CT de bureau et scanner 3D avec Arduino : 12 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

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La tomodensitométrie (TDM) ou la tomodensitométrie axiale (CAT) est le plus souvent associée à l'imagerie du corps car elle permet aux cliniciens de voir la structure anatomique à l'intérieur du patient sans avoir à faire de chirurgie. Pour imager l'intérieur du corps humain, un tomodensitomètre nécessite des rayons X car le rayonnement doit pouvoir pénétrer à travers le corps. Si l'objet est semi-transparent, il est en effet possible de réaliser un scanner en lumière visible ! La technique est appelée CT optique, qui est différente de la technique d'imagerie optique plus populaire connue sous le nom de tomographie par cohérence optique.

Pour acquérir des scans 3D d'objets semi-transparents, j'ai construit un scanner CT optique à l'aide d'un Arduino Nano et d'un reflex numérique Nikon. À mi-parcours du projet, j'ai réalisé que la photogrammétrie, une autre technique de numérisation 3D, nécessite en grande partie le même matériel qu'un scanner optique. Dans ce instructable, je vais passer en revue le système que j'ai construit qui est capable de scanner et de photogrammétrie. Après avoir acquis des images, j'ai des étapes à suivre pour utiliser PhotoScan ou Matlab pour calculer des reconstructions 3D.

Pour un cours complet sur la numérisation 3D, vous pouvez consulter le cours instructables ici.

J'ai récemment découvert que Ben Krasnow avait construit une machine de tomodensitométrie à rayons X avec un Arduino. Impressionnant!

Après avoir posté, Michalis Orfanakis a partagé son tomodensitomètre optique de fabrication artisanale, pour lequel il a remporté le 1er prix de Science on Stage Europe 2017 ! Lisez les commentaires ci-dessous pour une documentation complète sur sa version.

Ressources sur le CT optique:

L'histoire et les principes de la tomodensitométrie optique pour le balayage des dosimètres de rayonnement 3-D par S J Doran et N Krstaji

Reconstruction d'images tridimensionnelles pour le scanner de tomodensitométrie optique basé sur une caméra CCD par Hannah Mary Thomas T, membre étudiant, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Optique de focalisation d'un appareil de tomographie optique CCD à faisceau parallèle pour la dosimétrie de gel de rayonnement 3D par Nikola Krstaji´c et Simon J Doran

Étape 1: Contexte de la tomodensitométrie et de la photogrammétrie

La tomodensitométrie nécessite une source de rayonnement (par exemple, des rayons X ou de la lumière) d'un côté d'un objet et des détecteurs de l'autre côté. La quantité de rayonnement qui parvient au détecteur dépend du degré d'absorption de l'objet à un endroit particulier. Une seule image acquise avec cette configuration seule est ce qui produit une radiographie. Une radiographie est comme une ombre et toutes les informations 3D sont projetées dans une seule image 2D. Pour effectuer des reconstructions 3D, un tomodensitomètre acquiert des radiographies sur de nombreux angles en faisant pivoter l'objet ou le réseau source-détecteur.

Les images recueillies par un tomodensitomètre sont appelées sinogrammes, et elles affichent l'absorption des rayons X à travers une tranche du corps en fonction de l'angle. En utilisant ces données, une coupe transversale de l'objet peut être acquise en utilisant une opération mathématique appelée la transformée de Radon inverse. Pour plus de détails sur le fonctionnement de cette opération, regardez cette vidéo.

Le même principe est appliqué pour le tomodensitomètre optique avec une caméra faisant office de détecteur et le réseau de LED faisant office de source. L'une des parties importantes de la conception est que les rayons lumineux qui sont collectés par la lentille sont parallèles lorsqu'ils traversent l'objet. En d'autres termes, l'objectif doit être télécentrique.

La photogrammétrie nécessite que l'objet soit illuminé de face. La lumière est réfléchie par l'objet et collectée par la caméra. Plusieurs vues peuvent être utilisées pour créer une cartographie 3D de la surface d'un objet dans l'espace.

Alors que la photogrammétrie permet de profiler la surface d'un objet, la tomodensitométrie permet la reconstruction de la structure interne des objets. L'inconvénient majeur de la tomodensitométrie optique est que vous ne pouvez utiliser que des objets semi-transparents pour l'imagerie (par exemple des fruits, du papier de soie, des oursons en gomme, etc.), alors que la photogrammétrie peut fonctionner pour la plupart des objets. De plus, il existe des logiciels beaucoup plus avancés pour la photogrammétrie, donc les reconstructions sont incroyables.

Étape 2: Présentation du système

J'ai utilisé un Nikon D5000 avec une focale de 50 mm f/1.4 pour l'imagerie avec le scanner. Pour réaliser une imagerie télécentrique, j'ai utilisé un doublet achromatique de 180 mm séparé de l'objectif de 50 mm avec une rallonge de tube. L'objectif a été arrêté à f/11 ou f/16 pour augmenter la profondeur de champ.

La caméra a été contrôlée à l'aide d'une télécommande à obturateur qui connecte la caméra à un Arduino Nano. La caméra est montée sur une structure en PVC qui se connecte à une boîte noire qui contient l'objet à numériser et l'électronique.

Pour la tomodensitométrie, l'objet est éclairé par l'arrière avec un réseau de LED haute puissance. La quantité de lumière collectée par la caméra dépend de la quantité absorbée par l'objet. Pour la numérisation 3D, l'objet est éclairé par l'avant à l'aide d'un réseau de LED adressables contrôlé par l'Arduino. L'objet est tourné à l'aide d'un moteur pas à pas, qui est contrôlé à l'aide d'un pont en H (L9110) et de l'Arduino.

Pour régler les paramètres du scan, j'ai conçu le scanner avec un écran Lcd, deux potentiomètres et deux boutons poussoirs. Les potentiomètres sont utilisés pour contrôler le nombre de photos dans le scan et le temps d'exposition, et les boutons poussoirs fonctionnent comme un bouton "enter" et un bouton "reset". L'écran LCD affiche les options de l'analyse, puis l'état actuel de l'analyse une fois l'acquisition commencée.

Après avoir positionné l'échantillon pour un scan CT ou 3D, le scanner contrôle automatiquement la caméra, les LED et le moteur pour acquérir toutes les images. Les images sont ensuite utilisées pour reconstruire un modèle 3D de l'objet en utilisant Matlab ou PhotoScan.

Étape 3: Liste des fournitures

Électronique:

• Arduino Nano
• Moteur pas à pas (3.5V, 1A)
• Pont en H L9110
• Écran Lcd 16x2
• Potentiomètres 3X 10k
• 2X boutons-poussoirs
• résistance 220ohm
• résistance 1kohm
• Alimentation 12V 3A
• convertisseur Buck
• Prise d'alimentation femelle
• Prise de canon d'alimentation
• Câble de rallonge micro-USB
• Interrupteur
• Boutons de potentiomètre
• entretoises PCB
• Carte prototype
• fil d'enroulement de fil
• Ruban électrique

Caméra et éclairage:

• Un appareil photo, j'ai utilisé un reflex numérique Nikon D5000
• Objectif principal (distance focale = 50 mm)
• Rallonge de tube
• Doublet achromatique (distance focale = 180mm)
• Obturateur à distance
• Bande LED adressable
• Lampe portative LED Utilitech pro 1 lumen
• Papier pour diffuser la lumière

Boite à lumière:

• 2x 26cmx26cm ¼ de pouce d'épaisseur contreplaqué
• 2x 30cmx26cm ¼ de pouce d'épaisseur contreplaqué
• 1x 30cmx25cm contreplaqué ½ pouce d'épaisseur
• 2x tiges de goujon de ½ pouce de diamètre
• 8x joints en PVC en forme de L de ½ pouce de diamètre
• 8x joints en PVC en forme de T de ½ pouce de diamètre
• 1x cape en PVC ½ pouce de diamètre
• 4pieds 1x2 pin
• Feuille d'aluminium mince
• Panneau d'affichage noir
• Écrous et boulons
• Printemps

Outils:

• Fer à souder
• Perceuse électrique
• Outil d'enroulement de fil
• Dremel
• Scie sauteuse
• Pinces coupantes
• Ciseaux
• Ruban

Étape 4: Conception de la boîte et supports 3D

Grand prix de l'Epilog Challenge 9