Desktop CT och 3D -skanner med Arduino: 12 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Av jbumsteadJon BumsteadFölj mer av författaren:

Om: Projekt inom ljus, musik och elektronik. Hitta dem alla på min webbplats: www.jbumstead.com Mer om jbumstead »

Datortomografi (CT) eller datortaxial tomografi (CAT) associeras oftast med avbildning av kroppen eftersom det gör det möjligt för kliniker att se den anatomiska strukturen inuti patienten utan att behöva göra någon operation. För att få en bild inuti människokroppen kräver en CT-skanner röntgen eftersom strålningen måste kunna tränga igenom kroppen. Om objektet är halvtransparent är det faktiskt möjligt att genomföra CT-skanning med synligt ljus! Tekniken kallas optisk CT, som är annorlunda än den mer populära optiska bildtekniken som kallas optisk koherens tomografi.

För att skaffa 3D-skanningar av halvtransparenta objekt konstruerade jag en optisk CT-skanner med en Arduino Nano och Nikon dSLR. Halvvägs genom projektet insåg jag att fotogrammetri, en annan 3D -skanningsteknik, kräver mycket av samma hårdvara som en optisk CT -skanner. I denna instruerbara kommer jag att gå över det system jag konstruerade som kan CT -skanning och fotogrammetri. Efter att ha skaffat bilder har jag steg för att använda PhotoScan eller Matlab för beräkning av 3D -rekonstruktioner.

För en fullständig klass om 3D -skanning kan du kolla in instruktionsklassen här.

Jag fick nyligen reda på att Ben Krasnow byggde en röntgen CT-maskin med en Arduino. Imponerande!

Efter inlägget delade Michalis Orfanakis sin hembyggda optiska CT -skanner, för vilken han vann första priset i Science on Stage Europe 2017! Läs kommentarerna nedan för fullständig dokumentation om hans byggnad.

Resurser för optisk CT:

Historien och principerna för optisk datortomografi för skanning av 3D-strålningsdosimetrar av SJ Doran och N Krstaji

Tredimensionell bildrekonstruktion för CCD-kamera baserad optisk datortomografiskanner av Hannah Mary Thomas T, studentmedlem, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Fokuseringsoptik för en parallellstråle CCD optisk tomografiapparat för 3D -strålning gel dosimetri av Nikola Krstaji´c och Simon J Doran

Steg 1: Datortomografi och fotogrammetri

CT-skanning kräver en strålningskälla (t.ex. röntgen eller ljus) på ena sidan av ett föremål och detektorer på den andra sidan. Mängden strålning som gör det till detektorn beror på hur absorberande objektet är på en viss plats. En enda bild som erhållits med denna inställning ensam är det som producerar en röntgen. En röntgen är som en skugga och har all 3D-information projicerad i en enda 2D-bild. För att göra 3D-rekonstruktioner förvärvar en CT-skanner röntgenundersökningar över många vinklar genom att antingen rotera objektet eller källdetektormatrisen.

Bilderna som samlas in av en CT-skanner kallas sinogram, och de visar absorption av röntgenstrålar genom en del av kroppen kontra vinkel. Med hjälp av dessa data kan ett tvärsnitt av objektet förvärvas med hjälp av en matematisk operation som kallas invers radontransform. För fullständig information om hur denna operation fungerar, kolla in den här videon.

Samma princip tillämpas för den optiska CT -skannern med en kamera som fungerar som detektor och LED -arrayen som fungerar som källa. En av designens viktiga delar är att ljusstrålarna som samlas upp av linsen är parallella när de färdas genom objektet. Med andra ord ska linsen vara telecentrisk.

Fotogrammetri kräver att objektet belyses framifrån. Ljus reflekteras från objektet och samlas in av kameran. Flera vyer kan användas för att skapa en 3D -kartläggning av ytan på ett objekt i rymden.

Medan fotogrammetri möjliggör ytprofilering av ett objekt, möjliggör CT -skanning rekonstruktion av objektens inre struktur. Den största nackdelen med optisk CT är att du bara kan använda föremål som är halvtransparenta för avbildningen (t.ex. frukt, mjukpapper, gummibjörnar etc.), medan fotogrammetri kan fungera för de flesta objekt. Dessutom finns det mycket mer avancerad programvara för fotogrammetri så rekonstruktionerna ser otroliga ut.

Steg 2: Systemöversikt

Jag använde en Nikon D5000 med ett objektiv på 50 mm brännvidd f/1.4 för avbildning med skannern. För att uppnå telecentrisk avbildning använde jag en 180 mm akromatisk dublett separerad från 50 mm -linsen med en rörförlängare. Objektivet stoppades ner till f/11 eller f/16 för att öka skärpedjupet.

Kameran styrdes med hjälp av en slutare som ansluter kameran till en Arduino Nano. Kameran är monterad på en PVC -struktur som ansluts till en svart låda som rymmer objektet som ska skannas och elektronik.

För CT-skanning belyses objektet från baksidan med en kraftfull LED-array. Mängden ljus som samlas in av kameran beror på hur mycket som absorberas av objektet. För 3D -skanning belyses objektet framifrån med en adresserbar LED -array som styrs med Arduino. Objektet roteras med en stegmotor som styrs med en H-bro (L9110) och Arduino.

För att justera parametrarna för skanningen designade jag skannern med en LCD -skärm, två potentiometrar och två tryckknappar. Potentiometrarna används för att styra antalet foton i skanningen och exponeringstiden, och tryckknapparna fungerar som en "enter" -knapp och en "reset" -knapp. Lcd -skärmen visar alternativ för skanningen, och sedan den aktuella statusen för skanningen när förvärvet börjar.

Efter att provet har placerats för en CT- eller 3D -skanning styr skannern automatiskt kameran, lysdioderna och motorn för att få alla bilder. Bilderna används sedan för att rekonstruera en 3D -modell av objektet med Matlab eller PhotoScan.

Steg 3: Utbudslista

Elektronik:

• Arduino Nano
• Stegmotor (3,5V, 1A)
• H-brygga L9110
• 16x2 LCD -skärm
• 3X 10k potentiometrar
• 2X tryckknappar
• 220ohm motstånd
• 1 kohm motstånd
• 12V 3A strömförsörjning
• Buck -omvandlare
• Power jack hona
• Power fat plug
• Micro USB förlängningskabel
• Strömbrytare
• Potentiometervred
• PCB -avstånd
• Prototypbräda
• Wire wrap wire
• Eltejp

Kamera och belysning:

• En kamera, jag använde en Nikon D5000 dSLR
• Prime -objektiv (brännvidd = 50 mm)
• Rörförlängare
• Akromatisk dublett (brännvidd = 180 mm)
• Slutare
• Adresserbar LED -remsa
• Utilitech pro 1-lumen bärbart LED-ljus
• Papper för spridning av ljus

Ljuslåda:

• 2x 26cmx26cm ¼ tum tjock plywood
• 2x 30cmx26cm ¼ tum tjock plywood
• 1x 30cmx25cm ½ tum tjock plywood
• 2 x ½ tum diameter pluggar
• 8x L-formade PVC-skarvar ½ tum diameter
• 8x T-formade PVC-skarvar ½ tum diameter
• 1x PVC -cape ½ tum diameter
• 4 fot 1x2 tall
• Tunn aluminiumplåt
• Svart affisch
• Muttrar och bultar
• Vår

Verktyg:

• Lödkolv
• Borrmaskin
• Trådlindningsverktyg
• Dremel
• Kontursåg
• Avbitartång
• Sax
• Tejp

Steg 4: Boxdesign och 3D -fästen

Stora priset i Epilog Challenge 9