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

אנו מודים למורסיו אגירי מוראלס. על תרומתו לפיתוח המערכת  תמיכה פיננסית הגיעה מקרן המדע הלאומי השוויצרי לT.J.B.

1. הכיוונון של התקן המיקום
<ol><li>הגדר את התקן המיקום ללוח מיקרובקר, בעקבות ההוראה ב-https://github.com/grbl/grbl/wiki/Connecting-Grbl.</li>
	<li>חבר את המיקרו-בקר למחשב בעל לוח יחיד עם חיבור לאינטרנט באמצעות כבל USB והתקן את שרת GRBL כמתואר ב-https://gitlab.com/FlumeAutomation/GRBL_Server.git. כעת יש לנווט את מכשיר המיקום מדף אינטרנט המתארח ב-http:...

<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>

הדמיה של OCT מתאימה היטב לפתרון מבנים בטווח המיקרומטר עם FOV של מספר מילימטרים רבועים. לפיכך, כלי רב-עוצמה עבור מחקר ביוilm10,18. עם זאת, OCT מוגבל כעת לשטח סריקה מירבי של 100-256 מ"מ2, בעוד שתבניות מבניות של ביוilm חורגות לרוב בקנה מידה מרחבי זה19, במיוחד ...

ביואילאמים הם הסתגלות מוצלחת ביותר לסגנון חיים של חיידקים והקהילות הללו הקשורות ומטריצה משולבת של מיקרואורגניזמים להשתלט על החיים מיקרוביאלית בהגדרות טבעיות ותעשייתיים1,2. שם, ביוגיאמים יוצרים ארכיטקטורות מורכבות, כגון סרטים מאורכים3, אדוות4 או פטריות כמו כמוסות מסוג5 עם השלכות חשובות לגידול ביוilm, יציבות מבנית ועמידות ללחץ6. בעוד הרבה מאוד על בידול מבנית לומדים מהעבודה על תרבויות מונו-מינים גדל בתאי זרימה זעירים, רוב הביואמים הם קהילות מורכבות לעתים קרובות כולל חברים של כל תחומי החיים6. מעריך את הביואמים המורכבים הללו כנופי מיקרוביאלית7 ומבינים כיצד מבנה ותפקוד של ביוilm מקיימים אינטראקציה בקהילות מורכבות, ולכן בחזית המחקר של הביו,.
הבנה מכניסטית של מורפוגנזה של ביווריאמים מורכבים בתגובה לרמזים סביבתיים מחייבת ניסויים מעוצבים בקפידה בשילוב עם תצפיות הקשורות באופן זמני ומעמיק של מבנה פיסי של ביויוסיס על-פני מאזניים8. עם זאת, התבוננות בלתי הרסנית של גידול ביוilm במערכות נסיוניות הוגבלה באופן חמור באילוצים לוגיסטיים, כגון הצורך להעביר דגימות (למשל, למיקרוסקופ), הפוגעות לעתים קרובות במבנה הבין-ממדי העדין.
הפרוטוקול המוצג כאן מציג מערכת אוטומטית לחלוטין מבוסס על טומוגרפיה אופטית קוהרנטית (OCT), אשר מאפשר את באתרו, לא פולשנית ניטור של ביואוסיס מורגנזה בקנה מידה מזולא (מגוון מ"מ). OCT היא טכניקת הדמיה מתפתחים בתחום המחקר של הארגון, עם יישומים בטיפול במים ומחקר ביומיים, רפואה9 ואקולוגיה של זרם10. ב-OCT, מקור אור קוהרנטיות נמוך מפוצל למדגם וזרוע התייחסות; הפרעה של האור המשתקף והתפזרו על-ידי היוilm (הזרוע המדגם) והאור של זרוע ההתייחסות מנותח. סדרה של פרופילים בעלי עוצמה צירית (A-סריקות) אשר מכיל מידע מבני הנפתרות בעומק מעמיק נרכש וממוזג לתוך סריקת B (חתך רוחב). סדרה של B-סריקות סמוכות מלחינה האחרון 3D לסרוק את העוצמה10. OCT מספק רזולוציה אופטית לרוחב בטווח של כ 10 יקרומטר ולכן מתאים במידה רבה ללמוד בידול מבניים מזוסקופי של ביוילמס10,12. לתיאור מפורט יותר של OCT, עיין דרקסלר ופוג'ימוטו13ו fercher ועמיתיו14. למרות ששדה-התצוגה של ציר xy אחד של OCT מגיע עד מאות מיקרומטר רבועים, לא ניתן לכמת תבניות בקנה מידה גדול יותר באמצעות OCT בסריקה אחת. ביחס לבייואמים בבתי גידול טבעיים כגון נחלים ונהרות, הדבר מגביל כיום את היכולת שלנו להעריך את המבנה הפיזי והידראולי של בית הגידול.
על מנת לעבור את המגבלות הללו מרחבי ולרכוש באופן אוטומטי בסריקות OCT, בדיקה ספקטרלית בתחום הדמיה OCT הותקן על מערכת מיצוב של 3 צירים. ההתקנה מאפשרת רכישה של מספר סריקות OCT בתבנית פסיפס חופפת (סריקת אריח), השגת ביעילות את ההדמיה הטומוגרפית של שטחי פני השטח עד 100 ס מ2. יתרה מזאת, דיוק המיקום הגבוה של מערכת זו מאפשר לנטר באופן אמין את התפתחותם והתפתחותם של תכונות ביוilm באתרים ספציפיים במהלך ניסויים ארוכי טווח. המערכת היא רכיבים מודולריים ובודדים (כלומר, התקן מיקום ו-OCT) של ההתקנה ניתן להשתמש כפתרונות עצמאיים או בשילוב גמיש. איור 1 מספק מבט כולל על רכיבי התוכנה הקשיחים של ההתקנה.
המערכת נבדקה עם התקן מיקום מסחרי GRBL מבוקרת CNC (טבלת חומרים). מרחקים ההפעלה של פלטפורמת מיקום ספציפית זו הם 600 × 840 × 140 מ"מ, עם יצרן-המצוין בדיוק של +/-0.05 מ"מ ורזולוציה ניתנת לתיכנות של 0.005 mm. GRBL הוא מקור פתוח (GPLv3 רישיון), ביצועים גבוהים תנועה בקרת CNC תקנים. לכן, כל GRBL מבוסס (גירסה > 1.1) התקן מיקום צריך להיות תואם את ההנחיות וחבילות התוכנה המוצגת כאן. יתר על כן, התוכנה יכול להיות מותאם לבקרי מוטוריים אחרים עם סוג הקלט שלב-DIR עם כמה שינויים.
התקן OCT המשמש להערכת ביצועי המערכת (טבלת חומרים) כולל מקור אור קוהרנטיות נמוכה עם אורך גל מרכזי של 930 ננומטר (רוחב פס = 160 nm) והתייחסות מתכווננת באורך ובעוצמה. בדוגמה שהוצגה כאן, נעשה שימוש גם במתאם טבילה לטבילה במכשיר OCT למים זורמים (שולחן החומרים). חבילת התוכנה שפותחה כאן עבור רכישת הסריקה האוטומטית של OCT באופן ביקורתי תלוי ב-SDK סיפק יחד עם מערכת OCT ספציפית, עם זאת, מערכות OCT מאותו יצרן עם עדשות סריקה שונות ואורכי גל מרכזי צריך להיות תואם בקלות.
התקן ה-GRBL נשלט על-ידי שרת אינטרנט המותקן במחשב בעל לוח יחיד (איור 1). זה מעניק שליטה מרחוק של המכשיר מכל מחשב עם רשת מקומית או גישה לאינטרנט. התקן ה-OCT נשלט על-ידי מחשב נפרד, המאפשר לבצע את פעולת מערכת OCT מחוץ לכיוונון הניסיוני האוטומטי. לבסוף, חבילות התוכנה כוללות ספריות כדי לסנכרן מיצוב בדיקה OCT ו-OCT הסריקה לסרוק (כלומר, כדי לרכוש באופן אוטומטי מערכות הדמיה תלת-ממד בתבנית פסיפס או בסדרה של מיקומים מוגדרים). הגדרת המיקום של הבדיקה OCT ב-3D באופן יעיל מאפשר לכוונן את המטוס המוקד במיוחד עבור (אזורי) סטים של סריקות. במיוחד, על משטחים לא אחיד, מטוסי מיקוד שונים (כלומר, תנוחות שונות בכיוון z) ניתן לציין עבור כל סריקת OCT.
ערכה של חבילות תוכנה פותחה כדי לעבד סריקות OCT raw (טבלה 1). ניווט של התקן המיקום, הרכישה של OCT ועיבוד ערכת נתונים מתבצעים עם מחשבים ניידים מקודד פיתון, אשר מאפשרים גמישות יוצאת דופן בפיתוח ואופטימיזציה של התוכנה. שתי דוגמאות עבדו ומבוארות של מחברות כאלה (לרכישת תמונות ועיבוד, בהתאמה) זמינות מ https://gitlab.com/FlumeAutomation/automated-oct-scans-acquisition.git הם מיועדים כנקודות התחלה עבור התאמה אישית של השיטה. מחברת Jupyter הוא דפדפן אינטרנט יישום המבוסס המכילים תאים עם קוד פיתון מסומן. כל שלב מכיל תא של המחברת, שניתן לבצע בנפרד. בשל האורך השונה של נתיב האור דרך עדשת הסריקה (סטייה כדורית)15, סריקות OCT raw מופיעות מעוותות (איור 2a). פיתחנו אלגוריתם כדי לתקן באופן אוטומטי לעיוות זה בסריקות OCT שנרכשו (הכלול בעיבוד imageprocessing ipynb, קובץ משלים 1). יתר על כן, מורפולוגיה ביוilm יכול להיות מדמיין כמפת העלאת 2D, כפי שהיה בעבר בשימוש מערכות ממברנה16, ואנו ממחישים כיצד העלאת מפות שהתקבלו מסריקות שצולמו מערך ריצוף יכול להיות תפור.
לבסוף, את הפונקציונליות של התקנת המעבדה המתוארת מומחש באמצעות ניסוי תעלת שבו phototrophic זרם ביוilm נחשף הדרגתי של מהירות הזרימה.

<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

ביואילאמים הם אורח חיים מוצלח ביותר בחיידקים ומנצח בהמון הגדרות סביבתיות ומהונדסים. הבנת המבנה הקונסטרוקטיבי של ביואוגנזה, שהיא הגיוון המבני של ביוילאמים במהלך האסיפה הקהילתית, מייצגת אתגר יוצא דופן על פני קשקשים מרחביים וזמני. כאן, אנו מציגים מערכת הדמיה אוטומטית של ביואוilm המבוססת על טומוגרפיה קוהרנטית אופטית (OCT). OCT היא טכניקת הדמיה מתפתחים בתחום המחקר הבין-מחקרי. עם זאת, כמות הנתונים שניתן לרכוש כרגע ולעבד הסלים את הסקנה הסטטיסטית של דפוסי בקנה מידה גדול בתוך המבנה הבין-מורפולוגיה. מערכת ההדמיה האוטומטית של OCT מאפשרת לכסות את היקף הריבוי והארוך של צמיחת הביוilm. הוא משלב מערכת מסחרית הזמין OCT עם פלטפורמת מיצוב רובוטית וחבילת פתרונות תוכנה כדי לשלוט על המיקום של בדיקה סריקת OCT, כמו גם רכישת ועיבוד של ערכות נתונים 3D הדמיה של ביוilm. התקנה זו מאפשרת באתרו ובמעקב אוטומטי לא פולשנית של פיתוח הביוilm וניתן לפתח עוד ליצירת הדמיה של שני OCT עם מאקרוצילום ופרופיל מיקרוסנסור.

אנו מדגימים את הפונקציונליות של מערכת ההדמיה האוטומטית של OCT באמצעות ניסוי תעלת שנועד לחקור את הphototrophic הרקתית הטמפורלית של ביוגיאמים זרם. הגיאומטריה הצרת בהדרגה של הפלומס המושרה מעברי הזרם במהירות הזרימה לאורך מרכז flumes (ראה התייחסות17).  התפתחות הזמן והבידול המבני של הביוilm הש?...

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

אוטומטי 3D הטומוגרפיה האופטית קוהרנטית כדי להבהיר ביויובואר מורפוגנזה מעל סולמות מרחביים גדול

ביויודים מורכבים באופן מורכב מארכיטקטורות מורכבות ומתפתחות לדפוסי מרחבי מאוד תלויי קנה מידה. כאן, אנו מציגים מערכת ניסיונית (קשה ותוכנה) עבור רכישה אוטומטית של מערכות הנתונים של טומוגרפיה אופטית 3D קוהרנטית (OCT). ערכת כלים זו מאפשרת אפיון לא פולשני ורב-ממדי של הביוגנזה מורפוליולוגיה במרחב ובזמן.

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

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.

Research

JoVE Journal

Environment

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

בחירת גודל האוטומטי ג&#39;ל כדי לשפר את האיכות של ספריות רצף הדור הבא הוכן מדגימות סביבתיות מים

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

השימוש במערכת אוטומטית (GreenFeed) לפקח פליטות המעיים מתאן ופחמן דו חמצני מבעלי חיים מעלה הגירה

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

באמצעות מניפולציה תרופתית ו-דיוק גבוה טלמטריה רדיו לחקר הקוגניציה המרחבי בעלי חיים חינם היריעה

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

הסרת biofilm באמצעות אירוסולים פחמן דו-חמצני ללא חנקן טהר

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

שיטות עיבוד נתונים סיסמיים הדמיה ממוחשבת של הרי געש מהסבא: יישומים הבזלת טארים המבול

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

מעקב אחר הסתננות עומק קבלה באמצעות offset רב בצילום מואץ אוספת הנאספים יחד עם מערך הקרקע אנטנת רדאר חודר

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

הלחנה וניתוח הפצה Bioaerosols בתנאים סביבתיים שונים

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

ניתוח נקודת פיצול וחוסר ודאות של מדידות תרמי אופטי אורגני/היסודות פחמן

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

האטום בדיקה טומוגרפיה ניתוח של מינרלים Exsolved שלבים

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

שילוב התקנים נוזליים עם מיקרוסקופיה וציתום זרימה לחקר תחבורה מיקרוביאלית במדיה נקבובית על פני קשקשים מרחביים

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