CT-Simulator

[Sebastian (Gast)]

Hi,

ich habe eine Idee für ein Projekt: ein CT-Simulator. Es soll die 
Funktionsweise eines Computertomographen simuliert werden. Da keine 
Röntgenstrahlen zur Verfügung stehen und die ohnehin zu gefährlich sind 
habe ich mir Überlegt das ganze mit einem Laserstrahl zu machen. Mit 
halb transparenten Objekten könnte dann ein CT simuliert werden. Bei 
nicht-transparenten Objekten wäre das Ding praktisch ein ziemlich 
langsamer 3D Scanner.

Ich komme dabei eher von der Software-Seite: die 
Rekonstruktionsalgorithmen um aus den Daten des Scanners Schnittbilder 
und 3D Bilder zu erstellen stellen also kein Problem dar.

Im angehängten Bild ist das Prinzip zu erkennen, dass ich mir ausgedacht 
habe. Das Objekt steht auf einer Drehscheibe. Eine Laser-Diode ist so an 
eine Mechanik montiert, dass sie sich in x und y Richtung bewegen kann. 
Auf der anderen Seite wird parallel dazu eine Empfangsdiode bewegt, die 
die Intensität des Lasers, der durch das Objekt scheint misst. Beim Scan 
fährt also der Laser einmal die komplette Ebene ab, dann dreht die 
Drehscheibe das Objekt ein Stück weiter und scant die Ebene erneut. Pro 
Ebene kriegt man also eine Projektion des Objekts auf diese Ebene. Diese 
Daten sind dann zu rekonstruieren um im Computer ein 3D Objekt zu 
kriegen.

Zu Lösen sind also folgende Probleme:

- Mechanik Drehteller und Mechanik x-y-Laser Bewegung
- Motorisierung der Mechanik (3 Schrittmotore mit Ansteuerung)
- Laser und Optik System
- Datenerfassung beim Empfängers und Übermittlung an einen PC

Jetzt stellen sich mir einige Fragen zu denen Ihr vielleicht ein paar 
Ideen habt. Darum schreibe ich das hier eigentlich - ich möchte Ideen 
sammeln und Meinungen hören.

1) Ich habe einiges darüber gelesen Laserdioden hobbymäßig zu benutzen. 
Da gibt es die, die aus den DVD Laufwerken Laserdioden mit ein paar 
hundert mW ausbauen und damit Luftballons zerplatzen. Das ist mir 
eigentlich zu gefährlich also habe ich mir überlegt einen Klasse 1 Laser 
zu verwenden - der sollte ungefährlich sein. Die Frage ist nun woher 
kriege ich so einen Laser (billig) und reicht der überhaupt aus um mein 
Vorhaben zu realisieren? Was wäre eine passende Empfänger-Diode?

2) In CD-ROM oder DVD-ROM Laufwerken ist theoretisch genau die 
Funktionalität verbaut, die ich brauche. Ich habe mir darum überlegt so 
ein CD-ROM Laufwerk Laser Modul zu verwenden. Da habe ich mir überlegt 
ich könnte Laser und Empfänger auf einer Seite haben und auf der anderen 
Seite lediglich einen Spiegel anbringen. Das würde die Mechanik 
vereinfachen. Das Problem ist vermutlich, ob so ein CD Laser sich 
fokussieren lässt auf den Spiegel (habe mir 10-20cm zwischen Sender und 
Empfänger vorgestellt im vergleich zu den paar Millimetern im CD 
Laufwerk oder CD Player). Und lässt sich die das Optik Modul so eines 
Laufwerks überhaupt ohne riesigen Aufwand betreiben? Würde das mit dem 
Spiegel klappen?

3) Um das ganze zu Steuern bietet sich wohl ein kleinerer 
Mikrocontroller an. Ich habe bisher Erfahrung mit einigen PIC16 
Controllern gemacht und könnte mir vorstellen, dass so einer sowohl die 
3 benötigten Motoren steuern könnte, die Daten des Empfängers 
entgegennehmen und an einen PC weiterleiten könnte. Wie seht ihr das? 
Wie stellt man am einfachsten eine Kommunikation zwischen PC und 
Controller her? Gibt es da irgendwas Fertiges, vielleicht ein USB Modul 
auf das ich per SPI meine Daten schreiben kann inklusive eines 
generischen USB Treibers der einfach "irgendwie" die Daten entgegennimmt 
am PC?

4) Die Mechanik wollte ich evtl. aus LEGO aufbauen. Hab damit schon 
experimentiert und abgesehen von den fehlenden Motoren sollte das 
relativ gut gehen. Die Genauigkeit könnte wohl allerdings darunter 
leiden. Ist ja doch ein wenig wackelig. Habt ihr Ideen wo ich solche 
Mechanik herkriegen könnte wenn es mal über LEGO hinausgehen sollte?

Ich bin mir dessen bewusst, dass das ein ziemlich grosses Ding ist mit 
vielen verschiedenen Aspekten und ich erwarte nicht das alles in 2 
Wochenenden fertig zu kriegen. Also ich bin mir dessen bewusst, dass es 
sehr viel Arbeit ist :-)

Danke schon mal für eure Meinungen, Ideen
Sebastian

[Take it easy (Gast)]

Hi Sebastian,
da hat schon mal jemand Deine Idee ansatzweise umgesetzt:

http://cgi.ebay.de/Eigenbau-Projekt-3D-Laserscanner-Laser-Scanner_W0QQitemZ280298596556QQcmdZViewItemQQptZMess_Pr%C3%BCftechnik?hash=item280298596556&_trksid=p3286.c0.m14&_trkparms=72%3A1229|66%3A2|65%3A12|39%3A1|240%3A1318

Es gab auch schon mal damals einen 3D Scanner fertig zu kaufen (ich 
glaube bei Conrad).
Mal ganz abgesehen vom Konstruktionsaufwand ist das Abspeicherungsformat 
noch die Frage. Dieser Conrad 3D Scanner hatte damals irgendein 
unmögliches Format für den Scanner - deshalb ist der Scanner wohl auch 
in der Versenkung verschwunden.

[Sebastian (Gast)]

Take it easy,
danke für die Hinweise. Ich kenne schon einige 3D Scanner. Den von 
Conrad kenne ich auch noch. Ich suche aber grade keinen Milchscanner, 
Linienlaser+Webcam Scanner, Schattenscanner oder was es sonst noch so 
gibt im Web. Ich möchte ja grade einen CT-Simulator bauen. Das leisten 
die von Dir erwähnten Projekte leider nicht.

Dennoch vielen Dank für die Hinweise :-)

Mir ist auch gerade eingefallen, dass ein Linien-Laser und ein CCD 
Linear-Sensor auf der anderen Seite eine realistischere Simulation 
ergäbe.

[Jörg (Gast)]

Hallo Sebastian,

ich hatte vor einigen Jahren auch mal einen Laserscanner gebaut,
war allerdings ein "stinknormaler" 3D-Scanner, basierend auf einem
Lasermodul mit Linienoptik (d.h. erzeugt Linie statt Punkt). Die
Kamera nimmt dabei die Linie auf, die auf das Objekt trifft. Die
Kamera ist also leicht seitlich zum Lasermodul montiert.

Was du also machen musst ist die Kamera auf der zum Lasermodul
gegenüberliegenden Seite zu montieren und die erzeugte Laserlinie
aufzunehmen (Intensität ist dann das Ergebnis des CT-Scans).
Was dir dann noch fehlt ist eigentlich neben dem Rotationstisch für
die Objekte ein Schlitten, der das Lasermodul von Links nach Rechts
schiebt, sollte sich eigentlich auch relativ einfach machen.

Wenn du dir ein Lasermodul mit Linienoptik kaufst, solltest du
vieleicht eine Optik mit kleinem Austrittswinkel zulegen (erzeugt
nur kurze Linie, Punkte der Linie sind dafür intensiver!!)

Ach ja: Nimm statt Lego lieber einen Metallbaukasten (ich habe eitech),
mit Kugellager und guten Schrittmotoren erhält man schnell Genauigkeit
von um die ein Millimeter.

Gruss

Jörg

[Bedenkenträger (Gast)]

Moin!

Eine interessante Idee aber ich glaube das wird sehr viel komplizierter 
als du denkst. Wenn ein Laserstrahl mit sichtbarem Licht durch ein 
Objekt hindurchgeht, dann macht er dass leider nicht gerade. Jedenfalls 
sofern der Laserstrahl nicht genau senkrecht zur Oberfläche ein- und 
austritt. An jeder Grenzfläche zwischen zwei Materialien mit 
unterschiedlichem Brechungsindex (Luft, Glas, Wasser, Kunstoff...) kommt 
es zu Beugungseffekten.
Schnapp dir mal einen Laserpointer und versuch damit mal eine 
Glasflasche zu durchleuchten, dann sollte das klar werden. Wenn du mit 
dem Laserpointer genau in die Mitte zielst, dann geht es. Zielt der 
Pointer auch nur ein bischen daneben, wirkt das Glas als Linse und der 
Strahl wird abgelenkt.

MfG, Bedenkenträger.

[Jörg (Gast)]

Der Strahl (ob Punkt oder Linie) wird idR auf jeden Fall abgelenkt, egal
ob senkrecht oder nicht. Es genügt ja, wenn das zu durchleuchtende
Material an einer Stelle eine Dichtenormale nichtsenkrecht zum 
Laserstrahl
hat.

Aber es geht wohl mehr um eine Simulation als um eine exakte 
3D-Bestimmung. Rausrechnen lässt sich die Brechung in kaum einem Fall. 
Fur einen einfachen
Versuchsaufbau aber vieleicht trotzdem lohnenswert.

Gruss

Jörg

[Sebastian (Gast)]

Jörg,

die Idee ne Webcam auf der anderen Seite zu nehmen finde ich genial. Das 
vereinfacht das ganze um ein Vielfaches. Meine nächsten Experimente 
werden definitiv in diese Richtung gehen.


Bedenkenträger,

du hast wohl recht. Ich stelle es mir ein wenig zu einfach vor im Bezug 
auf die Optik und die Machbarkeit. Ich werde diesbezüglich wie Du 
empfiehlst ein paar Tests mit einem Laserpointer machen.
Ich habe übrigens eine Abschlussarbeit gefunden wo jemand genau sowas 
gebaut hat. Ich habe es nur überflogen - er scheint irgend ein Problem 
mit der Hardware gehabt zu haben aber sein Ergebnis ist im angehängten 
Bild zu sehen. Der Graph zeigt die Abschwächung des Laserlichts während 
es sich der Länge nach durch den größeren Legostein bewegt. Gar kein 
schlechtes Ergebnis wie ich finde. (Die Arbeit ist hier zu finden: 
http://innovexpo.itee.uq.edu.au/2003/exhibits/s804697/thesis2.pdf)
Ich hatte jedoch gar nicht vor so ein kompliziertes Objekt zu verwenden. 
Ich habe mir gedacht einen Phantom (so nennen das die CT Profis glaub 
ich) zu basteln aus Gelatine wo ich irgendwelche Sachen einarbeite wie 
z.B. Nudeln oder Reiskörner oder irgendwas anderes. Ein Gummibärchen 
könnte auch klappen.

Insofern stimme ich Jörg zu - Versuchsaufbau und Experiment interessant 
und darum lohnenswert.

Vielen Dank für eure Tipps und Ideen bis hier hin. Wenn noch jemandem 
was einfällt - nur zu!

Sebastian