Escàner CT i escàner 3D amb Arduino: 12 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Per jbumstead Jon Bumstead Segueix-ne més per l'autor:

Quant a: Projectes de llum, música i electrònica. Troba-les totes al meu lloc: www.jbumstead.com Més informació sobre jbumstead »

La tomografia computada (TC) o la tomografia axial computaritzada (TAC) s’associa més sovint amb la imatge del cos perquè permet als clínics veure l’estructura anatòmica del pacient sense haver de fer cap cirurgia. Per fer una imatge a l’interior del cos humà, un escàner CT requereix raigs X perquè la radiació ha de poder penetrar a través del cos. Si l’objecte és semitransparent, en realitat és possible realitzar una exploració CT amb llum visible. La tècnica s’anomena CT òptica, que és diferent de la tècnica d’imatge òptica més popular coneguda com a tomografia de coherència òptica.

Per adquirir exploracions 3D d’objectes semitransparents, vaig construir un escàner òptic de CT amb un Arduino Nano i Nikon dSLR. A meitat del projecte, em vaig adonar que la fotogrametria, una altra tècnica d’escaneig en 3D, requereix gran part del mateix maquinari que un escàner CT òptic. En aquest instructiu, repassaré el sistema que he construït i que és capaç d’escanejar CT i fer fotogrametria. Després d’adquirir imatges, tinc alguns passos per utilitzar PhotoScan o Matlab per al càlcul de reconstruccions 3D.

Per obtenir una classe completa d’escaneig 3D, podeu consultar la classe instructable aquí.

Fa poc vaig assabentar-me que Ben Krasnow va construir una màquina CT de raigs X amb un Arduino. Impressionant!

Després de publicar-ho, Michalis Orfanakis va compartir el seu escàner de CT òptic construït a casa, pel qual va guanyar el primer premi a Science on Stage Europe 2017. Llegiu els comentaris següents per obtenir documentació completa sobre la seva versió.

Recursos sobre CT òptic:

Història i principis de la tomografia computada òptica per escanejar dosímetres de radiació en 3-D de S J Doran i N Krstaji

Reconstrucció d'imatges tridimensionals per a escàner de tomografia computada òptica basada en càmera CCD de Hannah Mary Thomas T, membre estudiant, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Icsptica d'enfocament d'un aparell de tomografia òptica CCD de feix paral·lel per a dosimetria de gel de radiació 3D de Nikola Krstaji´c i Simon J Doran

Pas 1: fons de tomografia computada i fotogrametria

La tomografia computada requereix una font de radiació (per exemple, raigs X o llum) en un costat d’un objecte i detectors en l’altre costat. La quantitat de radiació que arriba al detector depèn de l'absorció de l'objecte en un lloc concret. Una sola imatge adquirida només amb aquesta configuració és la que produeix una radiografia. Una radiografia és com una ombra i té tota la informació 3D projectada en una única imatge 2D. Per fer reconstruccions en 3D, un escàner CT adquireix exploracions de raigs X en molts angles girant l'objecte o la matriu del detector de font.

Les imatges recollides per un escàner CT s’anomenen sinogrames i mostren l’absorció de raigs X a través d’una porció del cos vs.angle. Utilitzant aquestes dades, es pot adquirir una secció transversal de l’objecte mitjançant una operació matemàtica anomenada transformada de radó inversa. Per obtenir més informació sobre com funciona aquesta operació, consulteu aquest vídeo.

El mateix principi s'aplica a l'escàner CT òptic amb una càmera que actua com a detector i la matriu de LED que actua com a font. Una de les parts importants del disseny és que els raigs de llum que recull la lent són paral·lels quan viatgen a través de l’objecte. En altres paraules, l’objectiu hauria de ser telecèntric.

La fotogrametria requereix que l’objecte estigui il·luminat des de la part frontal. La llum es reflecteix en l'objecte i la captura la càmera. Es poden utilitzar diverses vistes per crear un mapatge 3D de la superfície d’un objecte a l’espai.

Tot i que la fotogrametria permet un perfilat superficial d’un objecte, la tomografia computada permet reconstruir l’estructura interna dels objectes. El principal desavantatge de la TC òptica és que només podeu utilitzar objectes semitransparents per a la creació d’imatges (per exemple, fruites, paper de seda, ossets de goma, etc.), mentre que la fotogrametria pot funcionar per a la majoria d’objectes. A més, hi ha un programari molt més avançat per a la fotogrametria, de manera que les reconstruccions semblen increïbles.

Pas 2: Visió general del sistema

Vaig utilitzar un Nikon D5000 amb un objectiu de focal de 50 mm f / 1,4 per fer imatges amb l’escàner. Per aconseguir imatges telecèntriques, he utilitzat un doblet acromàtic de 180 mm separat de l’objectiu de 50 mm amb un extensor de tubs. La lent es va aturar a f / 11 o f / 16 per augmentar la profunditat de camp.

La càmera es controlava mitjançant un comandament a distància que connecta la càmera a un Arduino Nano. La càmera està muntada en una estructura de PVC que es connecta a una caixa negra que subjecta l'objecte a escanejar i l'electrònica.

Per a l'escaneig per CT, l'objecte s'il·lumina des de la part posterior amb una matriu de LED d'alta potència. La quantitat de llum recollida per la càmera depèn de la quantitat que absorbeixi l'objecte. Per a l'escaneig 3D, l'objecte s'il·lumina des de la part frontal mitjançant una matriu de LED adreçable que es controla amb l'Arduino. L'objecte es fa girar mitjançant un motor pas a pas, que es controla mitjançant un pont H (L9110) i l'Arduino.

Per ajustar els paràmetres de l'escaneig, he dissenyat l'escàner amb una pantalla Lcd, dos potenciòmetres i dos botons polsadors. Els potenciòmetres s’utilitzen per controlar el nombre de fotografies en l’escaneig i el temps d’exposició, i els polsadors funcionen com a botó “entrar” i un botó “restablir”. La pantalla LCD mostra les opcions de l'escaneig i, a continuació, l'estat actual de l'escaneig un cop comença l'adquisició.

Després de posicionar la mostra per a una exploració CT o 3D, l’escàner controla automàticament la càmera, els LED i el motor per adquirir totes les imatges. Les imatges s'utilitzen per reconstruir un model 3D de l'objecte mitjançant Matlab o PhotoScan.

Pas 3: llista de subministraments

Electrònica:

• Arduino Nano
• Motor pas a pas (3,5V, 1A)
• Pont H L9110
• Pantalla Lcd de 16x2
• Potenciòmetres 3X 10k
• Polsadors 2X
• Resistència de 220ohm
• Resistència de 1 kohm
• Alimentació de 12V 3A
• Convertidor de dòlars
• Presa de corrent femella
• Endoll barril elèctric
• Cable d'extensió micro USB
• Interruptor d'alimentació
• Poms de potenciòmetre
• Separacions de PCB
• Tauler prototip
• Filferro de filferro
• Cinta elèctrica

Càmera i il·luminació:

• Una càmera, he utilitzat una Nikon D5000 dSLR
• Objectiu principal (distància focal = 50 mm)
• Extensor de tubs
• Doblet acromàtic (distància focal = 180 mm)
• Comandament obturador
• Tira LED dirigible
• Llum portàtil LED de 1 lumen Utilitech pro
• Paper per difondre la llum

Caixa de llum:

• Fusta contraxapada de 2x 26cmx26cm ¼ polzades
• Fusta contraxapada de 2x 30cmx26cm ¼ polzades
• Fusta contraxapada de 1x 30cmx25cm ½ polzada de gruix
• Varetes de 2x ½ polzades de diàmetre
• 8x juntes de PVC en forma de L de ½ polzada de diàmetre
• 8x juntes de PVC en forma de T de ½ polzada de diàmetre
• 1x capa de PVC de ½ polzada de diàmetre
• 4 peus 1x2 pi
• Full d'alumini prim
• Cartell negre
• Femelles i cargols
• Primavera

Eines:

• Soldador
• Trepant elèctric
• Eina d’embolcall de filferro
• Dremel
• Trencaclosques
• Talladors de filferro
• Tisores
• Cinta

Pas 4: disseny de caixes i muntatges 3D

Gran Premi a l’Epilog Challenge 9