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 tackar Mauricio Aguirre Morales för hans bidrag till utvecklingen av detta system.  Finansiellt stöd kom från Swiss National Science Foundation till T.J.B.

1. inställning av positionerings enheten
<ol><li>För in positionerings enheten på en mikrostyrenhets tavla, enligt instruktionen i https://github.com/grbl/grbl/wiki/Connecting-Grbl.</li>
	<li>Anslut mikrokontroller till en enda dator med internetuppkoppling via en USB-kabel och installera grbl-servern enligt beskrivningen i https://GitLab.com/FlumeAutomation/GRBL_Server.git. Nu positionerings enheten bör vara navigerbar från en webbsida värd på http://IP:5020/. Alternativt kan positionerings enheten navigeras me...

<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 lämpar sig väl för att lösa strukturer i mikrometerområdet med en FOV av flera kvadratmillimeter. Det är alltså ett kraftfullt verktyg för biofilmforskning10,18. Men, OCT är för närvarande begränsad till en maximal skanningsyta på 100-256 mm2, medan biofilm strukturella mönster ofta överstiger denna rumsliga skalan19, särskilt när morfologisk differentiering drivs av storskaliga miljö gradienter <su...

Biofilmer är en mycket framgångsrik mikrobiell livsstil anpassning och dessa Interphase-associerade och Matrix-slutna samhällen av mikroorganismer dominerar mikrobiella livet i naturliga och industriella inställningar1,2. Där bildar biofilmer komplexa arkitekturer, såsom långsträckta streamers3, krusningar4 eller svampliknande CAPS5 med viktiga konsekvenser för biofilmer tillväxt, strukturell stabilitet och motståndskraft mot stress6. Medan mycket om biofilm strukturell differentiering har lärt sig från arbetet med mono-arter kulturer odlas i miniatyr flöde kammare, de flesta biofilmer är mycket komplexa samhällen ofta inklusive medlemmar av alla områden i livet6. Uppskattar dessa komplexa biofilmer som mikrobiell landskap7 och förstå hur biofilm struktur och funktion samverkar i komplexa samhällen är därför i spetsen för biofilm forskning.
En mekanistisk förståelse av morfogenes av komplexa biofilmer som svar på miljömässiga signaler kräver noggrant utformade experiment i samband med rumsligt och temporalt lösta observationer av biofilm fysisk struktur över relevanta skalor8. Den oförstörande iakttagelsen av biofilms tillväxt i experimentella system har dock kraftigt begränsats av logistiska begränsningar såsom behovet av att flytta prover (t. ex. till ett Mikroskop) som ofta skadar den känsliga bio film strukturen.
Det protokoll som presenteras här introducerar ett helt automatiserat system baserat på optisk koherens tomografi (ULT), som möjliggör in situ, icke-invasiv övervakning av biofilm morfogenes i mesoskalig (mm-området). Oct är en framväxande bildteknik i biofilm forskning med tillämpningar inom vattenrening och påväxt forskning, medicin9 och Stream ekologi10. I ULT är en låg samstämmighet ljuskälla uppdelad i ett prov och referens arm; störningen av det ljust reflekterat och skingrat av biofilmen (ta prov beväpnar), och det ljust av hänvisa till beväpnar analyseras. En serie axiella intensitetsprofiler (A-skanningar) som innehåller djuplösta strukturella uppgifter förvärvas och slås samman till en B-Scan (ett tvärsnitt). En serie intilliggande B-skanningar komponerar den slutliga 3D-volymskanningen10. ULT ger en lateral optisk upplösning i intervallet cirka 10 μm och är därför väl lämpad att studera Mesoskopisk strukturell differentiering av biofilmer10,12. För en mer detaljerad beskrivning av ULT, se Drexler och Fujimoto13och fercher och kollegor14. Även om synfält av en enda OCT XY-Scan når upp till hundratals kvadratiska mikrometrar, kan större skala mönster inte kvantifieras med hjälp av ULT i en enda genomsökning. När det gäller biofilmer i naturliga livsmiljöer såsom bäckar och floder, detta begränsar för närvarande vår förmåga att bedöma biofilm morfogenes i skalor som matchar den fysiska och hydrauliska mall av livsmiljön.
För att överträffa dessa rumsliga gränser och att förvärva OCT skannar automatiskt, en spektral-domän OCT Imaging sond var monterad på en 3-axlig positioneringssystem. Installationen tillåter förvärv av flera Oct skannar i ett överlappande mosaikmönster (kakel skanning), effektivt uppnå tomografiska tycks Imaging av ytan områden upp till 100 cm2. Dessutom möjliggör den höga positionerings precisionen hos detta system att på ett tillförlitligt sätt övervaka tillväxten och utvecklingen av bio Films funktioner på specifika platser under långvariga experiment. Systemet är moduluppbyggda och enskilda komponenter (dvs positionerings enhet och Oct) av anläggningen kan användas som fristående lösningar eller flexibelt kombinerade. Figur 1 ger en översikt över de hård-och programvarukomponenter som finns i installationen.
Systemet testades med en kommersiellt tillgänglig GRBL-styrd CNC-positioneringsenhet (tabell över material). Drifts avståndet för denna specifika positionerings plattform är 600 × 840 × 140 mm, med en tillverkarspecifik noggrannhet på +/-0,05 mm och en programmerbar upplösning på 0,005 mm. GRBL är en öppen källkod (GPLv3 License), högpresterande Motion Control för CNC- Enheter. Därför bör varje GRBL-baserad (version > 1,1) positioneringsenhet vara kompatibel med de riktlinjer och programvarupaket som presenteras här. Dessutom kan programvaran anpassas till andra stepmotor Controller med STEP-DIR input typ med några ändringar.
Den ULT-enhet som används för att bedöma systemets prestanda (tabell över material) har en låg samstämmighet ljuskälla med en mittvåglängd på 930 nm (bandbredd = 160 Nm) och justerbar referens arm längd och intensitet. I det exempel som presenteras här, en Immersion adapter för doppning av OCT sonden i strömmande vatten användes också (tabell över material). Den programvara som utvecklats här för automatiserad OCT Scan förvärvet kritiskt beror på SDK som tillsammans med den specifika ULT-systemet, dock, ULT system från samma tillverkare med olika Scan linser och centrala våglängder bör vara lätt kompatibel.
GRBL-enheten styrs av en webbserver som är installerad på en enda dator (bild 1). Detta ger fjärrstyrning av enheten från vilken dator som helst med lokalt nätverk eller Internetåtkomst. ULT enheten styrs av en separat dator, vilket gör att driften av ULT systemet undan den automatiserade experimentella installationen. Slutligen programvarupaketen inkluderar bibliotek för att synkronisera OCT PROBE positionering och OCT Scan förvärv (dvs. att automatiskt förvärva 3D Imaging dataset i en mosaikmönster eller i en uppsättning av definierade positioner). Definiera positionen för OCT sonden i 3D effektivt gör det möjligt att justera fokalplanet specifikt för (regionala) uppsättningar av skanningar. Specifikt, på ojämna ytor, olika fokalplan (dvs olika positioner i z-riktning) kan specificeras för varje OCT Scan.
En uppsättning mjukvarupaket utvecklades för att bearbeta RAW OCT-skanningar (tabell 1). Navigering på positionerings enheten, OCT Scan förvärv och databearbetning utförs med python-kodade Jupyter notebooks, som möjliggör anmärkningsvärd flexibilitet i utvecklingen och optimering av programvaran. Två arbetade och kommenterade exempel på sådana anteckningsböcker (för bild förvärv och bearbetning, respektive) är tillgängliga från https://gitlab.com/FlumeAutomation/automated-oct-scans-acquisition.git de är avsedda som utgångspunkt för anpassning av metoden. En Jupyter Notebook är en webbläsare baserat program som innehåller celler med kommenterade python-kod. Varje steg ingår i en cell i anteckningsboken, som kan köras separat. På grund av den olika längden av ljusbanan genom Scan Lens (sfärisk aberration)15, den råa Oct skannar verkar förvrängd (figur 2A). Vi utvecklade en algoritm för att automatiskt korrigera för denna förvrängning i förvärvade OCT-skanningar (som finns i ImageProcessing. ipynb, kompletterande fil 1). Dessutom kan biofilmmorfologi visualiseras som en 2D höjd karta, som tidigare användes i membransystem16, och vi illustrerar hur höjd kartor som erhållits från skanningar tagna i en plattsättning array kan sys.
Slutligen illustreras funktionaliteten hos den beskrivna laboratorie installationen med hjälp av ett FLUME-experiment där phototrophic Stream biofilm utsätts för en gradient av flödeshastigheten.

<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

Biofilmer är en mycket framgångsrik mikrobiell livsstil och råder i en mängd miljö-och konstruerade miljöer. Förstå biofilm morphogenesis, det är den strukturella diversifiering av biofilmer under gemenskapens församling, utgör en anmärkningsvärd utmaning över rumsliga och temporala skalor. Här presenterar vi en automatiserad biofilm Imaging system baserat på optisk koherens tomografi (ULT). OCT är en framväxande bildteknik i biofilm forskning. Men den mängd data som för närvarande kan förvärvas och bearbetas hämmar Statistisk inferens av storskaliga mönster i biofilm morfologi. Den automatiserade OCT Imaging system kan täcka stora rumsliga och utökade tidsmässiga skalor av biofilm tillväxt. Den kombinerar en kommersiellt tillgänglig OCT-system med en robotstyrd positionerings plattform och en svit av mjukvarulösningar för att styra placeringen av OCT skanning sond, samt förvärv och bearbetning av 3D biofilm Imaging DataSet. Denna inställning tillåter in situ och icke-invasiv automatiserad övervakning av biofilms utveckling och kan vidareutvecklas för att par okt Imaging med makrofotografering och MicroSensor profilering.

Vi visar funktionaliteten i den automatiserade OCT Imaging system med hjälp av ett FLUME experiment för att studera den spatio-temporal morfogenes av phototrophic Stream bio Films. En gradvis minskande geometri av Flumes inducerade gradienter i flödeshastighet längs centrum av FLUME (se referens17).  Den temporala utvecklingen och strukturell differentiering av biofilm övervakades under 18 dagar med syfte att bättre förstå effekterna av hydrodynamiska förhållanden på biofilm morfogenes. ...

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

Automatiserad 3D optisk koherens tomografi för att belysa biofilm morfogenes över stora rumsliga skalor

Mikrobiella biofilmer bildar komplexa arkitekturer på interfaser och utvecklas till mycket skala beroende rumsliga mönster. Här introducerar vi ett experimentellt system (hård-och programvara) för automatiserad förvärv av 3D optisk konsekvens tomografi (OCT) DataSet. Denna verktygslåda möjliggör icke-invasiv och flerskalig karakterisering av biofilm morfogenes i tid och rum.

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

Här presenterar vi ett automatiserat system baserat på optisk koherenstomografi eller OCT. Detta gör det möjligt för oss att övervaka biofilms'struktur över stora rumsliga skalor eller längre tidsperioder. OCT-avbildning är väl lämpad att lösa strukturer i mikrometerområdet, men det är för närvarande begränsat till en maximal yta på cirka 250 kvadratmillimeter.Biofilmer överskrider ofta denna skala, särskilt när differentieringen drivs av storskaliga miljögradienter. Den experimentella setup tillåter oss att övervaka den tredimensionella morfogenes av biofilmer över stora rumsliga skalor och längre tidsperioder. Systemet är snabbt, exakt, och det fungerar autonomt.Vi studerade biofilms morfogenes i strömmar där de driver viktiga ekosystemprocesser. Systemet kan dock användas för att studera biofilmer i andra naturliga system eller konstruerade miljöer. Programvaran för positionering, bildförvärv och analys är skriven i Python.De är tillgängliga via Jupyter Notebooks. Dessa är användarvänliga, fritt tillgängliga och flexibla lösningar. Vi tror att den visuella representationen av installationen hjälper andra användare att reproducera installationen och att bättre förstå programvaran.Vi hoppas att detta inspirerar andra forskare att anta liknande tillvägagångssätt. Här är en översikt över installationen. Systemet består av en precisionspositioneringsanordning, OCT-sonden, och den är sammansatt runt ett plexiglasflume.Börja med att kabeldragning av positioneringsenheten genom att följa tillsammans med instruktioner som läggs ut på GitHub. När du är ansluten, installera GRBL-servern enligt beskrivningen i en separat GitLab-sida. Positioneringssystem kan nu styras via denna webbsida;alternativt kan styras via ett Python-skript som visas i det fungerade exemplet.Placera datorn och OCT-basenheten på en bänk bredvid den experimentella uppställningen som innehåller mikrofluidiska enheter, flödeskammare, flumes eller filtreringssystem. Om inte redan installerat, installera OCT-systemet tillsammans med den tillgängliga programvaran enligt beskrivningen av tillverkaren. Installera sedan programpaketen för automatiserad OCT scan förvärv som beskrivs i GitLab dokument länkade till här.För att påbörja bildanskaffning, montera optisk koherenstomografi sond till positioneringsanordning med hjälp av en kompatibel dovetail hållare. Om det behövs, installera en nedsänkning adapter på objektivet linsen, sedan ström på OCT-systemet och positioneringsanordning. Öppna den kommersiella OCT-programvaran, lokalisera en plats av intresse, fokusera på provet och justera referensarmen och ljuskällans intensitet för optimal bildkvalitet.Observera koordinaterna och upprepa denna procedur för ett antal positioner samtidigt som samma referensarmslängd och intensitet bibehålls. Öppna ImageAcquisitionen. ipynb fil som finns i denna artikel är kompletterande Fil 2 i Jupyter Notebook.Varje cell innehåller kod för att utföra specifika uppgifter och kan köras separat via trycka Cell och sedan Kör eller Kontroll och Ange eller Shift och Retur. Följ det arbetade exemplet för att ställa in sökvägen till de nödvändiga biblioteken för att ansluta positioneringsenheten för att kalibrera positioneringsenheten för att initiera OCT-skannern. Justera sedan anskaffningsparametrarna, inklusive brytningsindex, storleken på synfältet och antalet A-skanningar per B-skanning.Vidare, ställa in signalgränserna för OCT scan baserat på intensitet histogram av preliminära genomsökningar och destinationsmappen för förvärvade data och metadata. Beroende på synfält och upplösning kan filstorleken nå upp till 1,5 gigabyte per OCT-sökning. Dessa två parametrar bestämmer storleken på voxels i den slutliga datamängden och storleken på utdatafilen.De bör matcha oct-sondens optiska upplösning. Som markerats i det arbetade exemplet kan du skaffa en enda OCT-skanning med standardparametrar eller skaffa en enda genomsökning som anger en annan uppsättning parametrar. Du kan också tillhandahålla specifika koordinater för att flytta positioneringsanordningen och skaffa en enda OCT-skanning.Med den här funktionen kan du upprepade gånger återgå till exakt samma position i experimentet med hög rumslig noggrannhet. Data sparas i 8bit. råformat för att spara lagringsutrymme.Metadata, inklusive inställningarna och koordinaterna för OCT, sparas i samma mapp i en json-fil med samma namnkonvention. Alternativt anger du en lista över intressepositioner och skaffar respektive OCT-skanningar automatiskt. För att karakterisera biofilm morfologiska strukturer över stora miljögradienter, förvärva skanningar i ett mosaikmönster.För detta anger du antalet grannbrickor med en standardöverlappning på 30%De råa ULT-genomsökningar visas förvrängda. Detta beror på skillnader i banlängd genom det optiska systemet. Vi utvecklade en algoritm som korrigerar denna distorsion som visas i de arbetade exemplen.Om du vill börja bildkorrigering, öppna Jupyter anteckningsbok ImageProcessing.ipynb. Efter detta exempel beskär först OCT-skanningen för att utesluta falska signaler och omorientera datamängden så att biofilmen visas ovanför delradamen. Nästa korrekt för sfärisk aberration.För att åstadkomma detta lokaliserar algoritmen en mycket reflekterande plan yta i OCT-skanningen och använder detta som referens för att platta till skanningarna. Över ett 20 och 20 rutnät identifierar algoritmen sedan lokal maxima i signalintensitet för att lokalisera referensytan. Sedan en andra ordning polynomytan är monterad över dessa punkter och används för att flytta varje pixel av OCT scan i Z riktning.Parametrarna för denna algoritm bör anpassas till egenskaperna hos ULT-skanningen. Denna korrigering möjliggör en homogen referensyta över flera bilder och underlättar därmed syningar av storskaliga bilder. När bilden har förenklats korrigeras bilderna för bakgrundsljud genom att identifiera ett tomt område av bilden ovanför biofilmen och subtrahera genomsnittlig bakgrundsintensitet.Nästa beräkning en höjdkarta från 3D OCT-datamängden. För att kunna göra det, definiera en referensyta som delremmen och välja en lämplig intensitetströskel. Sedan återges en höjdkarta med höjden på biofilmen som rapporteras som gråskalevärde.Om bilder förvärvades i ett mosaikmönster, sy ihop respektive höjdkartor genom att tillämpa sömningsalgoritmen. Med hjälp av automatiserad OCT imaging, spatiotemporal morfogenes av fototrofisk ström biofilms undersöktes med hjälp av flume experiment. Flumerna är gjorda av plexiglas och gradvis vidgas från in till utflödet.Detta resulterar i en lutning i flödeshastighet. Här är en höjd karta över en biofilm växer längs hela flödeshastighet gradient. Viktigt, det automatiserade OCT bildsystemet tillåter en kontinuerlig mätning av strukturella parametrar såsom biofilm tjocklek, ojämnhet och biovolym under olika flödesförhållanden allt från låg-flöde hastighet till hög flöde hastighet villkor.Tillsammans med morfologiska förändringar minskade den genomsnittliga biovolymen signifikant som en funktion av avstånd från inloppet i flumen. Kvaliteten på ULT-skanningarna beror kritiskt på referensarmens längd och fokusavståndet. Du kan behöva justera om den här parametern under experimenten.För att säkerställa att positioneringsanordningen är korrekt, kom ihåg att utföra regelbundet målinredningsåtgärder. Denna automatiserade bildbehandlingsenhet kan lätt kopplas ihop med mikrosensorprofilering för en funktionell karakterisering av biofilmer. OCT är en framväxande bildteknik och vi räknar med att det system som presenteras här stimulerar forskning om biofilmstruktur.Detta kan vara relevant för teknik som dricksvattenbehandling eller biobearbetning.

Research

JoVE Journal

Environment

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

Automatiserad Gel Storlek Val för att förbättra kvaliteten på nästa generations sekvensering bibliotek Framställd från Miljö vattenprov

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

Användning av ett automatiserat system (GreenFeed) för att övervaka Enteric metan och koldioxid utsläpp från idisslare

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

Använda Farmakologisk manipulation och med hög precision Radio Telemetry att studera Spatial Cognition i frigående djur

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 Borttagning användning av koldioxid Aerosoler utan kväverening

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

Data Processing metoder för 3D seismik avbildning av markytan vulkaner: program till den Tarim översvämning basalten

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

Spårning Infiltration främre djup med Time-lapse multi offset samlar samlas in med Array antenn marken penetrerande 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

Sammansättning och Distribution analys av bioaerosoler Under olika miljöförhållanden

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 analys och osäkerhet kvantifiering av termisk-optiska organiska/elementärt kol mätningar

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 sond tomografi analys av Exlösta 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

Kombinera fluidiska enheter med mikroskopi och flödescytometri för att studera mikrobiell transport i porösa medier över rumsliga skalor

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