Scanner CT e 3D desktop con Arduino: 12 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

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La tomografia computerizzata (TC) o la tomografia assiale computerizzata (TAC) è più spesso associata all'imaging del corpo perché consente ai medici di vedere la struttura anatomica all'interno del paziente senza dover eseguire alcun intervento chirurgico. Per visualizzare l'interno del corpo umano, uno scanner TC richiede i raggi X perché la radiazione deve essere in grado di penetrare attraverso il corpo. Se l'oggetto è semitrasparente, è effettivamente possibile eseguire la scansione TC utilizzando la luce visibile! La tecnica è chiamata TC ottica, che è diversa dalla tecnica di imaging ottico più popolare nota come tomografia a coerenza ottica.

Per acquisire scansioni 3D di oggetti semitrasparenti, ho costruito uno scanner ottico CT utilizzando un Arduino Nano e una Nikon dSLR. A metà del progetto, mi sono reso conto che la fotogrammetria, un'altra tecnica di scansione 3D, richiede gran parte dello stesso hardware di uno scanner ottico CT. In questo tutorial, esaminerò il sistema che ho costruito in grado di eseguire la scansione TC e la fotogrammetria. Dopo aver acquisito le immagini, ho i passaggi per utilizzare PhotoScan o Matlab per il calcolo delle ricostruzioni 3D.

Per una lezione completa sulla scansione 3D, puoi dare un'occhiata alla lezione sulle istruzioni qui.

Di recente ho scoperto che Ben Krasnow ha costruito una macchina TC a raggi X con un Arduino. Degno di nota!

Dopo la pubblicazione, Michalis Orfanakis ha condiviso il suo scanner ottico CT costruito in casa, per il quale ha vinto il 1° premio in Science on Stage Europe 2017! Leggi i commenti qui sotto per la documentazione completa sulla sua build.

Risorse su TA ottici:

La storia e i principi della tomografia computerizzata ottica per la scansione di dosimetri di radiazioni 3-D di S J Doran e N Krstaji

Ricostruzione di immagini tridimensionali per scanner ottico per tomografia computerizzata basato su fotocamera CCD di Hannah Mary Thomas T, Student Member, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Ottica di messa a fuoco di un apparato di tomografia ottica CCD a fasci paralleli per dosimetria su gel di radiazioni 3D di Nikola Krstaji´c e Simon J Doran

Passaggio 1: Tomografia computerizzata e sfondo della fotogrammetria

La scansione TC richiede una sorgente di radiazioni (ad esempio raggi X o luce) su un lato di un oggetto e rilevatori sull'altro lato. La quantità di radiazioni che arriva al rivelatore dipende da quanto assorbe l'oggetto in una particolare posizione. Una singola immagine acquisita con questa configurazione da sola è ciò che produce una radiografia. Una radiografia è come un'ombra e ha tutte le informazioni 3D proiettate in un'unica immagine 2D. Per effettuare ricostruzioni 3D, uno scanner CT acquisisce scansioni a raggi X su molti angoli ruotando l'oggetto o la matrice del rilevatore di origine.

Le immagini raccolte da uno scanner CT sono chiamate sinogrammi e mostrano l'assorbimento dei raggi X attraverso una sezione del corpo rispetto all'angolo. Utilizzando questi dati, è possibile acquisire una sezione trasversale dell'oggetto utilizzando un'operazione matematica chiamata trasformata di Radon inversa. Per tutti i dettagli su come funziona questa operazione, guarda questo video.

Lo stesso principio viene applicato per lo scanner ottico CT con una telecamera che funge da rivelatore e l'array di LED che funge da sorgente. Una delle parti importanti del design è che i raggi di luce raccolti dall'obiettivo sono paralleli quando viaggiano attraverso l'oggetto. In altre parole, l'obiettivo dovrebbe essere telecentrico.

La fotogrammetria richiede che l'oggetto sia illuminato frontalmente. La luce viene riflessa dall'oggetto e raccolta dalla fotocamera. È possibile utilizzare più viste per creare una mappatura 3D della superficie di un oggetto nello spazio.

Mentre la fotogrammetria consente la profilazione della superficie di un oggetto, la scansione TC consente la ricostruzione della struttura interna degli oggetti. Il principale svantaggio della TC ottica è che puoi utilizzare solo oggetti semitrasparenti per l'imaging (ad esempio frutta, carta velina, orsetti gommosi, ecc.), mentre la fotogrammetria può funzionare per la maggior parte degli oggetti. Inoltre, esiste un software molto più avanzato per la fotogrammetria, quindi le ricostruzioni sembrano incredibili.

Passaggio 2: panoramica del sistema

Ho usato una Nikon D5000 con un obiettivo da 50 mm di lunghezza focale f/1.4 per l'imaging con lo scanner. Per ottenere l'imaging telecentrico, ho usato un doppietto acromatico da 180 mm separato dall'obiettivo da 50 mm con un estensore del tubo. L'obiettivo è stato chiuso af/11 of/16 per aumentare la profondità di campo.

La fotocamera è stata controllata utilizzando un telecomando dell'otturatore che collega la fotocamera a un Arduino Nano. La telecamera è montata su una struttura in PVC che si collega a una scatola nera che contiene l'oggetto da scansionare e l'elettronica.

Per la scansione TC, l'oggetto è illuminato dal retro con un array di LED ad alta potenza. La quantità di luce raccolta dalla fotocamera dipende da quanto viene assorbita dall'oggetto. Per la scansione 3D, l'oggetto viene illuminato dalla parte anteriore utilizzando un array di LED indirizzabile controllato con Arduino. L'oggetto viene ruotato utilizzando un motore passo-passo, controllato tramite un H-bridge (L9110) e Arduino.

Per regolare i parametri della scansione, ho progettato lo scanner con uno schermo Lcd, due potenziometri e due pulsanti. I potenziometri vengono utilizzati per controllare il numero di foto nella scansione e il tempo di esposizione, mentre i pulsanti funzionano come un pulsante "invio" e un pulsante "reset". Lo schermo LCD mostra le opzioni per la scansione e quindi lo stato corrente della scansione una volta iniziata l'acquisizione.

Dopo aver posizionato il campione per una scansione TC o 3D, lo scanner controlla automaticamente la fotocamera, i LED e il motore per acquisire tutte le immagini. Le immagini vengono quindi utilizzate per ricostruire un modello 3D dell'oggetto utilizzando Matlab o PhotoScan.

Passaggio 3: elenco dei rifornimenti

Elettronica:

• Arduino Nano
• Motore passo-passo (3,5 V, 1 A)
• H-ponte L9110
• Schermo LCD 16x2
• Potenziometri 3X 10k
• 2X pulsanti
• Resistenza da 220 ohm
• resistenza da 1kohm
• Alimentazione 12V 3A
• Convertitore buck
• Presa di alimentazione femmina
• Spina del barilotto di alimentazione
• Cavo di prolunga micro USB
• Interruttore di alimentazione
• Manopole del potenziometro
• Distanziatori PCB
• Scheda prototipo
• Filo di avvolgimento del filo
• Nastro elettrico

Fotocamera e illuminazione:

• Una fotocamera, ho usato una Nikon D5000 dSLR
• Obiettivo a focale fissa (lunghezza focale = 50 mm)
• Prolunga tubo
• Doppietto acromatico (lunghezza focale = 180mm)
• Telecomando dell'otturatore
• Striscia LED indirizzabile
• Lampada portatile a LED Utilitech pro da 1 lumen
• Carta per diffondere la luce

Scatola luminosa:

• 2x 26 cm x 26 cm (compensato spesso pollici)
• 2x 30 cm x 26 cm (compensato spesso pollici)
• 1 x 30 cm x 25 cm di compensato spesso ½ pollice
• 2 barre di tassello da ½ pollice di diametro
• 8 giunti in PVC a forma di L ½ pollice di diametro
• 8 giunti in PVC a forma di T da ½ pollice di diametro
• 1x mantello in PVC ½ pollice di diametro
• 4 piedi 1x2 pino
• Foglio di alluminio sottile
• Cartellonistica nera
• Dadi e bulloni
• Primavera

Utensili:

• Saldatore
• Trapano elettrico
• Strumento per avvolgere il filo
• Dremel
• puzzle
• Pinza tagliafili
• Forbici
• Nastro

Passaggio 4: design della scatola e supporti 3D

Gran Premio nella Sfida Epilog 9