Stolní CT a 3D skener s Arduinem: 12 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Jon Bumstead Sledovat více od autora:

O: Projekty ve světle, hudbě a elektronice. Najít je všechny na mých stránkách: www.jbumstead.com Více o jbumstead »

Počítačová tomografie (CT) nebo počítačová axiální tomografie (CAT) je nejčastěji spojována se zobrazováním těla, protože umožňuje lékařům vidět anatomickou strukturu uvnitř pacienta, aniž by museli provádět jakýkoli chirurgický zákrok. K zobrazení uvnitř lidského těla vyžaduje CT skener rentgenové záření, protože záření musí být schopno proniknout tělem. Pokud je předmět poloprůhledný, je skutečně možné provádět CT skenování pomocí viditelného světla! Tato technika se nazývá optické CT, což je něco jiného než populárnější optická zobrazovací technika známá jako optická koherentní tomografie.

K získání 3D skenů poloprůhledných objektů jsem zkonstruoval optický CT skener pomocí Arduino Nano a Nikon dSLR. V polovině projektu jsem si uvědomil, že fotogrammetrie, další 3D skenovací technika, vyžaduje hodně stejného hardwaru jako optický CT skener. V tomto návodu se budu věnovat systému, který jsem zkonstruoval a který je schopen CT skenování a fotogrammetrie. Po získání obrázků mám kroky k použití PhotoScan nebo Matlab pro výpočet 3D rekonstrukcí.

Pro úplnou třídu 3D skenování se můžete podívat na třídu instructables zde.

Nedávno jsem se dozvěděl o tom, že Ben Krasnow postavil rentgenový CT přístroj s Arduinem. Impozantní!

Po zveřejnění Michalis Orfanakis sdílel svůj podomácku vyrobený optický CT skener, za který získal 1. cenu v kategorii Science on Stage Europe 2017! Přečtěte si níže uvedené komentáře a získejte úplnou dokumentaci k jeho sestavení.

Zdroje k optickému CT:

Historie a principy optické počítačové tomografie pro skenování 3-D radiačních dozimetrů od S J Dorana a N Krstajiho

Trojrozměrná rekonstrukce obrazu pro optický počítačový tomograf na bázi CCD kamery Hannah Mary Thomas T, studentská členka, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Zaostřovací optika zařízení s CCD optickou tomografií s paralelním paprskem pro geologickou dozimetrii 3D záření Nikola Krstaji´c a Simon J Doran

Krok 1: Počítačová tomografie a fotogrammetrie pozadí

CT skenování vyžaduje zdroj záření (např. Rentgenové záření nebo světlo) na jedné straně předmětu a detektory na druhé straně. Množství záření, které se dostane do detektoru, závisí na tom, jak je objekt v konkrétním místě absorbující. Jediný snímek získaný pouze tímto nastavením vytváří rentgen. Rentgenový paprsek je jako stín a všechny 3D informace jsou promítány do jednoho 2D obrazu. K provádění 3D rekonstrukcí získává CT skener rentgenové snímky z mnoha úhlů otáčením objektu nebo pole zdroj-detektor.

Snímky shromážděné CT skenerem se nazývají sinogramy a zobrazují absorpci rentgenových paprsků přes jeden plátek těla vs. úhel. Pomocí těchto dat lze získat průřez objektu pomocí matematické operace nazývané inverzní radonová transformace. Chcete -li získat úplné informace o tom, jak tato operace funguje, podívejte se na toto video.

Stejný princip platí pro optický CT skener s kamerou fungující jako detektor a LED polem fungujícím jako zdroj. Jednou z důležitých součástí návrhu je, že světelné paprsky, které jsou shromažďovány čočkou, jsou při cestování objektem rovnoběžné. Jinými slovy, objektiv by měl být telecentrický.

Fotogrammetrie vyžaduje, aby byl předmět osvětlen zepředu. Světlo se odráží od objektu a je shromažďováno kamerou. K vytvoření 3D mapování povrchu objektu v prostoru lze použít více pohledů.

Zatímco fotogrametrie umožňuje profilování povrchu objektu, CT skenování umožňuje rekonstrukci vnitřní struktury objektů. Hlavní nevýhodou optického CT je, že pro zobrazování můžete používat pouze poloprůhledné předměty (např. Ovoce, hedvábný papír, gumové medvídky atd.), Zatímco fotogrammetrie může fungovat u většiny objektů. Kromě toho existuje mnohem pokročilejší software pro fotogrammetrii, takže rekonstrukce vypadají neuvěřitelně.

Krok 2: Přehled systému

Pro snímání skenerem jsem použil Nikon D5000 s objektivem 50 mm f/1,4 s ohniskovou vzdáleností. Abych dosáhl telecentrického zobrazování, použil jsem 180mm achromatický dublet oddělený od 50mm objektivu tubusovým nástavcem. Objektiv byl zastaven až na f/11 nebo f/16, aby se zvýšila hloubka ostrosti.

Kamera byla ovládána pomocí dálkového ovladače spouště, který spojuje kameru s Arduino Nano. Kamera je připevněna ke konstrukci z PVC, která se připojuje k černé skříňce, která drží skenovaný objekt a elektroniku.

Pro CT skenování je objekt osvětlen zezadu vysoce výkonným LED polem. Množství světla shromážděného kamerou závisí na tom, kolik je objektem absorbováno. Pro 3D skenování je objekt osvětlen zepředu pomocí adresovatelného LED pole, které je ovládáno pomocí Arduina. Objekt se otáčí pomocí krokového motoru, který je řízen pomocí H-můstku (L9110) a Arduina.

Pro úpravu parametrů skenování jsem navrhl skener s LCD obrazovkou, dvěma potenciometry a dvěma tlačítky. Potenciometry slouží k ovládání počtu fotografií ve skenování a doby expozice a tlačítka fungují jako tlačítka „Enter“a „Reset“. Obrazovka LCD zobrazuje možnosti pro skenování a poté aktuální stav skenování po zahájení akvizice.

Po umístění vzorku pro CT nebo 3D skenování skener automaticky ovládá kameru, diody LED a motor, aby získal všechny obrázky. Obrázky jsou poté použity pro rekonstrukci 3D modelu objektu pomocí Matlabu nebo PhotoScanu.

Krok 3: Seznam dodávek

Elektronika:

• Arduino Nano
• Krokový motor (3,5 V, 1 A)
• H-můstek L9110
• Obrazovka 16x2 LCD
• 3 x 10k potenciometry
• 2X tlačítka
• Odpor 220 ohmů
• 1kohm odpor
• Napájení 12V 3A
• Buck převodník
• Power jack žena
• Zástrčka hlavně
• Prodlužovací kabel micro USB
• Vypínač
• Knoflíky potenciometru
• Mezery mezi DPS
• Prototypová deska
• Ovinovací drát
• Elektrická páska

Fotoaparát a osvětlení:

• Fotoaparát, použil jsem Nikon D5000 dSLR
• Objektiv Prime (ohnisková vzdálenost = 50 mm)
• Prodlužovač trubek
• Achromatický dublet (ohnisková vzdálenost = 180 mm)
• Dálkové ovládání závěrky
• Adresovatelný LED pásek
• Přenosné LED světlo Utilitech pro 1 lumen
• Papír pro rozptyl světla

Světelný box:

• 2x překližka silná 26 cm x 26 cm ¼ palce
• 2x překližka silná 30 cm x 26 cm ¼ palce
• 1x překližka tl. 30 cm x 25 cm ½ palce
• Hmoždinky o průměru 2 ½ palce
• 8x spoje z PVC ve tvaru L o průměru ½ palce
• 8x spoje z PVC ve tvaru T o průměru ½ palce
• 1x PVC plášť o průměru ½ palce
• 4 stopy 1 x 2 borovice
• Tenký hliníkový plech
• Černá plakátová deska
• Šrouby a matice
• Jaro

Nástroje:

• Páječka
• Elektrická vrtačka
• Nástroj na ovinutí drátu
• Dremel
• Vykružovačka
• Nůžky na drát
• Nůžky
• Páska

Krok 4: Design boxu a 3D držáky

Velká cena v Epilog Challenge 9