[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种基于 Matlab 的开源图形用户界面（GUI），通过 Micro-Manager 平台实现显微镜的计算机控制，将硬件控制与图像处理工作流程集成。该 GUI 在一项细胞迁移实验中实现了长达 18 小时的高通量、高质量时间序列成像，为研究人员提供了一个可自定义、可扩展的框架，以适应特定的显微镜需求。

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.

研究动机与目标

• 解决自动化时间序列显微镜领域缺乏经济实惠、可扩展软件解决方案的问题。
• 开发一种用户友好、开源的 GUI，将 Matlab 的编程灵活性与 Micro-Manager 的硬件控制能力相结合。
• 实现显微镜硬件控制与下游图像处理工作流程之间的无缝集成。
• 为研究人员提供一个可自定义、可扩展的模板，以扩展功能以满足特定实验需求。
• 通过一项长时间的细胞迁移实验，证明该系统的可靠性和性能。

提出的方法

• GUI 使用 Matlab 的 App Designer 构建，提供模块化且交互式的显微镜控制界面。
• 通过与开源的 Micro-Manager 平台通信，控制相机、载物台电机和照明系统等硬件组件。
• 系统支持图像采集与外部图像处理软件之间的实时同步。
• GUI 架构允许通过 Matlab 的脚本环境与额外的软件包及非显微镜硬件集成。
• 通过一项持续 18 小时的细胞迁移时间序列实验对系统进行了验证，实现自动图像采集与存储。
• 核心代码库以开源形式发布，支持社区贡献与自定义。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 Matlab 的 GUI 是否能够提供一个灵活、可扩展且易于访问的平台，用于通过 Micro-Manager 控制显微镜？
• RQ2 该 GUI 在长时间时间序列成像中，能否有效协调一致的图像质量和高通量？
• RQ3 该 GUI 在多硬件和图像处理软件集成方面，其可扩展性在多大程度上得以实现？
• RQ4 该 GUI 的开源特性是否促进了其在多样化研究应用中的广泛采用与自定义？
• RQ5 该系统是否能够可靠地支持复杂、多组件的活细胞成像实验工作流程？

主要发现

• GUI 顺利实现了细胞迁移的 18 小时连续时间序列成像，图像采集稳定且数据质量高。
• 该系统展示了高通量图像采集能力，适用于高要求的生物成像应用。
• Micro-Manager 与 Matlab 之间的集成实现了硬件与处理流程的同步控制。
• 核心代码的开源发布使研究人员能够自定义并扩展 GUI 以满足特定实验需求。
• GUI 为研究人员提供了一个功能完整、易于访问且可扩展的模板，可显著减少定制成像工作流程的开发时间。
• 该系统支持与外部图像处理软件的无缝集成，增强了显微镜实验中端到端自动化的实现。