GA118系列遺傳分析儀數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計和實現(xiàn)

趙怡鶴　張濤　呂占斌　李彬

摘? 要：GA118系列法醫(yī)DNA專用檢測平臺包括GA118系列法醫(yī)DNA遺傳分析儀、法醫(yī)DNA遺傳分析儀配套耗材和數(shù)據(jù)采集軟件。主要應(yīng)用于法醫(yī)DNA鑒定實驗室，實現(xiàn)PCR產(chǎn)物的基因分型。用戶通過此平臺中的數(shù)據(jù)采集軟件控制法醫(yī)DNA遺傳分析儀，實現(xiàn)DNA熒光光譜數(shù)據(jù)采集，生成通用數(shù)據(jù)格式的DNA數(shù)據(jù)文件，提供給后續(xù)的DNA分析軟件使用。文章從整體的角度介紹了GA118系列數(shù)據(jù)采集軟件，包括軟件的總體設(shè)計思路、軟件架構(gòu)設(shè)計、軟件接口設(shè)計、軟硬件之間的通訊及控制方式、軟件中各模塊實現(xiàn)的功能說明等。

關(guān)鍵詞：GA118法醫(yī)DNA遺傳分析儀;DNA熒光光譜;STR;數(shù)據(jù)采集;多線程

中圖分類號：D919? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）29-0001-04

Abstract： GA118 series forensic DNA special testing platform includes GA118 series forensic DNA genetic analyzer， forensic DNA genetic analyzer supporting consumables and data acquisition software. It is mainly used in forensic DNA identification laboratory in order to realize the genotyping of PCR products. Through the data acquisition software in this platform， the user controls the forensic DNA genetic analyzer， realizes the DNA fluorescence spectrum data acquisition， generates the DNA data file in the general data format， and provides it to the subsequent DNA analysis software. This paper introduces the GA118 series data acquisition， including the overall idea of software design， the design of the software architecture， the design of the software interface， the communication between software and hardware and the control mode， and the function description of each module in the software.

Keywords： GA118 forensic DNA genetic analyzer; DNA fluorescence spectrum; STR; data acquisition; multithreading

1 概述

在法醫(yī)鑒定實驗室應(yīng)用中，STR是法醫(yī)DNA樣本檢測主要方式。STR即短串聯(lián)重復(fù)序列，具有易于PCR擴(kuò)增、等位基因之間沒有差異、高多態(tài)性且分布廣泛等特點。這些特點決定了STR法醫(yī)學(xué)個體識別中具有良好的前景[1]。

法醫(yī)DNA樣本的檢測過程大致可概括為提取-擴(kuò)增-電泳[2]。即被檢測樣本經(jīng)DNA提取、DNA定量后，用PCR擴(kuò)增目的片段，接下來將用熒光標(biāo)記的擴(kuò)增后產(chǎn)物分離，檢測STR等位基因[3]。最后將樣本的基因分型與其他樣本分型結(jié)果進(jìn)行比對、匹配后出具檢驗報告。

法醫(yī)DNA遺傳分析儀是法醫(yī)鑒定實驗室進(jìn)行DNA檢測的最主要分析儀器。主要的作用是實現(xiàn)PCR產(chǎn)物的基因分型。毛細(xì)管電泳可實現(xiàn)灌膠、分離、檢測等步驟的自動化[4]，使多樣本在無人值守的情況下自動檢測，且具有樣本需要量少，時間短等優(yōu)點。而建立在熒光基礎(chǔ)上的檢測分析技術(shù)，具有多色分析、快速、使用簡便等優(yōu)點，故而現(xiàn)在主流的法醫(yī)DNA遺傳分析儀主要采取毛細(xì)管電泳，激光誘導(dǎo)熒光采集的方式進(jìn)行檢測[5-6]。

目前，我國公安機(jī)關(guān)法醫(yī)鑒定實驗室使用的法醫(yī)DNA遺傳分析儀完全依賴于進(jìn)口，成本居高不下的同時還經(jīng)常受到國外公司供貨掣肘。公安部第一研究所經(jīng)過長期努力，研制了GA118系列法醫(yī)DNA專用檢測平臺系統(tǒng)，包括4道毛細(xì)管陣列法醫(yī)DNA專用檢測平臺、8道毛細(xì)管陣列法醫(yī)DNA專用檢測平臺、16道毛細(xì)管陣列法醫(yī)DNA專用檢測平臺、24道毛細(xì)管陣列法醫(yī)DNA專用檢測平臺，可直接服務(wù)于公安一線，滿足各級法醫(yī)鑒定實驗室的要求。

2 GA118系列法醫(yī)DNA專用檢測平臺組成

GA118系列法醫(yī)DNA專用檢測平臺包括GA118系列法醫(yī)DNA遺傳分析儀、法醫(yī)DNA遺傳分析儀配套用耗材、一臺臺式計算機(jī)。法醫(yī)DNA遺傳分析儀是基于WinCE操作系統(tǒng)，ARM9的平臺，配套用耗材為毛細(xì)管、樣品盤等專用耗材。法醫(yī)DNA遺傳分析儀根據(jù)配套毛細(xì)管陣列的不同，分為4道、8道、16道、24道等不同型號。為方便，下文中提到的法醫(yī)DNA遺傳分析儀特指包含了配套專用耗材的法醫(yī)DNA遺傳分析儀，簡稱為儀器。

GA118系列法醫(yī)DNA專用檢測平臺數(shù)據(jù)采集軟件安裝在一臺作為上位機(jī)的臺式計算機(jī)上，上位機(jī)與儀器（下位機(jī)）之間采用網(wǎng)線連接。不同型號儀器的軟件配置文件不同。數(shù)據(jù)采集軟件用于監(jiān)控儀器工作狀態(tài)、根據(jù)用戶的操作指令控制儀器，實現(xiàn)對DNA熒光光譜數(shù)據(jù)的采集。最終將采集數(shù)據(jù)和平臺相關(guān)參數(shù)一起打包[7-8]，生成通用數(shù)據(jù)格式的DNA數(shù)據(jù)文件，提供給后續(xù)的DNA分析軟件使用。

3 數(shù)據(jù)采集軟件的工作流程及功能概述

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件整體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集軟件介于法醫(yī)DNA遺傳分析儀和DNA分析軟件之間。數(shù)據(jù)采集軟件與儀器之間的通訊使用不同的端口，采用基于TCP/IP的法醫(yī)DNA檢測平臺通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，運(yùn)行中與SQL SERVER數(shù)據(jù)庫和支持文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成對儀器的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的采集。

軟件支持文件中包含儀器配置文件，出廠時安裝人員根據(jù)儀器型號在此文件中設(shè)置正確的毛細(xì)管陣列參數(shù)和光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)。

數(shù)據(jù)采集軟件的輸出為通用格式的DNA數(shù)據(jù)文件。

3.2 數(shù)據(jù)采集軟件工作流程

GA118系列法醫(yī)DNA專用檢測平臺最主要的功能是完成法醫(yī)DNA樣本的STR檢測，具體工作流程如圖3、圖4。

3.3 數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)功能

數(shù)據(jù)采集軟件主要由系統(tǒng)登錄、方法管理、在檢樣品數(shù)據(jù)、儀器監(jiān)控、歷史檢測結(jié)果瀏覽五大部分組成。每個部分包含若干模塊，實現(xiàn)相關(guān)功能。

3.3.1 系統(tǒng)登錄

用于核對登錄信息，驗證用戶合法性，并賦予對應(yīng)的用戶權(quán)限。用戶權(quán)限分為管理員、操作員、維護(hù)人員，不同權(quán)限開放不同功能。

3.3.2 方法管理

法醫(yī)DNA遺傳分析儀有兩個樣品盤用于放置待檢樣品（4道儀器只有一個樣品盤），4道儀器、8道儀器、16道、24道儀器的檢測通道分別為4道、8道、16道、24道毛細(xì)管，一次運(yùn)行最多可檢測一個樣品盤中的4個、8個、16個、24個待檢樣品，稱為一個樣品運(yùn)行組。

待檢樣品在儀器開始檢測前需要進(jìn)行一些必要的前期規(guī)劃，即建立對應(yīng)的樣品表單，確定正確的空間校正標(biāo)準(zhǔn)和光譜校正標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定合理的運(yùn)行模型參數(shù)等。此部分可實現(xiàn)樣品表單和運(yùn)行模型相關(guān)操作，完成空間校正和光譜校正等主要功能。同時提供用戶信息、樣品運(yùn)行組儲存清理及相應(yīng)命名規(guī)則設(shè)定、系統(tǒng)和儀器信息查詢等輔助功能。

3.3.3 在檢樣品數(shù)據(jù)

樣品表單前期規(guī)劃正確的樣品可進(jìn)行STR檢測。首先進(jìn)行預(yù)電泳過程，隨后開始采集在檢樣品的熒光光譜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集軟件采用邊采集邊處理的方式對儀器上傳的采集數(shù)據(jù)以核心算法進(jìn)行相關(guān)處理后，將數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)一起打包分別生成每個樣品的DNA數(shù)據(jù)文件。

在樣品檢測過程中，用戶可以實時監(jiān)控電泳過程數(shù)據(jù)和毛細(xì)管運(yùn)行數(shù)據(jù)，以便判斷此次檢測過程是否正確，是否需要及時干預(yù)。

3.3.4 儀器監(jiān)控

在儀器運(yùn)行和數(shù)據(jù)采集過程中監(jiān)控儀器各部件的運(yùn)行狀態(tài)。在非檢測狀態(tài)下，用戶可在向?qū)У奶崾鞠率謩涌刂苾x器一些重要組成部分完成必要的儀器調(diào)整工作。

3.3.5 歷史檢測結(jié)果瀏覽

提供已運(yùn)行完成未被清理的樣品文件的信息查詢，顯示各種信息和圖譜，重新生成DNA數(shù)據(jù)文件。

4 數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計

4.1 軟件運(yùn)行環(huán)境

數(shù)據(jù)采集軟件采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)。采用VC++作為開發(fā)語言，在WIN7操作系統(tǒng)下，使用Microsoft VS作為開發(fā)環(huán)境。利用SQL SERVER數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)保存和管理數(shù)據(jù)。

4.2 軟件總體設(shè)計

數(shù)據(jù)采集軟件功能復(fù)雜，需要處理的數(shù)據(jù)量大、實時性強(qiáng)。為了滿足儀器控制及大量數(shù)據(jù)實時處理的要求，同時保證相對良好的用戶界面，本采集軟件考慮設(shè)置三個線程，分別為主線程、光譜數(shù)據(jù)采集子線程、控制命令子線程。

4.2.1 主線程

主線程負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總調(diào)度，包括用戶界面，文件讀寫，數(shù)據(jù)庫服務(wù)，子線程控制，數(shù)據(jù)處理，事件消息命令的接收、解釋、分發(fā)等。主線程的運(yùn)行需要數(shù)據(jù)庫和支持文件支持。

主線程與儀器之間有儀器控制命令、事件消息、光譜數(shù)據(jù)三類信息交互。其中光譜數(shù)據(jù)在光譜數(shù)據(jù)線程獲得，主線程中只需訪問光譜數(shù)據(jù)全局變量;控制命令由控制命令線程發(fā)送，由儀器應(yīng)答，執(zhí)行硬件控制、系統(tǒng)設(shè)定等功能;事件消息則需要由主線程與儀器通訊獲取，主要針對儀器狀態(tài)信息，由主線程對接收的信息驗證、解析、分發(fā)、記錄并顯示。主線程采用派生于CAsynSocket的異步非阻塞Socket類。在主線程啟動過程中建立Socket類實例，與儀器的事件消息端口建立通訊管道，如果建立不成功軟件將在儀器離線狀態(tài)下運(yùn)行，所有需要儀器硬件配合的功能將被禁用。如果儀器運(yùn)行過程中出現(xiàn)非正常網(wǎng)絡(luò)故障，軟件將收到Socket類非正常關(guān)閉消息，主線程響應(yīng)該消息，并啟動自動定時重連，重連函數(shù)是異步非阻塞的，會一直嘗試與儀器建立連接，如果通訊管道短時間內(nèi)恢復(fù)，并且沒收到儀器報錯事件消息，軟件將繼續(xù)正常運(yùn)行，如果恢復(fù)通訊管道后收到儀器報錯事件消息，軟件將提示發(fā)生錯誤，并進(jìn)行錯誤處理。

4.2.2 光譜數(shù)據(jù)采集子線程

光譜數(shù)據(jù)采集子線程受主線程控制，負(fù)責(zé)大容量光譜數(shù)據(jù)的傳輸，最大限度的保證了數(shù)據(jù)完整性和實時性。

光譜數(shù)據(jù)采集子線程不負(fù)責(zé)光譜數(shù)據(jù)的處理與使用，按主線程的控制采集空間校正、光譜校正、STR檢測三類數(shù)據(jù)，后兩類數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)傳輸格式上一致。

4.2.3 控制命令子線程

控制命令子線程受主線程控制，按法醫(yī)DNA檢測平臺通訊協(xié)議實現(xiàn)對儀器控制命令的收發(fā)、解析。

4.3 基于MFC的MDI

數(shù)據(jù)采集軟件涉及的功能模塊和數(shù)據(jù)較多、交互性比較復(fù)雜，所以結(jié)構(gòu)上使用多文檔結(jié)構(gòu)。用文檔模板把視圖（View）、框架（Frame）和文檔（Doc）關(guān)聯(lián)起來，每個獨(dú)立功能模塊都建立一個文檔模版，有自己的視圖、框架和文檔，使它們輕松與數(shù)據(jù)相統(tǒng)一[9]。軟件還采用了BCGControlBar用戶界面技術(shù)和Iocomp控件技術(shù)。

4.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)采集軟件的數(shù)據(jù)庫訪問采用ADO數(shù)據(jù)庫技術(shù)。ADO是基于COM的訪問技術(shù)，面向?qū)ο螅哂幸子谑褂谩⑺俣瓤臁?nèi)存支出少等優(yōu)點[10]。

SQL SERVER是一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，因其具有使用方便、可伸縮性好、安全性強(qiáng)、與相關(guān)軟件集成度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[11]。

數(shù)據(jù)采集軟件在SQL SERVER中建立一個數(shù)據(jù)庫，命名為DNA數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)分門別類建立相應(yīng)的表單，實現(xiàn)與軟件的數(shù)據(jù)交互。

4.5 不同型號儀器的配置

不同型號法醫(yī)遺傳分析儀的毛細(xì)管陣列、光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、軟件支持文件都不盡相同。為保證與不同型號儀器數(shù)據(jù)采集軟件的兼容性，同時充分考慮到后續(xù)系列法醫(yī)遺傳分析儀的研制需要，在配置文件中設(shè)置毛細(xì)管陣列數(shù)、數(shù)據(jù)計算單位數(shù)、光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)像素尺寸等配置項，供相關(guān)人員根據(jù)使用儀器的型號進(jìn)行正確配置。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)的介紹了法醫(yī)DNA專用檢測平臺中的數(shù)據(jù)采集軟件，它配合多種型號的法醫(yī)DNA專用檢測平臺（硬件）使用，初步實現(xiàn)了法醫(yī)DNA遺傳分析儀的國產(chǎn)化，是一項重大的突破。

在各級公安機(jī)關(guān)法醫(yī)DNA鑒定實驗室的試用期間，軟件整體運(yùn)行穩(wěn)定，各模塊運(yùn)行良好，能正確完成空間校正、光譜校正和STR數(shù)據(jù)采集過程。生成的DNA數(shù)據(jù)文件可導(dǎo)入通用的DNA分析軟件（idx、GeneMapper、GeneMarker等）中獲得正確分型，檢測成功率達(dá)98%以上，完全能夠滿足法醫(yī)DNA片段分析要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]John M.Butler.法醫(yī)DNA分型專論：方法學(xué)（原書第三版）[M].侯一平，李成濤，譯.北京：科學(xué)出版社，2013.

[2]John M.Butler. Fundamentals of Forensic DNA Typing[M].U.S.A： ACADEMIC PRESS.2010.

[3]Smith LM，Sanders JZ，Kaiser RJ，Hughes P，Dodd C，Connell CR，Heiner C，Kent SB，Hood LE. Fluorescence detection in automated DNA sequence analysis[J]. Nature. 1986 Jun 12-18;321（6071）：674-9.

[4]Buel E， Schwartz MB， LaFountain MJ. Capillary electrophoresis STR analysis： comparison to gel-based systems[J]. Forensic Sci. 1998，43（1）：164-170.

[5]Sebastian Gotz， Uwe Karst. Recent developments in optical detection methods for microchip separations [J]. Anal. Bioanal. Chem.， 2007， 387（1）：183-192.

[6]石巖，王立強(qiáng)，鄭華，等.激光誘導(dǎo)熒光毛細(xì)管電泳DNA檢測系統(tǒng)信噪比分析[J].光子學(xué)報，2008（07）：1446-1449.

[7]張之旭.21CFR第11部分在分析實驗室中的實施（序言）[J].現(xiàn)代儀器，2003（04）：43-46.

[8]Ludwing Huber，張之旭. 21CFR第11部分在分析實驗室中的實施——第2部分：系統(tǒng)與應(yīng)用的安全[J].現(xiàn)代儀器，2003（05）：49-53.

[9]侯俊杰.深入淺出MFC（第2版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.

[10]谷震離.ADO訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)分析及其應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004（12）：32-33.

[11]閆旭.淺談SQL Server數(shù)據(jù)庫的特點和基本功能[J].價值工程，2012（22）：229-231.