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CPGEI (Mestrado): Philipe Ambrozio Dias-29/02/16

Defesa Pública de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 29/02/2016
das 13h30 até 16h30
Onde Sede Central: Sala B-205
Nome do Contato Prof. Fabio Kurt Schneider
Participantes Prof. Fabio Kurt Schneider, Dr. Orientador - UTFPR
Prof. Hajo Suhr Mannheim, Dr. Co-orientador - Alemanha
Banca examinadora:
Prof. Fabio Kurt Schneider, Dr. Presidente - UTFPR
Prof. Hugo Vieira Neto, Dr - UTFPR
Prof. Valdinei Luis Belini, Dr. - UFSCar
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Microscopia in situ para análise de bactérias filamentosas: ótica e processamento de imagens

Resumo: Em processos de lodo ativado, problemas de foaming e filamentous bulking podem ocorrer devido ao crescimento exagerado de bactérias filamentosas. Atualmente, o monitoramento de tais micro-organismos é feito por meio de métodos baseados em microscopia ótica combinada com técnicas de marcadores, os quais apresentam limitações intrínsecas da microscopia descontínua, são subjetivos e suscetíveis a erro humano. O presente projeto visa a aplicação de um microscópio in situ (ISM) para monitoramento contínuo de bactérias filamentosas, de forma a possibilitar análise instantânea, computadorizada, sem necessidades de recolher, preparar e transportar amostras. O ISM previamente desenvolvido na Hochschule Mannheim teve que ser adaptado para análise de águas residuais, especialmente em termos de impermeabilidade e da criação de um mecanismo de limpeza. Com a utilização de uma nova objetiva, o novo ISM foi simplificado para um tubo único e um sistema de limpeza ativado externamente baseado em magnetismo foi criado. Um algoritmo de processamento de imagens foi elaborado para reconhecimento e medição de comprimento de estruturas filamentosas, permitindo avaliação em tempo real de imagens sem qualquer técnica de marcadores, contraste de fase ou diluição. O mesmo consiste em três operações principais: pré-processamento e binarização; reconhecimento de filamentos por meio de mapeamento de distâncias e descritores de forma; e, finalmente, medição e visualização do comprimento de cada filamento. Um protótipo construído via impressão 3D foi utilizado para avaliação o novo design do microscópio, fornecendo imagens com resolução bastante próxima das adquiridas com a versão anterior do sistema. O mecanismo de limpeza desenvolvido mostrou-se efetivo, capaz de remover partículas sedimentadas acima das lentes durante os testes. Para avaliação do algoritmo de processamento de imagens, amostras de uma planta industrial de lodo ativado foram coletadas semanalmente por um período de doze meses e imageadas sem qualquer condicionamento prévio, replicando condições reais de ambiente. Experimentos demonstraram que o algoritmo desenvolvido identifica corretamente tendências de aumento/decréscimo da concentração de filamentos, o que constitui o principal parâmetro para tomadas de decisão. Para imagens de referência cujos filamentos foram marcados por especialistas, o algoritmo reconheceu corretamente 80% dos pixels atribuídos a filamentos, com uma taxa de falso positivos de até 24%. Um tempo de execução médio de 0,7 segundo por imagem foi obtido, provando sua aptidão para formar uma ferramenta de monitoramento em tempo real.
Palavras-chave:Microscopia in situ. Reconhecimento de bactérias filamentosas. Processamento Digital de Imagens. Microorganismos filamentosos. Tratamento de águas residuais

In situ microscopy for analysis of filamentous bacteria: optics and image evaluation

Abstract: In the activated sludge process, problems of foaming and filamentous bulking can occur due to overgrowth of certain filamentous bacteria. Nowadays, these microorganisms are typically monitored by means of light microscopy combined with staining techniques, methods which are intrinsically limited by the use of discontinuous microscopy, subjective and susceptible to human errors. The present project aims the application of an in situ microscope (ISM) for continuous monitoring of filamentous bacteria, providing real-time examination, automated analysis and eliminating sampling, preparation and transport of samples. The ISM previously developed at the Hochschule Mannheim required adaptations for use within wastewater environment, specially in terms of impermeability and development of a cleaning mechanism. With a new objective’s design, the system was simplified to a single tubus and a externally activated cleaning system based on magnetism was created. A proper image processing algorithm was designed for automated recognition and measurement of filamentous objects, allowing real-time evaluation of images without any staining, phase-contrast or dilution techniques. Three main operations are performed: pre-processing and binarization; recognition of filaments using distance-maps and shape descriptors; measurement and display of total extended filament length. A 3D-printed prototype was used for experiments with respect to the new ISM’s design, providing images with resolution very close to the ones acquired with the previous microscope. The designed cleaning system has shown itself to be effective, removing dirt settled above the lens during tests. For evaluation of the image processing algorithm, samples from an industrial activated sludge plant were weekly collected for a period of twelve months and imaged without any prior conditioning, replicating real environment conditions. Experiments have shown that the developed algorithm correctly identifies trends of filament growth rate, which are the most important parameter for decision making. For reference images whose filaments were marked by specialists, the algorithm correctly recognized 80% of the filaments pixels, with a false positive rate of at most 24%. An average execution time of 0.7 second per image was achieved, proving its suitability for being optimally mapped into a computational architecture to provide real-time monitoring.
Keywords: In situ Microscopy. Filamentous bacteria recognition. Digital image processing. Filamentous microorganism. Wastewater treatment.

Lista de publicações:

Dias, P. A.; Dunkel, T.; Fajado, D. A. S.; de Leon Gallegos, E. L.; Denecke, M.; Wiedemann, P.; Schneider, F.K.; Suhr, H. Image processing for identification and quantification of filamentous bacteria in in situ acquired images. Artigo científico submetido para o Journal Biomedical Engineering OnLine, 2016.

Dunkel, T.; Dias, P. A.; de Leon Gallegos, E. L.; Tacke, V.; Schielke, A.; Hesse, T.; Fajado, D. A. S.; Suhr, H.; Wiedemann, P.; Denecke, M. \textit{In situ microscopy as a tool for the monitoring of filamentous bacteria: a case study in an industrial activated sludge system dominated by M. parvicella}. Artigo científico publicado no Journal de Water Science and Technology, v.72-Issue 10, 2015. http://dx.doi.org/10.2166/wst.2015.612

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