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

Мы благодарим Маурисио Агирре Моралеса за его вклад в развитие этой системы.  Финансовая поддержка была получена от Швейцарского национального научного фонда t.J.B.

1. Настройка устройства позиционирования
<ol><li>Проводите устройство позиционирования на доску микроконтроллера, следуя инструкции в https://github.com/grbl/grbl/wiki/Connecting-Grbl.</li>
	<li>Подключите микроконтроллер к однобортному компьютеру с подключением к Интернету через кабель USB и установите сервер GRB...

<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 изображение хорошо подходит для решения структур в диапазоне микрометров с FOV в несколько квадратных миллиметров. Таким образом, это мощный инструмент для исследования биопленки10,18. Тем не менее, OCT в настоящее время ограничивается максимальной площад...

Биопленки являются весьма успешной адаптации микробного образа жизни и эти межфазные и матричные закрытые сообщества микроорганизмов доминируют микробной жизни в естественных и промышленных условиях1,2. Там, биопленки образуют сложные архитектуры, такие как удлиненные растяжки3, рябь4 или грибоподобные колпачки5 с важными последствиями для роста биопленки, структурной стабильности и устойчивости к стрессу6. Хотя многое о биопленки структурной дифференциации было извлечено из работы по моновидовкультуры, выращенные в миниатюрных камер потока, большинство биофильмов очень сложных общин часто в том числе членов всех областях жизни6. Оценивая эти сложные биопленки как микробные ландшафты7 и понимание того, как структура и функция биопленки взаимодействуют в сложных сообществах, таким образом, находится на переднем крае исследований биопленки.
Механистическое понимание морфогенеза сложных биопленок в ответ на экологические сигналы требует тщательно разработанных экспериментов в сочетании с пространственно и временно решенными наблюдениями биопленки физической структуры по всей актуальности весы8. Однако неразрушающие наблюдения за ростом биопленки в экспериментальных системах были серьезно ограничены такими логистическими ограничениями, как необходимость перемещения образцов (например, в микроскоп), часто повреждающих тонкую структуру биопленки.
Представленный здесь протокол вводит полностью автоматизированную систему, основанную на оптической когеренционной томографии (ОКТ), которая позволяет вести неинвазивный мониторинг биопленогенеза в мезомасштабе (мм диапазоне). OCT является новой техникой визуализации в биопленки исследований с приложениями в области очистки воды и биофоллинг исследований, медицины9 и потока экологии10. В OCT источник света с низкой согласованностью делится на образец и эталонную руку; анализируется интерференция света, отраженного и рассеянного биопленкой (образец руки), и свет эталонной руки. Серия профилей интенсивности осевой нагрузки (A-scans), которая содержит глубоко решенную структурную информацию, приобретается и сливается в B-сканирование (сечение). Серия смежных B-сканов составляет окончательный 3D объем сканирования10. OCT обеспечивает боковое оптическое разрешение в диапазоне около 10 мкм и поэтому хорошо подходит для изучения мезоскопической структурной дифференциации биопленок10,12. Для более подробного описания OCT, обратитесь к Drexler и Fujimoto13и Ферчер и коллеги14. Хотя поле зрения одного OCT xy-scan достигает сотен квадратных микрометров, более крупные модели не могут быть количественно оценены с помощью OCT в одном сканировании. Что касается биопленки в естественных средах обитания, таких как ручьи и реки, это в настоящее время ограничивает нашу способность оценивать биопленки морфогенеза в масштабах, соответствующих физическому и гидравлическому шаблону среды обитания.
Для того, чтобы превзойти эти пространственные пределы и автоматически приобрести ОКТ сканирование, спектральный домен OCT imaging зонд был установлен на 3-осевой системы позиционирования. Установка позволяет получить несколько OCT сканирования в перекрывающихся мозаики картины (плитка сканирования), эффективно достижения томографической визуализации поверхностных участков до 100 см2. Кроме того, высокая точность позиционирования этой системы позволяет надежно контролировать рост и развитие функций биопленки на конкретных участках во время длительных экспериментов. Система является модульной и отдельные компоненты (наоборот, позиционирование устройства и OCT) установки могут быть использованы в качестве автономных решений или гибко сочетаются. Рисунок 1 предоставляет обзор жестких и программных компонентов установки.
Система была протестирована с коммерчески доступным GRBL-контролируемым устройством позиционирования CNC(Таблицаматериалов). Рабочие расстояния этой конкретной платформы позиционирования составляют 600-840-140 мм, с указанной производителем точностью 0,05 мм и программируемым разрешением 0,005 мм. GRBL является открытым исходным кодом (лицензия GPLv3), высокопроизводительным управлением движением для CNC Устройств. Таким образом, каждый GRBL основе (версия Nogt; 1.1) позиционирование устройство должно быть совместимо с руководящими принципами и пакетами программного обеспечения, представленных здесь. Кроме того, программное обеспечение может быть адаптировано к другим stepmotor контроллеров с STEP-DIR ввода типа с несколькими изменениями.
Устройство OCT, используемое для оценки производительности системы(Таблица материалов) имеет низкий источник слаженный свет с центральной длиной волны 930 нм (ширина пропускания 160 нм) и регулируемой длиной и интенсивностью эталонной руки. В приведенном здесь примере также использовался адаптер погружения для погружения зонда OCT в протекающую воду(ТаблицаМатериалов). Программное обеспечение пакет, разработанный здесь для автоматизированного приобретения сканирования ОКТ критически зависит от SDK, предоставляемых вместе с конкретной системой OCT, однако, OCT систем ы от того же производителя с различными сканирования линз и центральной длины волн должны быть легко совместимы.
Устройство GRBL управляется веб-сервером, установленным на однобортном компьютере(рисунок 1). Это предоставляет пульт дистанционного управления устройством с любого компьютера с локальной сетью или доступом в Интернет. Устройство OCT управляется отдельным компьютером, что позволяет работать с системой OCT в сторону автоматизированной экспериментальной настройки. Наконец, пакеты программного обеспечения включают библиотеки для синхронизации позиционирования зонда OCT и приобретения сканирования OCT (т.е. для автоматического приобретения наборов данных 3D-изображений в мозаичном шаблоне или в наборе определенных позиций). Определение положения зонда OCT в 3D эффективно позволяет настроить фокусную плоскость специально для (региональных) наборов сканирований. В частности, на неровных поверхностях для каждого сканирования OCT могут быть указаны различные фокусные плоскости (т.е. различные положения в направлении z).
Набор программных пакетов был разработан для обработки необработанных ОКТ-сканирований(таблица 1). Навигация устройства позиционирования, приобретение сканирования OCT и обработка наборов данных выполняются с помощью ноутбуков Jupyter с кодовым кодом Python, которые обеспечивают замечательную гибкость в разработке и оптимизации программного обеспечения. Два отработанных и аннотированных примера таких тетрадей (для приобретения изображений и обработки, соответственно) доступны из https://gitlab.com/FlumeAutomation/automated-oct-scans-acquisition.git Они предназначены в качестве отправных точек для настройки метода. Ноутбук Jupyter — это приложение на основе веб-браузера, которое содержит ячейки с аннотированным кодом Python. Каждый шаг содержится в ячейке блокнота, который может быть выполнен отдельно. Из-за разной длины светового пути через скан-объектив (сферическая аберрация)15, сырые сканирование OCT появляются искаженными(рисунок 2A). Мы разработали алгоритм для автоматического исправления этого искажения в приобретенных OCT сканирования (содержится в ImageProcessing.ipynb, Дополнительный файл 1). Кроме того, биопленка морфологии может быть визуализирована как 2D карта высоты, как это было ранее используется в мембранных систем16, и мы иллюстрируем, как высота карты, полученные от сканирования, принятых в плиточный массив могут быть сшиты.
Наконец, функциональность описанной лабораторной установки иллюстрируется с помощью эксперимента с флеймом, в котором биопленка фототрофического потока подвергается градиенту скорости потока.

<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

Биопленки являются наиболее успешным микробным образом жизни и преобладают во множестве экологических и инженерных настройки. Понимание морфогенеза биопленки, то есть структурной диверсификации биопленок во время собрания сообщества, представляет собой замечательную проблему в пространственных и временных масштабах. Здесь мы представляем автоматизированную систему визуализации биопленки на основе оптической когеренционной томографии (ОКТ). OCT является новой техникой визуализации в исследованиях биопленки. Однако объем данных, которые в настоящее время могут быть получены и обработаны, препятствует статистическому выводу о крупномасштабных закономерностях в морфологии биопленки. Автоматизированная система визуализации OCT позволяет покрывать большие пространственные и расширенные временные масштабы роста биопленки. Он сочетает в себе коммерчески доступную систему OCT с роботизированной платформой позиционирования и набором программных решений для управления позиционированием сканирования зонда OCT, а также приобретением и обработкой наборов данных для визуализации 3D биопленки. Эта установка позволяет in situ и неинвазивный автоматизированный мониторинг развития биопленки и может быть дополнительно разработан для сочетания OCT изображений с макрофотографией и микросенсорным профилированием.

Мы демонстрируем функциональность автоматизированной системы визуализации OCT с помощью эксперимента по флейму, предназначенного для изучения пространственно-временного морфогенеза фототрофических биопленок потока. Постепенно сужая геометрию флеймов индуцированных градиентов в с?...

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

Автоматизированная 3D оптическая когеренционная томография для выяснения биофильма Morphogenesis над большими пространственными весами

Микробные биопленки образуют сложные архитектуры на межфазах и превращаются в сильно зависящие от масштаба пространственные узоры. Здесь мы внедряем экспериментальную систему (жесткое и программное обеспечение) для автоматизированного приобретения наборов 3D оптической когересцены (OCT). Этот набор инструментов позволяет неинвазивную и многомасштабную характеристику биопленки морфогенеза в пространстве и времени.

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

Здесь мы представляем автоматизированную систему, основанную на оптической скогерентной томографии или OCT. Это позволяет нам контролировать структуру биопленок в больших пространственных масштабах или в течение длительных периодов времени. OCT изображения хорошо подходит для решения структур в диапазоне микрометра, однако в настоящее время ограничивается максимальной площадью около 250 квадратных миллиметров.Биопленки часто превышают этот масштаб, особенно когда дифференциация обусловлена крупномасштабными экологическими градиентами. Экспериментальная установка позволяет нам контролировать трехмерный морфогенез биопленок в больших пространственных масштабах и длительных периодах времени. Система быстрая, точная и работает автономно.Мы изучили морфогенез биопленок в потоках, где они управляют важными экосистемными процессами. Тем не менее, система может быть использована для изучения биопленок в других природных системах или инженерных средах. Программное обеспечение для позиционирования, получения изображений и анализа написано в Python.Они доступны через ноутбуки Jupyter. Это удобные, свободно доступные и гибкие решения. Мы считаем, что визуальное представление установки помогает другим пользователям воспроизвести установку и лучше понять программное обеспечение.Мы надеемся, что это вдохновляет других исследователей принять аналогичные подходы. Вот обзор установки. Система состоит из устройства точного позиционирования, зонда OCT, и собирается вокруг плексигласового флюма.Начните с проводки устройства позиционирования, следуя инструкциям, размещенным на GitHub. После подключения установите сервер GRBL, описанный на отдельной странице GitLab. Система позиционирования теперь может управляться через эту веб-страницу; в качестве альтернативы ее можно управлять с помощью скрипта Python, как показано в примере.Распоитите компьютер и базовый блок OCT на скамейке рядом с экспериментальной установкой, содержащей микрофлюидные устройства, камеры потока, дымоходы или системы фильтрации. Если она еще не установлена, установите систему OCT вместе с доступным программным обеспечением, описанным производителем. Затем установите пакеты программного обеспечения для автоматического приобретения OCT сканирования, как описано в документах GitLab, связанных с здесь.Чтобы начать получение изображения, смонтировать оптический зонд скоодерентной томографии к устройству позиционирования с помощью совместимого держателя голубя. При необходимости установите адаптер погружения на объектив цели, затем питание на системе OCT и устройстве позиционирования. Откройте коммерческое программное обеспечение OCT, найдите место, представляющий интерес, сосредоточьтесь на образце и отрегулируйте справочную руку и интенсивность источника света для оптимального качества изображения.Обратите внимание на координаты и повторите эту процедуру для ряда позиций, сохраняя при этом ту же длину и интенсивность эталонной руки. Откройте изображениеАквизия. ipynb файл, найденный в дополнительном файле этой статьи 2 в Jupyter notebook.Каждая ячейка содержит код для выполнения конкретных задач и может выполняться отдельно с помощью нажатия ячейки, а затем запустить или управлять и ввести или сдвиг и ввести. Следуйте отработанного примера, чтобы установить путь к требуемым библиотекам для подключения устройства позиционирования для калибровки устройства позиционирования для инициализации сканера OCT. Затем отрегулируйте параметры приобретения, включая рефракционный индекс, размер поля зрения и количество Сканирований A на сканирование B.Кроме того, установите границы сигнала сканирования OCT на основе интенсивности гистограмм предварительного сканирования и папки назначения для полученных данных и метаданных. В зависимости от поля зрения и разрешения размер файла может достигать 1,5 гигабайта за ОКТ- Эти два параметра определяют размер воксель в окончательном наборе данных и размер файла вывода.Они должны соответствовать оптическому разрешению зонда OCT. Как подчеркивается в работал примере, вы можете приобрести одно сканирование OCT с параметрами по умолчанию или приобрести одно сканирование с указанием другого набора параметров. Вы также можете предоставить конкретные координаты для перемещения устройства позиционирования и приобретения одного oct-сканирования.Эта функция позволяет неоднократно возвращаться в точно такое же положение в эксперименте с высокой пространственной точностью. Данные сохраняются в 8бит. сырой формат для экономии места для хранения.Метаданные, включая настройки и координаты OCT, сохраняются в одной папке в файле json с той же конвенцией именования. Кроме того, укажите список позиций, представляющих интерес, и приобретете соответствующее сканирование OCT автоматически. Для того, чтобы охарактеризовать биопленочные морфологические структуры в крупных экологических градиентах, приобретайте сканирование в мозаичном рисунке.Для этого укажите количество соседних плиток с перекрытием по умолчанию 30% Сырье OCT сканирование кажется искаженным. Это связано с различиями в длине пути через оптическую систему. Мы разработали алгоритм, который исправляет это искажение, как показано в отработавных примерах.Чтобы начать коррекцию изображения, откройте ноутбук Jupyter ImageProcessing.ipynb. Следуя этому примеру, первый урожай OCT сканирует, чтобы исключить ложные сигналы и переориентировать набор данных так, чтобы биопленка появилась над подложкой. Следующая коррекция для сферической аберрации.Для достижения этой цели алгоритм локализует высоко отражающую плоскую поверхность в сканировании OCT и использует это в качестве ссылки для выравнивания сканирования. Через сетку 20 на 20 алгоритм определяет локализируемую максиму интенсивности сигнала для локализации эталонной поверхности. Затем через эти точки устанавливается полиномиальная поверхность второго порядка, которая используется для сдвига каждого пикселя сканирования OCT в направлении q.Параметры этого алгоритма должны быть скорректированы с характеристиками сканирования OCT. Эта коррекция обеспечивает однородную справочную поверхность на нескольких изображениях и тем самым облегчает сшивание крупномасштабных изображений. После того, как изображение было сплющено, изображения исправляются для фонового шума, идентифицяя пустую область изображения над биопленкой и вычитая среднюю фоновую интенсивность.Затем вычислите карту высот из набора данных 3D OCT. Для этого определите эталонную поверхность, такую как субстрат, и выберите соответствующий порог интенсивности. Затем карта высоты отображается с высотой биопленки, сообщенной как серое значение.Если изображения были приобретены в мозаичном рисунке, сшить соответствующие карты высоты, применяя алгоритм сшивания. С помощью автоматизированной ОКТ-изображения с помощью экспериментов на флюме был исследован spatiotemporal морфогенез биопленок фототрофического потока. Флюмы сделаны из плексигласа и постепенно расширяются от ина к оттоку.Это приводит к градиенту скорости потока. Вот карта высоты биопленки, растущей вдоль всего градиента скорости потока. Важно отметить, что автоматизированная система визуализации ОКТ позволяет непрерывно измерять структурные параметры, такие как толщина биопленки, шероховатости и биотомы в различных условиях потока, начиная от низкой скорости потока и до условий высокой скорости потока.Наряду с морфологическими изменениями, средний биотом значительно уменьшился в функции расстояния от входного в флюм. Качество сканирования OCT критически зависит от длины эталонной руки и расстояния фокусировки. Возможно, потребуется скорректировать этот параметр во время экспериментов.Чтобы обеспечить точность устройства позиционирования, не забудьте выполнять регулярные операции самонаведения. Это автоматизированное устройство визуализации можно легко сочетать с микросенсорным профилированием для функциональной характеристики биопленок. OCT является новым методом визуализации, и мы ожидаем, что представленная здесь система стимулирует исследования по структуре биопленки.Это может иметь отношение к таким технологиям, как очистка питьевой воды или биообработки.

Research

JoVE Journal

Environment

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

Выбор размера Автоматизированная гель для улучшения качества секвенирования библиотек следующего поколения, полученного из окружающей среды проб воды

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

Использование автоматизированной системы (GreenFeed) для мониторинга Кишечная метана и диоксида углерода выбросов из жвачных животных

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

Использование Фармакологический манипуляция и высокоточный Радиотелеметрия для изучения пространственного познания в свободном выгуле животных

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

Удаление биопленки с использованием диоксида углерода Аэрозоли без продувки азотом

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

Методы обработки данных для 3D сейсмической томографии подповерхностных вулканов: приложения для базальта Таримской наводнение

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

Отслеживание инфильтрат, который собирает Передние глубины с помощью покадровой мульти смещение собраны с помощью массива антенна георадара

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

Состав и распределение анализ биоаэрозоли в различных экологических условиях

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

Анализ сплит-точек и количественная оценка термически-оптических органических/элементарных измерений углерода

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

Атом зонд томографии Анализ раскрытых минеральных фаз

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

Объединение жидкостных устройств с микроскопией и цитометрией потока для изучения микробного транспорта в пористых средствах массовой информации через пространственные весы

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