Escáner CT y 3D de escritorio con Arduino: 12 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

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La tomografía computarizada (TC) o la tomografía axial computarizada (TAC) se asocia con mayor frecuencia con la obtención de imágenes del cuerpo porque permite a los médicos ver la estructura anatómica dentro del paciente sin tener que realizar ninguna cirugía. Para obtener imágenes del interior del cuerpo humano, un escáner de TC requiere rayos X porque la radiación debe poder penetrar a través del cuerpo. Si el objeto es semitransparente, ¡es posible realizar una tomografía computarizada con luz visible! La técnica se llama TC óptica, que es diferente a la técnica de imagen óptica más popular conocida como tomografía de coherencia óptica.

Para adquirir escaneos 3D de objetos semitransparentes, construí un escáner CT óptico usando un Arduino Nano y Nikon dSLR. A mitad del proyecto, me di cuenta de que la fotogrametría, otra técnica de escaneo 3D, requiere gran parte del mismo hardware que un escáner óptico de tomografía computarizada. En este instructivo, repasaré el sistema que construí que es capaz de realizar tomografías computarizadas y fotogrametría. Después de adquirir imágenes, tengo pasos sobre el uso de PhotoScan o Matlab para calcular reconstrucciones 3D.

Para una clase completa sobre escaneo 3D, puede consultar la clase de instructables aquí.

Recientemente descubrí que Ben Krasnow construyó una máquina de TC de rayos X con un Arduino. ¡Impresionante!

Después de publicar, Michalis Orfanakis compartió su escáner CT óptico de fabricación casera, por el que ganó el primer premio en Science on Stage Europe 2017. Lea los comentarios a continuación para obtener la documentación completa sobre su compilación.

Recursos sobre TC óptica:

La historia y los principios de la tomografía computarizada óptica para escanear dosímetros de radiación 3-D por S J Doran y N Krstaji

Reconstrucción de imágenes tridimensionales para el escáner de tomografía computarizada óptica basado en cámara CCD por Hannah Mary Thomas T, miembro estudiante, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Óptica de enfoque de un aparato de tomografía óptica CCD de haz paralelo para dosimetría en gel de radiación 3D por Nikola Krstaji´c y Simon J Doran

Paso 1: Antecedentes de la tomografía computarizada y la fotogrametría

La tomografía computarizada requiere una fuente de radiación (por ejemplo, rayos X o luz) en un lado de un objeto y detectores en el otro lado. La cantidad de radiación que llega al detector depende de qué tan absorbente sea el objeto en un lugar en particular. Una sola imagen adquirida con esta configuración es lo que produce una radiografía. Una radiografía es como una sombra y tiene toda la información 3D proyectada en una sola imagen 2D. Para realizar reconstrucciones en 3D, un escáner de tomografía computarizada adquiere escaneos de rayos X en muchos ángulos al girar el objeto o la matriz del detector de fuente.

Las imágenes recolectadas por un escáner de TC se denominan sinogramas y muestran la absorción de rayos X a través de un corte del cuerpo en función del ángulo. Con estos datos, se puede adquirir una sección transversal del objeto mediante una operación matemática llamada transformada inversa de radón. Para obtener detalles completos sobre cómo funciona esta operación, vea este video.

El mismo principio se aplica al escáner CT óptico con una cámara que actúa como detector y la matriz de LED actúa como fuente. Una de las partes importantes del diseño es que los rayos de luz que son recogidos por la lente son paralelos cuando viajan a través del objeto. En otras palabras, la lente debe ser telecéntrica.

La fotogrametría requiere que el objeto esté iluminado desde el frente. La luz se refleja en el objeto y es recogida por la cámara. Se pueden usar múltiples vistas para crear un mapeo 3D de la superficie de un objeto en el espacio.

Mientras que la fotogrametría permite perfilar la superficie de un objeto, la tomografía computarizada permite la reconstrucción de la estructura interna de los objetos. La principal desventaja de la TC óptica es que solo puede usar objetos que son semitransparentes para la imagen (por ejemplo, frutas, papel de seda, ositos de goma, etc.), mientras que la fotogrametría puede funcionar para la mayoría de los objetos. Además, hay un software de fotogrametría mucho más avanzado, por lo que las reconstrucciones se ven increíbles.

Paso 2: descripción general del sistema

Usé una Nikon D5000 con una lente de 50 mm de distancia focal f / 1.4 para tomar imágenes con el escáner. Para lograr imágenes telecéntricas, utilicé un doblete acromático de 180 mm separado de la lente de 50 mm con un extensor de tubo. La lente se detuvo af / 11 of / 16 para aumentar la profundidad de campo.

La cámara se controló mediante un obturador remoto que conecta la cámara a un Arduino Nano. La cámara está montada en una estructura de PVC que se conecta a una caja negra que contiene el objeto a escanear y la electrónica.

Para la exploración por TC, el objeto se ilumina desde la parte posterior con una matriz de LED de alta potencia. La cantidad de luz captada por la cámara depende de cuánta es absorbida por el objeto. Para el escaneo 3D, el objeto se ilumina desde el frente utilizando una matriz de LED direccionables que se controla con el Arduino. El objeto se gira mediante un motor paso a paso, que se controla mediante un puente H (L9110) y el Arduino.

Para ajustar los parámetros del escaneo, diseñé el escáner con una pantalla LCD, dos potenciómetros y dos botones. Los potenciómetros se utilizan para controlar el número de fotos en el escaneo y el tiempo de exposición, y los botones pulsadores funcionan como un botón de "entrada" y un botón de "reinicio". La pantalla LCD muestra las opciones para el escaneo y luego el estado actual del escaneo una vez que comienza la adquisición.

Después de colocar la muestra para una tomografía computarizada o una exploración 3D, el escáner controla automáticamente la cámara, los LED y el motor para adquirir todas las imágenes. Luego, las imágenes se utilizan para reconstruir un modelo 3D del objeto utilizando Matlab o PhotoScan.

Paso 3: Lista de suministros

Electrónica:

• Arduino Nano
• Motor paso a paso (3,5 V, 1 A)
• Puente en H L9110
• Pantalla Lcd 16x2
• 3 potenciómetros de 10k
• 2 botones pulsadores
• Resistencia de 220ohm
• Resistencia de 1 kohm
• Fuente de alimentación 12V 3A
• convertidor de moneda
• Toma de corriente hembra
• Enchufe de barril de energía
• Cable de extensión micro USB
• Interruptor de alimentación
• Perillas de potenciómetro
• Separadores de PCB
• Tablero prototipo
• Alambre de envoltura de alambre
• Cinta eléctrica

Cámara e iluminación:

• Una cámara, usé una Nikon D5000 dSLR
• Lente principal (distancia focal = 50 mm)
• Extensor de tubo
• Doblete acromático (distancia focal = 180 mm)
• Obturador remoto
• Tira de LED direccionable
• Lámpara portátil LED utilitech pro de 1 lumen
• Papel para difundir la luz

Caja ligera:

• 2x 26cmx26cm ¼ de pulgada de espesor de madera contrachapada
• 2x 30cmx26cm ¼ de pulgada de espesor de madera contrachapada
• 1x madera contrachapada de 30cmx25cm ½ pulgada de espesor
• Varillas de espiga de 2x ½ pulgada de diámetro
• 8 juntas de PVC en forma de L de ½ pulgada de diámetro
• 8 juntas de PVC en forma de T de ½ pulgada de diámetro
• 1x capa de PVC de ½ pulgada de diámetro
• 4 pies 1x2 pino
• Lámina de aluminio fina
• Cartulina negra
• Tuercas y tornillos
• Primavera

Instrumentos:

• Soldador
• Taladro eléctrico
• Herramienta de envoltura de alambre
• Dremel
• Rompecabezas
• Cortadores de alambre
• Tijeras
• Cinta

Paso 4: Diseño de caja y montajes 3D

Gran premio en el Epilog Challenge 9