Microscopio OpenFlexure. Una herramienta profesional para el laboratorio de ciencias del "cole"

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Introducción

Tener un microscopio de alta calidad suele tener un coste bastante elevado, los centros educativos normalmente no pueden invertir en este tipo de recursos para un laboratorio de ciencias o de tecnología.

Parece que la situación va cambiando, gracias a la impresión 3D y la tendencia de DIY (Do IT Yourself), que se viene a traducir como “Hazlo Tú Mismo”. La nueva cultura de colaborar y compartir -proceso que debemos y necesitamos trabajar en la educación-, se está consolidando. Creemos que debería ser adquirida por el alumnado desde su propia experiencia y aprendizajes.

Fabriquemos nuestro propio “microscopio para todo el mundo: OpenFlexure”

Del artículo “Robotic microscopy for everyone: the OpenFlexure microscope”, recogido en la revista “Biomedical Optics Express” nº 2447, podemos concluir, que a día de hoy tenemos la posibilidad de construirnos un microscopio óptico de altas prestaciones por un precio módico.

La calidad de dicho microscopio -el OpenFlexure (OFM)- da la posibilidad a laboratorios de toda índole, de tener una herramienta que permita detectar enfermedades en clínicas, análisis científicos, prácticas de alta calidad y rendimiento, en el caso de la educación. Era materialmente imposible con anterioridad sin una gran inversión, por ello en países en vías de desarrollo y en entornos con poco presupuesto, es una muy buena alternativa. No sólo reduce el costo inicial, si no que abarata los costes de mantenimiento.

El OFM ,para uso en laboratorios, se presenta como un producto derivado de la filosofía de código abierto, uso de la tecnología de impresión 3D, totalmente automatizado, capacidad de posicionamiento motorizado y control de autoenfoque. Durante su montaje podemos personalizarlo con muchas opciones extras (luz trans y epi, imágenes de contraste de polarización y Epi-fluorescencia de imágenes, entre otros).

Sus fortalezas se basan en la construcción de forma local, el mantenimiento por personal no especializado y del mismo centro, así como la accesibilidad al producto a una amplia comunidad de potenciales usuarios: pequeños laboratorios clínicos, centros de investigación y entornos educativos.

Como ejemplo de su capacidad de expansión, son los más de 100 OFM que se han puesto en funcionamiento en Tanzania y Kenia. Su finalidad es variada, desde fines educativos, científicos o clínicos. Esto ha sido posible a que los materiales de fabricación y montaje son accesibles y con un costo limitado.

Características técnicas

El OFM, es un microscopio automatizado impreso en 3D de calidad de laboratorio. El objetivo de OFM es hacer que la microscopía automatizada sea accesible tanto para proyectos con un presupuesto modesto en laboratorios establecidos, como para países en desarrollo con el objetivo de adoptar tecnologías de investigación científica más avanzadas, aunque su uso se puede ampliar a la analítica clínica y formación de estudiantes en laboratorios escolares. A diferencia de otros microscopios de código abierto de bajo coste, el OFM tiene un fuerte orientación para proporcionar un movimiento 3D preciso para el enfoque y el posicionamiento de la muestra, construido alrededor de un mecanismo de flexión bien diseñado. Este mecanismo proporciona un posicionamiento de 3 ejes con tamaños de paso tan bajos como 50 nm en el eje 𝑧 y 70 nm en 𝑥 e 𝑦 . El rango de movimiento mecánico es más pequeño que los modelos mecánicos tradicionales, con 12 × 12 × 4 mm de recorrido, y debido a la construcción principalmente de plástico, el diseño tiene una capacidad de carga limitada que no es adecuado para muestras muy grandes o pesadas. Sin embargo, tanto el rango de movimiento como la capacidad de carga son amplios para la mayoría de las aplicaciones de microscopía (y más en pequeños centros). El microscopio es compacto, cabe en un volumen de 15 cm × 15 cm × 20 cm y es liviano, sobre unos 500 g, en su modelo de gama más alta y con la configuración totalmente automatizada. El microscopio está diseñado para ser altamente modular, y aunque el mecanismo de posicionamiento es estándar en todas las configuraciones, la iluminación, la óptica y la imagen pueden personalizarse por completo. Una gama de módulos ópticos intercambiables incluidos permiten diferentes modalidades de imagen, que permiten utilizar diferentes cámaras y lentes de imagen para aplicaciones desde análisis epidemiológicos (muy actual el tema) hasta enseñanza escolar.

Tras varias mejoras, pruebas y “feedbacks” por parte de los usuarios se ha ido depurando el diseño y usabilidad. La versión 6.0 del OFM representa una plataforma de microscopía bien probada, que permite la creación rápida de prototipos de nuevos instrumentos y la replicación de herramientas de investigación de alta calidad, incluso en entornos de escasos recursos, así como unas prácticas educativas de altas prestaciones y efectivas.

Descripción general del diseño del OFM. Conformado por un módulo óptico, una carcasa con la parte electrónica desmontable, junto a los controladores de motor y una Raspberry Pi, para la automatización.

Capacidad de imagen

El OFM utiliza un módulo de óptica intercambiable para cambiar fácilmente entre los modos de imagen. La mayoría de los módulos ópticos usan objetivos RMS estándar para producir imágenes de alta calidad que se esperan de un microscopio de laboratorio, y hay una opción disponible para usar una lente de cámara web invertida, espacialmente compensada para proporcionar un aumento a bajo coste para uso educativo. Los costos estimados de piezas para varias configuraciones del microscopio se proporcionan en el Apéndice continuo.

Se emplea un sensor CMOS de 8MP (cámara Raspberry Pi V2) para proporcionar capacidades de imágenes digitales. La lente frontal de la cámara se desenrosca y se quita fácilmente, lo que permite que el módulo óptico funcione correctamente sin dejar de proporcionar imágenes de alta calidad.

Mediante el uso de un sensor bien conocido y ampliamente disponible (Sony IMX219), el OFM es capaz de darnos una calidad de imagen contrastada a un coste mínimo. Además, un sensor de imagen permanente y de bajo precio hace que los experimentos automatizados de larga duración sean significativamente más prácticos. Una característica radiométrica integral del sensor IMX219 ha mejorado la captura, la lectura y el ruido de patrón fijo del sensor, su respuesta espectral y su estabilidad, lo que demuestra la idoneidad de la cámara Raspberry Pi para la obtención de imágenes científicas.

Esquemas de sección transversal de las configuraciones de iluminación trans- ( a. ) Y epi- ( b. ). El LED1 proporciona iluminación de transmisión.

A continuación, mostramos un conjunto de capturas en esta ilustración. Han sido obtenidas con un objetivo RMS (100 × 1,25 NA inmersión en aceite, ó 40 ×, 0,65 NA en seco), una lente de tubo 𝑓= 50 mm (ThorLabs AC127-050-A) y un sensor CMOS de 8MP (Cámara Raspberry Pi V2).

Listado de modos de imagen permitidos:

Transiluminación de campo brillante
Epi-iluminación de campo brillante
Imágenes de contraste de polarización
Imágenes de fluorescencia

Características a nivel de automatización de imagen:

Tiene capacidad de enfoque automático, gracias a que el software del OFM incluye dos algoritmos de enfoque automático basados en imágenes, capaces de enfocar automáticamente una muestra delgada y plana. El primero de estos algoritmos, utiliza un filtro laplaciano, comúnmente utilizado para la detección de bordes. El segundo se basa en una métrica de nitidez.

Otra ventaja del OFM es el uso de escaneos de mosaico. Una de las muchas ventajas de la microscopía digital sobre la microscopía tradicional es la capacidad de obtener automáticamente grandes cantidades de datos tanto en espacio como en tiempo. Esto se demuestra claramente mediante el escaneo en mosaico y las imágenes de lapso de tiempo.

Software y usabilidad

El software se divide en un servidor, que se ejecuta en el microscopio mismo y en aplicaciones cliente que se comunican con el microscopio a través de una red. Esto permite el control local del microscopio a través de Raspberry Pi, así como el control remoto a través de una red estándar de Protocolo de Internet. El software del servidor se monta como una imagen de tarjeta SD para un microordenador Raspberry Pi. Como todo software de código abierto es flexible, abierto y ampliable.

La aplicación principal de cliente, OpenFlexure eV, es una aplicación gráfica multiplataforma que expone la funcionalidad básica, incluida una transmisión en vivo de la cámara del microscopio, y presenta interfaces de usuario para complementos de microscopio más complejos (escaneo de mosaicos, enfoque automático, calibración de sombreado de lentes, y más)

Fabricación distribuida y sostenibilidad

Un objetivo clave del proyecto OpenFlexure es permitir el ensamblaje local. Se ha demostrado la producción local de microscopios para aplicaciones educativas, científicas y clínicas, de forma contrastada, en todo el mundo. El código abierto de los diseños se han replicado en espacios para fabricantes y laboratorios académicos en numerosos países, como en los casos de Perú, Alemania, Ghana, Estados Unidos y el Reino Unido.

El OFM ha sido diseñado para imprimirse en 3D de forma óptima y accesible a gran cantidad de usuarios e impresoras. Esto hace que el diseño sea más fácil y rápido de imprimir, y evita el riesgo de dañar las piezas impresas al tiempo que elimina necesidad de soporte especializado.

Las piezas no impresas se han seleccionado cuidadosamente para no encarecer el precio final, no mermar el rendimiento y tener una facilidad de abastecimiento. El microscopio se tarda en montar de 1 a 2 horas, para un constructor experimentado. Por lo general, se tardaría el doble si no se tiene experiencia previa en montaje de maquinaria. Los soportes para lentes de ajuste a presión, aseguran que las lentes estén centradas en sí mismas y hacen posible que un solo tubo se extienda desde el objetivo hasta el sensor de la cámara. Este tubo sellado evita la entrada del polvo y los hongos.

En última instancia, la sostenibilidad a largo plazo de un proyecto como este depende de la formación de una comunidad, que ahora está activa en los repositorios del proyecto en GitLab.com.

Costes estimados de producción

Los costos de hardware común se obtuvieron de minoristas del Reino Unido, con precios en Libras Esterlinas (GBP). Para los resúmenes de costes que figuran a continuación, estos se han convertido a Euros, la base de conversión utilizada ha sido de de 1,15 € por GBP.

Ver tabla de precios de elementos de fijación (al final del artículo).

Estas estimaciones no incluyen el tiempo de montaje, que generalmente es de 3-4 horas para un persona sin experiencia o de 1-2 horas para un persona más experimentada, por microscopio. Del mismo modo, se excluyen los gastos generados de la adquisición de una impresoras 3D.

Versión de bajo precio

Sin motores, cámara web barata como sensor y óptica, sin microordenador.

• PLA: ≈ 5 €

• Cámara web de bajo costo: ≈ 5 €

• Hardware común: en lotes ≈ 5 €, ≈ 26 € de forma individual

Versión básica

Sin motores, microordenador Raspberry Pi y cámara Raspberry Pi como sensor y óptica.

• PLA: ≈ 5 €

• Microordenador Raspberry Pi: ≈ 38 €

• Cámara Raspberry Pi rev 2.1: ≈ 25 €

• Hardware común: en lotes ≈ 5 €, ≈ 26 € de forma individual

Versión motorizada de alta resolución.

Motorizado, microordenador Raspberry Pi, cámara Raspberry Pi como sensor, objetivo RMS y lente de tubo.

• PLA: ≈ 5 €

• Microordenador Raspberry Pi: ≈ 38 €

• Cámara Raspberry Pi rev 2.1: ≈ 25 €

• Hardware común: en lotes ≈ 5 €, ≈ 26 € de forma individual

• 3 × 28BYJ-48 micro motores por pasos: ≈ 5 €

• Lente de tubo acromático: ≈ 60 €

• Objetivo del microscopio RMS: ≈ 55 €

• Placa del motor: varía según el modelo y configuración personalizada. En este caso se ha usado una con un precio de aproximado de unos 60 €

Conclusiones

Queda demostrado que el diseño del OFM proporciona una plataforma viable para la obtención de imágenes de microscopía con calidad de laboratorios de investigación, aplicable a entornos educativos, clínicos y científicos. Todo ello se debe tanto a la compatibilidad con componentes ópticos de alta calidad como a la mecánica profesional. El diseño nos da un manejo mecánico preciso de las muestras, en un dispositivo liviano y compacto, con un montaje comparativamente asequible. Además, se ha desarrollado una gran capacidad de generar diferentes configuraciones, en función de las necesidades de laboratorio.

Para acabar, podemos recalcar, que a nivel educativo se abren unas posibilidades que hace unos años atrás ni imaginábamos. Permitiendo tener unas herramientas profesionales para la formación y pequeñas investigaciones de nuestro alumnado. La planificación de las metodologías y programación de los trabajos prácticos en laboratorio pueden pegar un gran vuelco, en su enfoque. Se potencian los procesos de enseñanza más prácticos y basados en el autoaprendizaje dirigido por los docentes, entre otras (abiertas a la imaginación y capacidad de aprovechar los nuevos recursos disponibles). En una sociedad del conocimiento, donde la información se comparte y se trabaja colaborativamente, aparecen nuevas herramientas, nacidas precisamente de su modo de preceder.

Anexo. Tabla de precios de elementos de fijación

Total a precio en lotes (utilizando precios unitarios) 3,80 GBP. Total global (utilizando precios de paquete) 19.20 GBP.

Nombre	Cantidad	Proveedor	Código	Tamaño del paquete	Precio unitario	Precio del paquete
Tornillos de cabeza hexagonal M3x25mm	3	Westfield Fasteners	WF10920	30	0,104 GBP	3.12 GBP
Tuerca de latón M3	44	Westfield Fasteners	WF20152	50	0,049 GBP	2,45 GBP
Arandela de acero inoxidable M3	8	Westfield Fasteners	WF10888	200	0,009 GBP	1,8 GBP
Tornillo de cabeza hueca M3x8mm	14	Westfield Fasteners	WF2344	80	0,035 GBP	2,8 GBP
Tornillos de cabeza hueca M2x6mm	44	Westfield Fasteners	WF14259	30	0,11 GBP	3,3 GBP
30 × 230×2mm juntas tóricas de goma Viton	3	Simply Bearings		5 5	0,56 GBP	2,8 GBP
Electrónica común
LED blanco de 5 mm	1	Farnell	2419079	1	0.23 GBP	0.23 GBP
Resistencia de 60 ohmios	1	Farnell	2401722	10	0,0298 GBP	0.298 GBP
Versión motorizada
Tornillos de cabeza de botón M4x6mm	66	Westfield Fasteners	WF2233	40	0,06 GBP	2,4 GBP