Desktop CT og 3D -scanner med Arduino: 12 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Af jbumsteadJon BumsteadFølg mere af forfatteren:

Om: Projekter inden for lys, musik og elektronik. Find dem alle på mit websted: www.jbumstead.com Mere om jbumstead »

Computertomografi (CT) eller computertaksial tomografi (CAT) er oftest forbundet med billeddannelse af kroppen, fordi det gør det muligt for læger at se den anatomiske struktur inde i patienten uden at skulle foretage nogen operation. For at få et billede inde i menneskekroppen kræver en CT-scanner røntgenstråler, fordi strålingen skal kunne trænge igennem kroppen. Hvis objektet er halvgennemsigtigt, er det faktisk muligt at udføre CT-scanning ved hjælp af synligt lys! Teknikken kaldes optisk CT, som er anderledes end den mere populære optiske billeddannelsesteknik kendt som optisk kohærens tomografi.

For at erhverve 3D-scanninger af halvgennemsigtige objekter konstruerede jeg en optisk CT-scanner ved hjælp af en Arduino Nano og Nikon dSLR. Halvvejs gennem projektet indså jeg, at fotogrammetri, en anden 3D -scanningsteknik, kræver meget af den samme hardware som en optisk CT -scanner. I denne instruktive vil jeg gå over det system, jeg konstruerede, der er i stand til CT -scanning og fotogrammetri. Efter at have erhvervet billeder har jeg trin til at bruge PhotoScan eller Matlab til beregning af 3D -rekonstruktioner.

For en fuld klasse om 3D -scanning, kan du tjekke instruktørklassen her.

Jeg fandt for nylig ud af, at Ben Krasnow byggede en røntgen-CT-maskine med en Arduino. Imponerende!

Efter opslaget delte Michalis Orfanakis sin hjemmebyggede optiske CT -scanner, som han vandt 1. præmien i Science on Stage Europe 2017 til! Læs kommentarerne herunder for fuld dokumentation om hans build.

Ressourcer til optisk CT:

Historien og principperne for optisk computertomografi til scanning af 3-D strålingsdosimetre af SJ Doran og N Krstaji

Tredimensionel billedrekonstruktion til CCD-kamerabaseret optisk computertomografisk scanner af Hannah Mary Thomas T, elevmedlem, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Fokuseringsoptik for et parallelstråle CCD optisk tomografiapparat til 3D -stråling gel dosimetri af Nikola Krstaji´c og Simon J Doran

Trin 1: Computertomografi og fotogrammetri Baggrund

CT-scanning kræver en strålingskilde (f.eks. Røntgenstråler eller lys) på den ene side af et objekt og detektorer på den anden side. Mængden af stråling, der kommer til detektoren, afhænger af, hvor absorberende objektet er på et bestemt sted. Et enkelt billede erhvervet med denne opsætning alene er det, der producerer et røntgenbillede. Et røntgenbillede er som en skygge og har al 3D-information projiceret i et enkelt 2D-billede. For at lave 3D-rekonstruktioner erhverver en CT-scanner røntgenscanninger over mange vinkler ved enten at rotere objektet eller kildedetektor-arrayet.

Billederne indsamlet af en CT-scanner kaldes sinogrammer, og de viser absorption af røntgenstråler gennem et stykke af kroppen vs. vinkel. Ved hjælp af disse data kan et tværsnit af objektet erhverves ved hjælp af en matematisk operation kaldet den inverse Radon -transformation. For at få flere oplysninger om, hvordan denne operation fungerer, kan du se denne video.

Det samme princip gælder for den optiske CT -scanner med et kamera, der fungerer som detektoren, og LED -arrayet fungerer som kilden. En af de vigtige dele af designet er, at de lysstråler, der opsamles af linsen, er parallelle, når de rejser gennem objektet. Med andre ord skal linsen være telecentrisk.

Fotogrammetri kræver, at objektet belyses forfra. Lys reflekteres fra objektet og opsamles af kameraet. Flere visninger kan bruges til at oprette en 3D -kortlægning af overfladen af et objekt i rummet.

Mens fotogrammetri muliggør overfladeprofilering af et objekt, muliggør CT -scanning rekonstruktion af objektets indre struktur. Den største ulempe ved optisk CT er, at du kun kan bruge objekter, der er halvgennemsigtige til billeddannelsen (f.eks. Frugt, silkepapir, gummibjørne osv.), Hvorimod fotogrammetri kan fungere for de fleste objekter. Desuden er der meget mere avanceret software til fotogrammetri, så rekonstruktionerne ser utrolige ud.

Trin 2: Systemoversigt

Jeg brugte en Nikon D5000 med en 50 mm brændvidde f/1.4 linse til billeddannelse med scanneren. For at opnå telecentrisk billeddannelse brugte jeg en 180 mm akromatisk dublet adskilt fra 50 mm linse med en rørforlænger. Objektivet blev stoppet ned til f/11 eller f/16 for at øge dybdeskarpheden.

Kameraet blev styret ved hjælp af en fjernbetjening, der forbinder kameraet med en Arduino Nano. Kameraet er monteret på en PVC -struktur, der forbinder til en sort boks, der holder objektet, der skal scannes og elektronik.

Til CT-scanning belyses objektet bagfra med et højtydende LED-array. Mængden af lys, der opsamles af kameraet, afhænger af, hvor meget der absorberes af objektet. Til 3D -scanning belyses objektet forfra ved hjælp af et adresserbart LED -array, der styres med Arduino. Objektet roteres ved hjælp af en trinmotor, som styres ved hjælp af en H-bro (L9110) og Arduino.

For at justere parametrene for scanningen designede jeg scanneren med en LCD -skærm, to potentiometre og to trykknapper. Potentiometrene bruges til at styre antallet af fotos i scanningen og eksponeringstiden, og trykknapperne fungerer som en "enter" -knap og en "reset" -knap. Lcd -skærmen viser muligheder for scanningen, og derefter den aktuelle status for scanningen, når erhvervelsen begynder.

Efter placering af prøven til en CT- eller 3D -scanning styrer scanneren automatisk kameraet, lysdioderne og motoren for at optage alle billederne. Billederne bruges derefter til rekonstruktion af en 3D -model af objektet ved hjælp af Matlab eller PhotoScan.

Trin 3: Forsyningsliste

Elektronik:

• Arduino Nano
• Stepmotor (3.5V, 1A)
• H-bro L9110
• 16x2 LCD -skærm
• 3X 10k potentiometre
• 2X trykknapper
• 220ohm modstand
• 1 kohm modstand
• 12V 3A strømforsyning
• Buck konverter
• Power jack hun
• Power tønde stik
• Mikro USB forlængerkabel
• Afbryderen
• Potentiometer knapper
• PCB standoffs
• Prototype bord
• Wire wrap wire
• Elektrisk tape

Kamera og belysning:

• Et kamera, jeg brugte en Nikon D5000 dSLR
• Prime -objektiv (brændvidde = 50 mm)
• Rørforlænger
• Akromatisk dublet (brændvidde = 180 mm)
• Lukker fjernbetjening
• Adresserbar LED -strimmel
• Utilitech pro 1-lumen bærbart LED-lys
• Papir til spredning af lys

Lyskasse:

• 2x 26cmx26cm ¼ tommer tyk krydsfiner
• 2x 30cmx26cm ¼ tommer tyk krydsfiner
• 1x 30cmx25cm ½ tommer tyk krydsfiner
• 2 x ½ tommer diameter dyvelstænger
• 8x L-formede PVC-samlinger ½ tommer i diameter
• 8x T-formede PVC-samlinger ½ tommer i diameter
• 1x PVC kappe ½ tomme diameter
• 4 fødder 1x2 fyr
• Tynd aluminiumsplade
• Sort plakatbræt
• Møtrikker og bolte
• Forår

Værktøjer:

• Loddekolbe
• El -boremaskine
• Wire wrap værktøj
• Dremel
• Stiksav
• Trådskærere
• Saks
• Tape

Trin 4: Kassedesign og 3D -monteringer

Storpris i Epilog Challenge 9