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 sitt bidrag til utviklingen av dette systemet.  Finansiell støtte kom fra Swiss National Science Foundation til T.J.B.

1. oppsett av posisjonerings enheten
<ol><li>Koble posisjonerings enheten til et microcontroller bord ved å følge instruksjonen i https://github.com/grbl/grbl/wiki/Connecting-Grbl.</li>
	<li>Koble microcontroller til en enkelt tavle-PC med Internett-tilkobling via en USB-kabel, og Installer GRBL-serveren som beskrevet i https://gitlab.com/FlumeAutomation/GRBL_Server.git. Nå posisjonering enheten skal være å navigere fra en webside vert på http://IP:5020/. Alternativt kan posisjonering enheten bli navigert med et ...

<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 godt egnet til å løse strukturer i mikrometer rekkevidde med en FOV av flere kvadratmillimeter. Det er således et kraftig verktøy for biofilm forskning10,18. Imidlertid er OCT foreløpig begrenset til et maksimalt skanneområde på 100-256 mm2, mens biofilm strukturelle mønstre ofte overstiger denne romlige skalaen19, spesielt når morfologiske differensiering er drevet av stor skala miljømessige graderinger...

Biofilm er en svært vellykket mikrobiell livsstil tilpasning og disse Interphase-assosiert og Matrix-vedlagte samfunn av mikroorganismer dominerer mikrobiell liv i naturlige og industrielle innstillinger1,2. Der biofilm form komplekse arkitekturer, slik som langstrakte strøm strømmer3, bølgene4 eller sjampinjong-lignende caps5 med viktige konsekvenser for biofilm vekst, strukturell stabilitet og motstand mot stress6. Mens mye om biofilm strukturelle differensiering har blitt lært fra arbeid på mono-arter kulturer vokst i miniatyr Flow kamre, de fleste biofilm er svært komplekse samfunn ofte inkludert medlemmer av alle domener av livet6. Verdsette disse komplekse biofilm som mikrobielle landskap7 og forstå hvordan biofilm struktur og funksjon samhandle i komplekse samfunn er dermed i forkant av biofilm forskning.
En mekanistisk forståelse av morphogenesis av komplekse biofilm som svar på miljømessige stikkord krever nøye utformede eksperimenter i forbindelse med romlig og timelig løst observasjoner av biofilm fysiske struktur på tvers av relevante skalaer8. Imidlertid har den ikke-destruktive observasjonen av biofilm vekst i eksperimentelle systemer blitt sterkt begrenset av logistikk begrensninger som behovet for å flytte prøver (for eksempel til et mikroskop) ofte skade den delikate biofilm strukturen.
Protokollen som presenteres her introduserer et helautomatisk system basert på optisk sammenheng tomografi (OCT), som gjør at in situ, ikke-invasiv overvåking av biofilm morphogenesis på mesoscale (mm rekkevidde). OCT er en fremvoksende Imaging teknikk i biofilm forskning med applikasjoner i vannbehandling og begroing forskning, medisin9 og stream økologi10. I OCT, en lav sammenheng lys kilde er delt inn i en prøve og referanse arm; forstyrrelser i lyset som reflekteres og spres av biofilm (prøve armen) og lyset fra referanse armen analyseres. En serie med aksial intensitet profiler (A-skanner) som inneholder dybde-løst strukturelle informasjon er ervervet og fusjonert inn i en B-Scan (et tverrsnitt). En serie med tilstøtende B-skanninger komponerer det endelige 3D-volumet for skanning10. Oct gir en lateral optisk oppløsning i området på ca 10 μm og er derfor godt egnet til å studere Mesoskopisk strukturelle differensiering av biofilm10,12. For en mer detaljert beskrivelse av OCT, se Drexler og Fujimoto13og Fercher og kolleger14. Til tross for feltet-av-utsikt av en enkelt OCT XY-avsøke når til flere hundre av kvadrat mikrometer, større-skalaen mønstre kan ikke være kvantifisert ved hjelp av OCT inne en enkelt avsøke. Med hensyn til biofilm i naturlige habitater som bekker og elver, begrenser denne tiden vår evne til å vurdere biofilm morphogenesis i vekter som matcher den fysiske og hydrauliske malen til habitat.
For å overgå disse romlige grensene og å erverve OCT skanninger automatisk, en Spectral-domene OCT Imaging probe ble montert på en 3-akse posisjoneringssystem. Installasjonen tillater oppkjøpet av flere OCT skanninger i en overlappende mosaikk mønster (flis skanning), effektivt oppnå klare avbildning av overflateområder opp til 100 cm2. Den høye posisjonerings presisjonen til dette systemet gjør det dessuten mulig å overvåke veksten og utviklingen av biofilm funksjoner på bestemte steder i løpet av langsiktige eksperimenter på en pålitelig måte. Systemet er modulær og individuelle komponenter (dvs. posisjonering enheten og Oct) av installasjonen kan brukes som frittstående løsninger eller fleksibelt kombinert. Figur 1 gir en oversikt over hard-og programvarekomponenter i installasjonen.
Systemet ble testet med en kommersielt tilgjengelig GRBL-kontrollerte CNC posisjonerings enhet (tabell med materialer). Drifts avstander for denne spesifikke posisjonerings plattformen er 600 × 840 × 140 mm, med en produsent-indikert nøyaktighet på +/-0,05 mm og en programmerbar oppløsning på 0,005 mm. GRBL er en åpen kildekode (GPLv3 License), høyytelses bevegelseskontroll for CNC Enheter. Derfor bør hver GRBL-baserte (versjon > 1,1) posisjonering enheten være kompatibel med retningslinjer og programvarepakker som presenteres her. Videre kan programvaren bli tilpasset andre stepmotor kontrollere med STEP-DIR Inndatatype med få modifikasjoner.
OCT enheten brukes til å vurdere ytelsen til systemet (tabell av materialer) har en lav sammenheng lyskilde med et senter bølgelengde på 930 NM (båndbredde = 160 NM) og justerbar referanse arm lengde og intensitet. I eksempelet som presenteres her, en nedsenking adapter for dyppe OCT sonden i rennende vann ble også brukt (tabell over materialer). Programvarepakken utviklet her for automatisert OCT Scan oppkjøpet kritisk avhenger av SDK leveres sammen med den spesifikke OCT system, men, OCT systemer fra samme produsent med ulike skanne linser og sentrale bølgelengder bør er lett kompatible.
GRBL-enheten styres av en webserver som er installert på en datamaskin med én tavle (figur 1). Dette gir fjernkontroll over enheten fra en hvilken som helst datamaskin med lokale nettverk eller Internett-tilgang. OCT-enheten styres av en egen datamaskin, slik at driften av OCT-systemet til side det automatiserte eksperimentelle oppsettet. Til slutt, programvaren pakkene inkluderer bibliotekene å synkronisere OCT probe posisjonering og OCT Scan oppkjøpet (dvs. å automatisk erverve 3D Imaging datasett i en mosaikk mønster eller i et sett med definerte posisjoner). Definere plasseringen av OCT sonden i 3D effektivt gjør det mulig å justere fokalplanet spesielt for (regionale) sett av skanninger. Spesielt på ujevne overflater kan forskjellige fokal plan (dvs. forskjellige posisjoner i z-retning) spesifiseres for hvert søk i OCT.
Et sett med programvarepakker ble utviklet for å behandle rå OCT-skanninger (tabell 1). Navigering av posisjonerings enheten, OCT skanning oppkjøp og datasett behandling utføres med Python-kodet Jupyter notatbøker, som tillater bemerkelsesverdig fleksibilitet i utvikling og optimalisering av programvaren. To jobbet og kommenterte eksempler på slike notatbøker (for bildeoppkjøp og prosessering, henholdsvis) er tilgjengelige fra https://gitlab.com/FlumeAutomation/automated-oct-scans-acquisition.git de er ment som utgangspunkt for tilpasning av metoden. En Jupyter notisbok er en nettleser basert program som inneholder celler med kommenterte Python-kode. Hvert trinn finnes i en celle i notatblokken, som kan utføres separat. På grunn av den forskjellige lengden på lys banen gjennom skanne linsen (sfærisk avvik)15, RAW Oct skanninger vises forvrengt (figur 2a). Vi utviklet en algoritme for å automatisk korrigere for denne forvrengningen i ervervet OCT skanninger (finnes i ImageProcessing. ipynb, supplerende fil 1). Videre kan biofilm morfologi bli vist som en 2D høyde kart, som tidligere ble brukt i membran systemer16, og vi illustrerer hvordan høyde kart innhentet fra skanninger tatt i en flislegging Array kan bli sydd.
Til slutt, er funksjonaliteten til den beskrevne laboratoriet installasjonen illustrert ved hjelp av en flume eksperiment der phototrophic stream biofilm er utsatt for en gradient av strømningshastighet.

<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

Biofilm er en mest vellykkede mikrobiell livsstil og råde i en rekke miljømessige og konstruerte innstillinger. Forståelse biofilm morphogenesis, som er den strukturelle diversifisering av biofilm under samfunnet forsamlingen, representerer en bemerkelsesverdig utfordring på tvers av romlige og timelige skalaer. Her presenterer vi en automatisert biofilm Imaging system basert på optiske sammenheng tomografi (OCT). OCT er en fremvoksende Imaging teknikk i biofilm forskning. Men mengden av data som for tiden kan skaffes og behandles hemmer statistisk slutning av stor skala mønstre i biofilm morfologi. Det automatisert OCT tenkelig system innrømmer avdekker stor romlig og utbygget Temporal skalaer av biofilm oppblomstringen. Den syndikatene en kommersielt anvendelig OCT system med en Robotic plasserer plattform og en suite av programvare løsninger å administrere plasseringen av det OCT skanning sonde, likeledes idet oppkjøpet og bearbeiding av 3D biofilm tenkelig datasett. Denne setup innrømmer det inne situ og ingen-invasjonen automatisert avlytting av biofilm utviklingen og kanskje være fremme bebygget å par okt tenkelig med macrophotography og microsensor profilering.

Vi demonstrerer funksjonaliteten til automatiserte OCT Imaging system ved hjelp av et flume eksperiment utformet for å studere spatio-Temporal morphogenesis av phototrophic stream biofilm. En gradvis innsnevring av geometrien i vannsklier induserte graderinger i strømningshastighet langs midten av flume (se referanse17).  Den timelige utviklingen og strukturelle differensiering av biofilm ble overvåket over 18 dager med sikte på å bedre forstå virkningene av hydrodynamisk forhold på biofilm ...

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

Automatisert 3D optisk sammenheng tomografi til belyse biofilm Morphogenesis over store romlige skalaer

Mikrobiell biofilm danner komplekse arkitekturer på interphases og utvikler seg til svært skala-avhengige romlige mønstre. Her introduserer vi et eksperimentelt system (hard-og programvare) for automatisert anskaffelse av 3D optisk sammenheng tomografi (OCT) datasett. Dette verktøysettet tillater ikke-invasiv og multi-skala karakterisering av biofilm morphogenesis i rom og tid.

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

Her presenterer vi et automatisert system basert på optisk sammenhengtomografi eller OCT. Dette gjør at vi kan overvåke biofilms struktur over store romlige skalaer eller lengre perioder. OCT-avbildning er godt egnet til å løse strukturer i mikrometerområdet, men det er for tiden begrenset til et maksimalt areal på ca. 250 kvadratimener.Biofilmer overskrider ofte denne skalaen, spesielt når differensieringen drives av store miljøgradienter. Det eksperimentelle oppsettet tillater oss å overvåke den tredimensjonale morfogenesen av biofilmer over store romlige skalaer og lengre perioder. Systemet er raskt, presist, og det fungerer autonomt.Vi studerte morfogenesen av biofilmer i bekker hvor de driver viktige økosystemprosesser. Systemet kan imidlertid brukes til å studere biofilmer i andre naturlige system eller konstruerte miljøer. Programvaren for posisjonering, bildeoppkjøp og analyse er skrevet i Python.De er tilgjengelige gjennom Jupyter Notebooks. Disse er brukervennlige, fritt tilgjengelige og fleksible løsninger. Vi tror at den visuelle representasjonen av oppsettet hjelper andre brukere med å reprodusere installasjonen og for å bedre forstå programvaren.Vi håper dette inspirerer andre forskere til å vedta lignende tilnærminger. Her er en oversikt over installasjonen. Systemet består av en presisjon posisjonering enhet, OCT sonde, og det er montert rundt en plexiglass flume.Begynn med å koble posisjoneringsenheten ved å følge sammen med instruksjoner lagt ut på GitHub. Når den er tilkoblet, installerer du GRBL-serveren som beskrevet på en egen GitLab-side. Posisjoneringssystem kan nå styres gjennom denne nettsiden;alternativt kan det styres gjennom et Python-skript som vist i det fungerende eksempelet.Plasser datamaskinen og OCT-baseenheten på en benk ved siden av det eksperimentelle oppsettet som inneholder mikrofluidiske enheter, strømningskamre, flumes eller filtreringssystemer. Hvis det ikke allerede er installert, installerer du OCT-systemet sammen med den tilgjengelige programvaren som beskrevet av produsenten. Deretter installerer du programvarepakkene for automatisert OCT-skanningsanskaffelse som beskrevet i GitLab-dokumentene som er knyttet til her.For å starte bildeanskaffelse monteres den optiske komografisonden for sammenheng til posisjoneringsenheten ved hjelp av en kompatibel svalehaleholder. Installer om nødvendig en nedsenkingsadapter på objektivobjektivet, og slå deretter på OCT-systemet og posisjoneringsenheten. Åpne den kommersielle OCT-programvaren, finn et interessested, fokuser på prøven og juster referansearmen og lyskildeintensiteten for optimal bildekvalitet.Legg merke til koordinatene og gjenta denne prosedyren for en rekke posisjoner samtidig som du opprettholder samme referansearmlengde og intensitet. Åpne ImageAcquisition. ipynb fil funnet i denne artikkelens Supplerende Fil 2 i Jupyter Notebook.Hver celle inneholder kode for å utføre bestemte oppgaver og kan kjøres separat via å trykke Cell og deretter Kjør eller Kontroll og Enter eller Skift og Enter. Følg det arbeideteksemplet for å sette banen til de nødvendige bibliotekene for å koble posisjoneringsenheten for å kalibrere posisjoneringsenheten for å initialisere OCT-skanneren. Juster deretter anskaffelsesparameterne, inkludert brytningsindeksen, størrelsen på synsfeltet og antall A-skanninger per B-skanning.Videre angir du signalgrensene for OCT-skanningen basert på intensitets histogrammer for foreløpige skanninger og målmappen for innhentede data og metadata. Avhengig av synsfeltet og oppløsningen kan filstørrelsen nå opptil 1,5 gigabyte per OCT-skanning. Disse to parameterne bestemmer størrelsen på voxels i det endelige datasettet og størrelsen på utdatafilen.De bør matche den optiske oppløsningen til OCT-sonden. Som uthevet i det arbeideteksemplet, kan du hente en enkelt OCT-skanning med standardparametere eller hente en enkelt skanning som angir et annet sett med parametere. Du kan også gi spesifikke koordinater for å flytte posisjoneringsenheten og hente en enkelt OCT-skanning.Denne funksjonen lar deg gjentatte ganger gå tilbake til nøyaktig samme posisjon i eksperimentet med høy romlig nøyaktighet. Data lagres i 8bit. råformat for å spare lagringsplass.Metadata, inkludert OCT-innstillingene og koordinatene, lagres i samme mappe i en json-fil med samme navnekonvensjon. Du kan også angi en liste over interesseposisjoner og hente de respektive OCT-skanningene automatisk. For å karakterisere biofilmmorfologiske strukturer på tvers av store miljøgradienter, tilegne seg skanninger i et mosaikkmønster.For dette angir du antall nærliggende fliser med en standard overlapping på 30%De rå OCT-skanningene vises forvrengt. Dette skyldes forskjeller i banelengde gjennom det optiske systemet. Vi utviklet en algoritme som korrigerer denne forvrengningen som vist i de arbeidseksemplene.Åpne Jupyter notebook ImageProcessing.ipynb for å starte bildekorrigering. Etter dette eksemplet beskjærer du først OCT-skanningene for å utelukke falske signaler og reorientere datasettet slik at biofilmen vises over substratet. Neste riktig for sfærisk avvik.For å oppnå dette lokaliserer algoritmen en svært reflekterende flat overflate i OCT-skanningen og bruker dette som referanse for å flate skanningene. På tvers av et 20 med 20 rutenett identifiserer algoritmen deretter lokal maxima i signalintensitet for å lokalisere referanseoverflaten. Deretter monteres en annen rekkefølge polynomoverflate på tvers av disse punktene og brukes til å skifte hver piksel av OCT-skanningen i Z-retning.Parametrene for denne algoritmen bør justeres til egenskapene til OCT-skanningen. Denne korreksjonen muliggjør en homogen referanseoverflate på tvers av flere bilder og letter dermed sømming av store bilder. Når bildet er flatet ut, korrigeres bildene for bakgrunnsstøy ved å identifisere et tomt område av bildet over biofilmen og trekke fra gjennomsnittlig bakgrunnsintensitet.Deretter beregner du et høydekart fra 3D OCT-datasettet. For å gjøre dette, definere en referanseoverflate som substratet og velge en passende intensitetsterskel. Deretter gjengis et høydekart med høyden på biofilmen rapportert som gråtoneverdi.Hvis bildene ble kjøpt i et mosaikkmønster, sy de respektive høydekartene ved å bruke sømalgoritmen. Ved hjelp av automatisert OCT-avbildning ble spatiotemporal morfogenese av fototrofiske stream biofilms undersøkt ved hjelp av flumeeksperimenter. Flumes er laget av plexiglass og gradvis utvide fra i til utløpet.Dette resulterer i en gradering i flythastighet. Her er et høydekart over en biofilm som vokser langs hele flythastighetsgradienten. Viktigere, det automatiserte OCT-bildesystemet tillater kontinuerlig måling av strukturelle parametere som biofilmtykkelse, ruhet og biovolum under forskjellige strømningsforhold som spenner fra lavstrømningshastighet til høyhastighetsforhold med høy strømning.Sammen med morfologiske endringer ble gjennomsnittlig biovolum betydelig redusert som en funksjon av avstand fra innløpet i røykrøret. Kvaliteten på OCT-skanningene avhenger kritisk av referansearmlengden og fokusavstanden. Du må kanskje justere denne parameteren på nytt under eksperimentene.For å sikre nøyaktigheten av posisjoneringsenheten, husk å utføre regelmessige homing operasjoner. Denne automatiserte bildeenheten kan lett kobles sammen med mikrosensorprofilering for en funksjonell karakterisering av biofilmer. OCT er en ny bildeteknikk, og vi forventer at systemet som presenteres her stimulerer forskning på biofilmstruktur.Dette kan være relevant for teknologier som drikkevannsbehandling eller bioprosessering.

Research

JoVE Journal

Environment

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

Automatisert Gel Størrelse Selection å forbedre kvaliteten på Neste-generasjons Sekvense Biblioteker Forberedt fra miljø vannprøver

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

Bruk av et automatisert system (GreenFeed) til Monitor Ente metan og utslipp av karbondioksid 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

Bruke Farmakologisk Manipulasjon og høy presisjon Radio Telemetri å studere Spatial Cognition i frittgående 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

Biofilm Fjerning Bruke Carbon Dioxide Aerosoler uten 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 seismikk av undergrunnen vulkaner: programmer Tarim flom 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 infiltrasjon foran dybde med Time-lapse multi forskyvning samler samlet med Array antenne bakken gjennomtrengende 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

Sammensetning og distribusjon analyse av Bioaerosols Under ulike 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

Split Point analyse og usikkerhet kvantifisering av termisk-Optical organisk/Elemental Carbon 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 probe tomografi analyse av Exsolved 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 fluidiske enheter med mikroskopi og strømningscytometri for å studere mikrobiell transport i porøse medier på tvers av romlige skalaer

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