法醫(yī)DNA片段分析軟件的研究與應(yīng)用

孫輝 劉冰 季安全 黎智輝 彭思龍 厲吉華

1. 公安部物證鑒定中心 2. 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所

一、前言

法醫(yī)DNA檢測(cè)技術(shù)已成為現(xiàn)代法庭科學(xué)中必不可少的技術(shù)手段，是處置各類案件、重特大事故及自然災(zāi)害等重大事件中最有效的個(gè)體識(shí)別工具。針對(duì)DNA片段長(zhǎng)度多態(tài)性檢驗(yàn)的STR技術(shù)，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外DNA檢測(cè)領(lǐng)域采用的主要手段。國(guó)內(nèi)大量開展的法醫(yī)DNA檢測(cè)工作促進(jìn)了對(duì)DNA檢測(cè)關(guān)鍵設(shè)備、配套軟件及消耗品的巨大需求，但關(guān)鍵設(shè)備與配套軟件一直依賴進(jìn)口，高額費(fèi)用已經(jīng)成為制約我國(guó)DNA檢測(cè)和數(shù)據(jù)庫發(fā)展、建設(shè)工作的瓶頸，限制了該技術(shù)更廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)的持續(xù)發(fā)展不斷拉大了我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距。

法醫(yī)DNA片段分析軟件，正是法醫(yī)DNA檢測(cè)的最終環(huán)節(jié)，可與法醫(yī)DNA專用檢測(cè)平臺(tái)配合，以遺傳分析儀的采集軟件存儲(chǔ)的DNA數(shù)據(jù)文件為分析對(duì)象，通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)和DNA片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析算法的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)法醫(yī)DNA檢測(cè)中DNA片段的分型、檢索和比對(duì)等功能。目前，我國(guó)法醫(yī)DNA檢測(cè)領(lǐng)域使用的DNA片段長(zhǎng)度分析軟件是國(guó)外公司的，這些分析軟件曾對(duì)促進(jìn)DNA檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用推廣起到了重要作用，但存在價(jià)格昂貴的問題，更為嚴(yán)重的是因DNA片段分析軟件系統(tǒng)多數(shù)由國(guó)外公司所壟斷，軟件的應(yīng)用還需要與這些公司的機(jī)器和試劑配套，操作復(fù)雜、成本高，嚴(yán)重影響法醫(yī)DNA檢測(cè)技術(shù)在基層公安尤其是中西部地區(qū)的推廣。因此在法醫(yī)DNA專用分析軟件研發(fā)上取得技術(shù)突破，是建立健全我國(guó)獨(dú)立的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，發(fā)展完善自主相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迫切需求，也是公安工作從依靠經(jīng)驗(yàn)向依靠科學(xué)技術(shù)、從人力密集型向科技集約型轉(zhuǎn)變的需求。

因此，公安部物證鑒定中心承擔(dān)了“法醫(yī)DNA片段分析軟件關(guān)鍵技術(shù)研究”課題的研究，該課題是國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“法醫(yī)DNA專用檢測(cè)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”的重要組成部分，目前已完成全部研究工作，在實(shí)現(xiàn)與項(xiàng)目其他課題成果對(duì)接的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了與國(guó)外公司的文件完全兼容，可以對(duì)很多遺傳分析儀的STR檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析；覆蓋了外國(guó)軟件中STR分析的全部功能，并在部分功能上進(jìn)行了改進(jìn)增強(qiáng)；實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有STR試劑特別是國(guó)產(chǎn)DNA試劑的全面支持；實(shí)現(xiàn)了CODIS格式的數(shù)據(jù)結(jié)果輸出，與全國(guó)公安機(jī)關(guān)DNA數(shù)據(jù)庫對(duì)接良好；采用全中文界面，操作習(xí)慣符合現(xiàn)有DNA檢測(cè)技術(shù)人員要求。該軟件完全滿足目前公安機(jī)關(guān)法醫(yī)DNA數(shù)據(jù)分析需求，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

二、法醫(yī)DNA片段分析軟件的技術(shù)分析

法醫(yī)DNA片段分析軟件涉及生命科學(xué)、信息科學(xué)等專門學(xué)科的綜合運(yùn)用，需要生命科學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件等領(lǐng)域的專家和技術(shù)人員協(xié)同攻關(guān)，通過借鑒生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)、國(guó)外類似軟件的模式及開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，深入研究國(guó)內(nèi)外公開發(fā)表的DNA分子量定值、片段分型方法，建立起一套適用于法醫(yī)DNA檢驗(yàn)現(xiàn)狀、符合法庭科學(xué)DNA實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)規(guī)范和DNA數(shù)據(jù)庫入庫標(biāo)準(zhǔn)的法醫(yī)DNA片段分析軟件。因此，課題組通過采集大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了DNA片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析算法，探索不同分析方法對(duì)DNA片段分析結(jié)果的影響；各種引物對(duì)分析結(jié)果的影響；尋找最佳分析技術(shù)，建立支持分析技術(shù)的數(shù)據(jù)文件，研究DNA片段分子量定值、分型算法，最終根據(jù)法醫(yī)DNA檢測(cè)業(yè)務(wù)要求調(diào)整關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)方案，掌握算法設(shè)計(jì)核心內(nèi)容，以及重點(diǎn)研究解決了法醫(yī)DNA片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析算法和基因圖譜的可視化顯示與交互性處理技術(shù)兩大技術(shù)領(lǐng)域的以下關(guān)鍵技術(shù)：

（一）熒光信號(hào)前處理技術(shù)

一般來說，法醫(yī)DNA熒光檢測(cè)分析中，基于毛細(xì)管電泳（CE）的檢測(cè)平臺(tái)的樣品進(jìn)樣量少且濃度低，直接讀取的原始信號(hào)需要進(jìn)行一些預(yù)處理，然后才能進(jìn)行進(jìn)一步的準(zhǔn)確分析和判讀。前處理主要包括基線漂移處理和信號(hào)噪聲處理兩方面，基線漂移相對(duì)簡(jiǎn)單，噪聲處理方法則復(fù)雜一些。在本課題中，除了采用國(guó)外同類軟件中使用的平滑方法外，還研究了效果較好的小波去噪方法。

（二）熒光信號(hào)的譜峰識(shí)別技術(shù)

譜熒光信號(hào)的峰有效識(shí)別是后續(xù)分析的基礎(chǔ)。譜峰的位置實(shí)質(zhì)上反映了電泳過程中DNA片斷經(jīng)過檢測(cè)窗口的時(shí)間點(diǎn)，譜峰的高度反映了熒光強(qiáng)度。根據(jù)給定的半峰寬、峰高，傾斜度等參數(shù)確定是否存在峰。譜峰識(shí)別又包括有效峰識(shí)別和峰值識(shí)別：有效峰判斷通過設(shè)置的峰高閾值、角度閾值、最小半峰寬實(shí)現(xiàn)。其中峰高閾值主要是控制噪聲干擾數(shù)目，通過峰高閾值的過濾，減少噪聲對(duì)后續(xù)分析的干擾。角度閾值控制峰的面積和分離兩個(gè)相近峰。最小半峰寬主要是進(jìn)一步檢驗(yàn)檢測(cè)出的峰是否為有效峰。峰值識(shí)別就是確定四通道熒光數(shù)據(jù)中的峰值數(shù)據(jù)。峰值識(shí)別為后續(xù)的四色校正做準(zhǔn)備，峰值識(shí)別得到的峰值數(shù)據(jù)與后續(xù)的四色校正中的串?dāng)_矩陣息息相關(guān)。峰值識(shí)別排除了與確定串?dāng)_矩陣無關(guān)的數(shù)據(jù)，極大地減少了數(shù)據(jù)處理量，有利于實(shí)現(xiàn)DNA檢測(cè)結(jié)果的快速分析。

（三）無關(guān)峰信號(hào)的去除技術(shù)

通過分析大量樣品發(fā)現(xiàn)，在譜峰識(shí)別之后樣品中仍然包含大量的無關(guān)峰，因此，在DNA片段分子量定值之前需要進(jìn)行無關(guān)峰的去除。通過無關(guān)峰的去除，可以大大降低分子量匹配的算法復(fù)雜度，提高系統(tǒng)分析的效率，達(dá)到快速分析的目的。無關(guān)峰信號(hào)的去除主要包括樣品信號(hào)前段強(qiáng)干擾峰的去除（峰高是有效峰峰高的5倍甚至10倍以上）、有效峰周圍弱干擾峰和與有效峰近似的干擾峰去除三部分。課題組經(jīng)過努力，建立了有效的無關(guān)峰信號(hào)去處模型，實(shí)現(xiàn)了通過全局自動(dòng)分析去除、局部分析去除等多種手段，攻克了這一技術(shù)。

（四）DNA片段分子量定值算法

DNA片段分子量定值是法醫(yī)DNA片段分析軟件的核心之一，其難點(diǎn)在于考慮不同的實(shí)驗(yàn)條件、不同的試劑等對(duì)數(shù)據(jù)的影響?；镜腄NA片段分子量定值過程包括兩個(gè)部分：首先是分子量匹配（Size Matching）、然后是曲線擬合。分子量匹配首先進(jìn)行條件判定，然后采用局部極大值和重心加權(quán)方法進(jìn)行匹配，在所有峰匹配完成后，需要整體判斷本次匹配是否有效。曲線擬合包括最小二乘方法、三次樣條插值方法、局部Southern和全局Southern方法。

（五）等位基因分型技術(shù)

等位基因分型技術(shù)依賴于等位基因分型標(biāo)準(zhǔn)物，即用等位基因分型標(biāo)準(zhǔn)物作為參考，為每一個(gè)等位基因提供DNA片段大小參照物，從而保證在不同實(shí)驗(yàn)儀器和條件下對(duì)同一檢測(cè)樣本得到的結(jié)果具有可比性。經(jīng)研究，課題組使用比例匹配方法成功實(shí)現(xiàn)了等位基因分型。比例匹配方法使用相鄰峰的間距和峰高來進(jìn)行分型匹配。由于等位基因分型標(biāo)準(zhǔn)物的分型的數(shù)據(jù)已知，在得到被檢測(cè)樣本的DNA片段分子量數(shù)據(jù)后，只需要與等位基因分型標(biāo)準(zhǔn)物的分子量進(jìn)行比較匹配就可以進(jìn)行分型。影響分型正確性的重要問題在于分型策略，如容差范圍的確定，峰高的影響及判斷。

（六）數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估技術(shù)

法醫(yī)DNA片段分析軟件工作過程中要進(jìn)行如下評(píng)估：分析條件檢測(cè)（Analysis requirements checks），在樣品分析之前，如果分析條件不滿足，則不能進(jìn)行分析；分子量標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量檢測(cè)（Sizing quality assessment）；等位基因標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量評(píng)測(cè)（Allelic ladder quality assessment）；遺傳標(biāo)記質(zhì)量評(píng)測(cè)（Marker-level quality assessment）；樣品質(zhì)量評(píng)測(cè)（Sample-level quality assessment）和基因分型質(zhì)量評(píng)測(cè)（Genotype quality assessment）。

三、法醫(yī)DNA片段分析軟件的應(yīng)用情況及前景分析

我們通過自主創(chuàng)新、集成創(chuàng)新或引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，針對(duì)法醫(yī)DNA檢驗(yàn)數(shù)據(jù)加工處理的關(guān)鍵技術(shù)，研究建立了一批新的關(guān)鍵技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了法醫(yī)DNA檢驗(yàn)中DNA片段的分型、檢索和比對(duì)。在取得核心技術(shù)研究成果的前提下，進(jìn)一步進(jìn)行了軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，形成程序開發(fā)的技術(shù)方案，先后多次修改完善，研發(fā)出了與法醫(yī)DNA專用檢測(cè)平臺(tái)硬件配套的“法醫(yī)DNA片段分析軟件”系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了法醫(yī)DNA檢測(cè)過程的自動(dòng)化，進(jìn)一步擺脫我國(guó)DNA檢測(cè)技術(shù)對(duì)國(guó)外分析軟件的依賴；同時(shí)還建立起相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)我國(guó)法醫(yī)DNA檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和管理體系的建立健全。

法醫(yī)DNA檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用使法醫(yī)物證檢驗(yàn)從只能排除躍升到了直接認(rèn)定的水平，其革命性的進(jìn)展使之在偵查破案中發(fā)揮了重大作用，為一大批重大疑難案件的偵破提供了科學(xué)依據(jù)。DNA數(shù)據(jù)信息的處理已經(jīng)成為DNA檢驗(yàn)質(zhì)量與效率的制約因素，法醫(yī)DNA片段分析軟件將與法醫(yī)DNA專用檢測(cè)平臺(tái)共同直接服務(wù)于公安一線，最終實(shí)現(xiàn)法醫(yī)DNA檢測(cè)試劑與儀器的全面配套。課題成果的推廣應(yīng)用，一是可以解決因人員與工作量比例嚴(yán)重失衡造成的工作積壓?jiǎn)栴}；二是可以降低各類人為因素而引起的錯(cuò)誤和失誤；三是可以減少數(shù)據(jù)處理的中間環(huán)節(jié)提高整體效率；四是可以避免技術(shù)人員主觀因素造成的數(shù)據(jù)處理中的隨意性，可增加檢驗(yàn)的客觀性；五是可以整體上提高DNA檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的水平；六是可以從根本上解決對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴，打破外國(guó)企業(yè)設(shè)置的技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)產(chǎn)DNA檢驗(yàn)試劑的全面支持。

成果的推廣應(yīng)用將顯著增強(qiáng)我國(guó)在打擊和防范刑事犯罪方面的快速反應(yīng)能力、犯罪證據(jù)認(rèn)定能力以及物質(zhì)條件保障的自給能力，縮短破案周期，節(jié)約資本投入，在保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全、維護(hù)社會(huì)治安秩序穩(wěn)定、促進(jìn)全國(guó)犯罪DNA信息數(shù)據(jù)庫的建立以及樹立良好的公安隊(duì)伍形象，提高我國(guó)在法醫(yī)DNA檢測(cè)領(lǐng)域的國(guó)際地位和影響力等方面，將產(chǎn)生重大的社會(huì)效益；同時(shí)，成果的產(chǎn)品化、商業(yè)化還將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，我們成功自主研制了法醫(yī)DNA片段分析軟件，在DNA片段長(zhǎng)度分析算法核心技術(shù)和DNA數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換技術(shù)等方面取得了技術(shù)創(chuàng)新，制定了銜接法醫(yī)DNA檢驗(yàn)硬件設(shè)備和DNA數(shù)據(jù)庫的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白；為法醫(yī)DNA檢測(cè)技術(shù)的推廣發(fā)展和DNA數(shù)據(jù)庫的建設(shè)應(yīng)用提供了物質(zhì)保障；所取得的技術(shù)突破為下一階段法醫(yī)DNA專家分析系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)支撐，所取得的成果具有顯著的推廣和實(shí)用價(jià)值。

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