CC BY
34
Краткое сообщение.
МИКРОРЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКАЯ И ГОНИОМЕТРИЧЕСКАЯ ТОМОГРАФИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГООСНОЙ РОБОТИЗИРОВАННОЙ МАШИНЕРИИ НА БАЗЕ СТОЛИКА ФЕДОРОВА, ГИБРИДИЗОВАННОГО С ПУШ-ИНТЕГРАТОРОМ ГЛАГОЛЕВА И ИНТЕГРИРУЮЩЕЙ ПЛАТФОРМОЙ АНДИНА, УПРАВЛЯЕМЫМИ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ЧЕРЕЗ PIC-КОНТРОЛЛЕР И МОДУЛИ “CAMAC”
О.В. Градов* 1, А.В. Нотченко2, В.А. Оганесян3
1Москва, Институт Энергетических Проблем Химической Физики РАН, 2Москва, Институт Проблем Передачи Информации, РАН,
3Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Резюме: В статье рассматривается возможность создания новой технологии оптической рефрактометрической и гониометрической микротомографии с применением многоосной роботизированной механики (мехатроники) на базе столика Федорова, гибридизованного с пуш-интегратором Глаголева и интегрирующей платформой Ан-дина, ведомыми шаговыми двигателями с упралением от PIC-контроллера и модуля МУШЖ КАМАК (CAMAC).
Ключевые слова: микрорефрактометрия, гониометрия, микротомография, КАМАК, столик Федорова, PIC-контроллер, пуш-интегратор, интеграционный столик Андина
Brief communication:
MICROREFRACTOMETRIC AND GONIOMETRIC TOMOGRAPHY BASED ON MULTIAXIS ROBOTIZED FEODOROV STAGE HYBRIDIZED WITH PUSHINTEGRATOR AND INTEGRATING ANDINE PLATFORM CONTROLLED BY STEPPER MOTORS BASED ON MODIFIED HARVARD ARCHITECTURE MICROCONTROLLER AND CAMAC
MODULES
O.V. Gradov1, A. V. Notchenko2, V.A. Oganesssian3
1Moscow, Institute for Energy Problems of Chemical Physics, RAS,
2Moscow, Institute for Information Transmission Problems, RAS,
3Moscow, Bauman Moscow State Technical University.
Abstract: We propose to design a novel technique of microrefractometric and goniometric tomography based on multi-axis robotized Feodorov stage hybridized with pushintegrator and integrating Andine platform controlled by stepper motors based on modified Harvard architecture microcontroller and CAMAC modules.
Keywords: microrefractometry, goniometry, microtomography, Feodorov stage, CAMAC, Harvard architecture microcontroller, pushintegrator, Andine platform, stepper motors, PIC
Введение
В классической физико-химической медицине общеизвестно диагностическое значение микрорефрактометрических измерений для анализа эндокринологических функций [1-3] и клинико-микробиологических исследований [4-6]. Необходимость их внедрения в микротомографическую практику доказывается тем фактом, что в новых работах по безмаркерной (label-free) визуализации [7], оптофлюидике полимерных и биомолекулярных сред, учитывающей капиллярные явления [8], а также технологии биологических волокон [ 9] , т.е. - в качественно различных прикладных приложениях, приборостроители вынуждены использовать микрорефрактометрические сенсоры и ссылаться на ранние работы с использованием подходов микрорефрактометрии.
Имеющиеся работы по совмещению томографии и рефрактометрии, равно как и работы по совмещению рефрактометрии и конфокальной микроскопии (или двух-фотонной микроскопии с 3D-реконструкцией) [10-14] не являются оптимальными по критериям вращения образца. Для оптимальной визуализации и SD-репрезентации биологических структур в таких случаях необходимо большее число осей вращения и максимальная дискретизация угловых положений образца относительно источника и детектора.
Предлагаемая конструкция
Нами предлагается использование для этих целей гониометрического ротационного столика Федорова, обладающего в различных модификациях 3-, 4-, 5осевым устройством [15-19] (с точки зрения оптики, столик Федорова представляет собой микрорефрактометр). В данном случае возникает много специфических задач, связанных с математической базой самой процедуры синхронизированных угловых морфометрических, гониометрических и рефрактометрических измерений. К числу таковых относится, в частности, создание программного пакета, обеспечивающего в режиме реального времени не только стандартную для томографии и конфокальной микроскопии 3D-визуализацию, но и выражение данных измерений в кватернионах и / или углах Эйлера, а также вспомога-
тельные матричные операции в аналитической механике подвижной части измерительной системы.
Вполне очевидно, что это требует наличия обратной связи между подвижной и измерительной частями установки, обеспечиваемой за счет сенсоров и одометров в конструкции ротационной микротомографической установки. Наиболее корректным, с метрологических позиций, в данном случае является комплексирование установки как модульной системы, каждый сенсор и движущийся узел которой управляется от отдельного функционального модуля, совокупность которых выводит данные на ПК с визуализацией окон результатов измерений и задатчиков угловых параметров в GUI.
Образцы-прототипы
Нами исходно был использован стандарт магистрально-модульной шины CAMAC, в рамках которого несколько крейтов, в слотах которых фиксировались контроллеры и функциональные модули, сопрягались по Higway-каналу. Максимальное количество сенсоров, с которых осуществлялся контроль, составляло 16, однако технологически возможно и большее количество. Управление динамикой установки осуществлялось с помощью модулей управления шаговыми двигателями (МУШД). Нами проведена альтернативная распайка крейтов, в рамках которой контроллер крейта может быть размещен не в крайне-правых слотах, а в наиболее пригодных - по эргономическим соображениям. Исходно использовались модули и крейты POLON, часть из которых была подвергнута кардинальной модернизации. Создано программное обеспечение, совместимое с Windows, а также проведена работа по ряду драйверов.
С оптико-механических позиций, конструкция установки включала: микроскоп с фиксируемым на нем столиком Федорова, вращаемым шаговыми двигателями; сам объект, по которому осуществлялась центровка и фокусировка пучка; манипулятор с источником света (в последней версии - 2 манипулятора) типа KSR-1 (аналогично к работе [20]); фильтры и оптический тракт с объективами, через которые подавалось и регистрировалось излучение (было создано также несколько версий с различными лазерными головками, отличны-
ми по длине волны и энергии / мощности в пучке); автоматизированный подъёмник столика с подачей сигнала от МУШД.
Усовершенствованная механика
Столкнувшись с проблемой получения больших данных при компартмен-тации морфометрируемых биологических структур и текстур, авторы вынуждены были разработать отличный от стандартного столика Федорова гибридный столик, основанный на интегрирующем столике Андина (с шестью барабанными микрометрическими винтами), на котором фиксировался усеченный в нижней части столик Федорова.
Впоследствии функции интегрирования были делегированы вычислительной части программно-аппаратного комплекса; на промежуточном этапе был осуществлен монтаж полуавтоматической системы, в которой вращение барабанов столика Андина производилось с помощью шаговых двигателей (и также контролировалось сенсорами). Стандартная система столика Андина позволяла работать также в люминесцентной модальности в случае, когда число красителей, характеризующихся разными цветами свечения (без учета колокализа-ции) не превышало пяти. Таким образом, подобная система может быть пригодна в анализе многоцветных нейроморфологических визуализаций - аналогов Brainbow [21]. Для аналогичных целей в систему была введена цифровая эмуляция пуш-интегратора Глаголева, работающая на уровне перехвата сигнала с окулярной камеры при регистрации морфологии и on-line-морфометрии с 3D-реконструкцией.
Возможные усовершенствования
Прогресс данной схемы измерений видится в микроминиатюризации модулей управления. В настоящее время создана в формате прототипа гибридная система, содержащая не только крейт CAMAC, но также и параллельные PIC-контроллеры, подключаемые через USB. Реализована также альтернативная по ряду принципиальных признаков дистанционная система управления МУШД.
Современное состояние
На данный момент работа по полному переводу измерений на новую элементную базу с созданием портативной версии системы свернута из-за отсутствия финансирования и минимально необходимых для её продолжения ресурсов. Авторы, отчасти, надеются продолжить работу в данном направлении, так как предложенная методология позволяет визуализировать структуры, которые не могут быть визуализированы методами обычной конфокальной микроскопии.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы благодарны всем энтузиастам, участвовавшим в краудфандинге проекта. Особенная благодарность выражается сотрудникам ОМСИ ГЕОХИ РАН, благодаря помощи которых эти ОКР была начаты в 2011 году [22].
ЛИТЕРАТУРА.
[1] G.Gerzeli, E.Mira. A microrefractometric study of the salivary glands of the rat after ligation of the excretory ducts // Acta Anat. Vol. 65, No. 1 - 1966, pp. 256-274.
[2] G.Gerzeli, E.Mira, G. Bernocchi. A microrefractometric study of dry mass changes in isoproterenol enlarged salivary glands of the rat // Acta Anat., Vol. 88, No. 2 - 1974, pp. 245-266.
[3] G. Gerzeli, S. Barni. Modifications in some rat liver cell components following stimulation with isoprenaline (a cytospectrophotometric, microrefractometric and cytoelectrophoretic study) // Riv. Istochim. Norm. Patol., Vol. 20, No. 1-3 - 1976, pp. 67-88.
[4] Б.Ю. Шустерю. Комплексное применение микрорефрактометрического и культурального методов для анализа состава популяции брюшнотифозных бактерий // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии, Том 44, Вып 6 - 1967, стр. 28-33.
[5] Б.А. Фихман, М.Д. Прядкина. Применение метода иммерсионной микрорефрактометрии для прямого определения соотношения живых и мертвых клеток
в противочумной живой вакцине // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии, Том 32, Март 1961, стр. 60-64.
[6] Фихман Б.А. Показатели преломления живых бактериальных клеток // В. сб.: «Научные основы производства вакцин и сывороток», М., Медицина, 1965, стр. 36-44.
[7] G. Gauglitz, G. Proll. Strategies for label-free optical detection // Adv. Biochem. Eng. Biotech., Vol. 109, 2008, pp. 395-432.
[8] K.J. Rowland, A. Fran5ois, P. Hoffmann, T.M. Monro. Fluorescent polymer coated capillaries as optofluidic refractometric sensors // Opt Express. 2013 May 6;21(9): 11492-505.
[9] B. Wittgren, M. Stefansson, B. Porsch. Interactions between sodium dodecyl sulphate and non-ionic cellulose derivatives studied by size exclusion chromatography with online multi-angle light scattering and refractometric detection // Journ. Chromatogr. A., Vol. 1082, No. 2 - 2005, pp. 166-175.
[10] A. Zvyagin, K.K. Silva, S. Alexandrov, T. Hillman, J. Armstrong, T. Tsuzuki, D. Sampson. Refractive index tomography of turbid media by bifocal optical coherence refractometry // Opt. Express., Vol. 11, No. 25 - 2003, pp. 3503-3517.
[11] A.P. Raphael, T.A. Kelf, E.M Wurm., A.V. Zvyagin, H.P. Soyer, T.W. Prow. Computational characterization of reflectance confocal microscopy features reveals potential for automated photoageing assessment // Exp. Dermatol., Vol. 22, No. 7 -2013, pp. 458-463.
[12] A.I. Yusipovich, M.V. Zagubizhenko., G. Levin, A. Platonova, E.Y. Parshina, R. Grygorzcyk, G.V. Maksimov, A.B. Rubin, S.N. Orlov. Laser interference microscopy of amphibian erythrocytes: impact of cell volume and refractive index // Journ. Microsc., Vol. 244, No. 3 - 2011, pp. 223-229.
[13] J. Binding, J. Ben Arous, J.F. Leger, S. Gigan, C. Boccara, L. Bourdieu. Brain refractive index measured in vivo with high-NA defocus-corrected full-field OCT and consequences for two-photon microscopy // Opt. Express., Vol. 19, No. 6 - 2011, pp. 4833-4847.
[14] S. Kim, J. Na, M.J. Kim, B.H. Lee. Simultaneous measurement of refractive index and thickness by combining low-coherence interferometry and confocal optics // Opt. Express., Vol. 16, No. 8 - 2008, pp. 5516-5526.
[15] A.F. Hallimond, E.W. Taylor. An Improved Polarizing Microscope. IV. The Fedorov Stage (Three-Axis) // Mineralogical Magazine, Vol. 29, No 209 - 1950, pp. 150-162.
[16] P.R.J. Naidu. 4-Axes Universal Stage // Madras, Com. Print. & Pub. House, 1958, 106 p.
[17] M. Berek. Mikroskopische Mineralbestimmung mit Hilfe der Universaldrehtischmethoden // Berlin, Gebruder Borntraeger, 1924, 168 p.
[18] E.S. Fedorov. Eine neue Methode der optischen Untersuchung von Krystallplatten in parallelem Lichte // Tschermak's Mineral. und Petrograph. Mitt-heil., Vol. 12 - 1892, pp. 505-509.
[19] E.S. Fedorov. Universal- (Theodolith-) Methode in der Mineralogie und Petro-graphie // Zeitschrift fur Kristallographie und Mineralogie, Vol. 22 - 1894, pp. 229268.
[20] A.V. Notchenko, O.V. Gradov. A Five-Axis Arm-Manipulator Laser System
and an Algorithm for Digital Processing of Output Data for Recording and Morpho-Topological Identification of Cell and Tissue Structures in Histomorphogenesis // Visualization, Image Processing and Computation in Biomedicine, Vol. 2 - 2013,
DOI: 10.1615/VisualizImageProcComputatBiomed.2013005967.
[21] T.A. Weissman, J.R. Sanes, J.W. Lichtman, J. Livet. Generating and imaging multicolor Brainbow mice // Cold Spr. Harb. Protoc., 7 - 2011, pp. 763-769.
[22] Градов О.В. Новая многоосная микроскопическая техника для наблюдения реакционно-диффузионных процессов и автоколебательных реакций в объеме с учетом градиента и анизотропии // Препринт [30 экз.; для сотр. ГЕОХИ РАН], 2011, 50 с.
