כאן אנו מציגים מערכת אוטומטית המבוססת על טומוגרפיה קוהרנטיות אופטית או OCT. זה מאפשר לנו לפקח על המבנה של ביופילמים על פני קשקשים מרחביים גדולים או פרקי זמן ממושכים. הדמיית OCT מתאימה היטב לפתרון מבנים בטווח המיקרומטר, אולם כיום היא מוגבלת לאזור מרבי של כ-250 מילימטרים רבועים.
Biofilms לעתים קרובות יעלה על סולם זה, במיוחד כאשר הבידול מונע על ידי מעברי צבע סביבתיים בקנה מידה גדול. ההתקנה הניסיונית מאפשרת לנו לנטר את המורפוגנזה התלת מימדית של ביופילמים על פני קשקשים מרחביים גדולים ותקופות זמן ממושכות. המערכת מהירה, מדויקת, והיא פועלת באופן אוטונומי.
חקרנו את המורפוגנזה של ביופילמים בנחלים שבהם הם נוהגים בתהליכי מערכת אקולוגית חשובים. עם זאת, המערכת עשויה לשמש לחקר ביופילמים במערכת טבעית אחרת או בסביבות מהונדסות. התוכנה למיצוב, רכישת תמונות וניתוח נכתבת בפייתון.
הם זמינים באמצעות מחברות ג'פיטר. אלה הם פתרונות ידידותיים למשתמש, זמינים בחופשיות וגמישים. אנו מאמינים כי הייצוג החזותי של ההתקנה מסייע למשתמשים אחרים לשחזר את ההתקנה ולהבין טוב יותר את התוכנה.
אנו מקווים שזה יעורר השראה לחוקרים אחרים לאמץ גישות דומות. להלן סקירה כללית של ההתקנה. המערכת מורכבת מהתקן מיקום מדויק, הגשוש OCT, והוא מורכב סביב פלקסיגלס flume.
התחל על ידי חיווט התקן המיקום על ידי ביצוע יחד עם הוראות שפורסמו על GitHub. לאחר ההתחברות, התקן את שרת GRBL כמתואר בדף GitLab נפרד. כעת ניתן לשלוט במערכת המיקום באמצעות דף אינטרנט זה;לחלופין ניתן לשלוט בה באמצעות קובץ Script של Python כפי שמוצג בדוגמה הכתובה.
מקם את המחשב ואת יחידת הבסיס OCT על ספסל ליד ההתקנה הניסיונית המכילה התקנים מיקרופלואידיים, תאי זרימה, flumes או מערכות סינון. אם עדיין לא הותקן, התקן את מערכת OCT יחד עם התוכנה הזמינה כמתואר על-ידי היצרן. לאחר מכן התקן את חבילות התוכנה לרכישת סריקה אוטומטית של OCT כמתואר במסמכים של GitLab המקושרים לכאן.
כדי להתחיל ברכישת תמונה, הר את בדיקה טומוגרפיה קוהרנטיות אופטית למכשיר המיקום באמצעות מחזיק dovetail תואם. במידת הצורך, התקן מתאם טבילה בעדשה האובייקטיבית ולאחר מכן הפעל את מערכת OCT ואת התקן המיקום. פתח את תוכנת OCT המסחרית, אתר אתר מעניין, התמקד בדגימה והתאם את זרוע הייחוס ואת עוצמת מקור האור לקבלת איכות תמונה אופטימלית.
שים לב הקואורדינטות וחזור על הליך זה עבור מספר עמדות תוך שמירה על אותו אורך זרוע התייחסות ועוצמה. פתח את ה-ImageAcquisition. קובץ ipynb נמצא בקובץ המשלים של מאמר זה 2 במחברת Jupyter.
כל תא מכיל קוד לביצוע משימות ספציפיות ו ניתן להפעילו בנפרד באמצעות הקשה על תא ולאחר מכן הפעל או שלוט והזן או הזז והזן. לאחר מכן התאימו את פרמטרי הרכישה, כולל האינדקס הש שבירה, גודל שדה התצוגה ומספר סריקות A לכל סריקת B.
יתר על כן, הגדר את גבולות האות של סריקת OCT בהתבסס על היסטוגרמות אינטנסיביות של סריקות ראשוניות ועל תיקיית היעד עבור נתונים ומטה-נתונים שנרכשו. בהתאם לשדה התצוגה והרזולוציה, גודל הקובץ עשוי להגיע עד 1.5 ג'יגה-בתים לכל סריקת OCT. שני פרמטרים אלה קובעים את גודל הווקסלים ב ערכת הנתונים הסופית ואת גודל קובץ הפלט.
הם צריכים להתאים את הרזולוציה האופטית של החללית OCT. כפי שצוין בדוגמה העבודה, באפשרותך לרכוש סריקת OCT יחידה עם פרמטרי ברירת מחדל או לרכוש סריקה בודדת המציין ערכת פרמטרים שונה. באפשרותך גם לספק קואורדינטות ספציפיות כדי להזיז את התקן המיקום ולרכוש סריקת OCT אחת.
תכונה זו מאפשרת לך לחזור שוב ושוב לאותה תנוחה בדיוק בניסוי בדיוק מרחבי גבוה. הנתונים נשמרים ב- 8 סיביות. תבנית גולמית לחיסכון בשטח אחסון.
מטה-נתונים, כולל ההגדרות וקואורדינטות OCT, נשמרים באותה תיקיה בקובץ json עם אותה מוסכמה למתן שמות. לחלופין, ציין רשימה של פוזיציות עניין ורכוש את סריקות OCT המתאימות באופן אוטומטי. על מנת לאפיין מבנים מורפולוגיים ביופילם על פני שיפוע סביבתי גדול, לרכוש סריקות בתבנית פסיפס.
לשם כך, ציין את מספר האריחים השכנים עם חפיפה המוגדרת כברירת מחדל של 30%The raw OCT scans נראה מעוות. זאת בשל הבדלים באורך הנתיב דרך המערכת האופטית. פיתחנו אלגוריתם שמתקן עיוות זה כפי שמוצג בדוגמאות שעבדו.
כדי להתחיל בתיקון תמונה, פתח את מחברת Jupyter ImageProcessing.ipynb. בעקבות דוגמה זו, תחילה לחתוך את סריקות OCT כדי לא לכלול אותות מזויפים ולכוון מחדש את ערכת הנתונים כך biofilm מופיע מעל substratum. הדבר הנכון הבא עבור סטייה כדורית.
כדי להשיג זאת, האלגוריתם לוקליזציה משטח שטוח רפלקטיבי מאוד בסריקת OCT ומשתמש זה כהפניה כדי לשטח את הסריקות. על פני רשת של 20 על 20, האלגוריתם מזהה מקסימום מקומי בעוצמת האות כדי לוקליזציה של משטח הייחוס. לאחר מכן משטח פולינומיאלי מסדר שני מותאם לאורך נקודות אלה ומשמש להזיז כל פיקסל של סריקת OCT בכיוון Z.
יש להתאים את הפרמטרים של אלגוריתם זה למאפיינים של סריקת OCT. תיקון זה מאפשר משטח התייחסות הומוגני על פני תמונות מרובות ובכך מאפשר תפירה של תמונות בקנה מידה גדול. לאחר שיטוח התמונה, התמונות מתוקנות לרעשי רקע על-ידי זיהוי אזור ריק בתמונה מעל הביופילם וחסיכת עוצמת הרקע הממוצעת.
לאחר מכן מ לחשב מפת גובה מערכת הנתונים 3D OCT. לשם כך, הגדר משטח הפניה כגון תת-המצע ובחר סף עוצמה מתאים. לאחר מכן מעובדת מפת גובה עם גובה הביופילם המדווח כערך גווני אפור.
אם תמונות נרכשו בתבנית פסיפס, תפר את מפות הגובה המתאימות על-ידי החלת אלגוריתם התפירה. באמצעות הדמיה אוטומטית של OCT, המורפוגנזה המרחבית של ביופילמים של זרם פוטוטרופי נבדקה באמצעות ניסויי פלומה. הפלומים עשויים פלקסיגלס ומתרחבים בהדרגה מהזרימה פנימה.
התוצאה היא מעבר צבע במהירות הזרימה. הנה מפת גובה של ביופילם הגדל לאורך כל שיפוע מהירות הזרימה. חשוב לציין, מערכת ההדמיה האוטומטית OCT מאפשרת מדידה רציפה של פרמטרים מבניים כגון עובי ביופילם, חספוס וביו-וולטום בתנאי זרימה שונים, החל ממהירות זרימה נמוכה ועד לתנאי מהירות זרימה גבוהה.
יחד עם שינויים מורפולוגיים, biovolume הממוצע ירד באופן משמעותי כפונקציה של מרחק מן המפץ ב flume. איכות סריקות OCT תלויה באופן קריטי באורך זרוע הייחוס ובמרחק המיקוד. ייתכן שיהיה עליך להסתגל מחדש פרמטר זה במהלך הניסויים.
כדי להבטיח את הדיוק של התקן המיקום, זכור לבצע פעולות ביות באופן קבוע. מכשיר הדמיה אוטומטי זה יכול להיות בקלות יחד עם פרופיל microsensor עבור אפיון פונקציונלי של ביופילמים. OCT היא טכניקת הדמיה מתפתחת ואנחנו צופים שהמערכת המוצגת כאן מעוררת מחקר על מבנה הביופילם.
זה עשוי להיות רלוונטי עבור טכנולוגיות כגון טיפול במי שתייה או תהליך ביולוגי.
