[論文レビュー] Open-Source Matlab-Based Graphical User Interface (GUI) For Computer Control of Microscopes Using Micro-Manager

Quang Long Pham, David Chege+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2019

Manufacturing Process and Optimization被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、Micro-Managerプラットフォームを介して顕微鏡のコンピュータ制御を可能にする、オープンソースでMatlabベースのグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)を提示する。このGUIは、ハードウェア制御と画像処理ワークフローを統合し、細胞移動実験において18時間にわたる高スループットで高品質なタイムラプス画像を取得する。研究者が特殊な顕微鏡のニーズに合わせてカスタマイズ・拡張可能な、カスタマイズ可能で拡張性のあるフレームワークを提供する。

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.

研究の動機と目的

• 自動化タイムラプス顕微鏡用の低コストで拡張性のあるソフトウェアソリューションの不足に対処すること。
• Matlabのプログラミングの柔軟性とMicro-Managerのハードウェア制御機能を統合した、使いやすくオープンソースのGUIを開発すること。
• 顕微鏡のハードウェア制御とその後続の画像処理ワークフローとのシームレスな統合を可能にすること。
• 研究者が特定の実験的ニーズに合わせて機能を拡張できる、カスタマイズ可能で拡張性のあるテンプレートを提供すること。
• 長時間にわたる細胞移動実験を通じて、システムの信頼性とパフォーマンスを実証すること。

提案手法

• GUIはMatlabのApp Designerを用いて構築され、顕微鏡制御のためのモジュラでインタラクティブなインターフェースを提供する。
• カメラ、ステージモーター、照明システムなどのハードウェアコンponentsの制御に、オープンソースのMicro-Managerプラットフォームと通信する。
• 画像取得と外部ソフトウェアによる画像処理の間でリアルタイム同期を実現する。
• Matlabのスクリプティング環境を介して、追加のソフトウェアパッケージや非顕微鏡用ハードウェアとの統合が可能なGUIアーキテクチャを備える。
• 連続18時間のタイムラプス実験を通じてシステムを検証し、自動画像取得と保存を実施した。
• コアコードベースはオープンソースとしてリリースされ、コミュニティの貢献とカスタマイズを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MatlabベースのGUIは、Micro-Managerを介した顕微鏡制御のための柔軟性、拡張性、アクセスしやすさを備えたプラットフォームを提供できるか？
• RQ2 GUIは、一貫した画像品質とスループットを維持しながら、長時間にわたるタイムラプス画像をどれほど効果的に制御できるか？
• RQ3 GUIは、追加のハードウェアや画像処理ソフトウェアとの統合をどの程度拡張可能か？
• RQ4 GUIのオープンソース性は、多様な研究応用分野における広範な採用とカスタマイズを促進するか？
• RQ5 このシステムは、ライブセルイメージングにおける複雑なマルチコンponentの実験ワークフローを信頼性高くサポートできるか？

主な発見

• GUIは、一貫した画像取得と高いデータ品質を維持しながら、細胞移動の18時間にわたる連続タイムラプス画像を取得することに成功した。
• システムは、要求の厳しい生物学的イメージング応用に適した高スループットの画像取得を実現した。
• Micro-ManagerとMatlabの統合により、ハードウェアと処理パイプラインの同期制御が可能になった。
• コアコードのオープンソースリリースにより、研究者が特定の実験的ニーズに合わせてGUIをカスタマイズ・拡張できるようになった。
• GUIは、カスタマイズ可能で拡張性があり、研究者がカスタムイメージングワークフローの開発にかかる時間を短縮できる機能的でアクセスしやすいテンプレートを提供する。
• 外部ソフトウェアによる画像処理とのシームレスな統合をサポートし、顕微鏡実験におけるエンドツーエンドの自動化を強化した。