Galda datora CT un 3D skeneris ar Arduino: 12 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Džons BumsteadSekot vairāk autora:

Par: Gaismas, mūzikas un elektronikas projekti. Atrodiet tos visus manā vietnē: www.jbumstead.com Vairāk par jbumstead »

Datortomogrāfija (CT) vai aprēķinātā aksiālā tomogrāfija (CAT) visbiežāk ir saistīta ar ķermeņa attēlveidošanu, jo tā ļauj ārstiem redzēt anatomisko struktūru pacienta iekšienē, neveicot nekādas operācijas. Lai attēlotu cilvēka ķermeņa iekšienē, CT skenerim ir nepieciešami rentgenstari, jo starojumam jāspēj iekļūt caur ķermeni. Ja objekts ir daļēji caurspīdīgs, faktiski ir iespējams veikt CT skenēšanu, izmantojot redzamo gaismu! Šo metodi sauc par optisko CT, kas atšķiras no populārākās optiskās attēlveidošanas metodes, kas pazīstama kā optiskā koherences tomogrāfija.

Lai iegūtu daļēji caurspīdīgu objektu 3D skenēšanu, es izveidoju optisko CT skeneri, izmantojot Arduino Nano un Nikon dSLR. Projekta vidū es sapratu, ka fotogrammetrijai, kas ir vēl viena 3D skenēšanas tehnika, nepieciešama liela daļa tādas pašas aparatūras kā optiskajam CT skenerim. Šajā pamācībā es aplūkošu manu izveidoto sistēmu, kas spēj veikt CT skenēšanu un fotogrammetriju. Pēc attēlu iegūšanas man ir jāveic darbības, lai 3D rekonstrukciju aprēķināšanai izmantotu PhotoScan vai Matlab.

Lai iegūtu pilnu 3D skenēšanas nodarbību, šeit varat apskatīt pamācību klasi.

Nesen uzzināju, ka Bens Krasnovs uzbūvēja rentgena CT iekārtu ar Arduino. Iespaidīgi!

Pēc ievietošanas Michalis Orfanakis dalījās ar savu mājās uzbūvēto optisko CT skeneri, par ko ieguva 1. balvu zinātnē Science on Stage Europe 2017! Izlasiet zemāk esošos komentārus, lai iegūtu pilnu dokumentāciju par viņa būvi.

Resursi par optisko CT:

S J Doran un N Krstaji optiskās datortomogrāfijas vēsture un principi trīsdimensiju starojuma dozimetru skenēšanai

Trīsdimensiju attēla rekonstrukcija CCD kameras optiskajam datortomogrāfijas skenerim, autore Hanna Mērija Tomasa T, studentu biedre, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Paralēlas gaismas CCD optiskās tomogrāfijas aparāta fokusējošā optika Nikola Krstajic un Simon J Doran 3D starojuma gēla dozimetrijai

1. darbība: datortomogrāfijas un fotogrammetrijas fons

CT skenēšanai nepieciešams starojuma avots (piemēram, rentgena stari vai gaisma) vienā objekta pusē un detektori otrā pusē. Radiācijas daudzums, kas nonāk detektorā, ir atkarīgs no tā, cik absorbējošs objekts atrodas noteiktā vietā. Viens attēls, kas iegūts tikai ar šo iestatījumu, rada rentgenstaru. Rentgena starojums ir kā ēna, un visa 3D informācija tiek projicēta vienā 2D attēlā. Lai veiktu 3D rekonstrukcijas, CT skeneris iegūst rentgena skenēšanu daudzos leņķos, pagriežot objektu vai avota detektora masīvu.

CT skenera savāktos attēlus sauc par sinogrammām, un tie parāda rentgena staru absorbciju caur vienu ķermeņa šķēli pret leņķi. Izmantojot šos datus, objekta šķērsgriezumu var iegūt, izmantojot matemātisku operāciju, ko sauc par apgriezto radona transformāciju. Lai iegūtu sīkāku informāciju par šīs darbības darbību, skatiet šo videoklipu.

Tas pats princips tiek piemērots optiskajam CT skenerim ar kameru, kas darbojas kā detektors, un LED bloku, kas darbojas kā avots. Viena no svarīgākajām dizaina daļām ir tā, ka gaismas stari, ko savāc objektīvs, ir paralēli, pārvietojoties pa objektu. Citiem vārdiem sakot, objektīvam jābūt telecentriskai.

Fotogrammetrija pieprasa, lai objekts būtu apgaismots no priekšpuses. Gaisma tiek atstarota no objekta un to savāc kamera. Lai izveidotu 3D attēlojumu par objekta virsmu telpā, var izmantot vairākus skatus.

Kamēr fotogrammetrija nodrošina objekta virsmas profilēšanu, CT skenēšana ļauj atjaunot objektu iekšējo struktūru. Galvenais optiskās CT trūkums ir tas, ka attēlveidošanai var izmantot tikai daļēji caurspīdīgus objektus (piemēram, augļus, salvešpapīru, gumijas lāčus utt.), Turpretim fotogrammetrija var darboties lielākajā daļā objektu. Turklāt fotogrammetrijai ir daudz modernāka programmatūra, tāpēc rekonstrukcijas izskatās neticami.

2. darbība: sistēmas pārskats

Attēlveidošanai ar skeneri es izmantoju Nikon D5000 ar 50 mm fokusa attāluma f/1,4 objektīvu. Lai panāktu telecentrisko attēlveidošanu, es izmantoju 180 mm akromatisko dubultu, kas atdalīts no 50 mm objektīva ar caurules pagarinātāju. Lai palielinātu lauka dziļumu, objektīvs tika apturēts līdz f/11 vai f/16.

Kamera tika vadīta, izmantojot aizvara tālvadības pulti, kas savieno kameru ar Arduino Nano. Kamera ir uzstādīta uz PVC konstrukcijas, kas savienojas ar melnu kastīti, kurā atrodas skenējamais objekts un elektronika.

CT skenēšanai objekts tiek izgaismots no aizmugures ar lieljaudas LED bloku. Kameras savāktais gaismas daudzums ir atkarīgs no tā, cik daudz objekts absorbē. 3D skenēšanai objekts tiek izgaismots no priekšpuses, izmantojot adresējamu LED bloku, kas tiek kontrolēts ar Arduino. Objekts tiek pagriezts, izmantojot soļu motoru, kuru kontrolē, izmantojot H tiltu (L9110) un Arduino.

Lai pielāgotu skenēšanas parametrus, es izveidoju skeneri ar LCD ekrānu, diviem potenciometriem un divām spiedpogām. Potenciometrus izmanto, lai kontrolētu skenēto fotoattēlu skaitu un ekspozīcijas laiku, un spiedpogas darbojas kā poga “ievadīt” un “atiestatīt”. LCD ekrānā tiek parādītas skenēšanas opcijas un pēc tam skenēšanas pašreizējais statuss, kad sākas iegūšana.

Pēc parauga novietošanas CT vai 3D skenēšanai skeneris automātiski kontrolē kameru, gaismas diodes un motoru, lai iegūtu visus attēlus. Attēli tiek izmantoti objekta 3D modeļa rekonstruēšanai, izmantojot Matlab vai PhotoScan.

3. solis: piegādes saraksts

Elektronika:

• Arduino Nano
• Stepper motors (3.5V, 1A)
• H-tilts L9110
• 16x2 LCD ekrāns
• 3x 10k potenciometri
• 2X spiedpogas
• 220 omu rezistors
• 1 khm rezistors
• 12V 3A barošanas avots
• Buck pārveidotājs
• Strāvas ligzda sieviete
• Strāvas mucas kontaktdakša
• Micro USB pagarinātājs
• Strāvas slēdzis
• Potenciometra pogas
• PCB atkāpes
• Prototipa dēlis
• Stiepļu ietīšanas stieple
• Elektriskā lente

Kamera un apgaismojums:

• Kamera, es izmantoju Nikon D5000 dSLR
• Galvenais objektīvs (fokusa attālums = 50 mm)
• Cauruļu pagarinātājs
• Akromatiskais dubults (fokusa attālums = 180 mm)
• Aizvara tālvadības pults
• Adresējama LED sloksne
• Pārnēsājama Utilitech pro 1 lūmena LED gaisma
• Papīrs gaismas izkliedēšanai

Gaismas kaste:

• 2x 26cmx26cm ¼ collu biezs saplāksnis
• 2x 30cmx26cm ¼ collu biezs saplāksnis
• 1x 30cmx25cm ½ collu biezs saplāksnis
• 2x ½ collu diametra dībeļu stieņi
• 8x L formas PVC savienojumi ½ collas diametrā
• 8x T veida PVC savienojumi ½ collas diametrā
• 1x PVC apmetnis ½ collas diametrā
• 4 pēdas 1x2 priede
• Plāna alumīnija loksne
• Melns plakātu dēlis
• Skrūves un uzgriežņi
• Pavasaris

Rīki:

• Lodāmurs
• Spēka urbis
• Stiepļu ietīšanas rīks
• Dremel
• Finierzāģis
• Stiepļu griezēji
• Šķēres
• Lente

4. solis: kastes dizains un 3D stiprinājumi

Galvenā balva Epilog Challenge 9