GA118系列遗传分析仪数据采集软件的设计和实现

赵怡鹤　张涛　吕占斌　李彬

摘  要：GA118系列法医DNA专用检测平台包括GA118系列法医DNA遗传分析仪、法医DNA遗传分析仪配套耗材和数据采集软件。主要应用于法医DNA鉴定实验室，实现PCR产物的基因分型。用户通过此平台中的数据采集软件控制法医DNA遗传分析仪，实现DNA荧光光谱数据采集，生成通用数据格式的DNA数据文件，提供给后续的DNA分析软件使用。文章从整体的角度介绍了GA118系列数据采集软件，包括软件的总体设计思路、软件架构设计、软件接口设计、软硬件之间的通讯及控制方式、软件中各模块实现的功能说明等。

关键词：GA118法医DNA遗传分析仪;DNA荧光光谱;STR;数据采集;多线程

中图分类号：D919         文献标志码：A        文章编号：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

在法醫鉴定实验室应用中，STR是法医DNA样本检测主要方式。STR即短串联重复序列，具有易于PCR扩增、等位基因之间没有差异、高多态性且分布广泛等特点。这些特点决定了STR法医学个体识别中具有良好的前景[1]。

法医DNA样本的检测过程大致可概括为提取-扩增-电泳[2]。即被检测样本经DNA提取、DNA定量后，用PCR扩增目的片段，接下来将用荧光标记的扩增后产物分离，检测STR等位基因[3]。最后将样本的基因分型与其他样本分型结果进行比对、匹配后出具检验报告。

法医DNA遗传分析仪是法医鉴定实验室进行DNA检测的最主要分析仪器。主要的作用是实现PCR产物的基因分型。毛细管电泳可实现灌胶、分离、检测等步骤的自动化[4]，使多样本在无人值守的情况下自动检测，且具有样本需要量少，时间短等优点。而建立在荧光基础上的检测分析技术，具有多色分析、快速、使用简便等优点，故而现在主流的法医DNA遗传分析仪主要采取毛细管电泳，激光诱导荧光采集的方式进行检测[5-6]。

目前，我国公安机关法医鉴定实验室使用的法医DNA遗传分析仪完全依赖于进口，成本居高不下的同时还经常受到国外公司供货掣肘。公安部第一研究所经过长期努力，研制了GA118系列法医DNA专用检测平台系统，包括4道毛细管阵列法医DNA专用检测平台、8道毛细管阵列法医DNA专用检测平台、16道毛细管阵列法医DNA专用检测平台、24道毛细管阵列法医DNA专用检测平台，可直接服务于公安一线，满足各级法医鉴定实验室的要求。

2 GA118系列法医DNA专用检测平台组成

GA118系列法医DNA专用检测平台包括GA118系列法医DNA遗传分析仪、法医DNA遗传分析仪配套用耗材、一台台式计算机。法医DNA遗传分析仪是基于WinCE操作系统，ARM9的平台，配套用耗材为毛细管、样品盘等专用耗材。法医DNA遗传分析仪根据配套毛细管阵列的不同，分为4道、8道、16道、24道等不同型号。为方便，下文中提到的法医DNA遗传分析仪特指包含了配套专用耗材的法医DNA遗传分析仪，简称为仪器。

GA118系列法医DNA专用检测平台数据采集软件安装在一台作为上位机的台式计算机上，上位机与仪器（下位机）之间采用网线连接。不同型号仪器的软件配置文件不同。数据采集软件用于监控仪器工作状态、根据用户的操作指令控制仪器，实现对DNA荧光光谱数据的采集。最终将采集数据和平台相关参数一起打包[7-8]，生成通用数据格式的DNA数据文件，提供给后续的DNA分析软件使用。

3 数据采集软件的工作流程及功能概述

3.1 数据采集软件整体结构

数据采集软件介于法医DNA遗传分析仪和DNA分析软件之间。数据采集软件与仪器之间的通讯使用不同的端口，采用基于TCP/IP的法医DNA检测平台通讯协议进行数据通讯，运行中与SQL SERVER数据库和支持文件进行数据交互，完成对仪器的监控和数据的采集。

软件支持文件中包含仪器配置文件，出厂时安装人员根据仪器型号在此文件中设置正确的毛细管阵列参数和光谱数据采集系统参数。

数据采集软件的输出为通用格式的DNA数据文件。

3.2 数据采集软件工作流程

GA118系列法医DNA专用检测平台最主要的功能是完成法医DNA样本的STR检测，具体工作流程如图3、图4。

3.3 数据采集软件实现功能

数据采集软件主要由系统登录、方法管理、在檢样品数据、仪器监控、历史检测结果浏览五大部分组成。每个部分包含若干模块，实现相关功能。

3.3.1 系统登录

用于核对登录信息，验证用户合法性，并赋予对应的用户权限。用户权限分为管理员、操作员、维护人员，不同权限开放不同功能。

3.3.2 方法管理

法医DNA遗传分析仪有两个样品盘用于放置待检样品（4道仪器只有一个样品盘），4道仪器、8道仪器、16道、24道仪器的检测通道分别为4道、8道、16道、24道毛细管，一次运行最多可检测一个样品盘中的4个、8个、16个、24个待检样品，称为一个样品运行组。

待检样品在仪器开始检测前需要进行一些必要的前期规划，即建立对应的样品表单，确定正确的空间校正标准和光谱校正标准，设定合理的运行模型参数等。此部分可实现样品表单和运行模型相关操作，完成空间校正和光谱校正等主要功能。同时提供用户信息、样品运行组储存清理及相应命名规则设定、系统和仪器信息查询等辅助功能。

3.3.3 在检样品数据

样品表单前期规划正确的样品可进行STR检测。首先进行预电泳过程，随后开始采集在检样品的荧光光谱数据。数据采集软件采用边采集边处理的方式对仪器上传的采集数据以核心算法进行相关处理后，将数据和相关参数一起打包分别生成每个样品的DNA数据文件。

在样品检测过程中，用户可以实时监控电泳过程数据和毛细管运行数据，以便判断此次检测过程是否正确，是否需要及时干预。

3.3.4 仪器监控

在仪器运行和数据采集过程中监控仪器各部件的运行状态。在非检测状态下，用户可在向导的提示下手动控制仪器一些重要组成部分完成必要的仪器调整工作。

3.3.5 历史检测结果浏览

提供已运行完成未被清理的样品文件的信息查询，显示各种信息和图谱，重新生成DNA数据文件。

4 数据采集软件的设计

4.1 软件运行环境

数据采集软件采用面向对象的编程技术。采用VC++作为开发语言，在WIN7操作系统下，使用Microsoft VS作为开发环境。利用SQL SERVER数据库系统保存和管理数据。

4.2 软件总体设计

数据采集软件功能复杂，需要处理的数据量大、实时性强。为了满足仪器控制及大量数据实时处理的要求，同时保证相对良好的用户界面，本采集软件考虑设置三个线程，分别为主线程、光谱数据采集子线程、控制命令子线程。

4.2.1 主线程

主线程负责系统的总调度，包括用户界面，文件读写，数据库服务，子线程控制，数据处理，事件消息命令的接收、解释、分发等。主线程的运行需要数据库和支持文件支持。

主线程与仪器之间有仪器控制命令、事件消息、光谱数据三类信息交互。其中光谱数据在光谱数据线程获得，主线程中只需访问光谱数据全局变量;控制命令由控制命令线程发送，由仪器应答，执行硬件控制、系统设定等功能;事件消息则需要由主线程与仪器通讯获取，主要针对仪器状态信息，由主线程对接收的信息验证、解析、分发、记录并显示。主线程采用派生于CAsynSocket的异步非阻塞Socket类。在主线程启动过程中建立Socket类实例，与仪器的事件消息端口建立通讯管道，如果建立不成功软件将在仪器离线状态下运行，所有需要仪器硬件配合的功能将被禁用。如果仪器运行过程中出现非正常网络故障，软件将收到Socket类非正常关闭消息，主线程响应该消息，并启动自动定时重连，重连函数是异步非阻塞的，会一直尝试与仪器建立连接，如果通讯管道短时间内恢复，并且没收到仪器报错事件消息，软件将继续正常运行，如果恢复通讯管道后收到仪器报错事件消息，软件将提示发生错误，并进行错误处理。

4.2.2 光谱数据采集子线程

光谱数据采集子线程受主线程控制，负责大容量光谱数据的传输，最大限度的保证了数据完整性和实时性。

光谱数据采集子线程不负责光谱数据的处理与使用，按主线程的控制采集空间校正、光谱校正、STR检测三类数据，后两类数据在数据传输格式上一致。

4.2.3 控制命令子线程

控制命令子线程受主线程控制，按法医DNA检测平台通讯协议实现对仪器控制命令的收发、解析。

4.3 基于MFC的MDI

数据采集软件涉及的功能模块和数据较多、交互性比较复杂，所以结构上使用多文档结构。用文档模板把视图（View）、框架（Frame）和文档（Doc）关联起来，每个独立功能模块都建立一个文档模版，有自己的视图、框架和文档，使它们轻松与数据相统一[9]。软件还采用了BCGControlBar用户界面技术和Iocomp控件技术。

4.4 数据库设计

数据采集软件的数据库访问采用ADO数据库技术。ADO是基于COM的访问技术，面向对象，具有易于使用、速度快、内存支出少等优点[10]。

SQL SERVER是一个关系数据库系统，因其具有使用方便、可伸缩性好、安全性强、与相关软件集成度高等优点而被广泛应用[11]。

数据采集软件在SQL SERVER中建立一个数据库，命名为DNA数据库，将数据分门别类建立相应的表单，实现与软件的数据交互。

4.5 不同型号仪器的配置

不同型号法医遗传分析仪的毛细管阵列、光谱数据采集系统、软件支持文件都不尽相同。为保证与不同型号仪器数据采集软件的兼容性，同时充分考虑到后续系列法医遗传分析仪的研制需要，在配置文件中设置毛细管阵列数、数据计算单位数、光谱数据采集系统像素尺寸等配置项，供相关人员根据使用仪器的型号进行正确配置。

5 结束语

本文詳细的介绍了法医DNA专用检测平台中的数据采集软件，它配合多种型号的法医DNA专用检测平台（硬件）使用，初步实现了法医DNA遗传分析仪的国产化，是一项重大的突破。

在各级公安机关法医DNA鉴定实验室的试用期间，软件整体运行稳定，各模块运行良好，能正确完成空间校正、光谱校正和STR数据采集过程。生成的DNA数据文件可导入通用的DNA分析软件（idx、GeneMapper、GeneMarker等）中获得正确分型，检测成功率达98%以上，完全能够满足法医DNA片段分析要求。

参考文献：

[1]John M.Butler.法医DNA分型专论：方法学（原书第三版）[M].侯一平，李成涛，译.北京：科学出版社，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]石岩，王立强，郑华，等.激光诱导荧光毛细管电泳DNA检测系统信噪比分析[J].光子学报，2008（07）：1446-1449.

[7]张之旭.21CFR第11部分在分析实验室中的实施（序言）[J].现代仪器，2003（04）：43-46.

[8]Ludwing Huber，张之旭. 21CFR第11部分在分析实验室中的实施——第2部分：系统与应用的安全[J].现代仪器，2003（05）：49-53.

[9]侯俊杰.深入浅出MFC（第2版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2001.

[10]谷震离.ADO访问SQL Server数据库技术分析及其应用[J].计算机应用与软件，2004（12）：32-33.

[11]闫旭.浅谈SQL Server数据库的特点和基本功能[J].价值工程，2012（22）：229-231.