Desktopowy skaner CT i 3D z Arduino: 12 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Autor: jbumsteadJon BumsteadObserwuj Więcej autora:

O: Projekty w świetle, muzyce i elektronice. Znajdziesz je wszystkie na mojej stronie: www.jbumstead.com Więcej o jbumstead »

Tomografia komputerowa (CT) lub osiowa tomografia komputerowa (CAT) jest najczęściej kojarzona z obrazowaniem ciała, ponieważ umożliwia klinicystom zobaczenie struktury anatomicznej wewnątrz pacjenta bez konieczności wykonywania jakichkolwiek operacji. Aby zobrazować wnętrze ludzkiego ciała, skaner CT wymaga promieni rentgenowskich, ponieważ promieniowanie musi być w stanie przeniknąć przez ciało. Jeśli obiekt jest półprzezroczysty, to faktycznie można przeprowadzić skanowanie CT przy użyciu światła widzialnego! Technika ta nosi nazwę optycznej tomografii komputerowej, która różni się od bardziej popularnej techniki obrazowania optycznego znanej jako optyczna tomografia koherentna.

Aby uzyskać skany 3D obiektów półprzezroczystych, skonstruowałem optyczny skaner CT wykorzystujący Arduino Nano i Nikon dSLR. W połowie projektu zdałem sobie sprawę, że fotogrametria, kolejna technika skanowania 3D, wymaga takiego samego sprzętu, jak optyczny skaner CT. W tej instrukcji omówię skonstruowany przeze mnie system, który jest zdolny do skanowania CT i fotogrametrii. Po pobraniu obrazów mam kroki dotyczące używania PhotoScan lub Matlab do obliczania rekonstrukcji 3D.

Aby zapoznać się z pełną klasą na temat skanowania 3D, możesz zapoznać się z klasą instruktażową tutaj.

Niedawno dowiedziałem się, że Ben Krasnow zbudował maszynę rentgenowską do tomografii komputerowej z Arduino. Imponujący!

Po opublikowaniu Michalis Orfanakis podzielił się swoim domowym, optycznym tomografem komputerowym, za który zdobył I nagrodę w konkursie Science on Stage Europe 2017! Przeczytaj poniższe komentarze, aby uzyskać pełną dokumentację na temat jego kompilacji.

Zasoby dotyczące optycznego CT:

Historia i zasady optycznej tomografii komputerowej do skanowania dozymetrów promieniowania 3D autorstwa S J Dorana i N Krstaji

Trójwymiarowa rekonstrukcja obrazu dla optycznego skanera tomografii komputerowej CCDcamera autorstwa Hannah Mary Thomas T, Student Member, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Optyka ogniskująca aparatu do tomografii optycznej CCD z wiązką równoległą do dozymetrii żelu radiacyjnego 3D autorstwa Nikoli Krstaji´ca i Simona J Dorana

Krok 1: Tło tomografii komputerowej i fotogrametrii

Skanowanie CT wymaga źródła promieniowania (np. promieni rentgenowskich lub światła) po jednej stronie obiektu i detektorów po drugiej stronie. Ilość promieniowania, która dociera do detektora, zależy od tego, jak chłonny jest obiekt w danym miejscu. Pojedynczy obraz uzyskany za pomocą samej tej konfiguracji jest tym, co daje zdjęcie rentgenowskie. Zdjęcie rentgenowskie jest jak cień, a wszystkie informacje 3D są wyświetlane w jednym obrazie 2D. Aby wykonać rekonstrukcje 3D, skaner CT uzyskuje skany rentgenowskie pod wieloma kątami, obracając obiekt lub układ detektora źródło.

Obrazy zebrane przez skaner CT nazywane są sinogramami i przedstawiają absorpcję promieni rentgenowskich przez jeden kawałek ciała w zależności od kąta. Korzystając z tych danych, można uzyskać przekrój obiektu za pomocą operacji matematycznej zwanej odwrotną transformacją Radona. Aby uzyskać szczegółowe informacje na temat działania tej operacji, obejrzyj ten film.

Ta sama zasada jest stosowana dla optycznego skanera CT z kamerą pełniącą rolę detektora i matrycą LED pełniącą rolę źródła. Jedną z ważnych części projektu jest to, że promienie światła zbierane przez soczewkę są równoległe podczas przechodzenia przez obiekt. Innymi słowy, obiektyw powinien być telecentryczny.

Fotogrametria wymaga oświetlenia obiektu od frontu. Światło odbija się od obiektu i jest zbierane przez kamerę. Do tworzenia mapowania 3D powierzchni obiektu w przestrzeni można użyć wielu widoków.

O ile fotogrametria umożliwia profilowanie powierzchni obiektu, o tyle skanowanie CT umożliwia rekonstrukcję wewnętrznej struktury obiektów. Główną wadą optycznej tomografii komputerowej jest to, że do obrazowania można używać tylko obiektów półprzezroczystych (np. owoców, bibuły, żelków, itp.), podczas gdy fotogrametria może działać w przypadku większości obiektów. Ponadto istnieje znacznie bardziej zaawansowane oprogramowanie do fotogrametrii, dzięki czemu rekonstrukcje wyglądają niesamowicie.

Krok 2: Przegląd systemu

Do obrazowania skanerem użyłem aparatu Nikon D5000 z obiektywem o ogniskowej 50 mm f/1,4. Aby uzyskać obrazowanie telecentryczne, użyłem achromatycznego dubletu 180 mm oddzielonego od obiektywu 50 mm przedłużaczem tubusu. Obiektyw przymknięto do f/11 lub f/16, aby zwiększyć głębię ostrości.

Kamera była sterowana za pomocą pilota migawki, który łączy kamerę z Arduino Nano. Kamera jest zamontowana na konstrukcji PCV, która łączy się z czarną skrzynką, w której znajduje się skanowany obiekt i elektronikę.

W przypadku skanowania CT obiekt jest oświetlony od tyłu za pomocą matrycy LED o dużej mocy. Ilość światła zebranego przez kamerę zależy od tego, ile jest pochłaniane przez obiekt. W przypadku skanowania 3D obiekt jest oświetlony od przodu za pomocą adresowalnej tablicy LED, która jest sterowana za pomocą Arduino. Obiekt obracany jest za pomocą silnika krokowego, który sterowany jest za pomocą mostka H (L9110) oraz Arduino.

Aby dostosować parametry skanowania, zaprojektowałem skaner z ekranem LCD, dwoma potencjometrami i dwoma przyciskami. Potencjometry służą do kontrolowania liczby zdjęć w skanie i czasu naświetlania, a przyciski pełnią funkcję przycisku „enter” i przycisku „reset”. Ekran LCD wyświetla opcje skanowania, a następnie bieżący stan skanowania po rozpoczęciu akwizycji.

Po umieszczeniu próbki do skanowania CT lub 3D skaner automatycznie steruje kamerą, diodami LED i silnikiem, aby uzyskać wszystkie obrazy. Obrazy są następnie wykorzystywane do rekonstrukcji modelu 3D obiektu za pomocą Matlaba lub PhotoScan.

Krok 3: Lista dostaw

Elektronika:

• Arduino Nano
• Silnik krokowy (3,5V, 1A)
• Mostek H L9110
• Ekran LCD 16x2
• Potencjometry 3X10k
• 2X przyciski
• Rezystor 220ohm
• Rezystor 1kohm
• Zasilanie 12V 3A
• przetwornica
• Gniazdo zasilania żeńskie
• Wtyczka lufy zasilania
• Przedłużacz Micro USB
• Przycisk zasilania
• Pokrętła potencjometrów
• Elementy dystansowe PCB
• Płytka prototypowa
• Drut do owijania drutu
• Taśma elektryczna

Kamera i oświetlenie:

• Aparat, użyłem lustrzanki cyfrowej Nikon D5000
• Obiektyw stałoogniskowy (ogniskowa = 50mm)
• Przedłużacz rurki
• Dublet achromatyczny (ogniskowa = 180mm)
• Pilot migawki
• Adresowalna taśma LED
• Przenośna lampa LED Utilitech pro o mocy 1 lumenów
• Papier do rozpraszania światła

Lekkie pudełko:

• 2x 26cmx26cm sklejka o grubości ¼ cala
• 2x 30cmx26cm sklejka o grubości ¼ cala
• 1x 30cmx25cm sklejka o grubości ½ cala
• 2x pręty o średnicy ½ cala
• 8x złącza PCV w kształcie litery L o średnicy ½ cala
• 8x złącza PCV w kształcie litery T o średnicy ½ cala
• 1x peleryna z PVC o średnicy ½ cala
• 4 stopy 1x2 sosna
• Cienka blacha aluminiowa
• Czarna tablica plakatowa
• Nakrętki i śruby
• Wiosna

Narzędzia:

• Lutownica
• Wiertarka elektryczna
• Narzędzie do owijania drutu
• Dremel
• Puzzle
• Nożyce do drutu
• Nożyce
• Taśma

Krok 4: Projekt pudełka i mocowania 3D

Główna nagroda w Epilog Challenge 9