Desktop-CT und 3D-Scanner mit Arduino - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

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Computertomographie (CT) oder Computer-Axial-Tomographie (CAT) werden am häufigsten mit der Bildgebung des Körpers in Verbindung gebracht, da sie es Ärzten ermöglichen, die anatomische Struktur im Inneren des Patienten zu sehen, ohne dass eine Operation durchgeführt werden muss. Um das Innere des menschlichen Körpers abzubilden, benötigt ein CT-Scanner Röntgenstrahlen, da die Strahlung den Körper durchdringen muss. Wenn das Objekt halbtransparent ist, ist es tatsächlich möglich, CT-Scans mit sichtbarem Licht durchzuführen! Die Technik wird als optische CT bezeichnet und unterscheidet sich von der populäreren optischen Bildgebungstechnik, die als optische Kohärenztomographie bekannt ist.

Um 3D-Scans von halbtransparenten Objekten zu erhalten, baute ich einen optischen CT-Scanner mit einem Arduino Nano und einer Nikon dSLR. Nach der Hälfte des Projekts wurde mir klar, dass die Photogrammetrie, eine weitere 3D-Scantechnik, die gleiche Hardware wie ein optischer CT-Scanner benötigt. In diesem anweisbaren gehe ich über das System, das ich konstruierte, das CT-Scannen und Photogrammetrie ermöglicht. Nach der Aufnahme von Bildern habe ich Schritte zur Verwendung von PhotoScan oder Matlab zum Berechnen von 3D-Rekonstruktionen.

Für eine vollständige Klasse zum 3D-Scannen können Sie sich hier die Instructables-Klasse ansehen.

Ich habe kürzlich erfahren, dass Ben Krasnow ein Röntgen-CT-Gerät mit einem Arduino gebaut hat. Beeindruckend!

Nach der Veröffentlichung teilte Michalis Orfanakis seinen selbstgebauten optischen CT-Scanner, für den er den 1. Preis in Science on Stage Europe 2017 gewann! Lesen Sie die Kommentare unten, um die vollständige Dokumentation zu seinem Build zu erhalten.

Ressourcen zur optischen CT:

Geschichte und Prinzipien der optischen Computertomographie zum Scannen von 3-D-Strahlungsdosimetern von S. J. Doran und N. Krstaji

Dreidimensionale Bildrekonstruktion für einen auf CCD-Kameras basierenden optischen Computertomographen von Hannah Mary Thomas T, Studentisches Mitglied, IEEE, D Devakumar, Paul B. Ravindran

Fokussierungsoptik eines optischen Parallelstrahl-CCD-Tomographiegeräts für die 3D-Strahlungsgeldosimetrie von Nikola Krstaji´c und Simon J Doran

Schritt 1: Computertomographie und Photogrammetrie-Hintergrund

CT-Scans erfordern eine Strahlungsquelle (z. B. Röntgenstrahlen oder Licht) auf einer Seite eines Objekts und Detektoren auf der anderen Seite. Die Strahlungsmenge, die zum Detektor gelangt, hängt davon ab, wie aufnahmefähig das Objekt an einem bestimmten Ort ist. Allein ein einzelnes Bild, das mit diesem Setup aufgenommen wurde, erzeugt eine Röntgenaufnahme. Ein Röntgenbild ist wie ein Schatten und enthält alle 3D-Informationen, die in ein einziges 2D-Bild projiziert werden. Um 3D-Rekonstruktionen durchzuführen, erfasst ein CT-Scanner Röntgenscans über viele Winkel, indem er entweder das Objekt oder das Quellen-Detektor-Array dreht.

Die von einem CT-Scanner aufgenommenen Bilder werden als Sinogramme bezeichnet und zeigen die Absorption von Röntgenstrahlen durch eine Schicht des Körpers gegenüber dem Winkel. Unter Verwendung dieser Daten kann ein Querschnitt des Objekts unter Verwendung einer mathematischen Operation gewonnen werden, die als inverse Radon-Transformation bezeichnet wird. Ausführliche Informationen zur Funktionsweise dieses Vorgangs finden Sie in diesem Video.

Das gleiche Prinzip gilt für den optischen CT-Scanner mit einer Kamera als Detektor und dem LED-Array als Quelle. Einer der wichtigsten Teile des Designs ist, dass die Lichtstrahlen, die von der Linse gesammelt werden, beim Durchlaufen des Objekts parallel sind. Mit anderen Worten, das Objektiv sollte telezentrisch sein.

Bei der Photogrammetrie muss das Objekt von vorne beleuchtet werden. Licht wird vom Objekt reflektiert und von der Kamera gesammelt. Mehrere Ansichten können verwendet werden, um eine 3D-Abbildung der Oberfläche eines Objekts im Raum zu erstellen.

Während die Photogrammetrie die Oberflächenprofilierung eines Objekts ermöglicht, ermöglicht das CT-Scannen die Rekonstruktion der inneren Struktur von Objekten. Der große Nachteil der optischen CT besteht darin, dass Sie nur halbtransparente Objekte für die Bildgebung verwenden können (z. B. Früchte, Seidenpapier, Gummibärchen usw.), während die Photogrammetrie für die meisten Objekte funktionieren kann. Darüber hinaus gibt es viel fortschrittlichere Software für die Photogrammetrie, sodass die Rekonstruktionen unglaublich aussehen.

Schritt 2: Systemübersicht

Für die Aufnahme mit dem Scanner habe ich eine Nikon D5000 mit einem Objektiv mit 50 mm Brennweite f/1.4 verwendet. Um eine telezentrische Bildgebung zu erreichen, habe ich ein 180-mm-achromatisches Dublett verwendet, das mit einem Tubus-Extender vom 50-mm-Objektiv getrennt wurde. Das Objektiv wurde auf f/11 oder f/16 abgeblendet, um die Schärfentiefe zu erhöhen.

Die Kamera wurde mit einer Shutter-Fernbedienung gesteuert, die die Kamera mit einem Arduino Nano verbindet. Die Kamera ist an einer PVC-Struktur montiert, die mit einer Blackbox verbunden ist, die das zu scannende Objekt und die Elektronik enthält.

Beim CT-Scannen wird das Objekt von hinten mit einem Hochleistungs-LED-Array beleuchtet. Die von der Kamera gesammelte Lichtmenge hängt davon ab, wie viel vom Objekt absorbiert wird. Beim 3D-Scannen wird das Objekt von vorne mit einem adressierbaren LED-Array beleuchtet, das mit dem Arduino gesteuert wird. Das Objekt wird mit einem Schrittmotor gedreht, der mit einer H-Brücke (L9110) und dem Arduino gesteuert wird.

Um die Parameter des Scans einzustellen, habe ich den Scanner mit einem LCD-Bildschirm, zwei Potentiometern und zwei Drucktasten ausgestattet. Mit den Potentiometern werden die Anzahl der Fotos im Scan und die Belichtungszeit gesteuert, die Drucktasten fungieren als „Enter“-Taste und „Reset“-Taste. Der LCD-Bildschirm zeigt Optionen für den Scan und dann den aktuellen Status des Scans an, sobald die Erfassung beginnt.

Nach dem Positionieren der Probe für einen CT- oder 3D-Scan steuert der Scanner automatisch die Kamera, die LEDs und den Motor, um alle Bilder aufzunehmen. Die Bilder werden dann zur Rekonstruktion eines 3D-Modells des Objekts mit Matlab oder PhotoScan verwendet.

Schritt 3: Lieferliste

Elektronik:

• Arduino Nano
• Schrittmotor (3,5V, 1A)
• H-Brücke L9110
• 16x2 LCD-Bildschirm
• 3X 10k Potentiometer
• 2X Drucktasten
• 220 Ohm Widerstand
• 1kOhm Widerstand
• 12V 3A Netzteil
• Abwärtswandler
• Strombuchse weiblich
• Stromlaufstecker
• Micro-USB-Verlängerungskabel
• Stromschalter
• Potentiometerknöpfe
• PCB-Abstandshalter
• Prototypenplatine
• Wire-Wrap-Draht
• Isolierband

Kamera und Beleuchtung:

• Als Kamera habe ich eine Nikon D5000 dSLR verwendet
• Festbrennweite (Brennweite = 50 mm)
• Rohrverlängerung
• Achromatisches Dublett (Brennweite = 180mm)
• Rollladen-Fernbedienung
• Adressierbarer LED-Streifen
• Utilitech pro tragbares LED-Licht mit 1 Lumen
• Papier zur Streuung von Licht

Leuchtkasten:

• 2x 26cmx26cm ¼ Zoll dickes Sperrholz
• 2x 30cmx26cm ¼ Zoll dickes Sperrholz
• 1x 30cmx25cm ½ Zoll dickes Sperrholz
• 2x Dübelstangen mit einem Durchmesser von ½ Zoll
• 8x L-förmige PVC-Verbindungen ½ Zoll Durchmesser
• 8x T-förmige PVC-Verbindungen ½ Zoll Durchmesser
• 1x PVC-Umhang ½ Zoll Durchmesser
• 4 Fuß 1x2 Kiefer
• Dünnes Aluminiumblech
• Schwarze Plakatwand
• Schrauben und Muttern
• Feder

Werkzeuge:

• Lötkolben
• Bohrmaschine
• Wire-Wrap-Tool
• Dremel
• Puzzle
• Kabelschneider
• Schere
• Band

Schritt 4: Box-Design und 3D-Halterungen

Großer Preis in der Epilog Challenge 9