Name: automated 3d optical coherence tomography to elucidate biofilm morphogenesis over large spatial scales
Uploaded: 2019-08-21T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Automated 3D Optical Coherence Tomography to Elucidate Biofilm Morphogenesis Over Large Spatial Scales at JoVE.com

ونشكر موريسيو أغيري موراليس على إسهامه في تطوير هذا النظام.  جاء الدعم المالي من المؤسسة الوطنية السويسرية للعلوم إلى T.J.B.

1. إعداد جهاز تحديد المواقع
<ol><li>قم بسلك جهاز تحديد المواقع إلى لوحة تحكم دقيق، باتباع التعليمات في https://github.com/grbl/grbl/wiki/Connecting-Grbl.</li>
	<li>قم بتوصيل وحدة التحكم الدقيقة بجهاز كمبيوتر أحادي اللوحة مع اتصال بالإنترنت عبر كبل USB وقم بتثبيت خادم GRBL كما هو موضح في https://gitlab.com/FlumeAutomation/GRBL_Server.git. الآن يج?...

<ol>
	<li>Flemming, H. C., Wingender, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+biofilm+matrix.">The biofilm matrix.</a> Nature reviews. Microbiology. 8, 623-633 (2010).</li><li>Flemming, H. -. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofilms:+an+emergent+form+of+bacterial+life.">Biofilms: an emergent form of bacterial life.</a> Nature reviews. Microbiology. 14, 563 (2016).</li><li>Stoodley, P., Lewandowski, Z., Boyle, J. D., Lappin-Scott, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oscillation+characteristics+of+biofilm+streamers+in+turbulent+flowing+water+as+related+to+drag+and+pressure+drop.">Oscillation characteristics of biofilm streamers in turbulent flowing water as related to drag and pressure drop.</a> Biotechnology and Bioengineering. 57, 536-544 (1998).</li><li>Stoodley, P., Lewandowski, Z., Boyle, J. D., Lappin-Scott, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+formation+of+migratory+ripples+in+a+mixed+species+bacterial+biofilm+growing+in+turbulent+flow.">The formation of migratory ripples in a mixed species bacterial biofilm growing in turbulent flow.</a> Environmental microbiology. 1, 447-455 (1999).</li><li>Banin, E., Vasil, M. L., Greenberg, E. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Iron+and+Pseudomonas+aeruginosa+biofilm+formation.">Iron and Pseudomonas aeruginosa biofilm formation.</a> Proceedings of the Natural Academy of Sciences U.S.A. 102, 11076-11081 (2005).</li><li>Battin, T. J., Besemer, K., Bengtsson, M. M., Romani, A. M., Packmann, A. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+ecology+and+biogeochemistry+of+stream+biofilms.">The ecology and biogeochemistry of stream biofilms.</a> Microbiology. 14, 251-263 (2016).</li><li>Battin, T. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microbial+landscapes:+new+paths+to+biofilm+research.">Microbial landscapes: new paths to biofilm research.</a> Nature Reviews. Microbiology. 5, 76-81 (2007).</li><li>Neu, T. R., Lawrence, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Innovative+techniques,+sensors,+and+approaches+for+imaging+biofilms+at+different+scales.">Innovative techniques, sensors, and approaches for imaging biofilms at different scales.</a> Trends in Microbiology. 23, 233-242 (2015).</li><li>Meleppat, R. K., Shearwood, C., Seah, L. K., Matham, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+optical+coherence+microscopy+for+the+in+situ+investigation+of+the+biofilm.">Quantitative optical coherence microscopy for the in situ investigation of the biofilm.</a> J. of Biomedical Optics. 21 (12), 127002 (2016).</li><li>Wagner, M., Horn, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+coherence+tomography+in+biofilm+research:+A+comprehensive+review.">Optical coherence tomography in biofilm research: A comprehensive review.</a> Biotechnology and Bioengineering. 114, 1386-1402 (2017).</li><li>Huang, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+coherence+tomography.">Optical coherence tomography.</a> Science. 254, 1178-1181 (1991).</li><li>Haisch, C., Niessner, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualisation+of+transient+processes+in+biofilms+by+optical+coherence+tomography.">Visualisation of transient processes in biofilms by optical coherence tomography.</a> Water Resources. 41, 2467-2472 (2007).</li><li>Drexler, W., Fujimoto, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Optical Coherence Tomography: Technology and Applications. , (2008).</li><li>Fercher, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+coherence+tomography+&#8211;+development,+principles,+applications.">Optical coherence tomography &#8211; development, principles, applications.</a> Zeitschrift f&#252;r Medizinische Physik. 20, 251-276 (2010).</li><li>Lee, H. -. C., Liu, J. J., Sheikine, Y., Aguirre, A. D., Connolly, J. L., Fujimoto, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrahigh+speed+spectral-domain+optical+coherence+microscopy.">Ultrahigh speed spectral-domain optical coherence microscopy.</a> Biomedical Optics Express. , 41236-41254 (2013).</li><li>Fortunato, L., Leiknes, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+biofouling+assessment+in+spacer+filled+channels+using+optical+coherence+tomography+(OCT):+3D+biofilm+thickness+mapping.">In-situ biofouling assessment in spacer filled channels using optical coherence tomography (OCT): 3D biofilm thickness mapping.</a> Bioresource Technology. 229, 231-235 (2017).</li><li>Niederdorfer, R., Peter, H., Battin, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Attached+biofilms+and+suspended+aggregates+are+distinct+microbial+lifestyles+emanating+from+differing+hydraulics.">Attached biofilms and suspended aggregates are distinct microbial lifestyles emanating from differing hydraulics.</a> Nature Microbiology. 1, 16178 (2016).</li><li>Roche, K. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Benthic+biofilm+controls+on+fine+particle+dynamics+in+streams.">Benthic biofilm controls on fine particle dynamics in streams.</a> Water Resources. 53, 222-236 (2016).</li><li>Fortunato, L., Jeong, S., Wang, Y., Behzad, A. R., Leiknes, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrated+approach+to+characterize+fouling+on+a+flat+sheet+membrane+gravity+driven+submerged+membrane+bioreactor.">Integrated approach to characterize fouling on a flat sheet membrane gravity driven submerged membrane bioreactor.</a> Bioresource Technology. 222, 335-343 (2016).</li><li>Morgenroth, E., Milferstedt, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofilm+engineering:+linking+biofilm+development+at+different+length+and+time+scales.">Biofilm engineering: linking biofilm development at different length and time scales.</a> Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. 8, 203-208 (2009).</li></ol>

التصوير OCT هو مناسبة تماما لحل الهياكل في نطاق ميكرومتر مع FOV من عدة ملليمترات مربعة. وبالتالي فهي أداة قوية لبحوث الأفلام الحيوية10،18. ومع ذلك، يقتصر OCT حاليا على منطقة المسح الأقصى من100 - 256 مم 2، في حين أن الأنماط الهيكلية biofilm غالبا ما تتجاوز هذا النطاق ...

Biofilms هي التكيف نمط الحياة الميكروبية ناجحة للغاية وهذه المجتمعات بين phase المرتبطةومصفوفة المغلقة من الكائنات الحية الدقيقة تهيمن على الحياة الميكروبية في البيئات الطبيعية والصناعية 1،2. هناك، biofilms تشكل البنى المعقدة، مثل الدفق ممدود3، تموجات4 أو الفطر مثل قبعات5 مع عواقب هامة لنمو biofilm ، والاستقرار الهيكلي ومقاومة للإجهاد6. في حين تم تعلم الكثير عن التمايز الهيكلي biofilm من العمل على الثقافات أحادية الأنواع نمت في غرف تدفق مصغرة، ومعظم biofilms هي مجتمعات معقدة للغاية في كثير من الأحيان بما في ذلك أعضاء من جميع مجالات الحياة6. ومن ثم فإن تقدير هذه الأفلام الحيوية المعقدة على أنها مناظر طبيعية ميكروبية7 وفهم كيفية تفاعل هيكل الأغشية الحيوية ووظيفتها في المجتمعات المعقدة هو في طليعة أبحاث الأفلام الحيوية.
يتطلب الفهم الآلي لنشأة الأغشية الحيوية المعقدة استجابة للإشارات البيئية تجارب مصممة بعناية بالاقتران مع عمليات رصد تم حلها مكانياً وزمنياً للبنية الفيزيائية للأفلام الحيوية عبر المجالات ذات الصلة جداول8. ومع ذلك، فإن المراقبة غير المدمرة لنمو الفيلمالحيوية في النظم التجريبية كانت محدودة للغاية بسبب القيود اللوجستية مثل الحاجة إلى نقل العينات (على سبيل المثال، إلى المجهر) التي غالباً ما تضر ببنية الأفلام الحيوية الحساسة.
يقدم البروتوكول المعروض هنا نظامًا مؤتمتًا بالكامل يستند إلى التصوير المقطعي للتماسك البصري (OCT)، والذي يسمح بالرصد غير الغازي في الموقع لمورفوجينيسيس البيوفيلم في النطاق المتوسط (مم). OCT هو تقنية التصوير الناشئة في البحوث biofilm مع التطبيقات في معالجة المياه والبحوث biofouling، والطب9 وتيار الإيكولوجيا10. في OCT، يتم تقسيم مصدر ضوء التماسك المنخفض إلى عينة وذراع مرجعية; يتم تحليل تداخل الضوء المنعكس والمتناثر من قبل biofilm (ذراع العينة) وضوء الذراع المرجعية. يتم الحصول على سلسلة من التشكيلات الجانبية المحورية الكثافة (A-scans) التي تحتوي على معلومات هيكلية تم حلها بعمق ودمجها في مسح ب (مقطع عرضي). سلسلة من عمليات المسح الضوئي B المجاورة يؤلف المسح الضوئي 3D حجم النهائي10. OCT يوفر دقة بصرية جانبية في نطاق ما يقرب من 10 م، وبالتالي هو مناسب تماما لدراسة التمايز الهيكلي التنظيري من biofilms10،12. للحصول على وصف أكثر تفصيلا من OCT، يرجى الرجوع إلى دريكسلر وفوجيموتو13وفيرشر والزملاء14. على الرغم من أن مجال الرؤية من مسح xy OCT واحد يصل إلى مئات من ميكرومتر مربع، لا يمكن قياس أنماط أكبر حجماً عن طريق OCT في مسح واحد. وفيما يتعلق بالأفلام البيولوجية في الموائل الطبيعية مثل الجداول والأنهار، فإن هذا يحد حاليا من قدرتنا على تقييم تكوين الأغشية الأحيائية على مستويات مطابقة للقالب المادي والهيدروليكي للموئل.
من أجل تجاوز هذه الحدود المكانية والحصول على عمليات المسح OCT تلقائيا، تم تركيب مسبار التصوير OCT المجال الطيفي على نظام تحديد المواقع 3 محاور. يسمح التثبيت بالحصول على عدة عمليات مسح OCT في نمط فسيفساء متداخلة (مسح البلاط)، وتحقيق التصويرالمقطعي للمناطق السطحية تصل إلى 100 سم 2. وعلاوة على ذلك، فإن دقة تحديد المواقع العالية لهذا النظام تمكن من رصد نمو وتطوير السمات الحيوية في مواقع محددة خلال التجارب الطويلة الأجل رصدا موثوقا. النظام هو وحدات والمكونات الفردية (أي، جهاز تحديد المواقع وOCT) من التثبيت يمكن استخدامها كحلول مستقلة أو مجتمعة بمرونة. ويقدم الشكل 1 لمحة عامة عن مكونات التثبيت الثابتة والبرمجية.
تم اختبار النظام مع جهاز تحديد المواقع CNC التيتسيطر عليها GRBL المتاحة تجاريا (جدول المواد). مسافات التشغيل من هذه المنصة تحديد المواقع هي 600 × 840 × 140 ملم، مع دقة وأشار من قبل الشركة المصنعة من +/- 0.05 ملم ودقة قابلة للبرمجة من 0.005 ملم. الاجهزه. لذلك، يجب أن يكون كل جهاز تحديد المواقع المستند إلى GRBL (الإصدار > 1.1) متوافقًا مع الإرشادات وحزم البرامج المعروضة هنا. وعلاوة على ذلك، يمكن تكييف البرنامج مع وحدات تحكم stepmotor أخرى مع نوع الإدخال STEP-DIR مع تعديلات قليلة.
يتميز جهاز OCT المستخدم لتقييم أداءالنظام (جدول المواد) بمصدر ضوء منخفض التماسك مع طول موجة وسطي يبلغ 930 نانومتر (عرض النطاق الترددي = 160 نانومتر) وطول الذراع المرجعي وكثافته القابل للتعديل. في المثال المعروض هنا، تم استخدام محول الغمر لغمس التحقيقOCT في المياه المتدفقة (جدول المواد). حزمة البرمجيات التي تم تطويرها هنا للحصول على المسح الضوئي OCT الآلي يعتمد بشكل حاسم على SDK المقدمة جنبا إلى جنب مع نظام OCT محددة، ومع ذلك، يجب أن تكون أنظمة OCT من نفس الشركة المصنعة مع عدسات المسح الضوئي المختلفة والأطوال الموجية المركزية متوافقة بسهولة.
يتم التحكم في جهاز GRBL بواسطة ملقم ويبمثبت على كمبيوتر أحادي اللوحة (الشكل 1). وهذا يمنح التحكم عن بعد للجهاز من أي جهاز كمبيوتر مع شبكة محلية أو الوصول إلى الإنترنت. يتم التحكم في جهاز OCT بواسطة كمبيوتر منفصل، مما يسمح بتشغيل نظام OCT جانبا الإعداد التجريبي الآلي. وأخيراً، تتضمن حزم البرامج مكتبات لمزامنة تحديد موضع مسبار OCT والحصول على المسح الضوئي لـ OCT (أي للحصول تلقائيًا على مجموعات بيانات التصوير ثلاثي الأبعاد في نمط فسيفساء أو في مجموعة من المواضعالمحددة). تحديد موقف التحقيق OCT في 3D يسمح بشكل فعال لضبط المستوى البؤري على وجه التحديد لمجموعات (الإقليمية) من المسح الضوئي. على وجه التحديد، على الأسطح غير المستوية، يمكن تحديد طائرات محورية مختلفة (أي مواقع مختلفة في اتجاه z) لكل مسح OCT.
تم تطوير مجموعة من حزم البرامج لمعالجةعمليات المسح الخام OCT (الجدول 1). يتم تنفيذ الملاحة من جهاز تحديد المواقع، والحصول على المسح الضوئي OCT ومعالجة مجموعة البيانات مع أجهزة الكمبيوتر المحمولة Jupyter مشفرة بيثون، والتي تسمح مرونة ملحوظة في تطوير وتحسين البرنامج. وهناك مثالان يعملان ومشروحان لهذه الدفاتر (للحصول على الصور ومعالجتها، على التوالي) متاحان من https://gitlab.com/FlumeAutomation/automated-oct-scans-acquisition.git يقصد بها أن تكون احتياج للتخصيص من الأسلوب. دفتر ملاحظات Jupyter هو تطبيق متصفح ويب يستند إلى الخلايا مع رمز بيثون المشروح. يتم تضمين كل خطوة في خلية من دفتر الملاحظات، والتي يمكن تنفيذها بشكل منفصل. نظرا لطول مختلف من مسار الضوء من خلال عدسة المسح الضوئي (انحراف كروية)15، والمسح الخام OCT تظهر مشوهة (الشكل2A). قمنا بتطوير خوارزمية لتصحيح تلقائيا لهذا التشويه في عمليات المسح المكتسبة OCT (الواردة في ImageProcessing.ipynb، ملف تكميلي 1). وعلاوة على ذلك، يمكن تصور مورفولوجيا الفيلم الحيوي كخريطة ارتفاع ثنائية الأبعاد، كما كان يستخدم سابقا في أنظمة الغشاء16،ونحن نوضح كيف يمكن خياطة خرائط الارتفاع التي تم الحصول عليها من عمليات المسح التي تم التقاطها في صفيف تبليط.
وأخيراً، تُوضَّح وظيفة تركيب المختبر الموصوف باستخدام تجربة فلوم يتعرض فيها الفيومتر الحيوي للتيار الضوئي إلى تدرج في سرعة التدفق.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:631px;" width="631">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">OCT Probe</td>
			<td style="width:129px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">GAN210C1</td>
			<td style="width:167px;">OCT imaging device</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">OCT scan lens</td>
			<td style="width:129px;">Thorlabs&#160;</td>
			<td style="width:119px;">OCT-LK3-BB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Immersion adapter</td>
			<td style="width:129px;">Thorlabs&#160;</td>
			<td style="width:119px;">OCT-IMM3-SP1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Stepcraft 840 CK</td>
			<td style="width:129px;">STEPCRAFT</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td>positioning device</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">microcontroller</td>
			<td style="width:129px;">Arduino Uno R3</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Single-board computer</td>
			<td style="width:129px;">Raspberry PI</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">camera</td>
			<td style="width:129px;">Canon EOS 7D Mark II</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">camera lens</td>
			<td style="width:129px;">Canon MACRO EFS 35 mm</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

automated 3d optical coherence tomography to elucidate biofilm morphogenesis over large spatial scales

Biofilms هي أسلوب حياة الميكروبية الأكثر نجاحا وتسود في العديد من البيئات البيئية والمهندسة. فهم النفيمور biofilm، وهذا هو التنويع الهيكلي للأفلام الحيوية أثناء التجمع المجتمعي، يمثل تحديا ملحوظا عبر المقاييس المكانية والزمنية. هنا، نقدم نظام التصوير الآلي للأفلام الحيوية على أساس التصوير المقطعي للتماسك البصري (OCT). OCT هو تقنية التصوير الناشئة في البحوث biofilm. ومع ذلك، فإن كمية البيانات التي يمكن الحصول عليها ومعالجتها حاليا تعوق الاستدلال الإحصائي لأنماط واسعة النطاق في مورفولوجيا الأفلام الحيوية. يسمح نظام التصوير الآلي OCT بتغطية المقاييس المكانية والزمنية الموسعة لنمو الأفلام الحيوية. وهو يجمع بين نظام OCT متاح تجارياً مع منصة تحديد المواقع الروبوتية ومجموعة من حلول البرمجيات للتحكم في تحديد مواقع مسبار المسح الضوئي OCT، فضلاً عن الحصول على مجموعات بيانات التصوير الحيوي ثلاثي الأبعاد ومعالجتها. يسمح هذا الإعداد بالرصد الآلي في الموقع وغير الغازية لتطوير الأفلام الحيوية، ويمكن تطويره بشكل أكبر لاقتران التصوير بالتصوير بالتصوير الكلي وتوصيف أجهزة الاستشعار الدقيقة.

نقوم بتوضيح وظيفة نظام التصوير الآلي OCT باستخدام تجربة فلوم مصممة لدراسة المورفيكوجينية الصدغية الزمنية للأغشية الحيوية للتيار الضوئي. الهندسة تضييق تدريجيا من المداخن الناجمة عن التدرجات في سرعة التدفق على طول مركز الفلوم (انظر المرجع17).  تم رصد التطور الزمني والتمايز الهيك...

Watch this Scientific Journal Video about Automated 3D Optical Coherence Tomography to Elucidate Biofilm Morphogenesis Over Large Spatial Scales at JoVE.com

Automated 3D Optical Coherence Tomography to Elucidate Biofilm Morphogenesis Over Large Spatial Scales

التصوير المقطعي الآلي للتماسك البصري ثلاثي الأبعاد لأتمتة المورفولوجيا الحيوية على الموازين المكانية الكبيرة

تشكل الأغشية الحيوية الميكروبية بنيات معقدة في المراحل البينية وتتطور إلى أنماط مكانية تعتمد على النطاق إلى حد كبير. هنا، نقدم نظام تجريبي (الثابت والبرمجيات) للاقتناء الآلي للتصوير المقطعي للتماسك البصري 3D (OCT). تسمح مجموعة الأدوات هذه بالتوصيف غير الغازي والمتعدد النطاق لمورفوجينيسيس الفيلم الحيوي في المكان والزمان.

Biofilms are a most successful microbial lifestyle and prevail in a multitude of environmental and engineered settings. Understanding biofilm ...

هنا نقدم نظام الآلي على أساس التصوير المقطعي الاتساق البصري أو أكتوبر. وهذا يسمح لنا بمراقبة biofilms'structure على نطاقات مكانية كبيرة أو فترات زمنية طويلة. التصوير OCT مناسب تماماً لحل الهياكل في نطاق ميكرومتر، إلا أنه يقتصر حالياً على مساحة قصوى تبلغ حوالي 250 ملليمتر مربع.وغالبا ما تتجاوز الأغشية الحيوية هذا المقياس، خاصة عندما يكون التمايز مدفوعا بتدرجات بيئية واسعة النطاق. الإعداد التجريبي يسمح لنا بمراقبة التشكل الثلاثي الأبعاد للأغشية الحيوية على نطاقات مكانية كبيرة وفترات زمنية ممتدة. النظام سريع ودقيق ويعمل بشكل مستقل.درسنا morphogenesis من الأغشية الحيوية في تيارات حيث أنها تدفع عمليات النظام الإيكولوجي الهامة. ومع ذلك، يمكن استخدام النظام لدراسة الأغشية الحيوية في بيئات نظامية أو هندسية أخرى. برنامج لتحديد المواقع ، والحصول على الصور ، وتحليل مكتوبة في بيثون.وهي متوفرة من خلال Jupyter Notebooks. هذه هي سهلة الاستخدام ، وتتاح بحرية ، والحلول المرنة. ونحن نعتقد أن التمثيل المرئي للإعداد يساعد المستخدمين الآخرين على إعادة إنتاج التثبيت وفهم البرنامج بشكل أفضل.ونأمل أن يلهم ذلك الباحثين الآخرين لاعتماد نهج مماثلة. هنا نظرة عامة على التثبيت. يتكون النظام من جهاز تحديد المواقع بدقة، ومسبار OCT، ويتم تجميعه حول فلوم شبكي.تبدأ عن طريق الأسلاك جهاز تحديد المواقع عن طريق اتباع جنبا إلى جنب مع التعليمات المنشورة على GitHub. بمجرد الاتصال، قم بتثبيت خادم GRBL كما هو موضح في صفحة GitLab منفصلة. يمكن الآن التحكم في نظام تحديد المواقع من خلال صفحة الويب هذه ؛ بدلاً من ذلك يمكن التحكم فيه من خلال برنامج نصي Python كما هو موضح في المثال الذي تم العمل به.ضع الكمبيوتر ووحدة أوكت الأساسية على مقعد بجوار الإعداد التجريبي الذي يحتوي على أجهزة microfluidic أو غرف التدفق أو الفلور أو أنظمة الترشيح. إذا لم تكن مثبتة بالفعل، فقم بتثبيت نظام OCT مع البرامج المتوفرة كما هو موضح من قبل الشركة المصنعة. ثم تثبيت حزم البرمجيات للحصول على فحص أكتوبر الآلي كما هو موضح في وثائق GitLab المرتبطة هنا.لبدء الحصول على الصورة، قم بتركيب مسبار التصوير المقطعي التناسق البصري على جهاز تحديد المواقع باستخدام حامل ذيل متوافق. إذا لزم الأمر، قم بتثبيت محول الغمر على العدسة الهدف، ثم الطاقة على نظام OCT وجهاز تحديد المواقع. افتح برنامج OCT التجاري، وحدد موقعًا يهمك، وركز على العينة، واضبط الذراع المرجعي وكثافة مصدر الضوء للحصول على جودة الصورة المثلى.لاحظ الإحداثيات وكرر هذا الإجراء لعدد من المواقف مع الحفاظ على نفس طول الذراع المرجعية وكثافتها. افتح "عملية الـ ImageAcquisition". ipynb العثور على الملف في هذه المقالة "الملف التكميلي" 2 في Jupyter دفتر الملاحظات.تحتوي كل خلية على تعليمات برمجية لتنفيذ مهام محددة ويمكن تشغيلها بشكل منفصل عن طريق الضغط على الخلية ثم تشغيل أو التحكم وإدخال أو العالي والدخول. اتبع المثال الذي تم العمل به لتعيين المسار إلى المكتبات المطلوبة لتوصيل جهاز تحديد المواقع لمعايرة جهاز تحديد المواقع لتهيئة ماسح OCT. ثم قم بضبط معلمات الامتلاك، بما في ذلك معامل الانكسار، وحجم مجال الرؤية، وعدد عمليات المسح الضوئي لكل مسح ب.علاوة على ذلك، تعيين حدود الإشارة من المسح OCT استناداً إلى كثافة المدرجات التكرارية من عمليات المسح الأولية والمجلد الوجهة للحصول على البيانات والبيانات الوصفية المكتسبة. اعتماداً على مجال العرض والدقة، قد يصل حجم الملف إلى 1.5 غيغابايت لكل فحص أكتوبر. تحدد هاتان المعلمتان حجم voxels في مجموعة البيانات النهائية وحجم ملف الإخراج.وينبغي أن تتطابق مع القرار البصري للمسبار أكتوبر. كما هو مبرز في المثال الذي تم العمل به، قد تحصل على فحص OCT واحد مع معلمات افتراضية أو الحصول على مسح واحد يحدد مجموعة مختلفة من المعلمات. يمكنك أيضاً توفير إحداثيات معينة لنقل جهاز تحديد المواقع والحصول على فحص OCT واحد.هذه الميزة تسمح لك بالعودة مرارا وتكرارا إلى نفس الموضع بالضبط في التجربة مع دقة المكانية العالية. يتم حفظ البيانات في 8bit. الخام تنسيق لتوفير مساحة التخزين.يتم حفظ بيانات التعريف، بما في ذلك إعدادات OCT والإحداثيات، في نفس المجلد في ملف json بنفس اصطلاح التسمية. بدلا من ذلك، حدد قائمة من المواقف ذات الاهتمام والحصول على الأشعة أكتوبر المعنية تلقائيا. من أجل توصيف الهياكل المورفولوجية البيولوجية عبر التدرجات البيئية الكبيرة ، الحصول على المسح الضوئي في نمط الفسيفساء.لهذا، حدد عدد من البلاطات المجاورة مع تداخل افتراضي من 30٪ تظهر عمليات الفحص الأولية OCT مشوهة. ويرجع ذلك إلى الاختلافات في طول المسار من خلال النظام البصري. قمنا بتطوير خوارزمية التي تصحيح هذا التشويه كما هو مبين في الأمثلة التي عملت.لبدء تصحيح الصورة، افتح دفتر ملاحظات Jupyter ImageProcessing.ipynb. بعد هذا المثال، قم أولاً بحصد الفحوصات التي يقوم بها OCT من أجل استبعاد الإشارات الزائفة وإعادة توجيه مجموعة البيانات بحيث يظهر البيوفيلم فوق الغشاء الفرعي. تصحيح التالي لحرف كروية.لإنجاز هذا، تقوم خوارزمية بترجمة سطح مستو عاكس للغاية في فحص OCT ويستخدم هذا كمرجع لتسطيح عمليات الفحص. عبر شبكة 20 في 20، الخوارزمية ثم يحدد القصوى المحلية في كثافة الإشارة لتوطين السطح المرجعي. ثم يتم تركيب سطح متعدد الحدود من أجل ثاني عبر هذه النقاط ويستخدم لتحويل كل بكسل من مسح أكتوبر في اتجاه Z.يجب تعديل معلمات هذه الخوارزمية إلى خصائص فحص OCT. هذا التصحيح يتيح سطح مرجع متجانس عبر صور متعددة وبالتالي يسهل خياطة الصور على نطاق واسع. بمجرد أن يتم تسطيح الصورة، يتم تصحيح الصور لضوضاء الخلفية من خلال تحديد منطقة فارغة من الصورة فوق بيو فيلم وطرح متوسط كثافة الخلفية.بعد ذلك حساب خريطة الارتفاع من مجموعة بيانات 3D OCT. للقيام بذلك، حدد سطحًا مرجعيًا مثل الجزء الفرعي واختر عتبة كثافة مناسبة. ثم يتم تقديم خريطة الارتفاع مع ارتفاع بيو فيلم ذكرت كقيمة تدرج الرمادي.إذا تم الحصول على الصور في نمط فسيفساء، غرزة خرائط الارتفاع المعنية من خلال تطبيق خوارزمية خياطة. باستخدام التصوير الأوكتوبر الآلي، تم فحص التشكل الزاقمي ال الزماني للأغشية الحيوية للتدفق الضوئي باستخدام تجارب فلوم. مصنوعة من الزجاج البلزي وتدرج توسيع من في إلى الخارج.وهذا يؤدي إلى تدرج في سرعة التدفق. هنا خريطة ارتفاع بيو فيلم تنمو على طول كامل التدرج سرعة التدفق. الأهم من ذلك، يسمح نظام التصوير الأوكتوماتيكي الآلي بقياس مستمر للبارامترات الهيكلية مثل سمك الغشاء الحيوي، والخشونة، والفوليوم الحيوي في ظل ظروف تدفق مختلفة تتراوح بين سرعة التدفق المنخفض إلى ظروف سرعة التدفق العالي.جنبا إلى جنب مع التغيرات المورفولوجية، انخفض متوسط الفولحية الحيوية بشكل ملحوظ كدالة المسافة من المدخل في المفلورة. تعتمد جودة فحوصات OCT بشكل حاسم على طول الذراع المرجعي ومسافة التركيز البؤري. قد تحتاج إلى إعادة تعديل هذه المعلمة أثناء التجارب.لضمان دقة جهاز تحديد المواقع، تذكر أن تقوم بعمليات توجيه منتظمة. ويمكن بسهولة هذا الجهاز التصوير الآلي يقترن المجهرية التنميط لتوصيف وظيفية من الأغشية الحيوية. OCT هو تقنية التصوير الناشئة ونحن نتوقع أن النظام المعروض هنا يحفز البحوث على بنية بيو فيلم.وقد يكون ذلك ذا صلة بتكنولوجيات مثل معالجة مياه الشرب أو المعالجة الأحيائية.

Research

JoVE Journal

Environment

Automated Gel Size Selection to Improve the Quality of Next-generation Sequencing Libraries Prepared from Environmental Water Samples

جل الآلي الحجم التحديد لتحسين نوعية المكتبات تسلسل الجيل المقبل من إعداد من عينات المياه البيئة

Next-generation sequencing of environmental samples can be challenging because of the variable DNA quantity and quality in these samples. High quality DNA ...

The Use of an Automated System (GreenFeed) to Monitor Enteric Methane and Carbon Dioxide Emissions from Ruminant Animals

The Use of an Automated System GreenFeed to Monitor Enteric Methane and Carbon Dioxide Emissions from Ruminant Animals

استخدام النظام الآلي (GreenFeed) لرصد المعوية الميثان وثاني أكسيد الكربون الانبعاثات الناتجة عن الحيوانات المجترة

Ruminant animals (domesticated or wild) emit methane (CH4) through enteric fermentation in their digestive tract and from decomposition of manure during ...

Using Pharmacological Manipulation and High-precision Radio Telemetry to Study the Spatial Cognition in Free-ranging Animals

عن طريق التلاعب الدوائية وعالية الدقة راديو القياس عن بعد لدراسة الإدراك المكاني في الحيوانات الطليقة،

An animal&#39;s ability to perceive and learn about its environment plays a key role in many behavioral processes, including navigation, migration, ...

Biofilm Removal Using Carbon Dioxide Aerosols without Nitrogen Purge

إزالة بيوفيلم عن طريق بخاخات ثاني أكسيد الكربون دون النيتروجين تطهير

Biofilms can cause serious concerns in many applications. Not only can they cause economic losses, but they can also present a public health hazard. ...

Data Processing Methods for 3D Seismic Imaging of Subsurface Volcanoes: Applications to the Tarim Flood Basalt

أساليب معالجة البيانات لتصوير السيزمية ثلاثية الأبعاد من البراكين تحت السطح: تطبيقات على البازلت الفيضانات تاريم

The morphology and structure of plumbing systems can provide key information on the eruption rate and style of basalt lava fields. The most powerful way ...

Tracking Infiltration Front Depth Using Time-lapse Multi-offset Gathers Collected with Array Antenna Ground Penetrating Radar

تتبع تسلل يجمع الجبهة العمق باستخدام الإزاحة المتعددة الوقت الفاصل بين جمع الصفيف هوائي رادار باطن الأرض

A Ground Penetrating Radar (GPR) system based on a ground-coupled, densely populated antenna array was used to collect data during an infiltration ...

Composition and Distribution Analysis of Bioaerosols Under Different Environmental Conditions

تكوين وتحليل التوزيع من بيوايروسولس تحت ظروف بيئية مختلفة

Variable microorganisms in particulate matter (PM) under different environmental conditions may have significant impacts on human health. In this study, ...

Split Point Analysis and Uncertainty Quantification of Thermal-Optical Organic/Elemental Carbon Measurements

تحليل نقطة الانقسام وعدم اليقين القياس الكمي للقياسات الكربونية العضوية/عنصري الحرارية البصرية

Researchers from myriad fields frequently seek to quantify and classify concentrations of carbonaceous aerosols as organic carbon (OC) or elemental carbon ...

Atom Probe Tomography Analysis of Exsolved Mineral Phases

تحليل التصوير المقطعي الذري للمراحل المعدنية الexsolvedه

Element diffusion rates and temperature/pressure control a range of fundamental volcanic and metamorphic processes. Such processes are often recorded in ...

Combining Fluidic Devices with Microscopy and Flow Cytometry to Study Microbial Transport in Porous Media Across Spatial Scales

الجمع بين الأجهزة Fluidic مع المجهر والتدفق cytometry لدراسة النقل الميكروبي في وسائل الإعلام المسامية عبر المقاييس المكانية

Understanding the transport, dispersion and deposition of microorganisms in porous media is a complex scientific task comprising topics as diverse as ...