Самодельный рентгеновский компьютерный томограф

Полтора месяца назад я рассказывал о том, как Бен Краснов (Ben Krasnow) собрал самодельный рентгеновский сканер ^[1]. Бен не прекратил свои эксперименты с рентгеном и теперь представляет полноценный компьютерный томограф (авторское описание ^[2]).

Пример работы томографа показан ниже. Сможете угадать, что (или кто) это?


Да, в роли подопытного выступала замороженная курица.

Принцип действия

Схема установки показана на рисунке ниже. Рентгеновская трубка с коллиматором, формирующим конусный пучок, просвечивает объект насквозь. Рентгеновские лучи, прошедшие через объект, создают изображение на люминесцентном экране, которое фотографируется цифровой камерой. Поворачивая объект, получают серию изображений, по которым в дальнейшем строится воксельная ^[3] 3D-модель объекта и всей его внутренней структуры.

В реальность установка выглядит так:

Источник излучения

Источником рентгеновского излучения служит трубка, уже знакомая нам по прошлым проектам Бена.

Трубка помещена в металлический цилиндр с отверстием, который дает ей светить только туда, куда нужно. Источник питания трубки выдает напряжение 50 кВ при токе около 1 мА.

Экран

Рентгеновское излучение, прошедшее через объект, попадает на люминесцентный экран, заставляя последний светиться. Так как разные части объекта поглощают излучение в разной степени, на экране видна картинка, где более темные участки соответствуют более плотным частям.

Поворотный механизм

В медицинских томографах тело пациента остается неподвижным, а вокруг него вращается кольцо с рентгеновской трубкой и детекторами. Здесь же проще поворачивать наблюдаемый объект, не двигая остальную часть установки.

Объект расположен на поворотном столе, который приводится в движение шаговым двигателем. Двигатель управляется при помощи Arduino. Этот же контроллер служит для управления затвором камеры.

Шаг поворота составляет 8°, таким образом, за 1 оборот объекта делается серия из 45 снимков.

Обработка изображений

Томография не зря называется «компьютерной», ведь основная обработка данных производится программно. В медицинских томографах используется специализированный софт, сравнимый по стоимости с «железом». Бен обошелся подручными средствами.

Прежде всего, с помощью Photoshop (в режиме пакетной обработки) были убраны искажения перспективы, возникшие из-за того, что камера находится в стороне от экрана.

Затем необходимо по изображениям «на просвет» получить серию параллельных срезов объекта. Для этой цели служат алгоритмы, основанные на обратных преобразованиях Радона ^[4]. Они позволяют, имея несколько проекций интегрального поглощения рентгеновских лучей, восстановить функцию распределения плотности внутри объекта.

Бен использовал Octave ^[5] (опенсорсный аналог Матлаба) со специальной библиотекой ^[6]. Полученная серия срезов выглядит так:

И наконец, для визуализации и преобразования стопки срезов в трехмерную модель был использован пакет 3D Slicer ^[7].

Видео

Демонстрация работы самодельного томографа:

Автор: Ocelot

Источник ^[8]