Namizni CT in 3D skener z Arduinom: 12 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Avtor jbumsteadJon Bumstead Sledite Več avtorja:

O: Projekti na področju svetlobe, glasbe in elektronike. Poiščite jih vse na moji strani: www.jbumstead.com Več o jbumsteadu »

Računalniška tomografija (CT) ali računalniška aksialna tomografija (CAT) je najpogosteje povezana s slikanjem telesa, ker omogoča zdravnikom, da vidijo anatomsko strukturo v notranjosti pacienta, ne da bi morali opraviti kakršno koli operacijo. Za slikanje v človeškem telesu CT skener potrebuje rentgenske žarke, ker mora sevanje prodreti skozi telo. Če je predmet polprozoren, je dejansko mogoče opraviti CT skeniranje z vidno svetlobo! Tehnika se imenuje optični CT, ki se razlikuje od bolj priljubljene tehnike optičnega slikanja, znane kot optična koherentna tomografija.

Za pridobitev 3D skeniranja polprozornih predmetov sem izdelal optični CT skener z uporabo Arduino Nano in Nikon dSLR. Na polovici projekta sem spoznal, da fotogrametrija, druga tehnika 3D skeniranja, zahteva podobno strojno opremo kot optični skener CT. V tem navodilu bom pregledal sistem, ki sem ga zgradil, ki je zmožen CT skeniranja in fotogrametrije. Po pridobivanju slik imam korake za uporabo PhotoScan ali Matlab za računanje 3D rekonstrukcij.

Za celoten tečaj o 3D skeniranju si lahko ogledate razred instructables tukaj.

Pred kratkim sem izvedel, da je Ben Krasnow z Arduinom izdelal rentgenski CT aparat. Impresivno!

Po objavi je Michalis Orfanakis delil svoj domači optični CT skener, za katerega je osvojil 1. nagrado v znanosti na odru Evropa 2017! Preberite spodnje komentarje za popolno dokumentacijo o njegovi gradnji.

Viri za optični CT:

Zgodovina in načela optične računalniške tomografije za skeniranje 3-D sevalnih dozimetrov S J Doran in N Krstaji

Tridimenzionalna rekonstrukcija slike za optični bralnik z optično računalniško tomografijo, ki temelji na CCD kameri, Hannah Mary Thomas T, študentka, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Optika za fokusiranje aparata za optično tomografijo CCD z vzporednim snopom za gel dozimetrijo 3D sevanja, avtor Nikola Krstaji´c in Simon J Doran

Korak: Ozadje računalniške tomografije in fotogrametrije

CT skeniranje zahteva vir sevanja (npr. Rentgenske žarke ali svetlobo) na eni strani predmeta in detektorje na drugi strani. Količina sevanja, ki pride v detektor, je odvisna od tega, kako absorbira predmet na določeni lokaciji. Samo ena slika, pridobljena samo s to nastavitvijo, je tista, ki proizvaja rentgen. Rentgen je kot senca in ima vse 3D informacije projicirane v eno samo 2D sliko. Za 3D rekonstrukcije CT skener pridobi rentgenske posnetke pod več koti z vrtenjem predmeta ali nizom detektorjev vira.

Slike, ki jih zbere CT skener, se imenujejo sinogrami in prikazujejo absorpcijo rentgenskih žarkov skozi eno rezino telesa v primerjavi s kotom. Z uporabo teh podatkov je mogoče pridobiti prerez predmeta z matematično operacijo, imenovano inverzna Radonova transformacija. Za podrobnosti o tem, kako deluje ta operacija, si oglejte ta video.

Isti princip velja za optični CT skener s kamero, ki deluje kot detektor, in LED nizom, ki deluje kot vir. Eden od pomembnih delov zasnove je, da so svetlobni žarki, ki jih zbira leča, vzporedni med potovanjem skozi predmet. Z drugimi besedami, leča mora biti telecentrična.

Fotogrametrija zahteva, da je predmet osvetljen s sprednje strani. Svetloba se odbija od predmeta in jo zbira kamera. Za ustvarjanje 3D preslikave površine predmeta v vesolju je mogoče uporabiti več pogledov.

Medtem ko fotogrametrija omogoča površinsko profiliranje predmeta, CT skeniranje omogoča rekonstrukcijo notranje strukture predmetov. Glavna pomanjkljivost optičnega CT-ja je, da lahko za slikanje uporabljate le predmete, ki so polprozorni (na primer sadje, papirnati papir, gumijasti medvedi itd.), Medtem ko lahko fotogrametrija deluje pri večini predmetov. Poleg tega obstaja veliko naprednejša programska oprema za fotogrametrijo, zato so rekonstrukcije videti neverjetno.

2. korak: Pregled sistema

Za slikanje s skenerjem sem uporabil Nikon D5000 z 50 mm goriščno razdaljo f/1,4. Za dosego telecentričnega slikanja sem uporabil 180 mm akromatski dvojnik, ločen od 50 mm leče s cevnim podaljševalnikom. Objektiv je bil ustavljen na f/11 ali f/16, da bi povečali globinsko ostrino.

Kamero so upravljali z daljinskim upravljalnikom zaklopa, ki kamero poveže z Arduino Nano. Kamera je pritrjena na PVC konstrukcijo, ki se poveže s črno škatlo, v kateri je predmet za skeniranje in elektronika.

Za CT skeniranje je predmet osvetljen od zadaj z visoko zmogljivim nizom LED. Količina svetlobe, ki jo zbere kamera, je odvisna od tega, koliko predmeta absorbira. Za 3D skeniranje je predmet osvetljen s sprednje strani z uporabo naslovljive LED matrike, ki jo upravlja Arduino. Objekt se vrti s koračnim motorjem, ki ga krmili s pomočjo H-mostu (L9110) in Arduinom.

Za prilagoditev parametrov skeniranja sem bralnik zasnoval z LCD zaslonom, dvema potenciometroma in dvema gumboma. Potenciometri se uporabljajo za nadzor števila fotografij pri optičnem branju in časa osvetlitve, potisni gumbi pa delujejo kot gumb za vnos in gumb za ponastavitev. Lcd zaslon prikazuje možnosti skeniranja in nato trenutno stanje skeniranja, ko se začne pridobivanje.

Po postavitvi vzorca za CT ali 3D skeniranje optični bralnik samodejno nadzoruje kamero, LED in motor, da pridobi vse slike. Slike se nato uporabijo za rekonstrukcijo 3D modela predmeta z uporabo Matlaba ali PhotoScana.

3. korak: Seznam zalog

Elektronika:

• Arduino Nano
• Koračni motor (3,5V, 1A)
• H-most L9110
• 16x2 Lcd zaslon
• 3X 10k potenciometri
• 2X tipke
• 220 ohmski upor
• 1kohm upor
• 12V 3A napajalnik
• Pretvornik dolarjev
• Vtičnica za ženske
• Vtič za napajanje
• Podaljšek mikro USB
• Stikalo za vklop
• Gumbi potenciometra
• Izpadi PCB
• Prototipna plošča
• Žična ovojna žica
• Električni trak

Kamera in osvetlitev:

• Fotoaparat, uporabil sem Nikon D5000 dSLR
• Glavni objektiv (goriščna razdalja = 50 mm)
• Cevni podaljšek
• Akromatski dvojnik (goriščna razdalja = 180 mm)
• Daljinski zaklop
• Naslovljiv LED trak
• Prenosna LED luč Utilitech pro 1 lumen
• Papir za razpršitev svetlobe

Lahka škatla:

• 2 x 26 cm x 26 cm ¼ palcev debele vezane plošče
• 2 x 30 cm x 26 cm ¼ palcev debele vezane plošče
• 1x vezana plošča debeline 30 cm x 25 cm ½ palca
• Palice za moznike premera 2x ½ palca
• 8x PVC spoji v obliki črke L s premerom ½ palca
• 8x PVC spoji v obliki črke T s premerom ½ palca
• 1x PVC ogrinjalo premera ½ palca
• 4 noge 1x2 bora
• Tanka aluminijasta pločevina
• Črna oglasna deska
• Matice in vijaki
• Pomlad

Orodja:

• Spajkalnik
• Električni vrtalnik
• Orodje za zavijanje žice
• Dremel
• Sestavljanka
• Rezalniki žice
• Škarje
• Trak

4. korak: Oblikovanje škatle in 3D nosilci

Velika nagrada v Epilog Challengeu 9