本方案介绍了一种由树莓派（Raspberry Pi）控制的、可自行组装的低成本三维（3D）打印延时成像平台，专为在标准培养箱内使用而设计。该平台采用可编程发光二极管（LED）照明，实现明场或斜射成像，并运行开源Python软件以实现自动化的延时成像工作流程。
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本方案介绍了一种由树莓派（Raspberry Pi）控制的、可自行组装的低成本三维（3D）打印延时成像平台，专为在标准培养箱内使用而设计。该平台采用可编程发光二极管（LED）照明，实现明场或斜射成像，并运行开源Python软件以实现自动化的延时成像工作流程。
集成式培养箱内显微系统和一体化延时培养成像培养箱通常价格昂贵且为专有系统，这限制了其可及性和定制化能力。虽然存在开源替代方案，但往往在成像性能、照明控制或适应性方面存在权衡。本文介绍了一种可自行组装、低成本、采用三维（3D）打印技术制造的延时成像平台，专为在标准细胞培养箱内部使用而设计。该设备采用基于树莓派（Raspberry Pi）的控制器，配备步进电机驱动装置以及可编程发光二极管（LED）背光源，支持明场和斜射照明两种模式。该系统可通过开源Python软件实现多孔板的自动成像、定时延时图像采集以及实时预览功能。性能验证结果表明，该设备可在培养箱环境下稳定运行，可靠地对培养细胞和早期胚胎进行长期成像。使用美国空军（USAF）1951分辨率测试板进行光学分辨率测试，确认其最小可分辨特征尺寸约为1.55 µm。运动性能评估显示系统漂移小、重复性高，定位精度与指令位移高度一致。该系统兼容多种培养板格式，并可根据特殊培养需求进行适配。总体而言，该平台为实验室环境下的长期活细胞和胚胎成像提供了一种经济高效、可重复且可定制的解决方案。
活细胞成像技术广泛应用于生物学研究，以观察动态的细胞过程，包括细胞增殖1，2、分化3、迁移4，以及体外受精（IVF）实验室中用于胚胎质量评估的早期胚胎发育过程5，6。目前的主流解决方案主要包括基于培养室的显微镜系统7和集成式延时培养箱8。尽管这些平台能够在受控的环境条件下实现长时间的延时成像，但其成本高昂且大多为闭源系统9。这些局限性降低了小型实验室的可及性，并限制了在定制化实验流程或特定研究场景中的灵活性10，11。
近年来，已推出许多定制的成像系统12,13,14. Merces 等. ....
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肿瘤细胞系和动物胚胎来自国家卫生健康委员会生物节律重点实验室（四川大学），并依照当地机构审查委员会和伦理委员会批准的方案以及相关国家法规进行操作。在缺乏充分实验验证的情况下，本方法不得直接应用于临床实践或用于人类胚胎培养。
注意：硬件（PCB 设计文件和 3D 模型/STL 文件）采用 CERN 开放硬件许可证第 2 版——强互惠型（CERN-OHL-S-2.0）发布，软件（控制器桌面图形用户界面和树莓派后端）采用 MIT 许可证发布。所有设计文件和源代码均可通过项目的 GitHub 仓库公开获取。
1. 3D 打印
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分辨率测试
为评估成像模块的光学分辨率，使用10×物镜在明场照明下对USAF 1951分辨率测试板进行成像。原始图像的分辨率为3840 × 2160像素。如图6A所示，放大后的中心区域中线条对图案清晰可辨。通过目视判断，可分辨的最小特征为USAF 1951测试板的第8组第3个元素，该处线条对仍可区分，但对比度有所降低。更细的结构（例如第8组第4个元素）则无法分辨。根据标准USAF 1951图表，这对应于322.5线对/毫米的空间频率，相当于约1.55 µm的线宽。
图6B 显示了在明场下成像的BV2细胞，角落区域和中心区域以相同分辨率展示。中心区域成像清晰，而视野边缘则出现轻微失焦和亮度降低的现象。
运动精度与稳定性评估
采用 USAF 1951 分辨率测试板作为稳定性和精度测量的参考图案。在10倍物镜和3840 × 2160.......
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该DIY平台（图10）集成了紧凑型光学结构、可编程照明系统和开源控制软件，为在标准培养箱内进行长期成像提供了便捷的解决方案。与商用延时培养箱和集成成像系统7,8相比，该3D打印平台在保持培养细胞和早期胚胎常规观察所需分辨率的同时，显著降低了成本。该系统无需额外的光学或机械组件，即可支持明场和斜射照明，体现了可编程LED背光的实际优势，用户可根据不同样本类型和成像条件调节对比度。
观察到若干局限性。在分辨率测试实验中，视野边缘出现了轻微的离焦和亮度下降现象。这些效应可能是由于组装过程中存在微小的未对准，或光学平面与物镜或传感器未完全平行所致。增加校准步骤或使用更高精度加工的光学安装支架可能缓解此问题。此外，使用低成本消色差物镜也限制了成像的清晰度和色差控制能力。在预算允许的情况下，采用更高等级的物镜可提升图像质量。
当前的光学配置不支持荧光成像
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作者对本文所述产品无任何经济利益，亦无其他事项需要披露。
本工作得到了国家卫生健康委员会时间生物学重点实验室（四川大学）开放基金（NHCC-2023-02）、四川省医学科研项目（S22014）、成都市医学科研项目（2024112）、成都市科技项目（2024-YF05-00877-SN）、四川省妇幼健康协会科研项目（2024FX01）以及成都中医药大学杏林学者学科人才科研提升计划项目（ZYTS2024012）的资助。作者谨向国家卫生健康委员会时间生物学重点实验室提供的关键支持，以及Bangzhu Chen在项目全程中给予的宝贵协助，致以诚挚的感谢。图示摘要使用BioRender软件绘制。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10× LWD Infinity 物镜 | 标准部件 | https://item.taobao.com/item.htm?id=750667327346 | 无限远校正长工作距离物镜，10× |
| 2 × 20 针公头排针 | 标准部件 | – | 2.54 mm 间距 GPIO 排针；数量：1 |
| 5 mm 内径球轴承 | 标准部件 | – | φ5 × 10 × 5 mm 球轴承；数量：1 |
| 航空插头 | 标准部件 | – | 2 针和 3 针航空插头；数量：2 |
| 摄像头模块（IMX219） | Raspberry Pi | IMX219 | Raspberry Pi Camera V2；数量：1 |
| CSI 排线固定座 A | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - csi_cable_holder_A.STL |
| CSI 排线固定座 B | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - csi_cable_holder_B.STL |
| 漫射亚克力板 | 标准部件 | – | 72 × 107 mm，厚度 1 mm；数量：1 |
| 外壳下部 | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - enclosure_lower.STL |
| 外壳上部 | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - enclosure_upper.STL |
| 通用孔板支架 | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - general_well-plate_holder.STL |
| 高透光亚克力板 | 标准部件 | – | 116 × 194 mm，厚度 2 mm；数量：1 |
| 光源外壳 A | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - light_shell_A.STL |
| 光源外壳 B | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - light_shell_B.STL |
| 直线轴承 LM5UU | 标准部件 | LM5UU | φ5 × 10 × 15 mm 直线轴承；数量：4 |
| M2 沉头自攻螺钉 | 标准部件 | – | M2 × 8 mm；数量：4 |
| M2 圆头自攻螺钉 | 标准部件 | – | M2 × 10 mm；数量：8 |
| M2.5 内六角螺钉（10 mm） | 标准部件 | – | M2.5 × 10 mm；数量：12 |
| M2.5 内六角螺钉（8 mm） | 标准部件 | – | M2.5 × 8 mm；数量：12 |
| M3 圆头螺钉 | 标准部件 | – | M3 × 20 mm；数量：4 |
| M3 圆头螺钉 + M3 螺母套装（10 mm） | 标准部件 | – | M3 × 10 mm 螺钉 + M3 螺母；数量：20 套 |
| M3 圆头螺钉 + M3 螺母套装（12 mm） | 标准部件 | – | M3 × 12 mm 螺钉 + M3 螺母；数量：20 套 |
| M3 圆头螺钉 + M3 螺母套装（15 mm） | 标准部件 | – | M3 × 15 mm 螺钉 + M3 螺母；数量：20 套 |
| 主板支架 | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - mainboard_bracket.STL |
| microSD 卡 | 标准部件 | – | 最小 8 GB；推荐 32 GB 或更大容量 |
| 中框 | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - middle_frame.STL |
| OpenLapse 控制板 | 定制部件 | Custom | PCB 文件见补充材料 |
| OpenLapse 照明阵列板 | 定制部件 | Custom | PCB 文件见补充材料 |
| Raspberry Pi 摄像头 FPC 排线 | 标准部件 | https://item.taobao.com/item.htm?id=774536454547 | 22 针转 15 针，40 mm CSI 排线 |
| Raspberry Pi Zero 2 W | Raspberry Pi | – | 主控计算机；数量：1 |
| RMS 转 SML 转接环 | 标准部件 | https://item.taobao.com/item.htm?id=711654577589 | RMS 转 SML 转换环 |
| SML 支架 | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - SML_bracket.STL |
| SML05 管筒支架 | 标准部件 | SML05 (https://detail.tmall.com/item.htm?id=613460973426) | 光学支架 |
| SMLRR 锁紧环 | 标准部件 | SMLRR (https://detail.tmall.com/item.htm?id=613460973426) | 锁紧环 |
| T5 带法兰切口丝杆螺母（2 mm 导程） | 标准部件 | – | T5 × 2 mm 导程丝杆螺母；数量：2 |
| T5 丝杆螺母（2 mm 导程） | 标准部件 | – | T5 × 2 mm 导程丝杆螺母；数量：1 |
| TMC2209 驱动模块 | MKS | TMC2209 (https://item.taobao.com/item.htm?id=782341270726) | 步进电机驱动器 |
| 管镜 | 标准部件 | https://item.taobao.com/item.htm?id=590466758183 | φ25.4 mm，焦距 50 mm |
| X 轴支架 | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - x-axis_bracket.STL |
| X 轴丝杆步进电机 | 标准部件 | https://item.taobao.com/item.htm?id=922508067421 | 28 系列电机，配 T5 × 200 mm 丝杆，导程 2 mm |
| 带滑块的 X 轴直线导轨 | 标准部件 | https://item.taobao.com/item.htm?id=837345295063 | MGW9-200 mm 导轨配 MGW9H 滑块 |
| XH 2.54 mm 3 针线缆 | 标准部件 | – | 公对公连接线，400 mm；数量：1 |
| Y 轴支架 A | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - y-axis_bracket_A.STL |
| Y 轴支架 B | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - y-axis_bracket_B.STL |
| Y 轴导杆 | 标准部件 | – | φ5 × 170 mm 精密轴；数量：1 |
| Y 轴丝杆步进电机 | 标准部件 | https://item.taobao.com/item.htm?id=788375595753 | 28 系列电机，配 T5 × 150 mm 丝杆，导程 2 mm |
| Z 轴支架 A | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - z-axis_bracket_A.STL |
| Z 轴支架 B | 定制部件 | Custom | 3D 打印组件：3D-Print - z-axis_bracket_B.STL |
| Z 轴导杆 | 标准部件 | – | φ5 × 80 mm 精密轴；数量：1 |
| Z 轴丝杆步进电机 | 标准部件 | https://item.taobao.com/item.htm?id=922508067421 | 28 系列电机，配 T5 × 50 mm 丝杆，导程 2 mm |
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