Desktop CT og 3D -skanner med Arduino: 12 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

Av jbumsteadJon BumsteadFølg Mer av forfatteren:

Om: Prosjekter innen lys, musikk og elektronikk. Finn dem alle på nettstedet mitt: www.jbumstead.com Mer om jbumstead »

Computertomografi (CT) eller computert aksial tomografi (CAT) er oftest assosiert med bildebehandling av kroppen fordi den gjør det mulig for klinikere å se den anatomiske strukturen inne i pasienten uten å måtte operere. For å få et bilde inne i menneskekroppen krever en CT-skanner røntgen fordi strålingen må kunne trenge gjennom kroppen. Hvis objektet er halvgjennomsiktig, er det faktisk mulig å utføre CT-skanning ved hjelp av synlig lys! Teknikken kalles optisk CT, som er annerledes enn den mer populære optiske avbildningsteknikken kjent som optisk koherens tomografi.

For å skaffe 3D-skanninger av halvtransparente objekter konstruerte jeg en optisk CT-skanner ved hjelp av en Arduino Nano og Nikon dSLR. Halvveis i prosjektet innså jeg at fotogrammetri, en annen 3D -skanningsteknikk, krever mye av den samme maskinvaren som en optisk CT -skanner. I denne instruksen vil jeg gå over systemet jeg konstruerte som er i stand til CT -skanning og fotogrammetri. Etter å ha hentet bilder, har jeg trinn på hvordan jeg bruker PhotoScan eller Matlab for å beregne 3D -rekonstruksjoner.

For en fullstendig klasse om 3D -skanning, kan du sjekke ut instruksjonsklassen her.

Jeg fant nylig ut om Ben Krasnow bygde en røntgen CT-maskin med en Arduino. Imponerende!

Etter innlegg delte Michalis Orfanakis sin hjemmebygde optiske CT -skanner, for hvilken han vant den første prisen i Science on Stage Europe 2017! Les kommentarene nedenfor for full dokumentasjon om bygningen hans.

Ressurser på optisk CT:

Historien og prinsippene for optisk computertomografi for skanning av 3D-stråledosimetre av SJ Doran og N Krstaji

Tredimensjonal bilderekonstruksjon for CCD-kamerabasert optisk computertomografiskanner av Hannah Mary Thomas T, studentmedlem, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Fokuserende optikk for et parallellstråle CCD optisk tomografiapparat for 3D stråling gel dosimetri av Nikola Krstaji´c og Simon J Doran

Trinn 1: Computert tomografi og fotogrammetri

CT-skanning krever en strålingskilde (f.eks. Røntgenstråler eller lys) på den ene siden av et objekt og detektorer på den andre siden. Mengden stråling som gjør det til detektoren avhenger av hvor absorberende objektet er på et bestemt sted. Et enkelt bilde som er oppnådd med dette oppsettet alene er det som produserer en røntgen. Et røntgenbilde er som en skygge, og har all 3D-informasjon projisert i et enkelt 2D-bilde. For å lage 3D-rekonstruksjoner, anskaffer en CT-skanner røntgenskanninger over mange vinkler ved enten å rotere objektet eller kildedetektoren.

Bildene som samles inn av en CT-skanner kalles sinogrammer, og de viser absorpsjon av røntgenstråler gjennom ett stykke kropp vs. vinkel. Ved å bruke disse dataene kan et tverrsnitt av objektet erverves ved å bruke en matematisk operasjon kalt invers Radon -transform. For fullstendig informasjon om hvordan denne operasjonen fungerer, sjekk ut denne videoen.

Det samme prinsippet gjelder for den optiske CT -skanneren med et kamera som fungerer som detektoren og LED -arrayet som fungerer som kilde. En av de viktige delene av designet er at lysstrålene som samles opp av linsen er parallelle når de reiser gjennom objektet. Med andre ord bør linsen være telesentrisk.

Fotogrammetri krever at objektet belyses fra forsiden. Lys reflekteres fra objektet og samles opp av kameraet. Flere visninger kan brukes til å lage en 3D -kartlegging av overflaten til et objekt i verdensrommet.

Mens fotogrammetri muliggjør overflateprofilering av et objekt, muliggjør CT -skanning gjenoppbygging av objektets indre struktur. Den største ulempen for optisk CT er at du bare kan bruke objekter som er halvtransparente for avbildningen (f.eks. Frukt, silkepapir, gummibjørner, etc.), mens fotogrammetri kan fungere for de fleste objekter. Videre er det mye mer avansert programvare for fotogrammetri, så rekonstruksjonene ser utrolig ut.

Trinn 2: Systemoversikt

Jeg brukte en Nikon D5000 med et 50 mm brennvidde f/1.4 -objektiv for avbildning med skanneren. For å oppnå telesentrisk bildebehandling brukte jeg en 180 mm akromatisk dublett atskilt fra 50 mm -objektivet med en rørforlenger. Objektivet ble stoppet ned til f/11 eller f/16 for å øke dybdeskarpheten.

Kameraet ble kontrollert med en fjernkontroll som kobler kameraet til en Arduino Nano. Kameraet er montert på en PVC -struktur som kobles til en svart boks som holder objektet som skal skannes og elektronikk.

For CT-skanning belyses objektet bakfra med en LED-matrise med høy effekt. Mengden lys som samles inn av kameraet avhenger av hvor mye som absorberes av objektet. For 3D -skanning belyses objektet forfra ved hjelp av et adresserbart LED -array som styres med Arduino. Objektet roteres ved hjelp av en trinnmotor, som styres ved hjelp av en H-bro (L9110) og Arduino.

For å justere parametrene for skanningen designet jeg skanneren med en LCD -skjerm, to potensiometre og to trykknapper. Potensiometrene brukes til å kontrollere antall bilder i skanningen og eksponeringstiden, og trykknappene fungerer som en "enter" -knapp og en "reset" -knapp. Lcd -skjermen viser alternativer for skanningen, og deretter gjeldende status for skanningen når anskaffelsen begynner.

Etter å ha plassert prøven for en CT- eller 3D -skanning, kontrollerer skanneren automatisk kameraet, lysdiodene og motoren for å få alle bildene. Bildene brukes deretter til å rekonstruere en 3D -modell av objektet ved hjelp av Matlab eller PhotoScan.

Trinn 3: Tilførselsliste

Elektronikk:

• Arduino Nano
• Trinnmotor (3.5V, 1A)
• H-bro L9110
• 16x2 LCD -skjerm
• 3X 10k potensiometre
• 2X trykknapper
• 220ohm motstand
• 1 kohm motstand
• 12V 3A strømforsyning
• Buck -omformer
• Power jack hunn
• Power fat plug
• Mikro USB forlengelseskabel
• Strømbryteren
• Potensiometer knotter
• PCB -avstand
• Prototypebrett
• Wire wrap wire
• Elektrisk tape

Kamera og belysning:

• Et kamera, jeg brukte en Nikon D5000 dSLR
• Prime -objektiv (brennvidde = 50 mm)
• Rørforlenger
• Akromatisk dublett (brennvidde = 180 mm)
• Lukker fjernkontroll
• Adresserbar LED -stripe
• Utilitech pro 1-lumen bærbart LED-lys
• Papir for å spre lys

Lysboks:

• 2x 26cmx26cm ¼ tommer tykk kryssfiner
• 2x 30cmx26cm ¼ tommer tykk kryssfiner
• 1x 30cmx25cm ½ tommers tykk kryssfiner
• 2 x ½ tommer diameter dyvelstenger
• 8x L-formede PVC-ledd ½ tomme diameter
• 8x T-formede PVC-ledd ½ tomme diameter
• 1x PVC -kappe ½ tomme diameter
• 4 føtter 1x2 furu
• Tynn aluminiumsplate
• Svart plakatbrett
• Muttere og bolter
• Vår

Verktøy:

• Loddejern
• Bormaskin
• Wire wrap verktøy
• Dremel
• Stikksag
• Avbitertang
• Saks
• Teip

Trinn 4: Boksdesign og 3D -fester

Storpris i Epilog Challenge 9