒子の形状を高い精度で再現することができる。
The image processing method of the present invention is a method for executing self-integration of particle images according to an algorithm based on an annealing method (simulated annealing), which is known as one solution of the combination optimization problem. In the method of the present invention, a large number (for example, several hundreds) of virtual frames for extracting a local image are arranged in one TEM image in which a large number of particles to be analyzed are captured. While these frames are moved randomly in the TEM image, the average of all the images cut out by each frame is obtained, and both the position movement and the rotation movement of each frame are restricted so that the contrast of the average image becomes high. Add. This constraint is controlled by a temperature parameter (T), and an annealing schedule that defines a procedure for reducing the temperature parameter T from a high value to a low value.
When the temperature is gradually decreased according to the schedule), each frame is finally arranged with high accuracy at the particle image position. An image obtained by adding and averaging the images cut out by the frames arranged in this way can reproduce the shape of the particle to be analyzed with high accuracy.
本発明の画像処理方法では、ローカル画像の切り出しに用いるフレームの数と大きさ(半径)のみを予め設定するだけで画像処理が実行可能であり、従来法で要求されていた解析対象粒子に関する形状因子等の特別な情報に関しては不要となる。従って、テンプレートや学習用画像データなしでの画像処理が可能となるから、処理の完全自動化を図ることが可能となる。 In the image processing method of the present invention, image processing can be executed only by presetting only the number and size (radius) of frames used for cutting out a local image, and the shape related to the analysis target particles required in the conventional method It is not necessary for special information such as factors. Therefore, since image processing without a template or learning image data is possible, it is possible to achieve complete automation of the processing.
以下に、本発明の画像処理方法の手順を具体的に説明する。 The procedure of the image processing method of the present invention will be specifically described below.
図1は本発明の画像処理方法を実行する際のシミュレーテッド・アニーリング・アルゴリズム(SAアルゴリズム)を説明するためのフローチャートであり、図2は解析対象がタンパク質粒子である場合の初期設定状態でのTEM像(図2(a))、SAアルゴリズムによる位置推定プロセス(図2(b)))およびタンパク質粒子像位置の推定結果(図2(c)))を説明するための各画像である。 FIG. 1 is a flowchart for explaining a simulated annealing algorithm (SA algorithm) when the image processing method of the present invention is executed, and FIG. 2 is an initial setting state when the analysis target is a protein particle. It is each image for demonstrating a TEM image (FIG.2 (a)), the position estimation process by SA algorithm (FIG.2 (b))), and the estimation result of a protein particle image position (FIG.2 (c))).
本発明の画像処理方法では、図2に示すようにTEM画像内にローカルな部位の画像を切り出すためのフレーム(図中のF1〜F5)を配置し、これらのフレームにより切り出された画像を平均化して得られる平均フレーム画像の「スコア」が高くなるように、図1に示したSAアルゴリズムに従って各フレームのTEM画像内での位置と回転角度を変化させる。ここで、「スコア」とは、後述する手順により算出される「系のエネルギ値」であり、処理の妥当性の指標となるものである。 In the image processing method of the present invention, as shown in FIG. 2, frames (F1 to F5 in the figure) for cutting out images of local parts are arranged in the TEM image, and the images cut out by these frames are averaged. The position and rotation angle of each frame in the TEM image are changed according to the SA algorithm shown in FIG. Here, the “score” is a “system energy value” calculated by a procedure described later, and serves as an index of the appropriateness of processing.
先ず、個々のフレームの大きさは単一のタンパク質粒子の像が入る大きさに設定され、各フレームの初期位置は各々のフレームが互いに重ならないように、TEM画像中にランダムに配置される。なお、各フレームの回転角度の初期値は全て0°としている。また、後述するフレームの位置・角度の変更・非変更回数のカウンタ(変更回数カウンタIte1、および、非変更回数カウンタIte2)の最大数(Itemax1およびItemax2)を設定し、さらに、温度減少サイクルの繰り返し回数Cmaxを設定する(ステップS100)。 First, the size of each frame is set to a size in which an image of a single protein particle can enter, and the initial position of each frame is randomly arranged in the TEM image so that the frames do not overlap each other. Note that the initial value of the rotation angle of each frame is 0 °. Also, set the maximum number (Ite max1 and Ite max2 ) of counters (change count counter Ite 1 and non-change count counter Ite 2 ) of the frame position / angle change / non-change count described later, and the temperature setting the number of repetitions C max reduction cycle (step S100).
次に、図2(b)に示すように、TEM画像内に配置されたフレームによりローカルな画像を切り出し、これらの画像を平均化して平均フレーム画像を求め、この平均フレーム画像をもとに下記の要領で系の初期エネルギ値を計算する(ステップS101)。ここで、エネルギ値としては、実画像に基づいて算出されるエネルギ値(実画像のエネルギ値Ereal)または実画像をFFTして得られた画像に基づいて得られる周波数領域でのエネルギ値(周波数領域のエネルギ値Epow)の何れのエネルギ値を用いてもよいが、ここでは、これらのエネルギ値の和(Ereal+Epow)を系のエネルギ値(E)とした。 Next, as shown in FIG. 2B, local images are cut out by frames arranged in the TEM image, and these images are averaged to obtain an average frame image. Based on this average frame image, the following In this manner, the initial energy value of the system is calculated (step S101). Here, as the energy value, an energy value calculated based on the real image (energy value E real of the real image) or an energy value in the frequency domain obtained based on the image obtained by FFT of the real image ( Any energy value of the frequency domain energy value E pow ) may be used, but here, the sum of these energy values (E real + E pow ) is defined as the energy value (E) of the system.
実画像のエネルギ値Erealの算出は以下の手順により実行する。先ず、平均フレーム画像内に(x,y)座標を設けて各座標点での輝度d(x,y)を求め、これらの輝度d(x,y)を基に、次式(1)によりピクセル輝度平均値daveを求める。 The energy value E real of the real image is calculated according to the following procedure. First, (x, y) coordinates are provided in the average frame image to determine the luminance d (x, y) at each coordinate point. Based on these luminance d (x, y), the following equation (1) is obtained. The pixel luminance average value d ave is obtained.
ここで、NとMはフレームのx軸およびy軸のピクセルサイズである。 Here, N and M are the pixel sizes of the x-axis and y-axis of the frame.
次に、平均フレーム画像d(x,y)からピクセル輝度平均値daveを引いた値d’(x,y)を求め(式2)、このd’(x,y)値を飽和型関数である式(3)のMichaeals-Meaintai関数に代入してその総和を実画像のエネルギ値Erealとした。 Next, a value d ′ (x, y) obtained by subtracting the pixel luminance average value d ave from the average frame image d (x, y) is obtained (Expression 2), and this d ′ (x, y) value is obtained as a saturated function. Substituting it into the Michaels-Meaintai function of equation (3), the sum is taken as the energy value E real of the real image.
ここで、Hは飽和型関数の値が0.5となるときの輝度値である。このような取扱いにより、一般的に用いられる差の2乗和のように、輝度値が高くなるにつれて急速にスコアが上昇し平均フレーム画像の一部分の輝度値のみが高くなる、という不都合を回避することが可能となる。 Here, H is a luminance value when the value of the saturation function is 0.5. This handling avoids the inconvenience that the score increases rapidly as the luminance value increases and only the luminance value of only a part of the average frame image increases as the luminance value increases. It becomes possible.
一方、周波数領域のエネルギ値Epowの算出は、上式(2)で求めた値d’(x,y)からFFTによりそのスペクトルの振幅|D’(u,v)|を求め、このスペクトルの振幅|D’(u,v)|に透過周波数を規定する円形マスクを掛け、周波数領域における座標(u,v)での各ピクセルにつき次式(4)により総和をとることにより実行する。ここで、円形マスクF(u,v)は次式(5)で定義される関数であり、円形マスクの大きさ(半径r)は中央位置(um,vm)から半径r=6.4(pixel)に設定した。 On the other hand, the energy value E pow in the frequency domain is calculated by obtaining the spectrum amplitude | D ′ (u, v) | by FFT from the value d ′ (x, y) obtained by the above equation (2). Is performed by multiplying the amplitude | D ′ (u, v) | by a circular mask that defines the transmission frequency and taking the sum by the following equation (4) for each pixel at coordinates (u, v) in the frequency domain. Here, a circular mask F (u, v) is a function defined by the following equation (5), the size of the circular mask (radius r) is the center position (u m, v m) from a radius r = 6. It was set to 4 (pixel).
このような初期設定に続き、ステップS102において変更回数カウンタIte1=0、非変更回数カウンタIte2=0と設定し、TEM画像上のフレームから1つをランダムに選択し(ステップS103)、このフレームの位置と角度とを変更する(ステップS104)。ここでは、変更前後での変化量を、位置についてはx軸、y軸ともに7σの正規乱数とし、角度については30σの正規乱数とした。 Following such initial setting, the change count counter Ite 1 = 0 and the non-change count counter Ite 2 = 0 are set in step S102, and one of the frames on the TEM image is randomly selected (step S103). The position and angle of the frame are changed (step S104). Here, the amount of change before and after the change is a normal random number of 7σ for the x-axis and y-axis for the position, and a normal random number of 30σ for the angle.
上述した計算に基づいて、位置・角度変更後の平均フレーム画像のエネルギ値E2を算出して変更前のエネルギ値E1との差(ΔE=E1−E2)を求め(ステップS105)、変更後のエネルギ値と変更前のエネルギ値とを比較して、変更後のエネルギ値が変更前のエネルギ値よりも高いかどうかの判断を行う(ステップS106)。ここで、変更後のエネルギ値が変更前のエネルギ値よりも高い場合(ステップS106:Yes)は、スコアを変更後のエネルギ値に更新し(ステップS107)、ステップS104でのフレームの位置・角度変更を採用して保持して(ステップS108)、変更回数カウンタIte1を1増加させる(ステップS109)。 Based on the calculation described above, the energy value E2 of the average frame image after the position / angle change is calculated to obtain a difference (ΔE = E1−E2) from the energy value E1 before the change (step S105). The energy value is compared with the energy value before the change to determine whether the energy value after the change is higher than the energy value before the change (step S106). Here, when the energy value after the change is higher than the energy value before the change (step S106: Yes), the score is updated to the energy value after the change (step S107), and the position / angle of the frame in step S104 and held adopted changes (step S108), it increases the change counter Ite 1 1 (step S109).
逆に、変更後のエネルギ値が変更前のエネルギ値以下の場合(ステップS106:No)は、変更前のスコアとの変化量(ΔE)から次式(6)により採用確率(遷移確率)P(ΔE)を求め(ステップS110)、0〜1の乱数との比較(P(ΔE)>(乱数0〜1))を行い(ステップS111)、乱数が採用確率P(ΔE)未満の場合(ステップS111:Yes)はステップS104におけるフレームの変更を採用し、乱数が採用確率P(ΔE)以上であった場合(ステップS111:No)は、フレームの位置・角度を変更前の場所・値に戻して(ステップS112)、非変更回数カウンタIte2を1増加させる(ステップS113)。
On the contrary, when the energy value after the change is equal to or less than the energy value before the change (step S106: No), the adoption probability (transition probability) P from the change amount (ΔE) with the score before the change according to the following equation (6). (ΔE) is obtained (step S110) and compared with random numbers from 0 to 1 (P (ΔE)> (
ステップS114では、変更回数カウンタIte1の値および非変更回数カウンタIte2の値をそれぞれの最大数(Itemax1およびItemax2)と比較し、「Ite1<Itemax1かつIte2<Itemax2」であれば(ステップS114:Yes)ステップS103に戻り以降のステップを繰り返し、「Ite1<Itemax1かつIte2<Itemax2」でなければ(ステップS114:No)ステップS115に移行して系の温度パラメータTを減少させる。 In step S114, it compares the values and values of the non-change counter Ite 2 changes counter Ite 1 and each maximum number (Ite max1 and Ite max2), in "Ite 1 <Ite max1 and Ite 2 <Ite max2" if (step S114: Yes) return repeated subsequent steps step S103, "Ite 1 <Ite max1 and Ite 2 <Ite max2" Otherwise (step S114: No) proceeds to a temperature parameter of the system to step S115 Decrease T
温度パラメータTの減少率Rは次式(7)で与えられる。ここで、T0は初期温度、Teは演算を終了させる最終温度、そして、Cmaxは所定のサイクル回数である。すなわち、温度パラメータTの減少率Rは、所定のサイクル回数Cmaxに従って次式(7)により設定され、温度パラメータTは次式(8)により各サイクル毎に指数関数的に減少する。 The decrease rate R of the temperature parameter T is given by the following equation (7). Here, T 0 is an initial temperature, Te is a final temperature at which the calculation is finished, and C max is a predetermined number of cycles. That is, the decreasing rate R of the temperature parameter T is set by the following equation (7) according to a predetermined cycle number Cmax , and the temperature parameter T decreases exponentially for each cycle by the following equation (8).
この温度減少を実行させる条件としては、例えば、フレームの変更回数Ite1と非変更回数Ite2をそれぞれ集計し、変更回数Ite1が全フレーム数の20倍となるか、または、非変更回数Ite2が全フレーム数の100倍となった場合とする。 As a condition for executing this temperature reduction, for example, the number of frame changes Ite 1 and the number of non-changes Ite 2 are totaled, and the number of changes Ite 1 is 20 times the total number of frames, or the number of non-changes Ite Assume that 2 is 100 times the total number of frames.
1回の温度減少を行う毎にサイクルカウンタCを1増加させ(ステップS116)、サイクルがステップS100で設定した所定回数Cmax以上かどうかを判断(ステップS117)して、所定回数以上であれば(ステップS117:Yes)終了し、所定回数に満たなければ(ステップS117:No)、ステップS102に移行して変更回数カウンタIte1=0、非変更回数カウンタIte2=0と設定し直した上で、ステップS103以降のステップを繰り返す。 Each time the temperature is decreased, the cycle counter C is incremented by 1 (step S116), and it is determined whether the cycle is equal to or greater than the predetermined number C max set in step S100 (step S117). (Step S117: Yes) is completed, and if the predetermined number of times is not reached (Step S117: No), the process proceeds to Step S102 and the change count counter Ite 1 = 0 and the non-change count counter Ite 2 = 0 are set again. Then, the steps after step S103 are repeated.
このような一連のフレーム配置操作が終了すると、全てのフレームがタンパク質粒子像(T1〜T5)の上に配置されることとなり(図2(c))、解析対象であるタンパク質粒子像の存在位置が特定されるとともに、これらのフレームにより切り出された画像を平均化して得られる平均画像はタンパク質粒子像を高い精度で再現することとなる。 When such a series of frame arrangement operations is completed, all the frames are arranged on the protein particle image (T1 to T5) (FIG. 2 (c)), and the position of the protein particle image to be analyzed exists. The average image obtained by averaging the images cut out by these frames reproduces the protein particle image with high accuracy.
図3は、本発明の画像処理方法の処理プログラムを実行可能な電子計算機により、タンパク分子のモデル画像の画像処理を実行した場合の温度減少のサイクル回数毎のフレーム配置を説明するための図である。なお、これらの図では、タンパク質粒子の位置認識状態の理解を容易にするために、粒子が存在するフレームを白で、存在しないフレームを黒で示した。 FIG. 3 is a diagram for explaining a frame arrangement for each number of cycles of temperature reduction when image processing of a model image of protein molecules is executed by an electronic computer capable of executing the processing program of the image processing method of the present invention. is there. In these drawings, in order to facilitate understanding of the position recognition state of the protein particle, the frame in which the particle exists is shown in white, and the frame in which the particle does not exist is shown in black.
サイクル回数0(図3(a))では、フレームはランダムに配置されており、殆どのフレーム内にはタンパク質粒子は存在していない。サイクル回数が120(図3(b))、150(図3(c))、300(図3(d))と多くなるにつれて、タンパク質粒子位置に配置されるサークルは徐々に増加し、サイクル回数300では全てのフレームが粒子位置に配置されている。 In the cycle number 0 (FIG. 3A), the frames are randomly arranged, and protein particles are not present in most frames. As the number of cycles increases to 120 (FIG. 3 (b)), 150 (FIG. 3 (c)), and 300 (FIG. 3 (d)), the number of circles arranged at the protein particle position gradually increases. In 300, all the frames are arranged at the particle positions.
図4は、オリジナル画像にノイズを加えた場合の、粒子位置認識レベルのノイズ含有量依存性を説明するための図である。 FIG. 4 is a diagram for explaining the noise content dependency of the particle position recognition level when noise is added to the original image.
図4(a)はオリジナル画像であり、図4(b)〜(d)はこのオリジナル画像にノイズを含有させた合成画像である。分散σ=20の正規ランダムノイズを加えた場合(図4(b))は、ほぼ全てのフレーム内に粒子が存在している。ノイズ含有量を増やし分散σ=30の正規ランダムノイズを加えると(図4(c))、フレームが粒子位置に配置される確率は約80%に低下し、さらに、分散σ=40の正規ランダムノイズを加えた場合(図4(c))には、フレームが粒子位置に配置される確率は50%程度に低下する。すなわち、粒子位置認識レベルは画像に含まれるノイズレベルに依存することとなる。 FIG. 4A is an original image, and FIGS. 4B to 4D are composite images in which noise is included in the original image. When normal random noise with variance σ = 20 is added (FIG. 4B), particles are present in almost all frames. When the noise content is increased and normal random noise with variance σ = 30 is added (FIG. 4C), the probability that the frame is arranged at the particle position decreases to about 80%, and further, normal random with variance σ = 40 is added. When noise is added (FIG. 4C), the probability that the frame is arranged at the particle position decreases to about 50%. That is, the particle position recognition level depends on the noise level included in the image.
しかしながら、図4(d)のようなノイズレベルの高い画像から目視により粒子位置を特定することは殆ど不可能であるのに対して、本発明の画像処理方法によれば、50%程度の確率で粒子位置を自動的に特定することが可能である。 However, while it is almost impossible to visually identify the particle position from an image with a high noise level as shown in FIG. 4D, the image processing method of the present invention has a probability of about 50%. It is possible to automatically specify the particle position.
図5は、2%の劣化ウラン溶液によるNegative stain処理を施したNaチャネルのTEM画像に対する本発明の画像処理方法の適用例を説明する図である。図5(a)は上述したアルゴリズムに基づいてフレーム配置を実行した最終結果の画像であり、略全てのフレームが粒子位置に配置されている。図5(b)は温度減少のサイクル回数毎のフレーム平均画像を示しており、初期画像(サイクル回数=0)ではノイズのみで粒子の形状を確認することはできないが、サイクル回数70のフレーム平均画像中には粒子形状が確認できるようになり、サイクル回数を120、150、300と増加させるにつれて、徐々に本来のNaチャネルに近い形状が生成されていく。図5(c)はサイクル回数毎の温度およびスコア(系のエネルギ値)の変化を示しており、温度が指数関数的に低下するに伴ってスコア(エネルギ)が増加し、処理の妥当性が高くなる様子が理解できる。 FIG. 5 is a diagram for explaining an application example of the image processing method of the present invention to a TEM image of a Na channel that has been subjected to negative stain treatment with a 2% depleted uranium solution. FIG. 5A is an image of the final result obtained by executing the frame arrangement based on the algorithm described above, and almost all the frames are arranged at the particle positions. FIG. 5B shows a frame average image for each cycle of temperature decrease. In the initial image (cycle count = 0), the particle shape cannot be confirmed only by noise, but the frame average of 70 cycles. The particle shape can be confirmed in the image, and as the number of cycles is increased to 120, 150, and 300, a shape close to the original Na channel is gradually generated. FIG. 5C shows changes in temperature and score (system energy value) for each number of cycles. As the temperature decreases exponentially, the score (energy) increases, and the validity of the processing is increased. I can understand how it gets higher.
図6は、アポフェリチン(apoferritin)タンパク質の極低温Cryo-EM画像に本発明の方法による画像処理を施した結果を説明するための図で、図6(a)は上述したアルゴリズムに基づいてフレーム配置を実行した最終結果の画像であり、略全てのフレームが粒子位置に配置されている。図6(b)は温度減少のサイクル回数毎のフレーム平均画像を示しており、初期画像(サイクル回数=0)ではノイズのみで粒子の形状を確認することはできないが、サイクル回数70のフレーム平均画像中には構造が認識可能な程度の粒子形状が確認できるようになり、サイクル回数を120、150、300と増加させるにつれて、徐々に本来のアポフェリチンタンパク質に近い形状が生成されていく。図6(c)はサイクル回数毎の温度およびスコア(系のエネルギ値)の変化を示しており、温度が指数関数的に低下するに伴ってスコアが増加し、処理の妥当性が高くなる様子が理解できる。
FIG. 6 is a diagram for explaining the result of image processing according to the method of the present invention applied to a cryogenic Cryo-EM image of apoferritin protein, and FIG. 6 (a) is a frame based on the algorithm described above. This is an image of the final result of the placement, and almost all frames are placed at the particle positions. FIG. 6B shows a frame average image for each cycle of temperature decrease. In the initial image (cycle count = 0), the shape of particles cannot be confirmed only by noise, but the frame average of
このように、本発明の画像処理方法によれば、コントラストの低い解析対象画像が高いノイズレベルに埋もれた画像であっても、タンパク粒子の画像中での位置を的確に捉え、その形状を高い精度で再現することができる。 As described above, according to the image processing method of the present invention, even if the analysis target image with low contrast is an image buried in a high noise level, the position of the protein particle in the image is accurately captured and the shape thereof is high. Can be reproduced with accuracy.
上述したように、本発明の方法をタンパク質解析に応用する場合を想定すると、本発明の画像処理方法で実行している内容は、タンパク質が結晶化してゆく状態をコンピュータ上で模擬的に再現することに類似している。従って、タンパク質の結晶化の際には、ランダム配列をしていたタンパク分子がより安定な構造(系の最小エネルギ状態)となるように規則的に集積してタンパク質結晶となるのと類似して、各フレームにより切り出された画像の平均画像は、ノイズに埋もれて形状が不明確な当初の状態から徐々に粒子状構造が再現されてゆくこととなる。 As described above, assuming that the method of the present invention is applied to protein analysis, the contents executed by the image processing method of the present invention simulate the state in which the protein is crystallized on a computer. It is similar to that. Therefore, when protein crystallization is performed, it is similar to protein crystals that have been randomly arranged and accumulated in a regular manner so as to have a more stable structure (minimum energy state of the system). The average image of the images cut out by each frame gradually reproduces the particulate structure from the initial state where it is buried in noise and the shape is unclear.
このように、本発明の画像処理方法では、ノイズに埋もれた状態で存在している解析対象物の形状を予め知る必要はなく、後述する自己集積する幾つかのパラメータを設定するだけで任意の形状の粒子を抽出(pick-up)することが可能である。また、本発明の画像処理方法はノイズレベルの高い画像についても適用可能であることから、目視レベルでは認識不可能な不鮮明な粒子画像であっても、高精度かつ簡便に抽出することができる。 As described above, in the image processing method of the present invention, it is not necessary to know the shape of the analysis object existing in a state where it is buried in noise. Shape-shaped particles can be picked up. Further, since the image processing method of the present invention can be applied to an image with a high noise level, even a blurred particle image that cannot be recognized at the visual level can be extracted with high accuracy and simplicity.
本発明は、高いノイズレベルの画像中に埋もれたコントラストの低い解析対象物の画像位置を簡便且つ自動的に特定することを可能とする画像処理方法および画像処理プログラムを提供する。 The present invention provides an image processing method and an image processing program that can easily and automatically specify an image position of an analysis object with a low contrast buried in an image with a high noise level.
F1〜F5 フレーム
T1〜T5 タンパク質粒子
F1-F5 frame T1-T5 protein particles
Claims (8)
前記画像内の局所部位画像を切り出すための複数のフレームを当該画像内に配置する第1のステップと、
前記複数のフレームにより切り出された画像を平均化処理して平均フレーム画像を形成する第2のステップと、
前記平均フレーム画像を基に第1のエネルギ値(E1)を算出する第3のステップと、
前記複数のフレームの中から1つのフレームを選択して当該選択されたフレームの前記画像内での位置および角度を変更してフレームを再配置する第4のステップと、
前記再配置後のフレームにより切り出された画像を平均化処理して平均フレーム画像を形成する第5のステップと、
前記第5のステップで得られた平均フレーム画像を基に第2のエネルギ値(E2)を算出する第6のステップと、
前記第1および第2のエネルギ値を比較して、E1<E2の場合には前記第4のステップのフレーム再配置を採用する一方、E1≧E2の場合には前記第4のステップのフレーム再配置を採用するか否かを判断する第7のステップと、
前記第1〜第7のステップを所定回数だけ繰り返した後に温度パラメータTを減少させる第8のステップと、
前記第1〜第8のステップを所定のサイクル数だけ繰り返す第9のステップと、
を備えていることを特徴とする画像処理方法。 An image processing method for specifying a position of an analysis target image in an image,
A first step of arranging in the image a plurality of frames for cutting out the local part image in the image;
A second step of averaging an image cut out by the plurality of frames to form an average frame image;
A third step of calculating a first energy value (E1) based on the average frame image;
A fourth step of selecting one frame from the plurality of frames, changing a position and an angle of the selected frame in the image, and rearranging the frame;
A fifth step of averaging the images cut out by the rearranged frames to form an average frame image;
A sixth step of calculating a second energy value (E2) based on the average frame image obtained in the fifth step;
The first and second energy values are compared, and the frame rearrangement of the fourth step is adopted when E1 <E2, while the frame rearrangement of the fourth step is adopted when E1 ≧ E2. A seventh step for determining whether to adopt the arrangement;
An eighth step of decreasing the temperature parameter T after repeating the first to seventh steps a predetermined number of times;
A ninth step of repeating the first to eighth steps a predetermined number of cycles;
An image processing method comprising:
前記第1のエネルギ値E1と前記第2のエネルギ値E2との差(ΔE)から次式により採用確率P(ΔE)を求めて乱数との比較を行い、前記採用確率P(ΔE)が当該乱数よりも大きい場合は前記第4のステップにおけるフレーム再配置を採用する一方、前記採用確率P(ΔE)が前記乱数以下であった場合は第4のステップにおけるフレーム再配置前のフレーム配置を採用することにより実行されることを特徴とする請求項1に記載の画像処理方法。
The adoption probability P (ΔE) is obtained from the difference (ΔE) between the first energy value E1 and the second energy value E2 by the following equation and compared with a random number. The adoption probability P (ΔE) is If it is larger than the random number, the frame rearrangement in the fourth step is adopted, while if the adoption probability P (ΔE) is equal to or less than the random number, the frame arrangement before the frame rearrangement in the fourth step is adopted. The image processing method according to claim 1, wherein the image processing method is executed.
前記平均フレーム画像内に設けられた(x,y)座標の各座標点での輝度d(x,y)を基に次式によりピクセル輝度平均値daveを求め、前記平均フレーム画像d(x,y)からピクセル輝度平均値daveを引いた値d’(x,y)を求め、さらに、当該d’(x,y)値を次式に代入して求められるものであることを特徴とする請求項3に記載の画像処理方法。
(NとMはフレームのx軸およびy軸のピクセルサイズ、HはErealの値が0.5となるときの輝度値) The energy value E real of the real image is
Based on the luminance d (x, y) at each coordinate point of (x, y) coordinates provided in the average frame image, a pixel luminance average value d ave is obtained by the following equation, and the average frame image d (x , y) is obtained by subtracting the pixel brightness average value d ave from d ′ (x, y), and substituting the d ′ (x, y) value into the following equation. The image processing method according to claim 3.
(N and M are the pixel sizes of the x-axis and y-axis of the frame, and H is the luminance value when the value of E real is 0.5)
(NとMはフレームのx軸およびy軸のピクセルサイズ) Energy value E pow of the frequency domain, the provided in the average frame image (x, y) the luminance d at each coordinate point of the coordinate (x, y) pixel luminance average value d ave by the following equation based on A value d ′ (x, y) obtained by subtracting the pixel luminance average value d ave from the average frame image d (x, y) is obtained, and the spectrum is obtained by FFT from the d ′ (x, y) value. The amplitude | D '(u, v) | of the spectrum is obtained, and the amplitude | D' (u, v) | of the spectrum is multiplied by a circular mask F (u, v) that defines the transmission frequency to obtain coordinates (u , v), the image processing method according to claim 3, wherein the image processing method is obtained by calculating a sum by the following formula for each pixel in (v):
(N and M are the pixel sizes of the x and y axes of the frame)
(T0:初期温度、Te:演算を終了させる最終温度、Cmax:第8のステップにおける所定回数) 6. The image processing method according to claim 1, wherein the rate of decrease R of the temperature parameter T in the eighth step is given by the following equation.
(T 0 : initial temperature, T e : final temperature at which calculation is terminated, C max : predetermined number of times in the eighth step)
前記画像内の局所部位画像を切り出すための複数のフレームを当該画像内に配置する第1のステップと、
前記複数のフレームにより切り出された画像を平均化処理して平均フレーム画像を形成する第2のステップと、
前記平均フレーム画像を基に第1のエネルギ値(E1)を算出する第3のステップと、
前記複数のフレームの中から1つのフレームを選択して当該選択されたフレームの前記画像内での位置および角度を変更してフレームを再配置する第4のステップと、
前記再配置後のフレームにより切り出された画像を平均化処理して平均フレーム画像を形成する第5のステップと、
前記第5のステップで得られた平均フレーム画像を基に第2のエネルギ値(E2)を算出する第6のステップと、
前記第1および第2のエネルギ値を比較して、E1<E2の場合には前記第4のステップのフレーム再配置を採用する一方、E1≧E2の場合には前記第4のステップのフレーム再配置を採用するか否かを判断する第7のステップと、
前記第1〜第7のステップを所定回数だけ繰り返した後に温度パラメータTを減少させる第8のステップと、
前記第1〜第8のステップを所定のサイクル数だけ繰り返す第9のステップと、
を備えていることを特徴とする画像処理プログラム。 An image processing program for causing a computer to execute image processing for specifying the position of an analysis target image in an image,
A first step of arranging in the image a plurality of frames for cutting out the local part image in the image;
A second step of averaging an image cut out by the plurality of frames to form an average frame image;
A third step of calculating a first energy value (E1) based on the average frame image;
A fourth step of selecting one frame from the plurality of frames, changing a position and an angle of the selected frame in the image, and rearranging the frame;
A fifth step of averaging the images cut out by the rearranged frames to form an average frame image;
A sixth step of calculating a second energy value (E2) based on the average frame image obtained in the fifth step;
The first and second energy values are compared, and the frame rearrangement of the fourth step is adopted when E1 <E2, while the frame rearrangement of the fourth step is adopted when E1 ≧ E2. A seventh step for determining whether to adopt the arrangement;
An eighth step of decreasing the temperature parameter T after repeating the first to seventh steps a predetermined number of times;
A ninth step of repeating the first to eighth steps a predetermined number of cycles;
An image processing program comprising:
前記第1のエネルギ値E1と前記第2のエネルギ値E2との差(ΔE)から次式により採用確率P(ΔE)を求めて乱数との比較を行い、前記採用確率P(ΔE)が当該乱数よりも大きい場合は前記第4のステップにおけるフレーム再配置を採用する一方、前記採用確率P(ΔE)が前記乱数以下であった場合は第4のステップにおけるフレーム再配置前のフレーム配置を採用することにより実行されることを特徴とする請求項7に記載の画像処理プログラム。
In the seventh step, when E1 ≧ E2, whether to adopt the frame rearrangement of the fourth step is determined as follows:
The adoption probability P (ΔE) is obtained from the difference (ΔE) between the first energy value E1 and the second energy value E2 by the following equation and compared with a random number. The adoption probability P (ΔE) is If it is larger than the random number, the frame rearrangement in the fourth step is adopted, while if the adoption probability P (ΔE) is equal to or less than the random number, the frame arrangement before the frame rearrangement in the fourth step is adopted. The image processing program according to claim 7, wherein the image processing program is executed.
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