Eine Do-it-yourself- und 3D-gedruckte Zeitraffer-Bildgebungsplattform für Live-Zellen-Beobachtung im Inkubator

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt eine Do-it-yourself-(DIY), kostengünstige, dreidimensionale (3D)-gedruckte Zeitraffer-Bildgebungsplattform, die von Raspberry Pi gesteuert wird und für den Einsatz in Standardinkubatoren entwickelt wurde. Es verwendet programmierbare LED-Beleuchtung, um helle Feld- oder schräge Bildgebung zu erzielen, und läuft mit Open-Source-Python-Software für automatisierte Zeitraffer-Workflows.

Zusammenfassung

Integrierte Inkubator-Mikroskopiesysteme und All-in-One-Zeitraffer-Kulturinkubatoren sind oft teuer und proprietär, was die Zugänglichkeit und Individualisierung einschränkt. Open-Source-Alternativen existieren, erfordern jedoch oft Kompromisse hinsichtlich Bildgebungsleistung, Beleuchtungsregelung oder Anpassungsfähigkeit. Hier beschreiben wir eine Do-it-yourself-(DIY), kostengünstige, dreidimensionale (3D)-gedruckte Zeitraffer-Bildgebungsplattform, die für den Einsatz in Standard-Zellkulturinkubatoren entwickelt wurde. Das Gerät verwendet einen Raspberry Pi-basierten Controller mit Schrittmotor-Betätigung und einer programmierbaren LED-Hintergrundbeleuchtung, die sowohl Hellfeld- als auch schräge Beleuchtungsmodi ermöglicht. Das System unterstützt automatisierte Multi-Well-Bildgebung, geplante Zeitraffererfassung und Echtzeitvorschau über Open-Source-Python-Software. Leistungsvalidierung zeigte eine zuverlässige Langzeitbildgebung von kultivierten Zellen und frühen Embryonen mit stabilem Betrieb unter Inkubatorbedingungen. Optische Auflösungstests mit einem Ziel der United States Air Force (USAF) aus dem Jahr 1951 bestätigten ein minimales auflösbares Merkmal von etwa 1,55 μm. Die Bewegungsbewertung zeigte geringe Drift und hohe Wiederholbarkeit, wobei die Positionsgenauigkeit genau den befehlten Verdrängungen entsprach. Das System ist mit mehreren Plattenformaten kompatibel und kann für spezialisierte Kultureinrichtungen angepasst werden. Insgesamt bietet diese Plattform eine kosteneffiziente, reproduzierbare und anpassbare Lösung für Langzeitbildgebung von lebenden Zellen und Embryonen im Labor.

Einleitung

Die Bildgebung von lebenden Zellen wird in der biologischen Forschung weit verbreitet eingesetzt, um dynamische zelluläre Prozesse zu untersuchen, darunter Zellproliferation ^1,2, Differenzierung 3, Migration⁴ und insbesondere die frühe embryonale Entwicklung zur Bewertung der Embryoqualität in ^{IVF-Laboren 5,6}. Bestehende Lösungen umfassen hauptsächlich kammerbasierte Mikroskopsysteme⁷ und integrierte Zeitraffer-Inkubatoren⁸. Obwohl diese Plattformen ausgedehnte Zeitrafferaufnahmen unter kontrollierten Umweltbedingungen ermöglichen, bleiben sie teuer und weitgehend geschlossene^Quelle. Diese Einschränkungen verringern die Zugänglichkeit kleinerer Labore und schränken die Flexibilität für maßgeschneiderte experimentelle Arbeitsabläufe oder spezialisierte Forschungsszenarien^{ein. 10,11}.

In den letzten Jahren wurden viele individuell angepasste Bildsysteme eingeführt:^{12, 13, 14}. Merces et al. berichtete ein kostengünstiges Mikroskop, das aus dem mechanischen Gerüst eines 3D-Druckers gebaut und in einem Inkubator⁷ betrieben wurde und einen flexiblen und zugänglichen Ansatz demonstrierte. Badon et al. entwickelte Incabascope¹⁵, ein kompaktes, maßgeschneidertes Mikroskop, das kostengünstig und einfach zu bedienen ist und dabei eine starke Bildverarbeitungsleistung erzielt. Zehrer et al. beschrieben ein Open-Source-automatisiertes Fluoreszenzmikroskop¹⁶, das die Bildgebungsmöglichkeiten durch die Einbindung hochauflösender Fluoreszenzbildgebung weiter verbessert. Weitere inkubatorbasierte Systeme wurden ebenfalls vorgeschlagen. EmSight, entworfen von Kim et al., verwendet Fourier-ptychographische Mikroskopie zur Unterstützung der Multi-Winkel-Beobachtung¹⁷, und Picroscope von Ly et al. ermöglicht longitudinale Bildgebung über mehrere Proben¹⁸. Obwohl diese Systeme unterschiedliche Aspekte der inkubatorbasierten Bildgebung abdecken, ist jedes auf spezifische Anwendungen oder Plattenformate zugeschnitten, was Möglichkeiten für breitere Kompatibilität und größere Bildgebung eröffnet. Einige Designs sind zudem mit höheren Kosten verbunden, während andere nicht vollständig Open Source sind, was Reproduktion und Modifikation erschweren kann.

Hier präsentieren wir ein Inkubator-Bildgebungssystem, das aus 3D-gedruckten Bauteilen, einer maßgeschneiderten Leiterplatte (PCB) und allgemein verfügbaren Standardteilen zusammengesetzt ist. Das System kann mit einem einfachen Verfahren zusammengebaut werden und unterstützt mit austauschbaren Plattenhaltern eine vollständige Abdeckung von 6-, 12-, 24- und 96-Well-Platten. Sie kann auch für spezialisierte Kulturformate angepasst werden, einschließlich 12-Well-Embryo-Kulturschalen. Das System integriert eine programmierbare Hintergrundbeleuchtung, die eine clevere und effiziente Beleuchtungslösung bietet, sowie eine kostengünstige hochauflösende Kamera, die eine starke Bildgebungsleistung gewährleistet. Diese Kombination gewährleistet stabile Beleuchtung und zuverlässige Bildqualität für die Langzeitbildgebung von Live-Zellen.

Protokoll

Die Tumorzelllinien und tierischen Embryonen wurden vom NHC Key Laboratory of Chronobiology (Universität Sichuan) gewonnen und gemäß den vom örtlichen institutionellen Prüfungsausschuss und Ethikkomitee genehmigten Protokollen sowie den relevanten nationalen Vorschriften behandelt. Diese Methode darf weder direkt in der klinischen Praxis angewendet noch für die Kultur menschlicher Embryonen ohne ausreichende experimentelle Validierung eingesetzt werden.

HINWEIS: Die Hardware (PCB-Designdateien und 3D-Modelle/STL-Dateien) wird unter der CERN Open Hardware License Version 2 – Strongly Reciprocal (CERN-OHL-S-2.0) veröffentlicht, und die Software (Controller-Desktop-GUI und Raspberry Pi-Backend) wird unter der MIT-Lizenz veröffentlicht. Alle Designdateien und der Quellcode sind öffentlich über das Projekt-GitHub-Repository verfügbar.

1. 3D Drucken

1. Laden Sie die 3D-Dateien aus der Materialtabelle herunter und drucken sie aus, die im Ergänzungsverzeichnis zip (Supplementary File 1) oder im STL-Verzeichnis des GitHub-Repositoriums (https://github.com/michael513823-sys/OpenLapse) verfügbar sind.
2. Fertigen Sie die meisten Teile mit einem gängigen 3D-Drucker mit einem Arbeitsvolumen von 250 mm × 250 mm × 250 mm, aber das Gehäuse und der mittlere Rahmen (die an ihrer breitesten Stelle bis zu 312 mm erreichen) erfordern einen Drucker mit größerem Format für den Einteildruck.
   1. Wenn die Teile in Abschnitten gedruckt werden müssen, fügen Sie keine Ausrichtungsstifte auf die Schnittflächen hinzu. Es ist außerdem ratsam, alle Bauteile auf demselben 3D-Drucker zu drucken, vorzugsweise auf einem, der eine XYZ-Kalibrierung durchlaufen hat, um Passformtoleranzen zu verringern.
3. Beim Drucken aktivieren Sie die Stützen im Slicer und stellen Sie sie nur auf die Bauplatte ein, um das Verstopfen der Befestigungslöcher zu vermeiden. Verwenden Sie eine Schichthöhe von 0,2 mm und eine Infill von 50 % oder passen Sie sie je nach Erfahrung an.
4. Bauteile mit einem Standard-Desktop- oder kommerziellen 3D-Drucker herzustellen.
   HINWEIS: Die bereitgestellten Designdateien liegen im STL-Format vor und können mit gängig verfügbarer Slicing-Software verarbeitet werden. Polylaktsäure (PLA) wird als Druckmaterial empfohlen, da sie allgemein für den Laboreinsatz geeignet ist; Materialien mit nachweislich niedriger Zytotoxizität werden, wenn zutreffend, bevorzugt. Optionale vorkonfigurierte Slicing-Dateien werden in den Zusatzmaterialien zur Referenz bereitgestellt und können bei Bedarf für verschiedene Drucker angepasst werden.
5. Nach dem Drucken entferne vorsichtig die Stützen und schleife die gestützten Flächen glatt. Für geschnittene Teile verwenden Sie Cyanoacrylat-Klebstoff, um die Schnittflächen zu verbinden, und lassen Sie mindestens 6 Stunden aushärten, bevor Sie mit der nächsten Montage fortfahren.

2. Montage der Z-Achse und des Bildmoduls (Abbildung 1)

Abbildung 1: Montage des Z-Achsen-Fokussiermechanismus und des Bildgebungsmoduls. Schritt-für-Schritt-Illustration des Montageprozesses des Z-Achsen-Fokussiersystems und des Bildgebungsmoduls. (A) Vorbereitung der Z-Achsenhalterung mit eingebetteten Muttern für die Bauteilmontage. (B) Installation von Hilfskomponenten, einschließlich des CSI-Kabelhalters und der Flanschmutter. (C) Montage des optischen Moduls, einschließlich Objektivlinse, Röhrenlinse und Adapter, gefolgt von der Integration in die unterstützende Halterung. (D) Montage des optischen Moduls an der Z-Achsen-Halterung mit Ausrichtung der optischen Achse auf die CMOS-Sensoröffnung. (E) Einbau von Linearlagern in die Z-Achsen-Halterung. (F) Integration der Führungsstange, der Flanschkomponente, der linearen Lager und des Schrittmotors zur Bildung des Bewegungssystems. (G) Kupplung der Z-Achsen-Halterungen über Führungsstangen und Ingriff der Führungsschraube mit der Mutter. (H) Installation des CMOS-Bildgebungsmoduls (Raspberry Pi Camera V2) auf das System. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

1. Bereiten Sie die Standardkomponenten vor, die in der Materialtabelle aufgeführt sind.
   HINWEIS: Die Schrauben sind bereits mit Redundanz ausgestattet, und die übrigen Artikel können bei Bedarf mit einem kleinen Überschuss gekauft werden.
2. Installiere die Befestigungsschrauben (Abbildung 1A). Setzen Sie die M3-Muttern in die Mutterschlitze der Z-Achsenhalterung B ein und schrauben Sie dann die 10–15 mm M3-Schrauben ein. In diesem Stadium sollten die Schrauben nicht vollständig festgezogen werden – das endgültige Anziehen sollte während der Montage erfolgen, um die Installation der Linearlager und optischen Komponenten zu vermeiden.
   HINWEIS: Ähnliche Befestigungsstrukturen treten in mehreren anderen Komponenten auf und werden in den folgenden Anweisungen nicht wiederholt.
3. Stecken Sie CSI-Kabelhalter A in den T-Schlitz der Z-Achsen-Halterung B (Abbildung 1B,E). Setzen Sie die T5-Schraubmutter in die Befestigungsvertiefung und sichern Sie sie dann mit einer M3-Schraube und Mutter.
   HINWEIS: Die meisten T5-Schraubmuttern bestehen aus PTFE und sollten nicht zu stark angezogen werden, um Verformungen zu vermeiden.
4. Installieren Sie die optische Baugruppe (Abbildung 1C). Schrauben Sie das 10×-Objektiv in die internen RMS-Gewinde des RMS-zu-SML-Adapterrings. Setzen Sie das 50-mm-Röhrenobjektiv in den SML05-Röhrenhalter und schrauben Sie dann den Adapterring in die SML05, um das Röhrenobjektiv zu sichern.
5. Wenn das Röhrenobjektiv in diesem Stadium nicht festgehalten werden kann, verwenden Sie zuerst den SMLRR-Sicherungsring zum Befestigen und schrauben Sie dann den RMS-zu-SML-Adapter ein. Zum Schluss schrauben Sie die SML05 an die SML-Halterung , um die optische Baugruppe zu vervollständigen.
6. Installieren Sie die optische Baugruppe in Z-Achsen-Halterung B (Abbildung 1D). Beachten Sie, dass die SML-Klammerung nicht zentralsymmetrisch ist, daher sollten Sie sicherstellen, dass ihre Orientierung korrekt ist, sodass die Linsenöffnung konzentrisch mit der CMOS-Öffnung ist.
7. Ziehe die M3-Schrauben auf beiden Seiten fest, um die optische Baugruppe zu sichern. Anschließend werden die beiden 5-mm-Linearlager in Position gebracht (Abbildung 1E).
8. Installieren Sie Z-Achsen-Halterung A (Abbildung 1F). Setzen Sie die 80-mm-Führungsstange in das untere linke Loch der Z-Achsenhalterung A ein und sichern Sie sie mit einer M3-Schraube und Mutter. Setzen Sie die T5-Schraubenschraube mit Schnittflansch ein und befestigen Sie sie mit einer M2-Selbstanzapfschraube.
9. Setzen Sie die beiden linearen Lager ein und fixieren Sie sie. Positioniere den 50-mm-Schrauben-Schraubenmotor in seinen Befestigungssitz und fixiere ihn mit M2,5-Schrauben.
10. Bauen Sie die fertigen Z-Achsen-Halterungen A und Z-Achsen-Brackets B zusammen (Abbildung 1G).
    1. Zuerst wird die Führungsstange der Z-Achsen-Halterung A in die Linearlager der Z-Achsen-Halterung B eingesetzt. Drehen Sie die Führungsschraube auf Abschnitt A vorsichtig von Hand, sodass sie in die Schraubenmutter in Abschnitt B eingeschraubt wird.
    2. Wenn beim Drehen der Führungsschraube ein spürbarer Widerstand auftritt, lockern Sie die M3-Schrauben, die die linearen Lager an Abschnitt B sichern, leicht; Lockern Sie sie jedoch nicht so sehr, dass die Lager herausfallen könnten.
11. Entferne die Objektiveinheit vom Raspberry Pi V2-Kameramodul, sodass nur der CMOS-Sensor bleibt. Installiere das CMOS und die Platine an der Unterseite der Z-Achsen-Halterung B und sichere sie mit M2-Selbstanzapfschrauben.
12. Verbinden Sie das FPC-Kabel der Kamera mit der Platine des Moduls und führen Sie das Kabel dann vorsichtig durch den Schlitz des CSI-Kabelhalters A , um es zu sichern.

3. Montage der Mittelbild-Bewegungsplattform (Abbildung 2)

Abbildung 2: Montage des mittleren Rahmens und des XY-Bewegungsmechanismus. Schritt-für-Schritt-Illustration des Assemblierungsprozesses des mittleren Frames und des XY-translationalen Bewegungssystems. (A) Installation der X-Achsen-Führungsschienen und der Montagehalterung am zentralen Rahmen. (B) Montage der Y-Achsen-Halterungen an den X-Achsen-Führungsschienen und Integration der Schraubenmutter. (C) Installation des X-Achsen-Schrittmotors und Kupplung mit der Führungsschraube. (D) Integration der Y-Achsen-Führungsschraube, des Motors, der Führungsstange und der Lagerkomponenten zur Vervollständigung des Bewegungssystems. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

1. Installieren Sie die X-Achsen-Linearschienen und die X-Achsen-Halterung (Abbildung 2A). Setzen Sie die beiden X-Achsen-Linearschienen auf den mittleren Rahmen und setzen Sie M3-Schrauben ein, um sie zu sichern.
2. Während der Installation sollten die Wagenblöcke nicht von den Schienen entfernt werden, da sie schwer wieder einzubauen oder beschädigt werden können. Als Nächstes montiert man die X-Achsen-Halterung am mittleren Rahmen und befestigt sie mit M3-Schrauben.
3. Installieren Sie die Y-Achsen-Halterungen (Abbildung 2B). Setzen Sie Y-Achsen-Halterung A und Y-Achsen-Halterung B auf die X-Achsen-Wagenblöcke, richten Sie die Befestigungslöcher aus und sichern Sie sie mit M3-Schrauben.
4. Setzen Sie die T5-Schneiden-Flansch-Schraubenmutter in die Befestigungsvertiefung der Y-Achsenhalterung B ein und befestigen Sie sie mit einer M2-Selbstanzapfschraube.
5. Führen Sie die Führungsschraube des X-Achsen-Schrittmotors durch die zentrale Öffnung der X-Achsenhalterung ein und schrauben Sie die Schraube etwa 20 mm in die eingebaute T5-Cut-Flansch-Schraubmutter ein. Montiere den Motor mit M2,5-Schrauben auf der X-Achsen-Halterung (Abbildung 2C). Überprüfen Sie, ob sich die Vorspannschraube gleichmäßig dreht.
6. Wenn übermäßiger Widerstand spürbar ist, lockern Sie leicht die selbstanzapfende Schraube, die die T5-Schraubmutter und die Befestigungsschrauben der X-Achsenhalterung befestigt, und bringen Sie dann Klebstoff auf, um die Mutter zu fixieren, sobald die Ausrichtung korrekt ist.
7. Installieren Sie die Z-Achse und die Bildbaugruppe auf den Y-Achsen-Halterungen (Abbildung 2D). Setzen Sie das 5-mm-Kugellager in den Lagersitz der Y-Achsen-Halterung A und sichern Sie es mit einer M3-Schraube.
8. Führen Sie die Führungsschraube des Y-Achsen-Schrittmotors durch die Schraubmutter an der Z-Achsenhalterung A der Bildbaugruppe und führen Sie sie dann durch die innere Bohrung des Lagers.
9. Führen Sie die 5-mm-Führungsstange durch die linearen Lager der Z-Achsen-Halterung A, verbinden Sie die beiden Y-Achsen-Halterungen und sichern Sie beide Seiten mit M3-Schrauben. Drehen Sie die Y-Achsen-Führungsschraube, um zu prüfen, ob die Bewegung glatt ist.

4. Montage der Hintergrundbeleuchtung und des Gehäuses (Abbildung 3)

Abbildung 3: Montage des Gehäuses und des Hintergrundbeleuchtungsmoduls. Schritt-für-Schritt-Illustration des Montageprozesses des Gehäuses und des integrierten Hintergrundbeleuchtungssystems. (A) Verlegung der Motorkabel unter dem mittleren Rahmen und Verbindung zur Treiberplatine. (B) Installation der Steuerkomponenten, einschließlich Raspberry Pi Zero und Treiberplatine, in das untere Gehäuse. (C) Integration von Strom- und Hintergrundbeleuchtungsanschlüssen mit externen Steckern. (D) Platzierung und Ausrichtung des zentralen Rahmens auf das untere Gehäuse mit abgeschlossenen elektrischen Verbindungen. (E) Installation der transparenten Platte und Montage der oberen und unteren Gehäuse. (F) Abdichtung des Geheges zur Verbesserung der Umweltisolation. (G) Platzierung des Bohrlochplattenhalters am Beobachtungsfenster. (H) Montage des Hintergrundbeleuchtungsmoduls und Integration in das Gehäuse. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

1. Führen Sie die Kabel wie in Abbildung 3A dargestellt. Führen Sie die X- und Y-Achsen-Schrittmotorkabel nach unten durch die vorderen Kabelöffnungen des mittleren Rahmens, während das Z-Achsen-Motorkabel durch die hintere Kabelöffnung nach unten geführt werden sollte.
2. Bewegen Sie jeden Motor an die Position am weitesten von seiner jeweiligen Öffnung, um die maximal erforderliche Kabellänge zu bestimmen. Nachdem Sie bestätigt haben, dass die Kabellängen angemessen sind, sichern Sie die Kabel mit Heißschmelzkleber.
3. Installiere den zusammengebauten Raspberry Pi Zero 2 W und die Controller-Platine auf die Halterung des Mainboards und befestige sie mit M3-Schrauben und Muttern. Setzen Sie die Mainboard-Halterung in den entsprechenden Schlitz des Enclosure Lower ein (Abbildung 3B).
4. Verbinden Sie die Hintergrundbeleuchtung und die Stromkabel (Abbildung 3C). Schneide das XH-3-polige Kabel durch und stecke das XH-Ende in den Hintergrundbeleuchtungsstecker auf der Controllerplatine; Verbinden Sie das freie Ende mit der weiblichen Seite eines 3-poligen Luftfahrtsteckers und montieren Sie ihn am Gehäuse, verbinden Sie dann das andere freie Ende mit dem männlichen 3-poligen Luftfahrtstecker und stecken Sie dessen XH-Ende in die Buchse der Beleuchtungsleiterplatte.
5. Führen Sie die Stromleitungen vom Stromanschluss auf der Steuerplatine zur weiblichen Seite eines 2-poligen Luftfahrtsteckers, entsprechend der vom Siebdruck auf der Steuerplatine angegebenen Polarität, und verwenden Sie ein 12-V-DC-Netzteil, das mindestens 5 A stabilen Strom liefern kann.
6. Verbinden Sie die Schrittmotorkabel mit den entsprechenden Anschlüssen auf der Controllerplatine. Nachdem sichergestellt ist, dass alle Verbindungen sicher sind, setzen Sie den mittleren Rahmen auf das Gehäuseunterteil und richten Sie ihn mit den M3-Befestigungslöchern aus (Abbildung 3D).
7. Schneiden Sie das 2-mm-Hochtransmissions-Acrylblatt auf 116 × 194 mm und kleben Sie es mit Silikonkautschuk an das Sichtfenster des Gehäuseoberteils (Abbildung 3E). Beachten Sie, dass eine Glasplatte eine bessere Bildqualität bieten kann, aber schwerer zu schneiden ist. Installiere das Oberteil des Gehäuses am mittleren Rahmen und trage Silikongummi entlang der Nähte auf, falls eine verbesserte Abdichtung erforderlich ist (Abbildung 3F). Bei Verwendung von Zellkulturplatten wird der allgemeine Bohrlochplattenhalter über das Betrachtungsfenster gelegt (Abbildung 3G).
8. Bauen Sie das Backlight-Array zusammen (Abbildung 3H). Setzen Sie das Beleuchtungsfeld in die 3D-gedruckte Lichtschale A ein, setzen Sie die 1 mm Acryl- oder Glasdiffusorplatte ein, decken Sie sie dann mit Lichtschale B ab und sichern Sie die Baugruppe mit M2-Selbstanzapfschrauben.

5. Elektronik und Verkabelung (Abbildung 4)

Abbildung 4: Hauptkomponenten der Elektronik und Systemintegration. Überblick über die wichtigsten elektronischen Komponenten im System und deren zusammengebaute Konfiguration. Die obere Reihe zeigt einzelne Komponenten, darunter den Raspberry Pi Zero 2 W, TMC2209 Treibermodule, Controller-Platine, Raspberry Pi Camera V2 und Beleuchtungs-Array-Board. Die untere Reihe zeigt die zusammengebaute Steuer- und Treiberschaltung, in der der Raspberry Pi in die Steuerungsplatine und Motortreiber integriert ist, sowie das Hintergrundbeleuchtungs-LED-Array, das für Mehrfachplattenbeleuchtung konfiguriert ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

HINWEIS: Abbildung 4 zeigt die wichtigsten elektronischen Bauteile, die in diesem Projekt verwendet wurden, während die übrigen Elemente in der Materialtabelle zu finden sind. Die Steuerplatine und das Beleuchtungsarray-Board werden nicht in Massen produziert; ihre PCB-Designdateien sind öffentlich im GitHub-Repository oder in ergänzenden Dateien (Supplementary File 1) unter dem Verzeichnis "PCB" verfügbar. Dieses Repository enthält die Schaltpläne, Gerber-Fertigungsdateien und die Bauliste (BOM). Nutzer können diese Dateien herunterladen und bei einem PCB-Hersteller zur individuellen Herstellung einreichen. Die Bauteile können manuell gelötet werden, oder SMT-Montagedienste können direkt genutzt werden, um vollständig montierte Platinen zu erhalten.

1. Beim Kauf des Raspberry Pi Zero 2 W sollten Sie unbedingt die Version ohne vorgelötete Header wählen, da die kurze Seite des 2×20-Pin-männlichen Headers von unten an den Pi Zero Pads eingesetzt und verlötet werden muss – eine unkonventionelle Ausrichtung.
2. Nach dem Löten stecke die Platine in die Controller-Platine. Dann installieren Sie das TMC2209 Driver Module in die drei Motortreiber-Buchsen.
3. Führen Sie vor dem Zusammenbau der restlichen Teile einen Funktionstest durch. Dazu muss das Kameramodul mit dem Raspberry Pi Zero über das CSI-FFC-Kabel angeschlossen werden (das Kabel darf nur eingesteckt oder entfernt werden, wenn das System ausgeschaltet wird). Dann schließen Sie jeden Schrittmotor an die 4-poligen Stecker neben den TMC2209 Treibermodulen an.

6. Softwareinstallation und -konfiguration (Abbildung 5)

Abbildung 5: Benutzeroberfläche der Steuersoftware. Überblick über die grafische Benutzeroberfläche, die für Systemsteuerung, Bildaufnahme und automatisiertes Well-Plate-Scannen verwendet wird. (A) Vorschau-Schnittstelle, die Echtzeit-Bildaufnahme mit Steuerung für Beleuchtungseinstellungen, Bildaufnahme und manuelle Bühnenbewegung darstellt. (B) Erfassungs-Task-Schnittstelle, die das Multi-Well-Plattenlayout für das automatisierte Scannen zeigt, einschließlich Bohrlochauswahl, Erfassungsparameter und Aufgabenausführungskontrollen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

1. Systemeinrichtung: Raspberry Pi OS mit Raspberry Pi Imager installieren. Wählen Sie den Raspberry Pi Zero 2 W als Zielgerät und wählen Sie ein 32-Bit-System ohne Desktop-Umgebung, um den Leistungsaufwand zu reduzieren. Verwenden Sie eine microSD-Karte (mindestens 8 GB; 32 GB oder größer empfohlen).
2. Netzwerkkonfiguration: In den Imager-Einstellungen aktivieren Sie SSH, legen Sie Benutzername und Passwort ein und konfigurieren Sie die WLAN-Verbindung. Nach dem Flashen stecke ich die microSD-Karte in den Raspberry Pi und schalte ihn ein.
3. Installation und Konfiguration der Raspberry Pi-seitige Software: Folgen Sie den Anweisungen im Raspi-Verzeichnis des GitHub-Repositoris, um das Projekt zu klonen und die eingebettete Software auf dem Raspberry Pi zu installieren. Führen Sie die erforderlichen Konfigurationsschritte wie beschrieben durch, einschließlich Installation von Abhängigkeiten und Systemeinrichtung.
4. PC-seitige Softwareinstallation und Konfiguration: Installieren und konfigurieren Sie die Steuersoftware auf einem PC oder Mac, indem Sie den Anweisungen im Controller-Verzeichnis desselben Repositorys folgen. Stellen Sie sicher, dass alle erforderlichen Abhängigkeiten installiert sind und die Softwareumgebung korrekt konfiguriert ist.
5. Verbindung und Verifizierung: Starte die Controller-GUI auf einem PC oder Mac. Nutze die automatische Suchfunktion , um den Raspberry Pi zu finden und eine Verbindung herzustellen. Überprüfen Sie die erfolgreiche Kommunikation, indem Sie die Stufenbewegung testen und die Echtzeit-Kameravorführung überprüfen.
6. Betrieb: Konfigurieren Sie die Erfassungsparameter in der Steuerungssoftware, einschließlich Plattentyp, ausgewählter Bohrungen, Aufnahmeintervall und Aufgabenname. Das System unterstützt bis zu 96 Brunnen und setzt automatisch Mindestintervallvorgaben durch.
7. Zusätzliche Ressourcen: Weitere detaillierte Anleitungen, Konfigurationsdateien und Fehlerbehebungsanleitungen sind im GitHub-Repository verfügbar.

Ergebnisse

Auflösungstests
Um die optische Auflösung des Bildgebungsmoduls zu bewerten, wurde ein USAF 1951-Auflösungsziel unter Hellfeldbeleuchtung mit einem 10×-Objektiv fotografiert. Rohbilder wurden mit 3840 × 2160 Pixeln aufgenommen. Wie in Abbildung 6A gezeigt, wurden die Linienpaarmuster im vergrößerten zentralen Bereich eindeutig aufgelöst. Basierend auf der visuellen Inspektion wurde das kleinste auflösbare Merkmal als Gruppe 8, Element 3 d...

Diskussion

Diese DIY-Plattform (Abbildung 10) integriert ein kompaktes optisches Layout, programmierbare Beleuchtung und Open-Source-Steuerungssoftware, um eine barrierefreie Lösung für Langzeitbildgebung in Standardinkubatoren bereitzustellen. Im Vergleich zu kommerziellen Zeitraffer-Inkubatoren und integrierten Bildgebungssystemen ^7,8 reduziert diese 3D-gedruckte Plattform die Kosten erheblich, während gleich...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
10&Times; LWD Infinity-Ziel	Standardteil	https://item.taobao.com/item.htm?id=750667327346	Unendlich-korrigiertes Langstrecken-Ziel, 10&-fach;
2 & Times; 20-Kegel-Männchen-Header	Standardteil	–	GPIO-Header mit 2,54 mm Pitch; Menge: 1
5-mm-Kugellager	Standardteil	–	φ 5 & Times; 10 & Times; 5 mm Kugellager; Menge: 1
Luftfahrt-Verbinder	Standardteil	–	2-polige und 3-polige Luftfahrtstecker; Menge: 2
Kameramodul (IMX219)	Raspberry Pi	IMX219	Raspberry Pi Kamera V2; Menge: 1
CSI-Kabelhalter A	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedruckte Komponente: 3D-Druck - csi_cable_holder_A.STL
CSI-Kabelhalter B	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedruckte Komponente: 3D-Druck – csi_cable_holder_B.STL
Diffuse Acrylplatten	Standardteil	–	72 & Times; 107 mm, 1 mm dick; Menge: 1
Untere Umfassung	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedruckte Komponente: 3D-Druck – enclosure_lower. STL
Oberes Gehege	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedruckte Komponente: 3D-Druck – enclosure_upper. STL
Allgemeiner Brunnenplattenhalter	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedruckte Komponente: 3D-Druck – general_well-plate_holder. STL
Hochdurchlässige Acrylplatten	Standardteil	–	116 & Times; 194 mm, 2 mm dick; Menge: 1
Leichte Hülle A	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedrucktes Bauteil: 3D-Druck - light_shell_A.STL
Leichte Granate B	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedruckte Komponente: 3D-Druck - light_shell_B.STL
Linearlager LM5UU	Standardteil	LM5UU	φ 5 & Times; 10 & Times; 15 mm Linearlager; Menge: 4
M2 Versenkte Selbstanzapfende Schraube	Standardteil	–	M2 & Times; 8 mm; Menge: 4
M2 Selbstanklopfende Knopfkopfschraube	Standardteil	–	M2 & Times; 10 mm; Menge: 8
M2,5 Sechskant-Stecknussschraube (10 mm)	Standardteil	–	M2.5 & Times; 10 mm; Menge: 12
M2,5 Sechskant-Stecknussschraube (8 mm)	Standardteil	–	M2.5 & Times; 8 mm; Menge: 12
M3-Knopfkopfschraube	Standardteil	–	M3 & Times; 20 mm; Menge: 4
M3 Knopfkopf-Schraube + M3 Muttersatz (10 mm)	Standardteil	–	M3 & Times; 10 mm Schraube + M3-Mutter; Menge: 20 Mengen
M3 Knopfkopfschraube + M3 Muttersatz (12 mm)	Standardteil	–	M3 & Times; 12 mm Schraube + M3-Mutter; Menge: 20 Mengen
M3 Knopfkopfschraube + M3 Sattelsatz (15 mm)	Standardteil	–	M3 & Times; 15 mm Schraube + M3-Mutter; Menge: 20 Mengen
Mainboard-Halterung	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedrucktes Bauteil: 3D-Druck – mainboard_bracket. STL
microSD-Karte	Standardteil	–	mindestens 8 GB; 32 GB oder mehr empfohlen)
Mittlerer Rahmen	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedrucktes Bauteil: 3D-Druck – middle_frame. STL
OpenLapse-Controller-Board	Gepflogenheit	Gepflogenheit	PCB-Dateien verfügbar in Supplemental Files
OpenLapse Beleuchtungsarray-Board	Gepflogenheit	Gepflogenheit	PCB-Dateien verfügbar in Supplemental Files
Raspberry Pi Kamera FPC-Kabel	Standardteil	https://item.taobao.com/item.htm?id=774536454547	22-poliges bis 15-poliges, 40 mm CSI-Kabel
Raspberry Pi Zero 2 W	Raspberry Pi	–	Hauptsteuerungscomputer; Menge: 1
RMS-zu-SML-Adapterring	Standardteil	https://item.taobao.com/item.htm?id=711654577589	RMS-zu-SML-Umwandlungsring
SML-Bracket	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedruckte Komponente: 3D-Druck – SML_bracket. STL
SML05-Röhrenhalter	Standardteil	SML05 (https://detail.tmall.com/item.htm?id=613460973426)	Optischer Halter
SMLRR-Sicherungsring	Standardteil	SMLRR (https://detail.tmall.com/item.htm?id=613460973426)	Sicherungsring
T5 Cut-Flang-Schraubmutter (2 mm Steigzahl)	Standardteil	–	T5 & Times; 2 mm Breite Schraubmutter; Menge: 2
T5-Schraubmutter (2 mm Steigung)	Standardteil	–	T5 & Times; 2 mm Breite Schraubmutter; Menge: 1
TMC2209 Treibermodul	MKS	TMC2209 (https://item.taobao.com/item.htm?id=782341270726)	Schrittmotorantrieb
Röhrenlinse	Standardteil	https://item.taobao.com/item.htm?id=590466758183	φ 25,4 mm, Brennweite 50 mm
X-Achsen-Bracket	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedruckte Komponente: 3D-Druck – x-axis_bracket. STL
X-Achsen-Schrauben-Schrittmotor	Standardteil	https://item.taobao.com/item.htm?id=922508067421	28er-Motor mit T5 & Times; 200 mm Stiftschraube, 2 mm Steigung
X-Achsen-Linearschienen mit Wagen	Standardteil	https://item.taobao.com/item.htm?id=837345295063	MGW9-200 mm Schiene mit MGW9H-Wagen
XH 2,54 mm 3-poliges Kabel	Standardteil	–	Männlich-zu-männliches Steckkabel, 400 mm; Menge: 1
Y-Achsen-Klammer A	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedruckte Komponente: 3D-Druck - y-axis_bracket_A.STL
Y-Achsen-Klammer B	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedrucktes Bauteil: 3D-Druck - y-axis_bracket_B.STL
Y-Achsen-Führungsstange	Standardteil	–	φ 5 & Times; 170-mm-Präzisionsschaft; Menge: 1
Y-Achsen-Schrauben-Schrittmotor	Standardteil	https://item.taobao.com/item.htm?id=788375595753	28er-Motor mit T5 & Times; 150 mm Stiftschraube, 2 mm Steigung
Z-Achsen-Bracket A	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedruckte Komponente: 3D-Druck - z-axis_bracket_A.STL
Z-Achsen-Klammer B	Gepflogenheit	Gepflogenheit	3D-gedruckte Komponente: 3D-Druck - z-axis_bracket_B.STL
Z-Achsen-Leitstange	Standardteil	–	φ 5 & Times; 80-mm-Präzisionsschaft; Menge: 1
Z-Achsen-Schrauben-Trittmotor	Standardteil	https://item.taobao.com/item.htm?id=922508067421	28er-Motor mit T5 & Times; 50 mm Vorführschraube, 2 mm Steigung