Desktop CT a 3D skener s Arduino: 12 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Jon Bumstead Nasledovať viac od autora:

O: Projekty v oblasti svetla, hudby a elektroniky. Všetky nájdete na mojom webe: www.jbumstead.com Viac o jbumstead »

Počítačová tomografia (CT) alebo počítačová axiálna tomografia (CAT) sa najčastejšie spája so zobrazovaním tela, pretože klinickým lekárom umožňuje vidieť anatomickú štruktúru vo vnútri pacienta bez toho, aby museli vykonávať akúkoľvek operáciu. Na zobrazenie vnútra ľudského tela vyžaduje CT skener röntgenové lúče, pretože žiarenie musí byť schopné preniknúť telom. Ak je predmet polopriehľadný, je skutočne možné vykonať CT skenovanie pomocou viditeľného svetla! Táto technika sa nazýva optické CT, čo je odlišnosť od populárnejšej optickej zobrazovacej techniky známej ako optická koherentná tomografia.

Na získanie 3D skenov polopriehľadných predmetov som skonštruoval optický CT skener pomocou Arduino Nano a Nikon dSLR. V polovici projektu som si uvedomil, že fotogrametria, ďalšia metóda 3D skenovania, vyžaduje veľa rovnakého hardvéru ako optický CT skener. V tomto návode sa pozriem na systém, ktorý som zostrojil a ktorý je schopný CT skenovania a fotogrametrie. Po získaní obrázkov mám kroky k používaniu PhotoScanu alebo Matlabu na výpočet 3D rekonštrukcií.

Kompletnú triedu 3D skenovania nájdete tu.

Nedávno som sa dozvedel o tom, že Ben Krasnow postavil röntgenový CT prístroj s Arduinom. Pôsobivé!

Po uverejnení príspevku sa Michalis Orfanakis podelil o svoj doma vyrobený optický CT skener, za ktorý získal 1. cenu vo vede na javisku Európa 2017! V nasledujúcich komentároch nájdete kompletnú dokumentáciu k jeho stavbe.

Zdroje k optickému CT:

História a princípy optickej počítačovej tomografie na skenovanie 3-D radiačných dozimetrov od S J Dorana a N Krstajiho

Trojrozmerná rekonštrukcia obrazu pre optický počítačový tomograf na báze CCD kamery Hannah Mary Thomas T, študentská členka, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Zaostrovacia optika zariadenia s CCD optickou tomografiou s paralelným lúčom pre geologickú dozimetriu 3D žiarenia Nikola Krstaji´c a Simon J Doran

Krok 1: Počítačová tomografia a fotogrametria

CT skenovanie vyžaduje zdroj žiarenia (napríklad röntgenové lúče alebo svetlo) na jednej strane objektu a detektory na druhej strane. Množstvo žiarenia, ktoré sa dostane do detektora, závisí od toho, aký absorbčný je objekt na konkrétnom mieste. Jediný obrázok získaný iba týmto nastavením vytvára röntgenové žiarenie. Röntgenový lúč je ako tieň a všetky 3D informácie sa premietajú do jedného 2D obrazu. Na vykonanie 3D rekonštrukcií získava CT skener röntgenové snímky z mnohých uhlov otáčaním objektu alebo poľa zdroja a detektora.

Obrázky zozbierané CT skenerom sa nazývajú sinogramy a zobrazujú absorpciu röntgenových lúčov cez jeden plátok tela vs. uhol. Pomocou týchto údajov je možné získať prierez objektu pomocou matematickej operácie nazývanej inverzná radónová transformácia. Všetky podrobnosti o tom, ako táto operácia funguje, nájdete v tomto videu.

Rovnaký princíp sa používa pre optický CT skener s kamerou slúžiacou ako detektor a LED diódou slúžiacou ako zdroj. Jednou z dôležitých častí návrhu je, že svetelné lúče, ktoré sú zachytené šošovkou, sú pri cestovaní objektom rovnobežné. Inými slovami, objektív by mal byť telecentrický.

Fotogrametria vyžaduje, aby bol predmet osvetlený spredu. Svetlo sa odráža od predmetu a je zachytávané kamerou. Na vytvorenie 3D mapovania povrchu objektu v priestore je možné použiť viacero zobrazení.

Zatiaľ čo fotogrametria umožňuje profilovanie povrchu objektu, CT skenovanie umožňuje rekonštrukciu vnútornej štruktúry objektov. Hlavnou nevýhodou optického CT je to, že na zobrazovanie môžete používať iba polopriehľadné predmety (napr. Ovocie, hodvábny papier, gumové medvedíky atď.), Zatiaľ čo fotogrametria môže fungovať pre väčšinu objektov. Okrem toho existuje oveľa pokročilejší softvér pre fotogrametriu, takže rekonštrukcie vyzerajú neuveriteľne.

Krok 2: Prehľad systému

Na snímanie pomocou skenera som použil fotoaparát Nikon D5000 s objektívom s ohniskovou vzdialenosťou 50 mm f/1,4. Na dosiahnutie telecentrického zobrazovania som použil 180 mm achromatický dublet oddelený od 50 mm šošovky predlžovacím tubusom. Objektív bol zastavený až na f/11 alebo f/16, aby sa zvýšila hĺbka poľa.

Fotoaparát sa ovládal pomocou diaľkového ovládača spúšte, ktorý spája fotoaparát s Arduino Nano. Kamera je pripevnená k štruktúre z PVC, ktorá sa pripája k čiernej skrinke, ktorá drží predmet, ktorý sa má skenovať, a elektroniku.

Pri CT skenovaní je objekt osvetlený zozadu vysoko výkonným poľom LED. Množstvo svetla zozbieraného fotoaparátom závisí od toho, koľko objektu absorbuje. Pre 3D skenovanie je objekt osvetlený spredu pomocou adresovateľného LED poľa, ktoré je ovládané pomocou Arduina. Objekt sa otáča pomocou krokového motora, ktorý je ovládaný pomocou H-mostíka (L9110) a Arduina.

Na úpravu parametrov skenovania som navrhol skener s LCD obrazovkou, dvoma potenciometrami a dvoma tlačidlami. Potenciometre slúžia na ovládanie počtu fotografií pri skenovaní a času expozície a tlačidlá fungujú ako tlačidlo „Enter“a tlačidlo „reset“. Obrazovka LCD zobrazuje možnosti skenovania a potom aktuálny stav skenovania, akonáhle začne akvizícia.

Po umiestnení vzorky na CT alebo 3D skenovanie skener automaticky ovláda kameru, diódy LED a motor, aby získal všetky obrázky. Obrázky sa potom použijú na rekonštrukciu 3D modelu objektu pomocou Matlab alebo PhotoScan.

Krok 3: Zoznam dodávok

Elektronika:

• Arduino Nano
• Krokový motor (3,5 V, 1 A)
• H-mostík L9110
• Obrazovka 16x2 LCD
• 3 x 10 000 potenciometrov
• 2X tlačidlá
• Odpor 220 ohmov
• Odpor 1 kOhm
• Napájanie 12V 3A
• Buck prevodník
• Power jack žena
• Napájacia hlaveň
• Predlžovací kábel micro USB
• Vypínač
• Gombíky potenciometra
• Medzery medzi PCB
• Prototypová doska
• Drôt obalený drôtom
• Elektrická páska

Kamera a osvetlenie:

• Fotoaparát, použil som fotoaparát Nikon D5000 dSLR
• Objektív Prime (ohnisková vzdialenosť = 50 mm)
• Predlžovač trubice
• Achromatický dublet (ohnisková vzdialenosť = 180 mm)
• Diaľkové ovládanie spúšte
• Adresovateľný LED pás
• Prenosné LED svetlo Utilitech pro 1 lumen
• Papier na rozptyl svetla

Svetelný box:

• 2x preglejka hrubá 26 cm x 26 cm ¼ palca
• 2x preglejka hrubá 30 cm x 26 cm ¼ palca
• 1x preglejka hrubá 30 cm x 25 cm ½ palca
• Hmoždinky s priemerom 2x ½ palca
• 8x spoje z PVC v tvare L s priemerom ½ palca
• 8x PVC spoj v tvare T s priemerom ½ palca
• 1x PVC plášť s priemerom ½ palca
• 4 nohy, borovica 1x2
• Tenký hliníkový plech
• Čierna plagátová tabuľa
• Skrutky a matice
• Jar

Náradie:

• Spájkovačka
• Elektrická vŕtačka
• Nástroj na ovinutie drôtu
• Dremel
• Skladačka
• Strihač káblov
• Nožnice
• Páska

Krok 4: Dizajn boxu a 3D držiaky

Veľká cena v Epilog Challenge 9