基于CUDA的微球三维位置快速并行测试方法研究

摘要

微球三维位置测量是生物学领域中的一种重要研究工具，在生物单分子力谱测量方面起到非常关键的作用。目前单分子力谱测试方法能够对单个或少数生物分子进行动力学特性测量，测量效率不高。逐个监测的方式也无法可靠地对生物分子动力学特性的差异进行测量。近些年来，高精度和实时并行化测量是单分子力谱技术的发展方向。对微球三维位置测量的精度以及速度提出了很高的要求。通过对已有的测量方法进行研究，发现目前对于微球三维位置测量的方法虽然种类众多，但能够同时满足快速及高精度测量要求的方法并不多见。
　　本课题基于离心力显微镜这一新兴的生物单分子力谱并行测试方法，通过旋转对生物分子施加离心拉力，在单次测量中并行测量大量生物分子力谱信息。该技术迫切需要实现对大量微球三维位置的快速高精度测量。针对该需求，本文对微球三维位置的快速并行测量方法展开了相关的研究，主要研究内容如下：
　　1.搭建微球三维位置跟踪测量系统，分析测量原理、实验装置及实验样品制备方法。针对离心力显微镜实验装置，使用DNA等生物样品进行生物分子动力学实验，分析和改进了当前仪器装置。
　　2.提出一种新的微球三维位置快速精密测量方法，分析测量原理，搭建实验装置进行验证。实现了轴向测量每秒百帧以上的测量速度，并且得到了微球三维方向1nm的测量分辨力。同时将该方法与同样条件下的互相关法进行了静态和动态对比实验，证明了该方法能够实现对微球的快速高分辨力测量。
　　3.基于CUDA架构，结合GPU加速展开微球三维位置并行测量方法研究。构建了并行测量软件功能架构及测量流程，完成了软件界面设计。同时根据本文提出的微球三维位置测量算法，编写核心算法，实现了部分算法功能，大大提高了测量效率。为实现微球三维位置大通量并行实时测量打下了基础。

目录

声明

第1章绪论

1.1微球三维位置测量技术概述

1.2微球三维位置测量在单分子力谱技术中的应用

1.3GPU加速概述

1.4关于本论文介绍

第2章微球三维位置跟踪测量系统

2.1实验装置

2.2样品制备

2.3离心力显微镜升级

第3章微球三维位置快速精密测量算法

3.1常麻痹测量算法介绍

3.2算法原理

3.3实验与分析

3.4与互相关法对比测量

3.5总结

第4章基于CUDA架构的并行测量方法

4.1 GPU编程原理

4.2 总体设计

4.3 GUI设计

4.4 算法实现

4.5 结果分析

第5章总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢