[論文レビュー] Modern Microscopy with the Web of Things: The OpenFlexure Microscope Software Stack

Joel T. Collins, Joe Knapper+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2021

Cell Image Analysis Techniques参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、OpenFlexure顕微鏡用のWeb of Things (WoT)準拠ソフトウェアスタックを提示し、標準化されたHTTP APIを介してグラフィカルおよびスクリプトベースの制御を可能にしている。W3C WoT基準に従ってクライアントとサーバーのアプリケーションを分離することで、多言語スクリプト、リモートアクセス、同時に複数のクライアント接続、拡張性を実現し、多様な研究環境における自動顕微鏡のための堅牢で相互運用可能で使いやすい制御フレームワークを実現した。

ABSTRACT

Automated and computerised control of scientific instrumentation is almost ubiquitous in the modern laboratory. Most instrumentation is controlled over decades old communication busses or is accessed via proprietary system libraries. This limits which languages and operating systems can be used to control instruments, and poses a significant problem when interfacing multiple instruments into the same experiment. Here we present the OpenFlexure Microscope software stack as an example of how a scientific instrument can be controlled using existing, cross-platform, language-independent, industry-supported standards. We split the control code into client and server applications interfaced via a web API that conforms to the W3C Web of Things standard. This enables simple control of the microscope from multiple languages, provides a modern graphical control interface, and minimises duplicated code. Network control also makes the software stack more robust, allows multiple microscopes to be controlled by one computer, and facilitates sharing of equipment between local or remote users. Using a Web of Things approach in research laboratories has the potential to solve many of the key challenges of experiment integration, using technology that is already well established.

研究の動機と目的

• オープンソースで自動化された顕微鏡を、多様な技術的ニーズを持つ初心者および熟練者ユーザーが利用できるように支援する課題に対処すること。
• 複数のプログラミング言語やプラットフォームで、グラフィカルインターフェースとプログラム制御をシームレスに統合すること。
• 特許権のあるまたは言語固有のソリューションではなく、標準化されたWebプロトコルを採用することで、装置間の相互運用性を向上させ、コードの重複を削減すること。
• 分散型または共同研究環境におけるリモート接続、ネットワーク接続、複数デバイス制御を可能にすること。
• 将来のハードウェアや自動化ワークフローの統合を可能にするモジュラーで拡張可能なソフトウェアアーキテクチャを構築すること。

提案手法

• Raspberry Pi上で実行されるスタンドアロンのサーバーアプリケーションとして制御スタックを分解し、W3C Web of Things (WoT)アーキテクチャに準拠した標準化されたHTTP APIを公開すること。
• 標準のWebブラウザからアクセス可能であり、クロスプラットフォームでの使用を想定してElectronデスクトップアプリとしてパッケージ化可能なVue.jsを用いたWebベースのグラフィカルクライアントを実装すること。
• 標準HTTPリクエストを用いて、PythonおよびMATLAB向けの言語に依存しないクライアントを開発し、ネットワーク接続可能な任意のシステムでスクリプトベースの自動化を可能にすること。
• OpenAPI仕様を用いてクライアントライブラリおよびドキュメントを自動生成することで、一貫性を確保し、実装エラーを低減すること。
• ステージの座標をカメラ座標にマップするための画像フィードバックを用いたキャリブレーションパイプラインを実装し、閉ループ制御を可能にすることで、機械的誤差を低減すること。
• プラグインを介した拡張性メカニズムを設計し、コアコードを変更せずに新しいハードウェア制御や自動化ルーチンを追加可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オープンソース顕微鏡のための統合されたソフトウェアスタックをどのように設計すれば、インタラクティブなグラフィカル制御とプログラム制御の両方をサポートできるか？
• RQ2 標準化されたWebプロトコルを用いることで、科学的装置制御ソフトウェアにおける相互運用性の向上と重複の削減にどの程度寄与できるか？
• RQ3 ネットワーク接続、APIファーストのアーキテクチャが、パフォーマンスや使いやすさを損なわず、リモート、マルチユーザー、マルチ顕微鏡制御を可能にできるか？
• RQ4 リアルタイムの画像フィードバックを用いて、バックlashやドリフトなどの機械的不正確さをどのように是正できるか？
• RQ5 オープンソース科学ソフトウェアにおける拡張性と長期的保守性を実現するためのアーキテクチャパターンは何か？

主な発見

• WoT準拠のHTTP APIにより、Python や MATLAB を含む、HTTP をサポートする任意のプログラミング言語から、カスタムライブラリやフレームワークを必要とせずに OpenFlexure 顕微鏡を制御できる。
• グラフィカル、スクリプトベース、リモートの複数のクライアントが同時に同じ顕微鏡に接続可能であり、自動化プロトコルが実行中の間も、実時間での実験監視が可能である。
• ステージのキャリブレーションおよび閉ループ制御に画像フィードバックを用いることで、機械的誤差が顕著に低減され、大規模なスキャン中に累積的ドリフトが発生しなくなる。
• ソフトウェアスタックは完全にオープンソースであり、許可が緩いライセンスのもとで公開されており、すべてのソースコードとドキュメントはGitLabおよびGitHubにホスティングされており、アーカイブリリースも提供されている。
• LabThings Python ライブラリなどのコアソフトウェアコンponentsは顕微鏡を越えて再利用可能であり、他のWoT準拠科学装置のサポートを目的として設計されている。
• OpenAPIおよびThing Description標準の採用により、ドキュメントとクライアントコードの自動生成が可能となり、開発の負荷が軽減され、保守性が向上した。