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

Vi takker Mauricio Aguirre Morales for hans bidrag til udviklingen af dette system.  Finansiel støtte kom fra Swiss National Science Foundation til T.J.B.

1. opsætning af positionerings enheden
<ol><li>Wire positionerings enheden til et microcontroller Board, efter instruktionen i https://github.com/grbl/grbl/wiki/Connecting-Grbl.</li>
	<li>Tilslut mikrocontrolleren til en computer med en enkelt plade med internetforbindelse via et USB-kabel, og Installer GRBL-serveren som beskrevet i https://gitlab.com/FlumeAutomation/GRBL_Server.git. Nu skal positionerings enheden være navigerbar fra en webside, der hostes på http://IP:5020/. Alternativt kan positionerings enheden n...

<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>

OCT Imaging er velegnet til at løse strukturer i mikrometer området med en FOV på flere kvadrat millimeter. Det er således et effektivt værktøj til forskning i biofilm10,18. Men, OCT er i øjeblikket begrænset til et maksimum Scan område på 100-256 mm2, mens biofilm strukturelle mønstre ofte overstiger denne rumlige skala19, især når morfologiske differentiering er drevet af store miljømæssige gradienter <sup class...

Biofilms er en meget vellykket mikrobiel livsstil tilpasning og disse Interphase-associerede og matrix-indesluttet samfund af mikroorganismer dominerer mikrobielle liv i naturlige og industrielle indstillinger1,2. Der, biofilm danner komplekse arkitekturer, såsom aflange streamere3, krusninger4 eller champignon-lignende caps5 med vigtige konsekvenser for biofilm vækst, strukturel stabilitet og modstandsdygtighed over for stress6. Mens meget om biofilm strukturel differentiering er blevet lært fra arbejde på mono-arter kulturer dyrket i miniature flow kamre, de fleste biofilm er meget komplekse samfund, der ofte omfatter medlemmer af alle områder af livet6. At værdsætte disse komplekse biofilder som mikrobielle landskaber7 og forstå, hvordan biofilm struktur og funktion interagerer i komplekse samfund er således på forkant med biofilm forskning.
En mekanistisk forståelse af morfogenesen af komplekse biofilm som reaktion på Miljøsignaler kræver omhyggeligt udformede eksperimenter sammen med rumligt og timeligt løste observationer af den fysiske struktur af biofilder på tværs af relevante vægte8. Den ikke-destruktive observation af biofilm-væksten i forsøgssystemer er imidlertid blevet stærkt begrænset af logistiske begrænsninger såsom behovet for at flytte prøver (f. eks. til et mikroskop), der ofte skader den delikate biofilm struktur.
Protokollen præsenteres her introducerer et fuldt automatiseret system baseret på optisk kohærens tomografi (Oct), som tillader in situ, ikke-invasiv overvågning af biofilm morfogenese på en (mm rækkevidde). Oct er en spirende billeddannelses teknik i biofilm forskning med anvendelser i vandbehandling og foulingmiljø forskning, medicin9 og Stream økologi10. I OLT opdeles en lyskilde med lav sammenhæng i en prøve-og reference arm. interferensen af det lys, der reflekteres og spredes af biofilm (prøve armen) og lyset fra reference armen, analyseres. En række aksiale intensitets profiler (A-scanninger), som indeholder dybde-løste strukturelle oplysninger er erhvervet og fusioneret til en B-scanning (et tværsnit). En række tilstødende B-scanninger komponerer den endelige 3D-volumen scanning10. Oct giver en lateral optisk opløsning i intervallet ca. 10 μm og er derfor velegnet til at studere mesoskopisk strukturel differentiering af biofilm10,12. For en mere detaljeret beskrivelse af OLT henvises til Drexler og Fujimoto13og fercher og kolleger14. Selv om det synsfelt af en enkelt OLT XY-scanning når op til hundredvis af firkantede mikrometer, kan større skala mønstre ikke kvantificeres ved hjælp af OLT i en enkelt scanning. Med hensyn til biofilm i naturlige habitater som vandløb og floder begrænser dette i øjeblikket vores evne til at vurdere biofilden morfogenese på skalaer, der matcher den fysiske og hydrauliske skabelon af habitat.
For at overgå disse rumlige grænser og for at erhverve OCT scanninger automatisk, en spektral-domæne OCT Imaging Probe blev monteret på en 3-akse positionering system. Installationen tillader erhvervelse af flere Oct scanninger i et overlappende mosaik mønster (flise scanning), effektivt at opnå tomografisk Imaging af overfladearealer op til 100 cm2. Desuden gør dette Systems høje positionerings præcision det muligt pålideligt at overvåge væksten og udviklingen af biofilm-funktioner på bestemte steder under længerevarende eksperimenter. Systemet er modulært og individuelle komponenter (dvs. positionering enhed og OLT) af anlægget kan bruges som standalone løsninger eller fleksibelt kombineret. Figur 1 giver en oversigt over hard-og softwarekomponenterne i installationen.
Systemet blev testet med en kommercielt tilgængelig GRBL-kontrolleret CNC positionering enhed (tabel over materialer). Drifts afstanden for denne specifikke positionerings platform er 600 × 840 × 140 mm, med en fabrikant-angivet nøjagtighed på +/-0,05 mm og en programmerbar opløsning på 0,005 mm. GRBL er en open source (GPLv3 licens), højtydende bevægelsesstyring til CNC Enheder. Derfor bør alle GRBL-baserede (version > 1,1) positionerings enheder være kompatible med de retningslinjer og softwarepakker, der præsenteres her. Desuden kan softwaren tilpasses andre stepmotor controllere med trin-DIR INPUTTYPE med få modifikationer.
OLT-enheden, der anvendes til at vurdere systemets ydeevne (tabel over materialer), har en lyskilde med lav sammenhæng med en midterbølge længde på 930 nm (båndbredde = 160 nm) og justerbar reference Armlængde og-intensitet. I eksemplet præsenteret her, en nedsænkning adapter til dypning af OLT sonde i strømmende vand blev også brugt (tabel over materialer). Den softwarepakke udviklet her til automatiseret OLT scanning erhvervelse kritisk afhænger af SDK leveres sammen med det specifikke OLT-system, dog, OLT-systemer fra samme producent med forskellige scannings linser og centrale bølgelængder bør være let kompatible.
GRBL-enheden styres af en webserver, der er installeret på en computer med enkelt kort (figur 1). Dette giver fjernstyring af enheden fra enhver computer med lokale netværk eller internetadgang. OLT-enheden styres af en separat computer, der tillader driften af OLT-systemet til side den automatiserede eksperimentelle opsætning. Endelig, softwarepakkerne omfatter biblioteker til at synkronisere OCT Probe positionering og OLT scanning erhvervelse (dvs. at automatisk erhverve 3D imaging datasæt i en mosaik mønster eller i et sæt definerede positioner). Definere placeringen af OCT sonde i 3D effektivt gør det muligt at justere brændplanet specifikt for (regionale) sæt af scanninger. Specifikt på ujævne overflader kan forskellige målfly (dvs. forskellige positioner i z-retningen) specificeres for hver OLT-scanning.
Et sæt softwarepakker blev udviklet til at behandle rå OCT scanninger (tabel 1). Navigation af positionering enhed, OCT scanning erhvervelse og datasæt behandling udføres med Python-kodet Jupyter notebooks, som giver mulighed for bemærkelsesværdig fleksibilitet i udviklingen og optimering af softwaren. To arbejdede og kommenterede eksempler på sådanne notesbøger (til henholdsvis billed erhvervelse og-behandling) er tilgængelige fra https://gitlab.com/FlumeAutomation/automated-oct-scans-acquisition.git de er beregnet som udgangspunkt for tilpasning af metoden. En Jupyter notesbog er et webbrowser baseret program, der indeholder celler med kommenteret Python-kode. Hvert trin er indeholdt i en celle i notesbogen, som kan udføres separat. På grund af den forskellige længde af lysbanen gennem scannings linsen (sfærisk aberration)15, vises de rå Oct-scanninger forvrænget (figur 2a). Vi udviklede en algoritme til automatisk at korrigere for denne forvrængning i erhvervede OCT scanninger (indeholdt i Imageprocessing. ipynb, supplerende fil 1). Desuden kan biofilm morfologi visualiseres som et 2D-højde kort, som tidligere blev brugt i membransystemer16, og vi illustrerer, hvordan højde kort opnået fra scanninger taget i en flisebelægning kan sys.
Endelig illustreres funktionaliteten af den beskrevne laboratorieinstallation ved hjælp af et Flume-eksperiment, hvor fototrofisk Stream biofilm udsættes for en gradient af strømningshastigheden.

<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 er en mest succesfuld mikrobiel livsstil og fremherskende i en lang række miljømæssige og konstruerede indstillinger. Forståelse af biofilm morfogenese, det er den strukturelle diversificering af biofilmer under Fællesskabs forsamlingen, repræsenterer en bemærkelsesværdig udfordring på tværs af rumlige og tidsmæssige skalaer. Her præsenterer vi et automatiseret biofilm billedsystem baseret på optisk kohærens tomografi (OCT). OCT er en spirende billeddannelses teknik i biofilm Research. Mængden af data, der i øjeblikket kan erhverves og behandles, hæmmer imidlertid den statistiske slutning af store mønstre i biofilm morfologi. Det automatiserede OLT-billedbehandlingssystem giver mulighed for at dække store rumlige og udvidede tidsmæssige skalaer for biofilm vækst. Det kombinerer et kommercielt tilgængeligt OLT-system med en robot positionerings platform og en række softwareløsninger til at styre placeringen af OLT-scannings sonden samt erhvervelse og behandling af 3D biofilm-billedbehandlings datasæt. Dette setup giver mulighed for in situ og ikke-invasiv automatiseret monitorering af biofilm udvikling og kan videreudvikles til par OCT Imaging med makrofotografering og mikrosensor profilering.

Vi demonstrerer funktionaliteten af det automatiserede OCT-billedbehandlingssystem ved hjælp af et Flume-eksperiment, der er designet til at studere den spatio-temporale morfogenesis af fototrofisk Stream biofilms. En gradvist indsnævring geometri af flumes inducerede gradienter i strømningshastigheden langs midten af fluen (Se reference17).  Den tidsmæssige udvikling og strukturelle differentiering af biofilm blev overvåget i løbet af 18 dage med henblik på bedre at forstå virkningerne af ...

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

Automatiseret 3D optisk kohærens tomografi til at belyse biofilm Morfogenesis over store rumlige skalaer

Mikrobielle biofilmer danner komplekse arkitekturer ved interfaser og udvikler sig til meget skala afhængige rumlige mønstre. Her introducerer vi et eksperimentelt system (Hard-og software) til automatiseret erhvervelse af 3D optisk kohærens tomografi (OCT) datasæt. Dette værktøjsæt tillader ikke-invasiv og multi-skala karakterisering af biofilm morfogenese i rum og tid.

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

Her præsenterer vi et automatiseret system baseret på optisk kohærens tomografi eller OLT. Dette giver os mulighed for at overvåge biofilms struktur over store rumlige skalaer eller længere perioder. OCT billeddannelse er velegnet til at løse strukturer i mikrometerområdet, men det er i øjeblikket begrænset til et maksimalt areal på omkring 250 kvadratmillimeter.Biofilm overstiger ofte denne skala, især når differentieringen er drevet af store miljømæssige stigninger. Den eksperimentelle opsætning giver os mulighed for at overvåge den tre-dimensionelle morfogenese af biofilm over store rumlige skalaer og længere perioder. Systemet er hurtigt, præcist, og det fungerer selvstændigt.Vi studerede morfogenese af biofilm i vandløb, hvor de driver vigtige økosystemprocesser. Systemet kan dog bruges til at studere biofilm i andre naturlige system- eller konstruerede miljøer. Softwaren til positionering, billederhvervelse og analyse er skrevet i Python.De er tilgængelige via Jupyter Notebooks. Disse er brugervenlige, frit tilgængelige og fleksible løsninger. Vi mener, at den visuelle repræsentation af opsætningen hjælper andre brugere med at reproducere installationen og bedre forstå softwaren.Vi håber, at dette inspirerer andre forskere til at vedtage lignende tilgange. Her er en oversigt over installationen. Systemet består af en præcisionspositioneringsanordning, OCT-sonden, og det er samlet omkring et plexiglas flume.Begynd med at ledninger positionering enhed ved at følge sammen med instruktioner lagt ud på GitHub. Når den er oprettet, skal du installere GRBL-serveren som beskrevet på en separat GitLab-side. Positionering system kan nu styres via denne webside;alternativt kan det styres gennem en Python script som vist i arbejdet eksempel.Placer computeren og OLT-basisenheden på en bænk ved siden af den eksperimentelle opsætning, der indeholder mikrofluidiske anordninger, flowkamre, flumes eller filtreringssystemer. Hvis det ikke allerede er installeret, skal du installere OCT-systemet sammen med den tilgængelige software som beskrevet af producenten. Installer derefter softwarepakkerne til automatiseret erhvervelse af OCT-scanning som beskrevet i GitLab-dokumenterne, der er knyttet til her.For at starte billederhvervelsen monteres den optiske kohærenstomografisonde på positioneringsanordningen ved hjælp af en kompatibel svalehaleholder. Hvis det er nødvendigt, skal du installere en nedsænkningsadapter på objektivet og derefter strøm på OCT-systemet og positioneringsenheden. Åbn den kommercielle OCT-software, find et sted af interesse, fokuser på prøven, og juster referencearmen og lyskildeintensiteten for optimal billedkvalitet.Koordinaterne noters, og gentag denne procedure for en række positioner, samtidig med at den samme referencearmlængde og -intensitet bevares. Åbn Billedopabilitionen. ipynb fil fundet i denne artikel supplerende fil 2 i Jupyter Notebook.Hver celle indeholder kode til at udføre bestemte opgaver og kan køres separat via tryk på Cell og derefter Kør eller Kontrol og Enter eller Skift og Enter. Følg det bearbejdede eksempel for at indstille stien til de nødvendige biblioteker for at forbinde positioneringsenheden for at kalibrere positioneringsenheden for at initialisere OCT-scanneren. Juster derefter anskaffelsesparametrene, herunder brydningsindekset, størrelsen af synsfeltet og antallet af A-scanninger pr. B-scanning.Yderligere, indstille signalgrænserne for OCT scanning baseret på intensitet histogrammer af foreløbige scanninger og destinationen mappe for erhvervede data og metadata. Afhængigt af synsfeltet og opløsningsfeltet kan filstørrelsen nå op på 1,5 GB pr. OCT-scanning. Disse to parametre bestemmer størrelsen af voxels i det endelige datasæt og størrelsen af outputfilen.De skal matche OLT-sondens optiske opløsning. Som fremhævet i det arbejdede eksempel kan du anskaffe en enkelt OLT-scanning med standardparametre eller anskaffe en enkelt scanning, der angiver et andet sæt parametre. Du kan også angive specifikke koordinater til at flytte positioneringsenheden og anskaffe en enkelt OLT-scanning.Denne funktion giver dig mulighed for gentagne gange at vende tilbage til nøjagtig samme position i eksperimentet med høj rumlig nøjagtighed. Data gemmes i 8bit. råt format for at spare lagerplads.Metadata, herunder OCT-indstillinger og -koordinater, gemmes i den samme mappe i en jsonfil med samme navngivningskonvention. Alternativt kan du angive en liste over interessepositioner og automatisk erhverve de respektive OLT-scanninger. For at karakterisere biofilm morfologiske strukturer på tværs af store miljømæssige gradienter, erhverve scanninger i en mosaik mønster.I denne forbindelse skal du angive antallet af tilstødende felter med en standardoverlapning på 30%De rå OCT-scanninger vises forvrængede. Dette skyldes forskelle i banelængde gennem det optiske system. Vi udviklede en algoritme, der korrigerer denne forvrængning som vist i de arbejdede eksempler.Hvis du vil starte billedkorrektionen, skal du åbne Jupyter-notesbogen ImageProcessing.ipynb. I dette eksempel skal du først beskære OLT-scanningerne for at udelukke falske signaler og omlægge datasættet, så biofilmen vises over understratet. Næste korrekt for sfærisk aberration.For at opnå dette lokaliserer algoritmen en meget reflekterende flad overflade i OLT-scanningen og bruger dette som reference til at flade scanningerne. På tværs af et 20-20-gitter identificerer algoritmen derefter lokale maksa i signalintensitet for at lokalisere referenceoverfladen. Derefter monteres en anden ordenspolynomial overflade på tværs af disse punkter og bruges til at flytte hver pixel i OLT-scanningen i Z-retning.Parametrene for denne algoritme bør justeres til olt-scanningens karakteristika. Denne korrektion muliggør en homogen referenceoverflade på tværs af flere billeder og letter dermed syning af store billeder. Når billedet er blevet fladtrykt, korrigeres billederne for baggrundsstøj ved at identificere et tomt område af billedet over biofilmen og trække den gennemsnitlige baggrundsintensitet fra.Næste beregne en højde kort fra 3D OCT datasæt. For at gøre dette skal du definere en referenceflade som substratet og vælge en passende intensitetstærskel. Derefter gengives et højdekort, hvor højden på den biofilm, der rapporteres som gråtoneværdi.Hvis billeder blev anskaffet i et mosaikmønster, skal du sy de respektive højdekort ved at anvende syningsalgoritmen. Ved hjælp af automatiseret OLT-billeddannelse blev den spatiotemporale morfogenese af fototrofiske streambiofilm undersøgt ved hjælp af flumeforsøg. Flumes er lavet af plexiglas og gradvist udvide fra ind til udstrømningen.Dette resulterer i en gradient i flowhastighed. Her er en højde kort over en biofilm vokser langs hele flow hastighed gradient. Det er vigtigt, at det automatiserede OCT-billedsystem giver mulighed for en kontinuerlig måling af strukturelle parametre såsom biofilmtykkelse, ruhed og biovolum under forskellige strømningsforhold lige fra lavflowhastighed til høje flowhastighedsforhold.Sammen med morfologiske ændringer faldt den gennemsnitlige biovolum signifikant som en funktion af afstanden fra indløbet i flume. Kvaliteten af OLT-scanningerne afhænger kritisk af referencearmens længde og fokusafstanden. Det kan være nødvendigt at justere denne parameter under forsøgene.For at sikre placeringens nøjagtighed skal du huske at udføre regelmæssigt hovs. Denne automatiserede billeddannelsesenhed kan let kobles sammen med mikrosensorprofilering for en funktionel karakterisering af biofilm. OCT er en spirende billedteknik, og vi forventer, at det system, der præsenteres her stimulerer forskning i biofilm struktur.Dette kan være relevant for teknologier som drikkevandsbehandling eller bioforarbejdning.

Research

JoVE Journal

Environment

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

Automatiseret Gel Size Selection For at forbedre kvaliteten af ​​Next-generation sequencing biblioteker fremstillet fra Environmental Water Prøver

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

Brug af et automatiseret system (grovfoder) til Monitor Enteric metan og kuldioxid Emissioner fra drøvtyggere

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

Brug Farmakologisk manipulation og Høj præcision RF at studere den Spatial Cognition i fritgående dyr

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

Fjernelse Biofilm Brug kuldioxid Aerosoler uden Nitrogen Purge

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

Databehandling metoder for 3D seismiske billeddannelse af undergrunden vulkaner: programmer til Tarim oversvømmelse Basalt

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

Sporing Infiltration forreste dybde ved hjælp af Time-lapse multi offset samler indsamlet med Array antenne jorden gennemtrængende Radar

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

Sammensætning og Distribution analyse af Bioaerosols Under forskellige miljøforhold

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

Analyse af Split punkt og usikkerheds kvantificering af termisk-optiske organiske/Elementale kulstof målinger

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

Atom sonde tomografi analyse af opløste mineral faser

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

Kombinere fluidic enheder med mikroskopi og flow cytometri at studere mikrobiel transport i porøse medier på tværs af rumlige skalaer

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