Žilvinas LEDAS, Romas BARONAS, Remigijus ŠIMKUS. Švytinčių bakterijų populiacijos vaizdų apdorojimo ir struktūros analizės įrankiai

Švytinčių bakterijų populiacijos vaizdų apdorojimo ir struktūros analizės įrankiai

Žilvinas Ledas ([email protected])

Romas Baronas ([email protected])

Remigijus Šimkus ([email protected])

Švytinčių bakterijų populiacijos vaizdų apdorojimo ir struktūros analizės įrankiai

Ž. Ledas, R. Baronas, R. Šimkus. Švytinčių bakterijų vaizdų apdorojimas2 iš 20

Turinys

• Bakterijų struktūros ir jų stebėjimas.• Įrankiai:

• Pseudo-1D vaizdų gavimui.• Pseudo-1D vaizdų analizei.• 3D vaizdų vizualizavimui.

• Išvados.

Bakterijų struktūra

Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei

3D vaizdų peržiūrai


Chemotaksis (1)

• Chemotãksis – organizmų arba judrių ląstelių slinktis, kai juos veikia cheminiai dirgikliai.

• Bakterijos:• matuoja pajaustą vidutinį

chemoatraktanto kiekį;• gali valdyti tiesaus judėjimo ir sukimosi

fazių kaitą;• taip gali judėti pageidaujama kryptimi.


Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei



Chemotaksis (2)

• Švytinčios lux-genais žymėtos Escherichia coli bakterijos tampa nestabilios, kai jų koncentracija yra pakankamai didelė.

• Ši savybė labai svarbi konstruojant visos ląstelės liuminescencinius biojutiklius, kurie taikomi aplinkoje esantiems teršalams aptikti.


Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei



Bakterijų struktūros modeliavimas

• Bakterijų judėjimo modeliavimas:• judėjimo modelis aprašomas Keller-Segel tipo

dviejų difuzijos-advekcijos-reakcijos lygčių sistema;

• uždavinys sprendžiamas skaitiniais metodais.• Nagrinėtas judėjimas:

• dvimatėje (2D) erdvėje „žiūrint į mėgintuvėlį iš viršaus“;

• 1D erdvėje, vaizduojančioje bakterijų koncentraciją skritulio krašte.


Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei



Realaus eksperimento vaizdas

Erdvės ir laiko atvaizdas, vaizduojantis bakterijų

koncentracijos kitimą skritulio krašte.

Cilindro formos mėgintuvėlio vaizdas iš viršaus.


Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei



Stebėjimo procesas

• Fotografuojama 1kartą/min. nuo 2 iki 6 valandų laikotarpiais su 1 min. išlaikymu.

• Kadre 6-9 cilindro formos mėgintuvėliai.• Image-Pro Express Version 6.3

• Dėl galimybių trūkumo apdorojimas ir analizė reikalavo daug rankinio darbo bei užtrukdavo ilgai.


Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei



Realaus eksperimento nuotrauka


Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei



Papildoma programinė įranga

• Pseudo-1D vaizdo nuskaitymas:• Pakrauti nuotraukas.• Pažymėti mėgintuvėlių vietas.• Nuskaityti ryškumo duomenis į pseudo-

vienmačius vaizdus, kintančius laike.


Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei





Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei





Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei




• Pseudo-1D vaizdų analizė:• Pakrauti pseudo-1D vaizdus.• Iš jų išskirti didesnės bakterijų koncentracijos

(ryškesnes) vietas.

• Naudojamos signalų apdorojimo technikos.• Triukšmo mažinimas – kiekviena paveikslo eilutė

apdorojama 1D Gauso filtru.• Taikant Otsu metodą, eilutei nustatomas slenkstis.• Pritaikius slenkstį, apskaičiuojamas sankaupų skaičius.


Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei





Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei





Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei



Modeliuotų vaizdų palyginimas

• Du modeliuoti vaizdai su skirtingais parametrais.

• Nustatyti pana-šumą į realaus eksperimento vaizdą.


Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei





Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei





Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei



• Realaus eksperimento:• Maksimumų vidurkis: 4,9 (nuokrypis 0,82)

• 1 modeliuoto:• Maksimumų vidurkis: 4,1 (nuokrypis 0,68)

• 2 modeliuoto:• Maksimumų vidurkis: 6,2 (nuokrypis 0,8)

• Išvada: reikia papildomų modeliavimų su tarpiniais parametrais.


Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei



3D modeliavimo rezultatų vizualizavimas

• 3D vaizdus nėra patogu juos tyrinėti peržiūrint.

• Vizualizuoti panaudotas kompiuterinių žaidimų variklis Unity (versija 4.6).• Leidžia realiu laiku žiūrėti į 3D rezultatus

iš bet kurios pusės pasirinktu kampu.• 3D „pikselių“ visuma vaizduojama,

generuojant atitinkamus 3D tinklelius.• Kiekvienas pikselis turi šviesumo ir

permatomumo reikšmes, taip vaizduojant pusiau permatomą skystį.


Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei



Išvados

• Specializuotą programinę įrangą sukurti užtrunka, bet sutaupo žymiai daugiau laiko.

• Automatinis švytinčių bakterijų formuojamų vaizdų lyginimas padeda objektyviau nustatyti panašumą.

• Modeliuotiems 3D vaizdams vizualizuoti galima pritaikyti kompiuteriniams žaidimams skirtus įrankius.

Šis darbas buvo paremtas Lietuvos mokslo tarybos (LMT grant no. MIP-001/2014).


Įrankiai

Išvados

Chemotaksis

Stebėjimas

1D vaizdų gavimui

1D vaizdų analizei


Technology

Žilvinas LEDAS, Romas BARONAS, Remigijus ŠIMKUS. Švytinčių bakterijų populiacijos vaizdų apdorojimo ir struktūros analizės įrankiai