Sonografie těla a ultrazvuku s Arduinem: 3 kroky (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Ahoj!

Mým koníčkem a vášní je realizovat fyzikální projekty. Jedna z mých posledních prací je o ultrazvukové sonografii. Jako vždy jsem se snažil, aby to bylo co nejjednodušší s částmi, které můžete získat na ebay nebo aliexpress. Pojďme se tedy podívat, jak daleko mohu se svými jednoduchými položkami zajít …

Inspiroval mě tento trochu komplikovanější a dražší projekt:

hackaday.io/project/9281-murgen-open-sourc…

Zde jsou části, které budete potřebovat pro můj projekt:

hlavní části:

• měřidlo pro měření tloušťky barvy za 40 USD: ebay tloušťkoměr GM100
• nebo jen převodník 5 MHz za 33 USD: převodník eBay 5 MHz
• arduino splatné za 12 USD: splatnost ebay arduino
• displej 320x480 pixelů za 11 USD: arduino displej 320x480
• dva 9V/1A napájecí zdroje pro symetrické +9/GND/-9V napájení
• ultrazvukový gel pro sonografii: 10 USD ultrazvukový gel

pro vysílač:

• posilující převodník pro potřebných 100 V za 5 USD: 100 V zesilovač pro zvýšení výkonu
• běžný převodník zvyšující napětí dodávající 12–15 V pro konvertor 100 V pro zvýšení výkonu za 2 USD: převodník zesilovačů XL6009
• regulátor napětí LM7805
• monoflop-IC 74121
• mosfetový ovladač ICL7667
• Mosfet IRL620: IRL620
• kondenzátory s 1nF (1x), 50pF (1x), 0,1 µF (1x elektrolytický), 47 µF (1x elektrolytický), 20 µF (1 x elektrolytický pro 200V), 100 nF (2x MKP pro 200V: 100nF20 µF
• odpory s 3kOhm (0,25W), 10kOhm (0,25W) a 50Ohm (1W)
• Potenciometr 10 kOhm
• 2 ks Zásuvky C5: Zásuvka C5 7 USD

pro přijímač:

• 3 ks Operační zesilovač AD811: ebay AD811
• 1 ks Operační zesilovač LM7171: ebay LM7171
• 5 x 1 nF kondenzátor, 8 x 100 nF kondenzátor
• Potenciometr 4 x 10 kOhm
• 1 x 100 kOhm potenciometr
• Rezistory 0,25 W s 68 Ohm, 330 Ohm (2 ks), 820 Ohm, 470 Ohm, 1,5 kOhm, 1 kOhm, 100 Ohm
• 1N4148 diody (2 ks)
• 3,3 V zenerova dioda (1 ks)

Krok 1: Moje obvody vysílače a přijímače

Sonografie je v medicíně velmi důležitým způsobem, jak nahlédnout dovnitř těla. Princip je jednoduchý: vysílač vysílá ultrazvukové impulsy. Šíří se v těle, odrážejí se vnitřními orgány nebo kostmi a vracejí se zpět do přijímače.

V mém případě používám měřidlo GM100 pro měření tloušťky vrstev barvy. I když to není opravdu určeno k pohledu dovnitř těla, vidím své kosti.

Vysílač GM100 pracuje s frekvencí 5 MHz. Proto musíte vytvářet velmi krátké pulsy o délce 100-200 nanosekund. 7412-monoflop je schopen vytvářet takové krátké impulsy. Tyto krátké impulsy jdou do ovladače ICL7667-mosfet, který pohání bránu IRL620 (pozor: mosfet musí být schopen zvládnout napětí až 200V!).

Pokud je brána zapnutá, kondenzátor 100V-100nF se vybije a na piezo vysílač je aplikován záporný impuls -100V.

Ultrazvukové ozvěny přijaté z hlavy GM100 směřují do 3stupňového zesilovače s rychlým OPA AD820. Po třetím kroku budete potřebovat přesný usměrňovač. K tomuto účelu používám operační zesilovač LM7171.

Věnujte pozornost: Nejlepších výsledků jsem dosáhl, když jsem zkrátil vstup přesného usměrňovače smyčkou dupont-wire (? V obvodu). Opravdu nechápu proč, ale budete se muset podívat, jestli se pokusíte zrekonstruovat můj ultrazvukový skener.

Krok 2: Software Arduino

Odražené impulsy musí být uloženy a zobrazeny mikrokontrolérem. Mikrokontrolér musí být rychlý. Proto jsem si vybral arduino due. Zkoušel jsem dva různé typy rychlých analogových čtecích kódů (podívejte se na přílohy). Jeden je rychlejší (asi 0,4 µs na konverzi), ale při čtení na analogovém vstupu jsem získal 2–3krát stejnou hodnotu. Druhý je o něco pomalejší (1 µs na konverzi), ale nemá nevýhodu opakovaných hodnot. Vybral jsem první…

Na desce přijímače jsou dva přepínače. S těmito sitches můžete zastavit měření a vybrat si dvě různé časové základny. Jeden pro měřicí časy mezi 0 a 120 µs a druhý mezi 0 a 240 µs. Uvědomil jsem si to přečtením 300 hodnot nebo 600 hodnot. U 600 hodnot to zabere dvojnásobek času, ale pak vezmu jen každou druhou analogovou hodnotu.

Příchozí ozvěny se čtou pomocí jednoho z analogových vstupních portů arduina. Zenerova dioda by měla chránit port pro příliš vysoká napětí, protože arduino due může číst pouze napětí do 3,3V.

Každá hodnota analogového vstupu je poté transformována na hodnotu mezi 0 a 255. S touto hodnotou bude na displeji nakreslen další šedý obdélník. Bílá znamená vysoký signál/echo, tmavě šedá nebo černá znamená nízký signál/echo.

Zde jsou řádky v kódu pro kreslení obdélníků o šířce 24 pixelů a výšce 1 pixelu

pro (i = 0; i <300; i ++) {

hodnoty = mapa (hodnoty , 0, 4095, 0, 255);

myGLCD.setColor (hodnoty , hodnoty , hodnoty );

myGLCD.fillRect (j * 24, 15 + i, j * 24 + 23, 15 + i);

}

Po jedné sekundě se vykreslí další sloupec …

Krok 3: Výsledky

Zkoumal jsem různé předměty od hliníkových válců přes balónky naplněné vodou až k mému tělu. Abychom viděli echa těla, musí být zesílení signálů velmi vysoké. U hliníkových válců je zapotřebí nižší zesílení. Když se podíváte na obrázky, můžete jasně vidět ozvěny z kůže a mé kosti.

Co tedy mohu říci o úspěchu nebo neúspěchu tohoto projektu. Je možné nahlédnout do těla pomocí takových jednoduchých metod a pomocí částí, které k tomu nejsou běžně určeny. Tyto faktory však také omezují výsledky. V porovnání s komerčními řešeními nedostanete tak jasné a dobře strukturované obrázky.

Ale a to je nejdůležitější, zkusil jsem to a udělal jsem maximum. Doufám, že se vám tento návod líbil a byl pro vás alespoň zajímavý.

Pokud se chcete podívat na mé další fyzikální projekty:

www.youtube.com/user/stopperl16/videos?

další projekty z fyziky: