Настольный компьютерный томограф и 3D-сканер с Arduino: 12 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Подпишитесь на другие сообщения автора:

О проекте: Проекты в области света, музыки и электроники. Найдите их все на моем сайте: www.jbumstead.com Подробнее о jbumstead »

Компьютерная томография (КТ) или компьютерная аксиальная томография (CAT) чаще всего связана с визуализацией тела, потому что она позволяет клиницистам увидеть анатомическую структуру внутри пациента, не прибегая к хирургическому вмешательству. Чтобы получить изображение внутри человеческого тела, компьютерный томограф требует рентгеновских лучей, потому что излучение должно проникать через тело. Если объект полупрозрачный, действительно возможно провести компьютерную томографию с использованием видимого света! Этот метод называется оптической компьютерной томографией, который отличается от более популярного метода оптической визуализации, известного как оптическая когерентная томография.

Чтобы получить 3D-сканирование полупрозрачных объектов, я сконструировал оптический компьютерный томограф, используя Arduino Nano и Nikon dSLR. В середине проекта я понял, что фотограмметрия, еще один метод 3D-сканирования, требует того же оборудования, что и оптический компьютерный томограф. В этом руководстве я рассмотрю сконструированную мной систему, способную выполнять компьютерную томографию и фотограмметрию. После получения изображений у меня есть шаги по использованию PhotoScan или Matlab для вычисления трехмерных реконструкций.

Чтобы пройти полный курс по 3D-сканированию, вы можете ознакомиться с классом инструкций здесь.

Недавно я узнал, что Бен Краснов построил рентгеновский компьютерный томограф на Arduino. Впечатляющий!

После публикации Михалис Орфанакис поделился своим домашним оптическим компьютерным томографом, за что получил 1-е место в категории Science on Stage Europe 2017! Прочтите комментарии ниже, чтобы получить полную документацию по его сборке.

Ресурсы по оптической КТ:

История и принципы оптической компьютерной томографии для сканирования трехмерных дозиметров излучения С. Дж. Дорана и Н. Крстаджи.

Реконструкция трехмерного изображения для оптического компьютерного томографического сканера на базе ПЗС-камеры. Автор: Ханна Мэри Томас Т., член-студент, IEEE, Д. Девакумар, Пол Б. Равиндран

Фокусирующая оптика аппарата оптической томографии на ПЗС-матрице с параллельным пучком для трехмерной дозиметрии геля излучения Николы Крстажца и Саймона Дж. Дорана

Шаг 1. Предпосылки компьютерной томографии и фотограмметрии

Для компьютерной томографии требуется источник излучения (например, рентгеновские лучи или свет) с одной стороны объекта и детекторы с другой стороны. Количество излучения, которое попадает в детектор, зависит от того, насколько поглощающим является объект в конкретном месте. Одно изображение, полученное только с помощью этой установки, дает рентгеновское излучение. Рентгеновский снимок похож на тень, и вся трехмерная информация проецируется на одно двумерное изображение. Чтобы сделать 3D-реконструкцию, компьютерный томограф получает рентгеновские снимки под разными углами, либо вращая объект, либо массив источник-детектор.

Изображения, полученные с помощью компьютерного томографа, называются синограммами, и они отображают поглощение рентгеновских лучей через один срез тела в зависимости от угла. Используя эти данные, можно получить поперечное сечение объекта с помощью математической операции, называемой обратным преобразованием Радона. Чтобы узнать больше о том, как работает эта операция, посмотрите это видео.

Тот же принцип применяется к оптическому сканеру компьютерной томографии с камерой, действующей как детектор, и светодиодной матрицей, действующей как источник. Одна из важных частей конструкции заключается в том, что световые лучи, собираемые линзой, параллельны при прохождении через объект. Другими словами, объектив должен быть телецентрическим.

Фотограмметрия требует, чтобы объект освещался спереди. Свет отражается от объекта и улавливается камерой. Для создания трехмерного отображения поверхности объекта в космосе можно использовать несколько видов.

В то время как фотограмметрия позволяет профилировать поверхность объекта, компьютерная томография позволяет реконструировать внутреннюю структуру объектов. Основным недостатком оптической компьютерной томографии является то, что для визуализации можно использовать только полупрозрачные объекты (например, фрукты, папиросную бумагу, мармеладные мишки и т. Д.), Тогда как фотограмметрия может работать для большинства объектов. Кроме того, существует гораздо более продвинутое программное обеспечение для фотограмметрии, поэтому реконструкции выглядят невероятно.

Шаг 2: Обзор системы

Для обработки изображений с помощью сканера я использовал Nikon D5000 с фокусным расстоянием 50 мм и f / 1,4. Для получения телецентрических изображений я использовал 180-миллиметровый ахроматический дублет, отделенный от 50-миллиметрового объектива тубусом. Объектив был остановлен до f / 11 или f / 16, чтобы увеличить глубину резкости.

Управление камерой осуществлялось с помощью пульта дистанционного управления затвором, который соединяет камеру с Arduino Nano. Камера крепится к конструкции из ПВХ, которая соединяется с черным ящиком, в котором находятся сканируемый объект и электроника.

При КТ-сканировании объект освещается сзади с помощью мощной светодиодной матрицы. Количество света, собираемого камерой, зависит от того, сколько света поглощается объектом. Для 3D-сканирования объект освещается спереди с помощью адресуемой светодиодной матрицы, управляемой с помощью Arduino. Объект вращается с помощью шагового двигателя, который управляется с помощью H-моста (L9110) и Arduino.

Чтобы настроить параметры сканирования, я сконструировал сканер с ЖК-экраном, двумя потенциометрами и двумя кнопками. Потенциометры используются для управления количеством фотографий в сканированном изображении и временем экспозиции, а кнопки функционируют как кнопка «ввода» и кнопка «сброса». На ЖК-экране отображаются параметры сканирования, а затем текущий статус сканирования после начала сбора данных.

После размещения образца для компьютерной томографии или 3D-сканирования сканер автоматически управляет камерой, светодиодами и двигателем, чтобы получить все изображения. Затем изображения используются для восстановления 3D-модели объекта с помощью Matlab или PhotoScan.

Шаг 3: Список материалов

Электроника:

• Ардуино Нано
• Шаговый двигатель (3,5 В, 1 А)
• H-образный мост L9110
• ЖК-экран 16x2
• Потенциометры 3X 10k
• 2 кнопки
• 220ом резистор
• Резистор 1кОм
• Блок питания 12В 3А
• Бак-конвертер
• Разъем питания женский
• Штекер силового бочонка
• Удлинительный кабель Micro USB
• Выключатель
• Ручки потенциометра
• Стойки для печатных плат
• Доска прототипа
• Проволока для обмотки проволоки
• Электроизоляционная лента

Камера и освещение:

• Фотоаппарат, я использовал зеркальную фотокамеру Nikon D5000.
• Постоянный объектив (фокусное расстояние = 50 мм)
• Удлинитель трубки
• Ахроматический дублет (фокусное расстояние = 180 мм)
• Пульт дистанционного управления затвором
• Адресная светодиодная лента
• Переносной светодиодный светильник Utilitech pro, 1 люмен
• Бумага для рассеивания света

Световой короб:

• 2x 26 см x 26 см фанера толщиной ¼ дюйма
• 2x 30 см x 26 см фанеры толщиной ¼ дюйма
• 1x 30 см x 25 см фанера толщиной ½ дюйма
• 2 дюбеля диаметром ½ дюйма
• 8x L-образных ПВХ соединений диаметром ½ дюйма
• 8 Т-образных ПВХ-соединений диаметром ½ дюйма
• 1x накидка из ПВХ диаметром ½ дюйма
• 4 фута 1x2 сосна
• Тонкий алюминиевый лист
• Черная доска для плакатов
• Гайки и болты
• Весна

Инструменты:

• Паяльник
• Электрическая дрель
• Инструмент для намотки проволоки
• Дремель
• Головоломка
• Кусачки
• Ножницы
• Лента

Шаг 4: Дизайн коробки и 3D-крепления

Главный приз в Epilog Challenge 9