[논문 리뷰] Open-Source Matlab-Based Graphical User Interface (GUI) For Computer Control of Microscopes Using Micro-Manager

Quang Long Pham, David Chege외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 26.

Manufacturing Process and Optimization인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 Micro-Manager 플랫폼을 통해 마이크로스코프의 컴퓨터 제어를 가능하게 하는 오픈소스, Matlab 기반 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 제시한다. 이 GUI는 하드웨어 제어를 영상 처리 워크플로우와 통합하여 18시간에 걸친 고속도, 고품질의 시간경과 영상 촬영을 가능하게 하며, 연구자가 특정 마이크로스코피 요구사항에 맞게 맞춤화하고 확장할 수 있는 유연한 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Live time-lapse microscopy is essential for a wide range of biological applications. Software-based automation is the gold standard for the operation of hardware accessories necessary for image acquisition. Given that current software packages are neither affordable nor open to complex structured programming, we have developed a Matlab-based graphical user interface (GUI) that is fundamentally accessible while providing limitless avenues for further customization. The GUI simultaneously communicates with the open-source, cross-functional platform micro-Manager for controlling hardware for time-lapse image acquisition and with other software for image processing. The use of the GUI is demonstrated through an 18-hour cell migration experiment. The results suggest that the GUI can generate high-quality, high-throughput time-lapse images. The core code behind the GUI is open-source so that it can be modified and upgraded. Therefore, it benefits the researchers worldwide by providing them a fundamental yet functional template to add in advanced features specific to their needs, such as additional non-microscopy hardware parts and software packages supported by the Matlab software.

연구 동기 및 목표

• 자동화된 시간경과 마이크로스코피를 위한 저비용이고 확장 가능한 소프트웨어 솔루션의 부족을 해결하기 위해.
• Matlab의 프로그래밍 유연성과 Micro-Manager의 하드웨어 제어 기능을 융합한 사용자 친화적이고 오픈소스인 GUI를 개발하기 위해.
• 마이크로스코프 하드웨어 제어와 후속 영상 처리 워크플로우 간의 원활한 통합을 가능하게 하기 위해.
• 연구자가 특정 실험적 필요에 맞게 功能을 확장하기 위한 사용자 정의 가능하고 확장 가능한 템플릿을 제공하기 위해.
• 장시간 지속되는 세포 이동 실험을 통해 시스템의 신뢰성과 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• GUI는 Matlab의 App Designer를 사용하여 제작되어 마이크로스코프 제어를 위한 모듈식이고 상호작용 가능한 인터페이스를 제공한다.
• 이 시스템은 카메라, 스테이지 모터, 조명 장치 등의 하드웨어 구성 요소를 제어하기 위해 오픈소스인 Micro-Manager 플랫폼과 통신한다.
• 영상 촬영과 외부 소프트웨어를 통한 영상 처리 간 실시간 동기화를 지원한다.
• GUI 아키텍처는 Matlab 스크립팅 환경을 통해 추가 소프트웨어 패키지 및 비마이크로스코피 하드웨어와의 통합을 가능하게 한다.
• 시스템은 세포 이동에 대한 지속적인 18시간 시간경과 실험을 통해 검증되었으며, 자동화된 영상 촬영 및 저장 기능을 포함한다.
• 핵심 코드베이스는 오픈소스로 공개되어 커뮤니티 기여와 맞춤화를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Matlab 기반 GUI가 Micro-Manager를 통해 마이크로스코프 제어를 위한 민첩하고 확장 가능하며 접근 가능한 플랫폼을 제공할 수 있는가?
• RQ2 GUI는 일관된 영상 품질과 고속도를 유지하면서 장시간 지속되는 시간경과 영상 촬영을 얼마나 효과적으로 조율할 수 있는가?
• RQ3 GUI는 추가 하드웨어 및 영상 처리 소프트웨어와의 통합을 얼마나 넓게 확장할 수 있는가?
• RQ4 GUI의 오픈소스 성격이 다양한 연구 적용 분야에서의 광범위한 채택과 맞춤화를 촉진하는가?
• RQ5 시스템은 라이브세포 영상에서 복잡한 다성분 실험 워크플로우를 신뢰성 있게 지원할 수 있는가?

주요 결과

• GUI는 일관된 영상 촬영과 높은 데이터 품질을 유지하면서 18시간에 걸친 세포 이동 시간경과 영상 촬영을 성공적으로 수행하였다.
• 시스템은 고속도 영상 촬영을 구현하여 요구 수준이 높은 생물학적 영상 촬영 응용 분야에 적합함을 입증하였다.
• Micro-Manager와 Matlab 간의 통합은 하드웨어 제어 및 처리 파이프라인 간의 동기화 제어를 가능하게 하였다.
• 핵심 코드베이스의 오픈소스 공개는 연구자가 특정 실험적 필요에 맞게 GUI를 맞춤화하고 확장할 수 있도록 하였다.
• GUI는 연구자가 커스터마이징 가능한 기능을 갖춘 기능적이고 접근성 있고 확장 가능한 템플릿을 제공하여 맞춤형 영상 워크플로우 개발에 소요되는 시간을 줄였다.
• 시스템은 외부 소프트웨어를 통한 영상 처리와의 원활한 통합을 지원하여 마이크로스코피 실험의 종단 간 자동화를 향상시켰다.