[發明專利]一種基于增強現實技術的3D分子交互對接系統及實現方法

有效

• 申請號: 201510039657.3
• 申請日: 2015-01-26
• 公開（公告）號: CN104571527B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 何高奇;李洪林;孫菲
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06T17/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 胡紅芳

1.一種基于增強現實技術的3D分子交互對接系統，其特征在于，所述3D分子交互對接系統包括相互連接的用戶端和服務器端；

所述用戶端包括增強現實模塊和用戶管理模塊；所述增強現實模塊包括標識識別模塊、分子三維顯示模塊以及能量顯示模塊；所述用戶管理模塊包括構象提交、構象檢索和用戶排名查詢模塊；

所述服務器端包括打分函數模塊、傳遞分數的消息中間件、排名系統以及分子數據庫；

所述打分函數模塊用來實現分子對接過程中的顯示構象的實時打分，評價當前構象的結合能力，確定構象是否合理；

所述打分函數模塊與所述能量顯示模塊通過所述消息中間件完成所述用戶端與所述服務器端的實時通訊，提供快速可靠的消息傳遞機制；

所述排名系統對用戶和用戶提交的構象進行排名，并且保存相關信息，供所述排名查詢模塊進行查詢和統計；

所述分子數據庫提供相關受體和配體結構，并對受體和配體進行一定的預處理，供用戶對接時選擇；所述標識識別模塊通過用戶授權后調用其瀏覽器攝像頭，在攝像頭捕獲的視頻元素中識別用戶設定的標志，來確定用戶選擇的配體與受體分子；所述分子三維顯示模塊在Web瀏覽器端顯示分子三維結構，幫助用戶確認配體與受體之間的位置關系；所述能量顯示模塊用來獲得用戶當前構象的評價，并顯示產生的虛擬的配體與受體分子對接過程中實時打分的結果，幫助用戶繼續搜尋更好的構象。

2.一種基于增強現實技術的3D分子交互對接實現方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)利用圖形引擎建模和繪制已知的生物大分子，存入分子數據庫；用戶從所述分子數據庫中選擇配體和受體結構；根據所述配體和受體結構初始化標識卡的標識信息；

(2)通過用戶端的攝像頭對所述標識卡進行識別，以獲取虛擬三維分子的構象，并將該虛擬三維分子與真實場景中的標識卡疊加，在所述用戶端的顯示屏上顯示增強現實的分子構象，得到所述增強現實的分子構象中配體和受體的相對坐標矩陣；

(3)所述用戶端將所述相對坐標矩陣通過服務器端的消息中間件發送至打分函數模塊，評價當前構象的結合能力，確定構象是否合理，進行實時打分；并通過所述消息中間件將實時打分結果傳回所述用戶端的能量顯示模塊，所述能量顯示模塊顯示所述實時打分結果，供用戶判斷是否為最佳構象或繼續搜尋更好的構象；

(4)所述服務器端的排名系統對用戶和用戶提交的所有構象所獲得的實時打分進行排名，并將排名信息傳送至所述用戶端的用戶管理模塊，用于后續的構象檢索、排名查詢或統計分析。

3.根據權利要求2的3D分子交互對接實現方法，其特征在于，步驟(2)中用戶通過移動標識改變所述顯示屏上顯示的三維分子的位置，其當前位置構象的分數也實時地顯示在所述顯示屏上。

4.根據權利要求2所述的3D分子交互對接實現方法，其特征在于，步驟(3)中所述打分函數模塊的實時打分方法為：根據分子生物學理論，利用基于GPL協議的開源分子對接軟件Autodock現有的打分函數，并使用相關的算法對其進行優化，具體如下：

首先，采用格點法，對蛋白質進行預處理，先計算出接近蛋白質區域的各點內的范德華作用、靜電相互作用、氫鍵相互作用和溶劑化效應；

其次，得到所有能量之后，在每次計算能量打分時候，利用三線插值法，將范德華作用、靜電相互作用、氫鍵相互作用和溶劑化效應加權求和，再加上自由度能量，得到相應的結合自由能；

最終，實現基于配位點局部范圍搜索的打分函數，獲取交互式對接的分數，依據該分數評價交互過程中的分子對接效果。

5.根據權利要求2所述的3D分子交互對接實現方法，其特征在于，將步驟(4)中實時打分結果傳送至成績排行網站并進行顯示，系統根據所有用戶的分數建立一個排行榜，以激勵用戶對分子對接游戲的興趣。

6.根據權利要求2所述的3D分子交互對接實現方法，其特征在于，步驟(1)和步驟(2)的所述標識卡上集成了便于圖像識別的特征元素；所述用戶端通過調用自身集成的攝像頭采集該標識卡上的圖像信息，并通過自身集成的標識識別模塊對所述特征元素進行識別，獲取所述標識卡中的二維圖像信息，以調取相對應的虛擬三維分子。

7.根據權利要求6所述的3D分子交互對接實現方法，其特征在于，所述標識卡具有黑色邊框，所述黑色邊框的內部是白底黑色字符的標識。