TC de mesa e scanner 3D com Arduino: 12 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Por jbumsteadJon BumsteadFollow Mais do autor:

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A tomografia computadorizada (TC) ou tomografia axial computadorizada (CAT) é mais frequentemente associada à imagem do corpo porque permite que os médicos vejam a estrutura anatômica dentro do paciente sem ter que fazer qualquer cirurgia. Para obter imagens dentro do corpo humano, um tomógrafo precisa de raios X porque a radiação deve ser capaz de penetrar no corpo. Se o objeto for semitransparente, é realmente possível realizar uma varredura de TC usando luz visível! A técnica é chamada de TC óptica, que é diferente da técnica de imagem óptica mais popular conhecida como tomografia de coerência óptica.

Para adquirir varreduras 3D de objetos semitransparentes, construí um scanner óptico de TC usando um Arduino Nano e Nikon dSLR. No meio do projeto, percebi que a fotogrametria, outra técnica de digitalização 3D, requer muito do mesmo hardware de um scanner óptico de tomografia computadorizada. Neste instrutível, examinarei o sistema que construí que é capaz de tomografia computadorizada e fotogrametria. Depois de adquirir as imagens, passo a usar o PhotoScan ou Matlab para computar reconstruções 3D.

Para uma aula completa sobre digitalização 3D, você pode conferir a aula instructables aqui.

Recentemente, descobri que Ben Krasnow construiu uma máquina de tomografia computadorizada de raios-X com um Arduino. Impressionante!

Depois de postar, Michalis Orfanakis compartilhou seu scanner óptico de TC feito em casa, pelo qual ganhou o primeiro prêmio em Science on Stage Europe 2017! Leia os comentários abaixo para obter a documentação completa sobre sua construção.

Recursos em TC óptica:

A história e os princípios da tomografia computadorizada ótica para escanear dosímetros de radiação 3-D por S J Doran e N Krstaji

Reconstrução de imagem tridimensional para scanner óptico de tomografia computadorizada baseado em câmera CCD por Hannah Mary Thomas T, membro estudante, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Óptica de focalização de um aparelho de tomografia óptica CCD de feixe paralelo para dosimetria de gel de radiação 3D por Nikola Krstaji´c e Simon J Doran

Etapa 1: Fundo de tomografia computadorizada e fotogrametria

A varredura por TC requer uma fonte de radiação (por exemplo, raios-x ou luz) em um lado de um objeto e detectores no outro lado. A quantidade de radiação que chega ao detector depende de quão absorvente é o objeto em um determinado local. Uma única imagem adquirida com esta configuração sozinha é o que produz um raio-X. Um raio-X é como uma sombra e tem todas as informações 3D projetadas em uma única imagem 2D. Para fazer reconstruções 3D, um scanner de TC adquire varreduras de raios-X em vários ângulos, girando o objeto ou a matriz fonte-detector.

As imagens coletadas por um tomógrafo são chamadas de sinogramas e exibem a absorção de raios-X por meio de uma fatia do corpo em relação ao ângulo. Usando esses dados, uma seção transversal do objeto pode ser adquirida usando uma operação matemática chamada de transformada inversa de Radon. Para obter detalhes completos sobre como essa operação funciona, confira este vídeo.

O mesmo princípio é aplicado para o scanner óptico de TC com uma câmera atuando como detector e o conjunto de LEDs atuando como fonte. Uma das partes importantes do projeto é que os raios de luz que são coletados pelas lentes são paralelos quando viajam através do objeto. Em outras palavras, a lente deve ser telecêntrica.

A fotogrametria requer que o objeto seja iluminado de frente. A luz é refletida no objeto e coletada pela câmera. Múltiplas visualizações podem ser usadas para criar um mapeamento 3D da superfície de um objeto no espaço.

Enquanto a fotogrametria permite o perfil da superfície de um objeto, a tomografia computadorizada permite a reconstrução da estrutura interna dos objetos. A principal desvantagem da TC óptica é que você só pode usar objetos semitransparentes para a imagem (por exemplo, frutas, papel de seda, ursinhos de goma, etc.), enquanto a fotogrametria pode funcionar para a maioria dos objetos. Além disso, existe um software muito mais avançado para fotogrametria, de modo que as reconstruções parecem incríveis.

Etapa 2: Visão geral do sistema

Usei uma Nikon D5000 com uma lente de distância focal de 50 mm f / 1.4 para imagens com o scanner. Para obter imagens telecêntricas, usei um dubleto acromático de 180 mm separado da lente de 50 mm com um extensor de tubo. A lente foi reduzida para f / 11 ou f / 16 para aumentar a profundidade de campo.

A câmera foi controlada por meio de um obturador remoto que conecta a câmera a um Arduino Nano. A câmera é montada em uma estrutura de PVC que se conecta a uma caixa preta que contém o objeto a ser digitalizado e os componentes eletrônicos.

Para a varredura de TC, o objeto é iluminado por trás com uma matriz de LED de alta potência. A quantidade de luz coletada pela câmera depende de quanto é absorvido pelo objeto. Para digitalização 3D, o objeto é iluminado pela frente usando um array de LED endereçável que é controlado com o Arduino. O objeto é girado usando um motor de passo, que é controlado por uma ponte H (L9110) e o Arduino.

Para ajustar os parâmetros da varredura, projetei o scanner com uma tela LCD, dois potenciômetros e dois botões. Os potenciômetros são usados para controlar o número de fotos na varredura e o tempo de exposição, e os botões funcionam como um botão “entrar” e um botão “reset”. A tela do Lcd exibe opções para a varredura e, em seguida, o status atual da varredura quando a aquisição começa.

Depois de posicionar a amostra para uma TC ou varredura 3D, o scanner controla automaticamente a câmera, LEDs e motor para adquirir todas as imagens. As imagens são então usadas para reconstruir um modelo 3D do objeto usando Matlab ou PhotoScan.

Etapa 3: Lista de suprimentos

Eletrônicos:

• Arduino Nano
• Motor de passo (3,5 V, 1 A)
• H-bridge L9110
• Tela 16x2 Lcd
• 3X potenciômetros de 10k
• 2X botões
• Resistor 220ohm
• Resistor de 1kohm
• Fonte de alimentação 12V 3A
• Conversor Buck
• Power jack feminino
• Plugue do barril de energia
• Cabo de extensão micro USB
• Interruptor de energia
• Botões do potenciômetro
• Impasses PCB
• Placa de protótipo
• Arame enrolado
• Fita isolante

Câmera e iluminação:

• Uma câmera, usei uma Nikon D5000 dSLR
• Lente principal (comprimento focal = 50 mm)
• Extensor de tubo
• Dupleto acromático (comprimento focal = 180 mm)
• Obturador remoto
• Faixa de LED endereçável
• Luz portátil de LED Utilitech pro de 1 lúmen
• Papel para difusão de luz

Caixa de luz:

• 2x 26cmx26cm contraplacado de ¼ polegada de espessura
• 2x 30cmx26cm contraplacado de ¼ polegada de espessura
• Madeira compensada de 1x 30cmx25cm ½ polegada de espessura
• 2x ½ polegadas de diâmetro das hastes de tarugo
• 8x juntas de PVC em forma de L de ½ polegada de diâmetro
• 8x juntas de PVC em forma de T de ½ polegada de diâmetro
• 1x capa de PVC de ½ polegada de diâmetro
• 4 pés 1x2 pinho
• Folha de alumínio fina
• Cartolina preta
• Porcas e parafusos
• Primavera

Ferramentas:

• Ferro de solda
• Furadeira
• Ferramenta de enrolamento de arame
• Dremel
• Serra de vaivém
• Cortadores de arame
• Tesoura
• Fita

Etapa 4: Box Design e montagens 3D

Grande Prêmio no Desafio Epílogo 9