C#-读取测序数据的ABI文件并绘制svg格式峰图

news2025/1/28 1:05:25

本地环境：win10，visual studio 2022 community

前言

本文是在已有的代码基础上进行的开发，前期已经实现：

ABI文件的解析
峰图的简单绘制
svg绘图
svg图像导出

对于1，主要用到之前重写的struct包，另外加一些适应ABI格式的修改，c#重写的struct参见：
c#-用c#重写python的struct包-简化版_c# struct pack-CSDN博客
https://blog.csdn.net/pxy7896/article/details/120055568

对于2，之前也写过一个很粗糙的python版，没什么用，后面会着重写绘制思路：
python-读取abi文件并绘制峰图_python abi如何获取-CSDN博客
https://blog.csdn.net/pxy7896/article/details/120562689

对于3和4，参考：
SVG 教程 | 菜鸟教程
https://www.runoob.com/svg/svg-tutorial.html
Blazor入门-简单svg绘制+导出图像_blazor 画图-CSDN博客
https://blog.csdn.net/pxy7896/article/details/139003443

问题描述

在生物学和测序领域中，ABI文件（ABI format）通常指的是Applied Biosystems（ABI）公司开发的测序数据文件格式，通常的文件扩展名为.ab1。这是一种用于存储DNA序列或蛋白质序列测序结果的标准格式。

ABI文件包含了测序仪器产生的原始测序数据，包括碱基序列、测序质量值、电泳图谱等信息。这些数据对于进行基因组测序、DNA序列分析以及生物信息学研究非常重要。通常，科研人员会使用特定的软件或工具来处理和分析ABI文件，以获取目标DNA或蛋白质序列的信息。

（以上来自AI问答）

我现在接到的任务就是开发一个可以解析abi文件后绘制峰图的小工具。绘制效果应如下图所示：（其中，字体、字号、颜色、间距、峰的宽度和高度等可以定制）
在这里插入图片描述
此外，还有如下要求：

上方箭头处是目标点，这个位置是由客户指定的，此处需要绘制一个向下的箭头；
不需要展示全部序列，只需要截取目标点周围的一段序列，因此序列的start和end也是由客户指定的。

实现效果

只截取了一部分，如下图所示：
在这里插入图片描述
如果想更像上面的图，那对于比较“矮”的点可以用更小的缩放系数。目前我用的是同一个缩放系数，因为客户要的精度不高。

解决思路

目前我是用blazor写的，所以可以分为三个部分：

前台获取目标点数值和上传.ab1文件，传递给后台解析数据和计算路径，然后回传结果并在前台显示出来
解析ABI格式。这里需要了解这种文件的组织方式，以及byte到字符串、数值的转化方法
计算路径。这里计算的是<svg>对象中各种子对象的路径数值，比如<path>的d，<text>的x和y。

这里我们先从最终结果入手，思考：如果我们要画出这样的图，需要哪些信息？

我是这样拆解的：

顶端的彩色字符序列：这个可以用<text>实现，需要计算x（y相对来说是固定的，给一个固定值即可）。对于x，它应该是每个波峰顶点的横坐标再减去字符宽度的一半，这样才能保持居中。
一个红色的指示箭头：这个可以用<path>实现，需要计算d。因为是箭头，只需要计算箭头的几个顶点，用简单的直线（Line，L）首尾连接即可。我这里用的方法是先确认顶边中心的坐标，然后按逆时针方向计算其他的点，连接起来。如下图所示：
四条彩色曲线，代表不同碱基的测序数值。这个可以用Line或者贝塞尔曲线实现，也是要计算d。

我本来是考虑用贝塞尔曲线的，因为波峰的值很好取得（后面解析ABI文件会说），那么我可以将每个波峰的值看作Q点，Q和baseline的中点看作M点，如下图所示：

那么整个曲线的d属性的格式就是：M 起点x 起点y Q Qx0 Qy0 Mx0 My0 Qx1 Qy2 Mx1 My1…比如
```
<path d="M 40 100 Q 50 52 60 100 Q 70 50 80 100 Q 90 20 100 100" fill="none" stroke="blue" />
```
绘制的效果是：

但是我很快发现这样不行。。因为就算我在波峰两侧多取了两个样点，画出来的图还是假假的。。实验部门说不行，看起来太假了，像是这样：

幸运的是，我发现客户要求的范围其实相当窄，所以完全可以不取样，就用原始数据画，所以最终选择了用直线L，连接所有数据点。

实现要点

ABI文件的组织方式

参见：
https://projects.nfstc.org/workshops/resources/articles/ABIF_File_Format.pdf

只要用我之前写过的struct包解析，注意对应的tag就没啥问题。这里不再展开。

svg绘制问题

变色碱基值

这个比较简单，给前端传递对象时，带一个List<Ab1Char>，这个Ab1Char包含字符和x坐标，在前端循环时，根据字符判断颜色：

@foreach (Ab1Char a in ab1.xxx)
{
    @if (a.ch == "A") {
    	color = "green";
    }
    ...// 一些判断
}

<g>
	<text x="@a.x" y="30" fill="@color">@a.ch</text>
</g>

动态设置svg图像宽度

这个问题主要出现在导出svg图像时，发现图像右侧有一些空白：
在这里插入图片描述
造成这个现象的原因是，我的<path>啥的都是放在一个白色的<rect>上面的（为了实现白底效果），所以，需要动态地设置<rect>和<svg>的宽度，或者在导出图像时，将一个宽度变量传入函数。

目前我的解法是在计算<path>的d属性时，同步计算最大宽度值，这个值是要带给前端的，在导出操作时也要带这个值，并且修改导出图像的js函数：

export function exportSvgToImage2(svgElement, format, width) {
    if (format == null)
        return;
    var svgXml = new XMLSerializer().serializeToString(svgElement);
    var utf8 = unescape(encodeURIComponent(svgXml));
    var imageUrl = "data:image/svg+xml;base64," + btoa(utf8);
    var canvas = document.createElement("canvas");
    canvas.width = width; // 修改这一句，不再用clientWidth，改用指定值
    canvas.height = svgElement.clientHeight;
    var ctx = canvas.getContext("2d");
    var img = new Image();
    img.onload = function () {
        ctx.drawImage(img, 0, 0);
        var a = document.createElement("a");
        a.download = "exported_image." + format;
        a.href = canvas.toDataURL("image/" + format);
        a.click();
    };
    img.src = imageUrl;
}