Desktop CT en 3D-scanner met Arduino - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Door jbumsteadJon BumsteadVolg meer van de auteur:

Over: Projecten in licht, muziek en elektronica. Vind ze allemaal op mijn site: www.jbumstead.com Meer over jbumstead »

Computertomografie (CT) of computergestuurde axiale tomografie (CAT) wordt meestal geassocieerd met beeldvorming van het lichaam omdat het clinici in staat stelt de anatomische structuur in de patiënt te zien zonder een operatie te hoeven doen. Om het menselijk lichaam in beeld te brengen, heeft een CT-scanner röntgenstraling nodig, omdat de straling door het lichaam moet kunnen dringen. Als het object semi-transparant is, is het wel degelijk mogelijk om CT-scans uit te voeren met zichtbaar licht! De techniek wordt optische CT genoemd, wat anders is dan de meer populaire optische beeldvormingstechniek die bekend staat als optische coherentietomografie.

Om 3D-scans van semi-transparante objecten te verkrijgen, heb ik een optische CT-scanner geconstrueerd met behulp van een Arduino Nano en Nikon dSLR. Halverwege het project realiseerde ik me dat fotogrammetrie, een andere 3D-scantechniek, veel van dezelfde hardware vereist als een optische CT-scanner. In deze instructable zal ik het systeem bespreken dat ik heb gebouwd en dat in staat is tot CT-scanning en fotogrammetrie. Na het verkrijgen van afbeeldingen, heb ik stappen voor het gebruik van PhotoScan of Matlab voor het berekenen van 3D-reconstructies.

Voor een volledige les over 3D-scannen, kun je de instructables-klasse hier bekijken.

Ik kwam er onlangs achter dat Ben Krasnow een röntgen-CT-machine heeft gebouwd met een Arduino. Indrukwekkend!

Na het posten deelde Michalis Orfanakis zijn zelfgebouwde optische CT-scanner, waarvoor hij de 1e prijs in Science on Stage Europe 2017 won! Lees de opmerkingen hieronder voor volledige documentatie over zijn build.

Bronnen over optische CT:

De geschiedenis en principes van optische computertomografie voor het scannen van 3D-stralingsdosimeters door SJ Doran en N Krstaji

Driedimensionale beeldreconstructie voor op CCD-camera gebaseerde optische computertomografiescanner door Hannah Mary Thomas T, studentlid, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Focusoptiek van een optisch tomografieapparaat met parallelle bundel CCD voor 3D-stralingsgeldosimetrie door Nikola Krstaji´c en Simon J Doran

Stap 1: Achtergrond computertomografie en fotogrammetrie

CT-scanning vereist een stralingsbron (bijvoorbeeld röntgenstralen of licht) aan de ene kant van een object en detectoren aan de andere kant. De hoeveelheid straling die de detector bereikt, hangt af van hoe absorberend het object op een bepaalde locatie is. Een enkel beeld dat alleen met deze opstelling is gemaakt, produceert een röntgenfoto. Een röntgenfoto is als een schaduw en alle 3D-informatie wordt geprojecteerd in een enkel 2D-beeld. Om 3D-reconstructies te maken, verwerft een CT-scanner röntgenscans over vele hoeken door het object of de bron-detectorarray te roteren.

De afbeeldingen die door een CT-scanner worden verzameld, worden sinogrammen genoemd en ze tonen absorptie van röntgenstralen door één plak van het lichaam versus hoek. Met behulp van deze gegevens kan een dwarsdoorsnede van het object worden verkregen met behulp van een wiskundige bewerking die de inverse radontransformatie wordt genoemd. Bekijk deze video voor volledige details over hoe deze bewerking werkt.

Hetzelfde principe wordt toegepast voor de optische CT-scanner met een camera als detector en de LED-array als bron. Een van de belangrijke onderdelen van het ontwerp is dat de lichtstralen die door de lens worden opgevangen evenwijdig zijn wanneer ze door het object reizen. Met andere woorden, de lens moet telecentrisch zijn.

Fotogrammetrie vereist dat het object van voren wordt verlicht. Licht wordt gereflecteerd door het object en wordt opgevangen door de camera. Er kunnen meerdere weergaven worden gebruikt om een 3D-afbeelding van het oppervlak van een object in de ruimte te maken.

Terwijl fotogrammetrie oppervlakteprofilering van een object mogelijk maakt, maakt CT-scanning de reconstructie van de interne structuur van objecten mogelijk. Het grote nadeel van optische CT is dat je alleen objecten kunt gebruiken die semi-transparant zijn voor de beeldvorming (bijvoorbeeld fruit, tissuepapier, gummiebeertjes, enz.), terwijl fotogrammetrie voor de meeste objecten kan werken. Bovendien is er veel geavanceerdere software voor fotogrammetrie, dus de reconstructies zien er ongelooflijk uit.

Stap 2: Systeemoverzicht

Ik gebruikte een Nikon D5000 met een 50 mm brandpuntsafstand f/1.4 lens voor beeldvorming met de scanner. Om telecentrische beeldvorming te bereiken, gebruikte ik een 180 mm achromatisch doublet gescheiden van de 50 mm-lens met een buisverlenger. De lens werd gestopt tot f/11 of f/16 om de scherptediepte te vergroten.

De camera werd bestuurd met behulp van een sluiter-afstandsbediening die de camera verbindt met een Arduino Nano. De camera is gemonteerd op een PVC-structuur die is aangesloten op een zwarte doos die het te scannen object en de elektronica bevat.

Voor CT-scanning wordt het object van achteren verlicht met een krachtige LED-array. De hoeveelheid licht die door de camera wordt opgevangen, hangt af van hoeveel door het object wordt geabsorbeerd. Voor 3D-scanning wordt het object van voren verlicht met behulp van een adresseerbare LED-array die wordt aangestuurd met de Arduino. Het object wordt geroteerd met behulp van een stappenmotor, die wordt bestuurd met behulp van een H-brug (L9110) en de Arduino.

Om de parameters van de scan aan te passen, heb ik de scanner ontworpen met een lcd-scherm, twee potmeters en twee drukknoppen. De potentiometers worden gebruikt om het aantal foto's in de scan en de belichtingstijd te regelen, en de drukknoppen functioneren als een "enter" -knop en een "reset" -knop. Het lcd-scherm geeft opties voor de scan weer en vervolgens de huidige status van de scan zodra de acquisitie begint.

Na het positioneren van het monster voor een CT- of 3D-scan, bestuurt de scanner automatisch de camera, LED's en motor om alle afbeeldingen te verkrijgen. De afbeeldingen worden vervolgens gebruikt voor het reconstrueren van een 3D-model van het object met behulp van Matlab of PhotoScan.

Stap 3: Bevoorradingslijst

Elektronica:

• Arduino Nano
• Stappenmotor (3.5V, 1A)
• H-brug L9110
• 16x2 lcd-scherm
• 3X 10k potentiometers
• 2X drukknoppen
• 220ohm weerstand
• 1kohm weerstand
• 12V 3A voeding
• Buck-omzetter
• Stroomaansluiting vrouwelijk
• Power barrel plug
• Micro-USB-verlengkabel
• Aan/uit-schakelaar
• Potentiometer knoppen
• PCB afstandhouders
• Prototype bord
• Draadomslagdraad
• Elektrische tape

Camera en verlichting:

• Een camera, ik gebruikte een Nikon D5000 dSLR
• Prime-lens (brandpuntsafstand = 50 mm)
• Buisverlenger
• Achromatisch doublet (brandpuntsafstand = 180 mm)
• Sluiter afstandsbediening
• Adresseerbare ledstrip
• Utilitech pro 1-lumen draagbare LED-lamp
• Papier voor diffuus licht

Lichtbak:

• 2x 26cmx26cm ¼ inch dik multiplex
• 2x 30cmx26cm ¼ inch dik multiplex
• 1x 30cmx25cm ½ inch dik multiplex
• 2 deuvelstangen met een diameter van ½ inch
• 8x L-vormige PVC-verbindingen ½ inch diameter
• 8x T-vormige PVC-verbindingen ½ inch diameter
• 1x PVC-cape inch diameter
• 4feet 1x2 grenen
• Dunne aluminium plaat
• Zwart aanplakbord
• Bouten en moeren
• Voorjaar

Gereedschap:

• Soldeerbout
• Boormachine
• Draadwikkelgereedschap
• Dremel
• legpuzzel
• Draadsnijders
• Schaar
• Plakband

Stap 4: Boxontwerp en 3D-montages

Hoofdprijs in de Epilog Challenge 9