GA118系列遺傳分析儀數據采集軟件的設計和實現

趙怡鶴　張濤　呂占斌　李彬

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

關鍵詞：GA118法醫DNA遺傳分析儀;DNA熒光光譜;STR;數據采集;多線程

中圖分類號：D919? ? ? ? ?文獻標志碼：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

在法醫鑒定實驗室應用中，STR是法醫DNA樣本檢測主要方式。STR即短串聯重復序列，具有易于PCR擴增、等位基因之間沒有差異、高多態性且分布廣泛等特點。這些特點決定了STR法醫學個體識別中具有良好的前景[1]。

法醫DNA樣本的檢測過程大致可概括為提取-擴增-電泳[2]。即被檢測樣本經DNA提取、DNA定量后，用PCR擴增目的片段，接下來將用熒光標記的擴增后產物分離，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果進行比對、匹配后出具檢驗報告。

法醫DNA遺傳分析儀是法醫鑒定實驗室進行DNA檢測的最主要分析儀器。主要的作用是實現PCR產物的基因分型。毛細管電泳可實現灌膠、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，時間短等優點。而建立在熒光基礎上的檢測分析技術，具有多色分析、快速、使用簡便等優點，故而現在主流的法醫DNA遺傳分析儀主要采取毛細管電泳，激光誘導熒光采集的方式進行檢測[5-6]。

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

2 GA118系列法醫DNA專用檢測平臺組成

GA118系列法醫DNA專用檢測平臺包括GA118系列法醫DNA遺傳分析儀、法醫DNA遺傳分析儀配套用耗材、一臺臺式計算機。法醫DNA遺傳分析儀是基于WinCE操作系統，ARM9的平臺，配套用耗材為毛細管、樣品盤等專用耗材。法醫DNA遺傳分析儀根據配套毛細管陣列的不同，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DNA遺傳分析儀特指包含了配套專用耗材的法醫DNA遺傳分析儀，簡稱為儀器。

GA118系列法醫DNA專用檢測平臺數據采集軟件安裝在一臺作為上位機的臺式計算機上，上位機與儀器（下位機）之間采用網線連接。不同型號儀器的軟件配置文件不同。數據采集軟件用于監控儀器工作狀態、根據用戶的操作指令控制儀器，實現對DNA熒光光譜數據的采集。最終將采集數據和平臺相關參數一起打包[7-8]，生成通用數據格式的DNA數據文件，提供給后續的DNA分析軟件使用。

3 數據采集軟件的工作流程及功能概述

3.1 數據采集軟件整體結構

數據采集軟件介于法醫DNA遺傳分析儀和DNA分析軟件之間。數據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DNA檢測平臺通訊協議進行數據通訊，運行中與SQL SERVER數據庫和支持文件進行數據交互，完成對儀器的監控和數據的采集。

軟件支持文件中包含儀器配置文件，出廠時安裝人員根據儀器型號在此文件中設置正確的毛細管陣列參數和光譜數據采集系統參數。

數據采集軟件的輸出為通用格式的DNA數據文件。

3.2 數據采集軟件工作流程

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

3.3 數據采集軟件實現功能

數據采集軟件主要由系統登錄、方法管理、在檢樣品數據、儀器監控、歷史檢測結果瀏覽五大部分組成。每個部分包含若干模塊，實現相關功能。

3.3.1 系統登錄

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

3.3.2 方法管理

法醫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道毛細管，一次運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，稱為一個樣品運行組。

待檢樣品在儀器開始檢測前需要進行一些必要的前期規劃，即建立對應的樣品表單，確定正確的空間校正標準和光譜校正標準，設定合理的運行模型參數等。此部分可實現樣品表單和運行模型相關操作，完成空間校正和光譜校正等主要功能。同時提供用戶信息、樣品運行組儲存清理及相應命名規則設定、系統和儀器信息查詢等輔助功能。

3.3.3 在檢樣品數據

樣品表單前期規劃正確的樣品可進行STR檢測。首先進行預電泳過程，隨后開始采集在檢樣品的熒光光譜數據。數據采集軟件采用邊采集邊處理的方式對儀器上傳的采集數據以核心算法進行相關處理后，將數據和相關參數一起打包分別生成每個樣品的DNA數據文件。

在樣品檢測過程中，用戶可以實時監控電泳過程數據和毛細管運行數據，以便判斷此次檢測過程是否正確，是否需要及時干預。

3.3.4 儀器監控

在儀器運行和數據采集過程中監控儀器各部件的運行狀態。在非檢測狀態下，用戶可在向導的提示下手動控制儀器一些重要組成部分完成必要的儀器調整工作。

3.3.5 歷史檢測結果瀏覽

提供已運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數據文件。

4 數據采集軟件的設計

4.1 軟件運行環境

數據采集軟件采用面向對象的編程技術。采用VC++作為開發語言，在WIN7操作系統下，使用Microsoft VS作為開發環境。利用SQL SERVER數據庫系統保存和管理數據。

4.2 軟件總體設計

數據采集軟件功能復雜，需要處理的數據量大、實時性強。為了滿足儀器控制及大量數據實時處理的要求，同時保證相對良好的用戶界面，本采集軟件考慮設置三個線程，分別為主線程、光譜數據采集子線程、控制命令子線程。

4.2.1 主線程

主線程負責系統的總調度，包括用戶界面，文件讀寫，數據庫服務，子線程控制，數據處理，事件消息命令的接收、解釋、分發等。主線程的運行需要數據庫和支持文件支持。

主線程與儀器之間有儀器控制命令、事件消息、光譜數據三類信息交互。其中光譜數據在光譜數據線程獲得，主線程中只需訪問光譜數據全局變量;控制命令由控制命令線程發送，由儀器應答，執行硬件控制、系統設定等功能;事件消息則需要由主線程與儀器通訊獲取，主要針對儀器狀態信息，由主線程對接收的信息驗證、解析、分發、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下運行，所有需要儀器硬件配合的功能將被禁用。如果儀器運行過程中出現非正常網絡故障，軟件將收到Socket類非正常關閉消息，主線程響應該消息，并啟動自動定時重連，重連函數是異步非阻塞的，會一直嘗試與儀器建立連接，如果通訊管道短時間內恢復，并且沒收到儀器報錯事件消息，軟件將繼續正常運行，如果恢復通訊管道后收到儀器報錯事件消息，軟件將提示發生錯誤，并進行錯誤處理。

4.2.2 光譜數據采集子線程

光譜數據采集子線程受主線程控制，負責大容量光譜數據的傳輸，最大限度的保證了數據完整性和實時性。

光譜數據采集子線程不負責光譜數據的處理與使用，按主線程的控制采集空間校正、光譜校正、STR檢測三類數據，后兩類數據在數據傳輸格式上一致。

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DNA檢測平臺通訊協議實現對儀器控制命令的收發、解析。

4.3 基于MFC的MDI

數據采集軟件涉及的功能模塊和數據較多、交互性比較復雜，所以結構上使用多文檔結構。用文檔模板把視圖（View）、框架（Frame）和文檔（Doc）關聯起來，每個獨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，使它們輕松與數據相統一[9]。軟件還采用了BCGControlBar用戶界面技術和Iocomp控件技術。

4.4 數據庫設計

數據采集軟件的數據庫訪問采用ADO數據庫技術。ADO是基于COM的訪問技術，面向對象，具有易于使用、速度快、內存支出少等優點[10]。

SQL SERVER是一個關系數據庫系統，因其具有使用方便、可伸縮性好、安全性強、與相關軟件集成度高等優點而被廣泛應用[11]。

數據采集軟件在SQL SERVER中建立一個數據庫，命名為DNA數據庫，將數據分門別類建立相應的表單，實現與軟件的數據交互。

4.5 不同型號儀器的配置

不同型號法醫遺傳分析儀的毛細管陣列、光譜數據采集系統、軟件支持文件都不盡相同。為保證與不同型號儀器數據采集軟件的兼容性，同時充分考慮到后續系列法醫遺傳分析儀的研制需要，在配置文件中設置毛細管陣列數、數據計算單位數、光譜數據采集系統像素尺寸等配置項，供相關人員根據使用儀器的型號進行正確配置。

5 結束語

本文詳細的介紹了法醫DNA專用檢測平臺中的數據采集軟件，它配合多種型號的法醫DNA專用檢測平臺（硬件）使用，初步實現了法醫DNA遺傳分析儀的國產化，是一項重大的突破。

在各級公安機關法醫DNA鑒定實驗室的試用期間，軟件整體運行穩定，各模塊運行良好，能正確完成空間校正、光譜校正和STR數據采集過程。生成的DNA數據文件可導入通用的DNA分析軟件（idx、GeneMapper、GeneMarker等）中獲得正確分型，檢測成功率達98%以上，完全能夠滿足法醫DNA片段分析要求。

參考文獻：

[1]John M.Butler.法醫DNA分型專論：方法學（原書第三版）[M].侯一平，李成濤，譯.北京：科學出版社，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，鄭華，等.激光誘導熒光毛細管電泳DNA檢測系統信噪比分析[J].光子學報，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：系統與應用的安全[J].現代儀器，2003（05）：49-53.

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

[10]谷震離.ADO訪問SQL Server數據庫技術分析及其應用[J].計算機應用與軟件，2004（12）：32-33.

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