CN112600880B - 一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置及方法，首先随机的连接的设备和所述边缘计算装置分配对应ID号，并将无线网络划分为控制告警指令切片、荧光数据切片和结构化数据切片；然后采集多种原始信号数据，并根据不同功能需求进行荧光数据采集和处理、DNA测序、STR片段分析以及CT值监控，同时结合对应的所述ID号，以结构化数据形式，通过所述结构化数据切片网络传输至监控中心；若需要所述原始数据，则利用所述荧光数据切片进行传输，并利用所述控制告警指令切片进行监控和预警，通过对应的权限和应用进行监控，提高数据的处理效率。

Description

一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置及方法

技术领域

本发明涉及信息应用技术领域，尤其涉及一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置及方法。

背景技术

生物信息学涉及医学、生物技术和社会学的诸多方面，主要用于基因组序列分类、同源性检测、蛋白质编码区和非编码区的分离、DNA分子结构和功能的预测等方面，伴随5G时代的到来，5G移动通信数据网络的高带宽、低延迟、大规模设备连接、可切片和技术创新等优势为基因数据的采集传输提供了更好的传输条件；由移动互联衍生的边缘计算技术，在数据源的近端对数据进行计算，减少了中间传输的过程，使数据处理速度变得更快、更实时。

DNA测序仪和PCR扩增仪是基因组研究过程中两个比较常见的仪器，分别用来测定DNA片段的碱基顺序、种类及定量和用来对特定DNA进行扩增。现有的测序仪和PCR扩增仪通常每台仪器与一台计算机相连，将对应的分析软件安装于计算机上，通过人工分别使用相应的数据采集软件、测序软件、片段分析软件和CT值监测软件对基因数据进行分析与处理，这种方式的处理流程比较复杂，在待处理样本较多的情况下效率很低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置及方法，提高数据处理效率。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置，所述基于基因数据采集与分析的边缘计算装置包括MCU控制器、电源、数据传输模块、GPS定位模块和指示灯，所述MCU控制器与所述电源、所述数据传输模块、所述GPS定位模块和所述指示灯连接；

所述MCU控制器，用于控制和协调内部所述电源、所述数据传输模块、所述GPS定位模块和所述指示灯之间的正常运行，并进行基因数据采集与分析；

所述电源，用于对所述边缘计算装置进行供电；

所述数据传输模块，用于进行多种通信接口的数据传输和多种指令信息的收发；

所述GPS定位模块，用于将对应的位置信息通过所述数据传输模块传输至监控中心；

所述指示灯，用于显示运行状态。

其中，所述基于基因数据采集与分析的边缘计算装置还包括存储器，所述存储器与所述MCU控制器连接；

所述存储器，用于存储采集得到的荧光数据和所述监控中心传输的算法应用文件。

其中，所述MCU控制器包括荧光数据采集及处理算法单元和DNA测序算法单元，所述荧光数据采集及处理算法单元与所述数据传输模块连接，所述DNA测序算法单元与所述荧光数据采集及处理算法单元连接；

所述荧光数据采集及处理算法单元，用于根据不同通道光谱特征对原始荧光数据进行空间校正和光谱校正；

所述DNA测序算法单元，用于对经过荧光数据采集和校正处理后的各通道信号进行预处理、后处理和碱基判读。

其中，所述MCU控制器还包括STR片段分析算法单元和PCR扩增CT值监测算法单元，所述STR片段分析算法单元与所述DNA测序算法单元连接，所述PCR扩增CT值监测算法单元与所述数据传输模块连接；

所述STR片段分析算法单元，用于对标准品和测试样本中的多通道荧光数据寻峰、转换和位置匹配，同时并判断各基因座的质量值；

所述PCR扩增CT值监测算法单元，用于对ROI区域的荧光数据提取、光谱信号的校准、基线区起点和终点的确定、CT循环数的求取及初始给定光源寿命的监测。

其中，所述MCU控制器还包括可扩展算法单元，所述可扩展算法单元与所述数据传输模块连接；

所述可扩展算法单元，用于存储拓展算法对所述数据传输模块的数据进行计算。

其中，所述数据传输模块包括常用通信接口单元和5G模组，所述常用通信接口单元和所述5G模组均与所述可扩展算法单元和所述荧光数据采集及处理算法单元连接；

所述常用通信接口单元，用于接收多种通信接口传输的数据；

所述5G模组，用于控制告警指令、荧光数据、分析结果的结构化数据信息等的收发。

第二方面，本发明提供了一种基于基因数据采集与分析的边缘计算方法，如第一方面所述的一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置适用于一种基于基因数据采集与分析的边缘计算方法，包括以下步骤：

随机分配对应ID号，并将无线网络划分为控制告警指令切片、荧光数据切片和结构化数据切片；

采集多种原始信号数据并进行分析，同时结合对应的所述ID号，以结构化数据形式传输至监控中心；

利用所述荧光数据切片传输原始数据，并利用所述控制告警指令切片进行监控和预警。

本发明的一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置及方法，首先随机的连接的设备和所述边缘计算装置分配对应ID号，并将无线网络划分为控制告警指令切片、荧光数据切片和结构化数据切片；然后采集多种原始信号数据，并根据不同功能需求进行荧光数据采集和处理、DNA测序、STR片段分析以及CT值监控，同时结合对应的所述ID号，以结构化数据形式，通过所述结构化数据切片网络传输至监控中心；若需要所述原始数据，则利用所述荧光数据切片进行传输，并利用所述控制告警指令切片进行监控和预警，通过对应的权限和应用进行监控，提高数据的处理效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置的结构示意图。

图2是本发明提供的边缘计算装置与DNA测序仪和PCR扩增仪的连接示意图。

图3是本发明提供的MCU控制器的结构示意图。

图4是本发明提供的一种基于基因数据采集与分析的边缘计算方法的步骤示意图。

1-MCU控制器、2-电源、3-数据传输模块、4-GPS定位模块、5-指示灯、6-存储器、11-荧光数据采集及处理算法单元、12-DNA测序算法单元、13-STR片段分析算法单元、14-PCR扩增CT值监测算法单元、15-可扩展算法单元、31-常用通信接口单元、32-5G模组。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1和图2，本发明提供一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置，所述基于基因数据采集与分析的边缘计算装置包括MCU控制器1、电源2、数据传输模块3、GPS定位模块4和指示灯5，所述MCU控制器1与所述电源2、所述数据传输模块3、所述GPS定位模块4和所述指示灯5连接；

所述MCU控制器1，用于控制和协调内部所述电源2、所述数据传输模块3、所述GPS定位模块4和所述指示灯5之间的正常运行，并进行基因数据采集与分析；

所述电源2，用于对所述边缘计算装置进行供电；

所述数据传输模块3，用于进行多种通信接口的数据传输和多种指令信息的收发；

所述GPS定位模块4，用于将对应的位置信息通过所述数据传输模块3传输至监控中心；

所述指示灯5，用于显示运行状态。

在本实施方式中，所述MCU控制器1的型号为Hi3559A，内嵌了gpu加速了矩阵并行计算的处理速度，其操作系统为嵌入式Linux操作系统，系统内部集成了荧光数据采集和处理、DNA测序、STR片段分析以及CT值监控的相关算法。

首先，边缘计算装置的所述电源2接通，工作指示灯5常亮；对普通仪器将DNA测序仪及PCR扩增仪连接至装置的所述数据传输模块3与边缘计算装置进行数据传输，对支持5G通信的DNA测序仪及PCR扩增仪通过对应的所述数据传输模块3与边缘计算装置进行数据传输。边缘计算装置接收来自各种仪器的基因荧光信号数据，同时将数据进行存储，MCU控制器1调用各种基因数据处理的算法单元对原始荧光信号数据进行处理，并将对应的处理好的结果、通过型号为QuectelL96的所述GPS定位模块4得到的模块的地址信息、仪器ID、边缘计算装置ID、是否仪器出现故障异常等信息一并转化为结构化数据发送至监控中心待进一步处理和二次开发。同时监控中心也会开发相应功能应用的手机app，相应的业务人员可通过5G手机和获得的权限与边缘计算装置联网接收和获取权限内的对应信息，并且所述监控中心由多个高性能的服务器组成的计算机组和相应的业务人员组成，有权限访问和控制对应的边缘计算装置，通过5G无线网络传输好的各种结构化数据信息，并采用这些结构化信息进行二次分析和开发对应的应用。

并且，所述监控中心可以对边缘计算装置设置最大并行数量来调用模块系统内嵌的算法单元，在保证每种仪器输出信号处理效率的基础上，最大化利用边缘计算装置的线程资源，提高信号处理的效率，保证数据的安全性。

进一步的，所述基于基因数据采集与分析的边缘计算装置还包括存储器6，所述存储器6与所述MCU控制器1连接；

所述存储器6，用于存储采集得到的荧光数据和所述监控中心传输的算法应用文件。

在本实施方式中，所述存储器6为内置的SATA硬盘，用于存储由DNA测序仪和PCR扩增仪采集而来的荧光数据，以及由监控中心传输的更新的算法应用文件等，其容量可根据实际场景的需求进行扩展。

进一步的，所述MCU控制器1包括荧光数据采集及处理算法单元11和DNA测序算法单元12，所述荧光数据采集及处理算法单元11与所述数据传输模块3连接，所述DNA测序算法单元12与所述荧光数据采集及处理算法单元11连接；

所述荧光数据采集及处理算法单元11，用于根据不同通道光谱特征对原始荧光数据进行空间校正和光谱校正；

所述DNA测序算法单元12，用于对经过荧光数据采集和校正处理后的各通道信号进行预处理、后处理和碱基判读。

在本实施方式中，如图3所示，通过所述荧光数据采集及处理算法单元11根据不同通道光谱特征对原始的荧光信号进行空间校正和光谱校正从而将重叠的各通道的信号进行分离。然后所述DNA测序算法单元12对经过荧光数据采集和处理后的各通道信号进行数据段选取、基线调整、噪声滤除及峰值识别的预处理流程、四色校正和去卷积、迁移率校正及归一化的后处理流程及碱基判读。

进一步的，所述MCU控制器1还包括STR片段分析算法单元13和PCR扩增CT值监测算法单元14，所述STR片段分析算法单元13与所述DNA测序算法单元12连接，所述PCR扩增CT值监测算法单元14与所述数据传输模块3连接；

所述STR片段分析算法单元13，用于对标准品和测试样本中的多通道荧光数据寻峰、转换和位置匹配，同时并判断各基因座的质量值；

所述PCR扩增CT值监测算法单元14，用于对ROI区域的荧光数据提取、光谱信号的校准、基线区起点和终点的确定、CT循环数的求取及初始给定光源寿命的监测。

在本实施方式中，所述STR片段分析算法单元13包括标准品(标准品)内标通道荧光信号寻峰和与给定的内标片段大小的配准和帧数与BP数的转换、标准品其余通道的寻峰和帧数与BP数的转换及标准品各基因座与给定bin的位置匹配；测试样本(测试样本)内标通道荧光信号寻峰和与给定的内标片段大小的配准和帧数与BP数的转换、测试样本其余通道的寻峰和帧数与BP数的转换及根据标准品基因座的位点与给定bin的位置校准方式调整测试样本基因座对应位点bin的位置，并判断各个基因座的质量值。所述PCR扩增仪CT值监测算法单元通过给定96孔在五个滤光轮上ROI区域的荧光信号提取、光谱信号的校准、基线区起点和终点的确定、CT循环数的求取及初始给定光源寿命的监测。

进一步的，所述MCU控制器1还包括可扩展算法单元15，所述可扩展算法单元15与所述数据传输模块3连接；

所述可扩展算法单元15，用于存储拓展算法对所述数据传输模块3的数据进行计算。

在本实施方式中，为了增加边缘计算装置的数据分析范围，利用所述扩展算法单元15来实时根据需要，增添新的计算算法，同时存储对应的所述算法，也可以利用所述可扩展算法单元15对现有的分析算法进行算法改进等，增加装置的分析能力，还可接收由监控中心传输的更新和新增的业务算法的应用文件，从而扩展新的功能应用。

进一步的，所述数据传输模块3包括常用通信接口单元31和5G模组32，所述常用通信接口单元31和所述5G模组32均与所述可扩展算法单元15和所述荧光数据采集及处理算法单元11连接；

所述常用通信接口单元31，用于接收多种通信接口传输的数据；

所述5G模组32，用于控制告警指令、荧光数据、分析结果的结构化数据信息等的收发。

在本实施方式中，所述常用通信接口单元31包含多种常见的通信接口，如不同的串行接口HDMI接口、USB接口、RJ45接口及无线网卡等；所述5G模组32，用于控制告警指令、荧光数据、分析结果的结构化数据信息等的收发，其型号为MH500；装置支持普通和支持5G无线通信的DNA测序仪及PCR扩增仪。其中，普通的DNA测序仪通过RJ45接口与边缘计算装置的所述常用通信接口单元31相连，PCR扩增仪通过USB接口与边缘计算装置的所述常用通信接口单元31相连。其中，支持5G无线通信的DNA测序仪及PCR扩增仪不仅支持普通仪器与边缘计算装置的连接方式，并且可以通过5G无线通信的方式，将仪器的基因荧光信号通过5G模组32传入边缘计算装置。边缘计算装置接收来自各种仪器的基因荧光信号数据(普通仪器通过常用通信接口单元31，支持5G无线通信的通过5G模组32)，并存储至所述存储器6。

请参阅图4，本发明提供了一种基于基因数据采集与分析的边缘计算方法，包括以下步骤：

S101、随机分配对应ID号，并将无线网络划分为控制告警指令切片、荧光数据切片和结构化数据切片。

具体的，每台DNA测序仪或PCR扩增仪以及其它可扩展的生物检测仪器与边缘计算装置相连(支持5G无线通信)

监控中心给每台DNA测序仪或PCR扩增仪及边缘计算装置分配具有唯一可识别的ID号供识别和验证。与边缘计算装置相连的各种仪器连接时边缘计算装置的MCU控制器1识别此仪器的唯一ID号并保存；监控中心与边缘计算装置联网时识别此模块的唯一ID号并在所述存储器6中保存。

监控中心根据5G网络可切片的特性将网络切片划分为控制及告警指令切片、荧光数据切片、分析结果的结构化数据切片，不同的切片网段可设置不同的访问权限，提高了基因数据的采集、分析和处理过程的安全性。

S102、采集多种原始信号数据并进行分析，同时结合对应的所述ID号，以结构化数据形式传输至监控中心。

具体的，采集各种仪器传来的各种原始信号数据并存储至边缘计算装置中，根据不同功能需求进行荧光数据采集和处理、DNA测序、STR片段分析以及CT值监控等。其中，各种所述原始信号包括一代DNA测序仪的荧光信号、PCR扩增仪的五个滤光轮过滤后的荧光信号等，边缘计算装置将对相应的原始信号按照业务功能的不同进行分类保存。

然后进行对应的数据分析，包括：

荧光数据采集和处理主要包括根据对不同通道光谱特征对原始的荧光信号进行空间校正和光谱校正从而将重叠的各通道的信号进行分离。

DNA测序包括对经过荧光数据采集和处理后的各通道信号进行数据段选取、基线调整、噪声滤除及峰值识别的预处理流程、四色校正和去卷积、迁移率校正及归一化的后处理流程及碱基判读。

STR片段分析包括标准品内标通道荧光信号寻峰和与给定的内标片段大小的配准和帧数与BP数的转换、标准品其余通道的寻峰和帧数与BP数的转换及标准品各基因座与给定bin的位置匹配；测试样本内标通道荧光信号寻峰和与给定的内标片段大小的配准和帧数与BP数的转换、测试样本其余通道的寻峰和帧数与BP数的转换及根据标准品基因座的位点与给定bin的位置校准方式调整测试样本基因座对应位点bin的位置，并判断各个基因座的质量值。

PCR扩增仪CT值监控包括给定96孔在五个滤光轮上ROI区域的荧光信号提取、光谱信号的校准、基线区起点和终点的确定、CT循环数的求取及初始给定光源寿命的监测。

将对应的处理好的结果、模块的地址信息、仪器ID、边缘计算装置ID等信息一并转化为结构化数据并存储并同时将此结构化数据通过分析结果的结构化数据切片网络传送至监控中心，其中，所述的结构化数据的形式进行存储，是将分析的结果作为定义的数据库表中的某一字段属性的形式进行存储，表的主键为边缘计算装置ID、仪器的ID、功能分类及时间戳三者组成的字符串。

S103、利用所述荧光数据切片传输原始数据，并利用所述控制告警指令切片进行监控和预警。

具体的，若监控中心需要原始荧光数据，则通过控制及告警指令切片网络向边缘计算装置发送控制指令请求发送对应的原始荧光数据，对应的边缘计算装置通过荧光数据切片网络传输对应的原始数据。

若与边缘计算装置连接的仪器发生数据传输故障时，边缘计算装置立即通过控制及告警指令切片网络传输对应的仪器和设备故障信息至监控中心或对应的业务员手机app。

监控中心也会开发相应功能应用的手机app，相应的业务人员可通过5G手机和获得的权限(具有访问哪类切片网络的权限)与边缘计算装置联网获取和接收权限内的对应信息(设备故障信息以及对应的处理结果信息)。

不仅简化了基因数据采集和处理的流程，还能够实时获取基因数据处理的结果，结合5G无线通信高带宽、低时延、可切片的优点和将数据计算从云端下沉到数据近端的边缘计算装置中，不仅提高了基因数据分析处理的效率和传输过程的安全性，还节省了大量的人力物力。

本发明的一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置及方法，首先随机的连接的设备和所述边缘计算装置分配对应ID号，并将无线网络划分为控制告警指令切片、荧光数据切片和结构化数据切片；然后采集多种原始信号数据，并根据不同功能需求进行荧光数据采集和处理、DNA测序、STR片段分析以及CT值监控，同时结合对应的所述ID号，以结构化数据形式，通过所述结构化数据切片网络传输至监控中心；若需要所述原始数据，则利用所述荧光数据切片进行传输，并利用所述控制告警指令切片进行监控和预警，通过对应的权限和应用进行监控，提高数据的处理效率。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置，其特征在于，

所述基于基因数据采集与分析的边缘计算装置包括MCU控制器、电源、数据传输模块、GPS定位模块和指示灯，所述MCU控制器与所述电源、所述数据传输模块、所述GPS定位模块和所述指示灯连接；

所述MCU控制器，用于控制和协调内部所述电源、所述数据传输模块、所述GPS定位模块和所述指示灯之间的正常运行，并进行基因数据采集与分析；

所述电源，用于对所述边缘计算装置进行供电；

所述数据传输模块，用于进行多种通信接口的数据传输和多种指令信息的收发；

所述GPS定位模块，用于将对应的位置信息通过所述数据传输模块传输至监控中心；

所述指示灯，用于显示运行状态；

所述MCU控制器包括荧光数据采集及处理算法单元和DNA测序算法单元，所述荧光数据采集及处理算法单元与所述数据传输模块连接，所述DNA测序算法单元与所述荧光数据采集及处理算法单元连接；

所述荧光数据采集及处理算法单元，用于根据不同通道光谱特征对原始荧光数据进行空间校正和光谱校正；

所述DNA测序算法单元，用于对经过荧光数据采集和校正处理后的各通道信号进行预处理、后处理和碱基判读；

所述MCU控制器还包括STR片段分析算法单元和PCR扩增CT值监测算法单元，所述STR片段分析算法单元与所述DNA测序算法单元连接，所述PCR扩增CT值监测算法单元与所述数据传输模块连接；

所述STR片段分析算法单元，用于对标准品和测试样本中的多通道荧光数据寻峰、转换和位置匹配，同时并判断各基因座的质量值；

所述PCR扩增CT值监测算法单元，用于对ROI区域的荧光数据提取、光谱信号的校准、基线区起点和终点的确定、CT循环数的求取及初始给定光源寿命的监测；

边缘计算装置的所述电源接通，工作指示灯常亮；对普通仪器将DNA测序仪及PCR扩增仪连接至装置的所述数据传输模块与边缘计算装置进行数据传输，对支持5G通信的DNA测序仪及PCR扩增仪通过对应的所述数据传输模块与边缘计算装置进行数据传输；边缘计算装置接收来自各种仪器的基因荧光信号数据，同时将数据进行存储，MCU控制器调用各种基因数据处理的算法单元对原始荧光信号数据进行处理，并将对应的处理好的结果、通过型号为Quectel L96的所述GPS定位模块得到的模块的地址信息、仪器ID、边缘计算装置ID、是否仪器出现故障异常信息一并转化为结构化数据，并同时将此结构化数据通过分析结果的结构化数据切片网络传送至监控中心。

2.如权利要求1所述的基于基因数据采集与分析的边缘计算装置，其特征在于，

所述基于基因数据采集与分析的边缘计算装置还包括存储器，所述存储器与所述MCU控制器连接；

所述存储器，用于存储采集得到的荧光数据和所述监控中心传输的算法应用文件。

3.如权利要求1所述的基于基因数据采集与分析的边缘计算装置，其特征在于，

所述MCU控制器还包括可扩展算法单元，所述可扩展算法单元与所述数据传输模块连接；

所述可扩展算法单元，用于存储拓展算法对所述数据传输模块的数据进行计算。

4.如权利要求3所述的基于基因数据采集与分析的边缘计算装置，其特征在于，

所述数据传输模块包括常用通信接口单元和5G模组，所述常用通信接口单元和所述5G模组均与所述可扩展算法单元和所述荧光数据采集及处理算法单元连接；

所述常用通信接口单元，用于接收多种通信接口传输的数据；

所述5G模组，用于控制告警指令、荧光数据、分析结果的结构化数据信息等的收发。

5.一种基于基因数据采集与分析的边缘计算方法，如权利要求1至权利要求4任一项所述的一种基于基因数据采集与分析的边缘计算装置适用于一种基于基因数据采集与分析的边缘计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

随机分配对应ID号，并将无线网络划分为控制告警指令切片、荧光数据切片和结构化数据切片；

采集多种原始信号数据并进行分析，同时结合对应的所述ID号，以结构化数据形式传输至监控中心；

利用所述荧光数据切片传输原始数据，并利用所述控制告警指令切片进行监控和预警。

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