基于区域像素分类的基因图谱检测方法研究

刘海艳

摘 要： 通过对基因图谱的有效检测获得遗传基因信息，根据这些信息实现对病理的分析和诊疗。传统的基于图谱检测方法采用基因序列测定方法获得图谱的像素特征信息，随着个人基因信息在区域间的像素分类特征的增大，导致检测结果不准。提出一种基于区域像素分类的基因图谱检测方法。通过对基因图谱检测系统原理的分析，利用荧光物质的闪烁现象记录基因图谱的核糖核酸辐射值，包括基因图谱的光导和光电倍增量值，通过区域像素分类，形成电子束在阳极上产生电压脉冲，采用ADSP21160处理器进行基因图谱的区域像素特征采集，硬件设计包括ARM嵌入式微处理器设计、基因图谱检测DSP控制电路设计和滤波电路设计，然后基于Visual DSP++ 4.5开发平台进行了基因图谱检测系统的软件开发，实现系统集成调试。研究结果表明，采用该检测仪能有效实现对基因图谱的检测和特征分析，为遗传病理的诊疗和分析奠定基础。

关键词： 基因图谱； 区域像素； 检测方法； 系统设计

中图分类号： TN911.73?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）04?0094?05

Abstract： The genetic gene information is obtained by the effective detection of the genetic map to achieve the analysis and diagnosis of pathology. The method of gene sequence analysis is used in the traditional detecting method based on the map to get pixel feature information of the map， but with the increase of individual gene information in the region， its testing result is not accurate. A new method for gene map based on region pixel classification is proposed. With the principle analysis of the gene map detecting system， the fluorescent substance flicker phenomenon is employed to record RNA radiation values of gene map， including light guide and optoelectronic time increment values of gene map. The voltage pulse of electron beam is formed at the anode by means of regional pixel classification. The processor ADSP21160 is adopted to collect regional pixel features of gene map. The hardware design includes design of ARM embedded microprocessor， DSP control circuit for gene map detection and filtering circuit. Based on Visual DSP ++4.5 development platform， the software development of the gene map detecting system was performed for implementation of system integration and debugging. The research results show that the detecting system can achieve detection and analysis of gene map， which lays a foundation for the diagnosis and analysis of genetic pathology.

Keywords： genetic map； regional pixel； detection method； system design

0 引 言

人类的基因存在于人体的每一个细胞内的DNA分子中，对人类基因图谱的准确检测和绘制，可以把人类的23对染色体上的基因序列在准确排列出来，基因图谱是31亿个“字母”的排列组合，通过对图谱的绘制和药物改变自身生物基因的排序，实现对相关遗传方面疾病的治疗。随着生命与计算机科学的发展，人类的基因图谱检测的研究也逐渐发展，当前，全球能提供基因检测的机构将近2 000家，为了描绘基因图谱，254家生命科学公司花费了大量的人力和物力进行了基因检测方面的研究，通过基因图谱检测，探索生命遗传信息留下每个人的独特的基因身份证和密码，为人类疾病的治疗带来福音，关于基因图谱检测方法的研究正在日渐受到人们的重视[1]。

基因图谱检测是通过标识DNA图像中的特征序列点，采用高斯滤波算法，对图像进行像素分类和边缘检测[2]，在传统方法中，对基因图谱的检测方法主要采用如小波分析方法、变长编码方法和基因图谱检测的张量空间模型构建方法等实现对基因图谱的检测，其中，文献[3]提出一种基于自然伽马放射检测的生物基因图谱检测方法，通过分析基因序列的[α]射线、[β]射线以及[γ]射线进行基因组的位置重排，采用DSP（数字信号处理器）实现基因图谱检测仪器的设计，但是该方法把基因图谱的数据类型分为浮点数据和漂移数据，随着分类的增大导致检测的准确度受限。文献[4]提出一种基于基因图谱的基准特征提取的生物基因检测系统设计方法，在基因序列检测中设置4个系统输入通道，采用耦合电感转换方法实现对基因图谱的空间重构和检测，提高了图谱的拟合精度，但是系统设计较为复杂，集成性不好。在基因图谱的检测算法设计上，传统的基于图谱检测方法采用基因序列测定方法获得图谱的像素特征信息，随着个人基因信息在区域间的像素分类特征的增大，导致检测结果不准[5?8]。针对上述问题，本文提出了一种基于区域像素分类的基因图谱检测方法。首先进行了基因图谱检测系统的原理分析和硬件设计，然后基于Visual DSP++ 4.5开发平台进行了基因图谱检测系统的软件设计，最后进行了生物学临床调试和实验，展示了本文设计系统在进行基因图谱检测中的有效性能。

1 基因图谱检测原理及硬件设计

1.1 基因图谱检测原理与系统总体模型构建

生物学的基因图谱检测是采用计算机视觉技术对基因图谱进行像素特征提取，实现对基因图谱的2维或者3维图像的辨识，各个基因图谱视觉特征采集系统采用4台计算机，3台显示器，基因图谱特征采集中，由于基因图谱是DNA双螺旋结构，在质谱图中生成生物时间序列，在基因图谱检测中，人类的生物基因特征由于放出DNA双链细胞而发生核糖核酸的衰变，其主要衰变方式为[α]，[β]，[γ]。微观的讲，个人基因组图谱自发地放射[α]粒子而发生[α]衰变，形成生命密码，单个基因图谱因为生物学上的缺陷，自发的放射出[β]粒子而发生[β]衰变，通过自由电子和正离子组成的离子对，基因物质相互作用的3种效应，束缚电子产生加速作用；通过区域像素分类，实现基因图谱检测，典型的基因图谱检测能谱图如图1所示。结合图1 ，本文采用区域像素分类原理进行基因图谱的检测仪设计，基于盖革?弥勒计数管设计基因图谱检测系统的区域像素分类仪器，盖革?弥勒计数管价格便宜，附属设备简单，在本文设计的图谱检测仪中具有较好的应用性，利用基因序列对像素特征的电离作用进行基因脉冲探测，如图2所示。其中，基因图谱的像素特征采集盖革?弥勒计数管的阳极[A]的电位为[U0]。

通过图2给出的区域像素分类脉冲计数器，运用绕组函数理论（WFT）准确计算输入电流和电压的脉冲向量，进行基因图谱的载荷数与探测电容的计算。在系统设计中，利用荧光物质的闪烁现象记录基因图谱的核糖核酸辐射值，包括基因图谱的光导和光电倍增量值，选择输入阻抗[Za]作为基因图谱检测的参数，得到阻抗值[Za=VaIa]，其中，[Va]和[Ia]都是光电子在光电倍增管内的相位电压和电流。通过区域像素分类，形成电子束在阳极上产生电压脉冲，基因图谱像素值的电子能量正常情况下的阻抗值和互感值分别为：

1.2 基因图谱检测仪的硬件设计

基因图谱检测仪的硬件设计，首先根据基因图谱仪的工作特点，选择合适的数字信号处理芯片，采用模块化集成设计方法，结合区域像素分类算法，进行基因图谱检测仪设计。系统硬件设计主要包括：RISC式微处理器、基因图谱的像素分类设计、基因序列恢复模块设计、A/D模块设计、D/A模块设计、人机交互系统设计和CAN通信模块设计、基因图谱检测仪的系统电源模块设计。由基因图谱检测系统的技术指标知系统对区域像素特征最低采样率为[25 MHz]，采用ADSP21160处理器进行基因图谱的区域像素特征采集，采样256道数据，即使用8位A/D芯片，基因图谱检测的DSP的最低速度应大于[25×20=500 MHz]，整机功耗不大于[2.0 W]，考虑额外的余量处理器速度应大于等于[600 MHz]。在系统的RISC式微处理器设计中，采用16位定点DSP内核，基于双16位MAC和双40位ALU进行像素特征采样，通过低速A/D将峰值电压进行量化，由于ARM系统模块的核心是ARM嵌入式微处理器，ARM嵌入式微处理器通过电路板的外端接口电路向A/D发送控制指令，把基因图谱的检测结构传回并保存至SD卡中，基因图谱检测ARM嵌入式微处理器设计电路见图4。

基因图谱检测ARM嵌入式微处理器中的 L1指令存储器包括64 KB SRAM，2个16 KB SRAM。基于区域像素分类方法进行基因图谱的特征信息采集，采用传感器进行基因图谱序列的特征信号的采集，每个数字信号对应单片机内存中的一个地址，信号特征分析其中一个16 KB可配置成Cache，每个道址逐步对基因图谱检测序列进行循环计数，如图5所示。其中，横坐标是脉冲幅度对应的道址，而纵坐标是每个道址的计数，通过循环计数，避免存在温漂现象，提高了对基因图谱的测量精度，降低误差。在基因图谱检测的ARM微处理器设计的基础上，设计DSP控制电路，图谱检测DSP控制电路包括时钟系统、测试接口、JTAG调试接口、硬件复位电路系统，DSP控制电路是整个基因图谱检测仪系统的控制核心，采用ADUM1201和PCA82C250设计基因图谱检测的DSP控制电路，为了增加系统的稳定性和抗干扰性，使用AD5545和AD8674进行图谱的重组控制，采用4 KB L1暂存数据，采用DSP控制芯片SRAM，通过CAN总线实时上传基因图谱数据，电路终端输出0～5 V的双路电压信号。

在图谱检测中，采用AD780产生2.5 V的基准电压。电压基准的设计重点在于减少噪声，模拟电源添加10 μF和0.1 μF的去藕电容，设计SPI或外部存储资源引导异步存储器（包括PC133 SDRAM）进行基因图谱的存储，综上分析，得到基因图谱检测DSP控制电路，如图6所示。

基因图谱检测DSP控制电路设计中，要求温漂小于[3 ppm/℃]，最大输出电流10 mA，可以实现600 MHz的持续工作。另外，为了避免基因图谱干扰序列的影响，采用10 μF，0.1 μF和0.001 μF三种开关噪声电容进行图谱检测滤波，对基因图谱检测滤波采用FIR滤波电路，用FIR滤波可以尽量减少电源毛刺，提高对基因图谱的检测精度，得到基因图谱的检测的滤波电路如图7所示。

2 基因图谱检测的软件设计

在基因图谱检测系统设计中，软件模块是整个系统的控制核心。本系统软件的开发平台是Visual DSP++ 4.5，软件设计主要包括用户控制模块、数据处理模块、输出模块。其中，输出模块由3部分构成：第一部分是将通过图像处理算法进行区域像素分类得到的基因图谱数据实时显示到显示屏上；第二部分是基因图谱将数据保存至DSP存储系统中，进行人机交互和图谱分析；第三部分是将已经判断出的基因图谱的状态结果输出至屏幕。本文设计的基因图谱检测仪的软件工作流程如图8所示。

结合图8的工作流程和上述硬件电路设计结果，在Visual DSP++ 4.5软件平台上进行基因图谱检测仪的软件开发，Visual DSP++ 4.5软件平台有一个集成开发环境IDDE，还包括VDK、专家连接器VCSE，特别适合于基因图谱的检测应用，设计基因图谱检测仪的进程管理（process management）、定时器（timer）、中断管理（interrupt management）软件模块，过程描述如下：首先下载arm?linux?gcc?4.1.2.tgz安装包，然后在.bashrc文件中，加入如图9所示的命令，进行系统编译。

在/home/路径中输入命令arm?linux?gcc?v，修改最上层的Makefile文件，Linux的内核在编译后采用区域像素分类方法实现基因图谱检测，基于区域像素分类的基因图谱检测仪的软件移植过程如图10所示。

通过上述软件设计，实现对基因图谱的有效检测。

3 系统调试和仿真实验

为了测试本文设计的基因图谱检测仪的性能，进行系统调试仿真实验，实验中使用某大型生物医学仪器公司Labcenter Electronics 研发的Proteus 7.6作为基因图谱检测的调试软件，在/etc/下创建启动文件及系统配置文件，修改/etc/init.d/中的rcs文件，利用mkyaffsimage2工具，制作根文件系统映像文件，运行以下命令：

Mkyaffsimage2 filesystem rootfs.Yaffs（镜像文件名称）

由此，实现基因图谱检测程序载入到硬件系统中，将整个系统安装完成，并且接入传感器进行基因图谱的像素特征数据采集，本文设计的基因图谱检测仪如图11所示。

根据上述仿真和调试环境，进行基因图谱检测，检测基因图谱的A/D采样缓冲区的数据峰值，采样256道基因图谱，所以将Input右移4位，根据区域像素分类算法原理，207右移4为12，得到一个幅度为207的基因图谱脉冲信号，得到检测结果如图12所示。从图12可见，采用本文设计的系统能有效实现对基因图谱的准确检测，性能优越，对基因图谱实现准确重构和特征分析，为病理分析和诊断奠定基础。

图12 基因图谱检测结果

4 结 语

本文提出一种基于区域像素分类的基因图谱检测方法。首先进行了基因图谱检测系统的原理分析和硬件设计，主要包括：RISC式微处理器、基因图谱的像素分类设计、基因序列恢复模块设计、A/D模块设计、D/A模块设计、人机交互系统设计和CAN通信模块设计、基因图谱检测仪的系统电源模块设计。然后基于Visual DSP++ 4.5开发平台进行了基因图谱检测系统的软件设计，最后进行了生物学临床调试和实验，实验结果表明，采用本文设计的基因图谱检测仪，能有效实现对人类基因图谱的特征分析和重构，提高检测性能，具有较好的实用价值。

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