Sonografia tela a ultrazvuku s Arduino: 3 kroky (s obrázkami)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2025-01-23 15:05

Ahoj!

Mojou záľubou a vášňou je realizácia projektov z fyziky. Jedna z mojich posledných prác je o ultrazvukovej sonografii. Ako vždy som sa snažil urobiť to čo najjednoduchšie s časťami, ktoré môžete získať na ebay alebo aliexpress. Pozrime sa teda, ako ďaleko môžem ísť so svojimi jednoduchými položkami …

Inšpiroval ma tento trochu komplikovanejší a drahší projekt:

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

Tu sú diely, ktoré budete potrebovať pre môj projekt:

hlavné časti:

• meradlo na meranie hrúbky farby za 40 USD: ebay hrúbkomer GM100
• alebo len 5 MHz prevodník za 33 USD: prevodník eBay 5 MHz
• arduino splatné za 12 USD: splatné ebay arduino
• displej s rozlíšením 320 x 480 pixlov za 11 USD: arduino displej s rozlíšením 320 x 480 pixlov
• dva napájacie zdroje 9V/1A pre symetrické napájanie +9/GND/-9V
• ultrazvukový gél pre sonografiu: 10 USD ultrazvukový gél

pre vysielač:

• posilňovací prevodník na potrebných 100 V za 5 USD: 100 V zosilňovač
• bežný zosilňovač napájajúci 12-15 V pre zosilňovač zosilnenia 100 V za 2 USD: zosilňovač zosilňovača XL6009
• regulátor napätia LM7805
• monoflop-IC 74121
• mosfetový ovládač ICL7667
• Mosfet IRL620: IRL620
• kondenzátory s 1nF (1x), 50pF (1x), 0,1 µF (1x elektrolytický), 47 µF (1x elektrolytický), 20 µF (1 x elektrolytický pre 200V), 100 nF (2x MKP pre 200V: 100nF20 µF
• odpory s 3 kOhm (0,25 W), 10 kOhm (0,25 W) a 50 Ohm (1 W)
• Potenciometer 10 kOhm
• 2 ks Zásuvky C5: 7 USD Zásuvka C5

pre prijímač:

• 3 ks Operačný zosilňovač AD811: ebay AD811
• 1 ks Operačný zosilňovač LM7171: ebay LM7171
• 5 x 1 nF kondenzátor, 8 x 100 nF kondenzátor
• Potenciometer 4 x 10 kOhm
• 1 x 100 kOhm potenciometer
• Odpory 0,25 W s odporom 68 ohmov, 330 ohmov (2 kusy), 820 ohmov, 470 ohmov, 1,5 kOhm, 1 kOhm, 100 ohmov
• 1N4148 diódy (2 ks)
• 3,3 V zenerova dióda (1 kus)

Krok 1: Moje obvody vysielača a prijímača

Sonografia je v medicíne veľmi dôležitým spôsobom, ako sa pozrieť dovnútra tela. Princíp je jednoduchý: Vysielač vysiela ultrazvukové impulzy. Rozprestierajú sa v tele, odrážajú ich vnútorné orgány alebo kosti a vracajú sa späť k prijímaču.

V mojom prípade používam na meranie hrúbky vrstiev farby meradlo GM100. Aj keď to nie je určené na pohľad do tela, vidím svoje kosti.

Vysielač GM100 pracuje s frekvenciou 5 MHz. Preto musíte vytvárať veľmi krátke impulzy s dĺžkou 100-200 nanosekúnd. 7412-monoflop je schopný vytvárať také krátke impulzy. Tieto krátke impulzy idú do mosfetového ovládača ICL7667, ktorý poháňa bránu IRL620 (pozor: mosfet musí byť schopný zvládnuť napätie až 200 V!).

Ak je brána zapnutá, kondenzátor 100V-100nF sa vybije a na piezo vysielač je aplikovaný negatívny impulz -100V.

Ultrazvukové ozveny prijaté z hlavy GM100 smerujú do 3-stupňového zosilňovača s rýchlym OPA AD820. Po treťom kroku budete potrebovať presný usmerňovač. Na tento účel používam operačný zosilňovač LM7171.

Dávajte pozor: Najlepšie výsledky som dosiahol, keď som skrátil vstup presného usmerňovača pomocou slučky dupont-drôt (? V obvode). Nerozumiem prečo, ale budete sa musieť pozrieť, ak sa pokúsite zrekonštruovať môj ultrazvukový skener.

Krok 2: Softvér Arduino

Odrazené impulzy musia byť uložené a zobrazené mikrokontrolérom. Mikrokontrolér musí byť rýchly. Preto som si vybral arduino kvôli. Vyskúšal som dva rôzne typy rýchlych kódov na čítanie analógov (pozrite si prílohy). Jeden je rýchlejší (asi 0,4 µs na konverziu), ale pri čítaní v analógovom vstupe som získal 2–3-krát rovnakú hodnotu. Ten druhý je o niečo pomalší (1 µs na konverziu), ale nemá nevýhody opakovaných hodnôt. Vybral som prvú …

Na doske prijímača sú dva prepínače. Pomocou týchto dier môžete zastaviť meranie a vybrať si dve rôzne časové základne. Jeden pre merané časy medzi 0 a 120 µs a druhý medzi 0 a 240 µs. Uvedomil som si to prečítaním 300 hodnôt alebo 600 hodnôt. Pri 600 hodnotách to trvá dvakrát, ale potom zoberiem len každú druhú analógovú hodnotu.

Prichádzajúce ozveny sa čítajú pomocou jedného z analógových vstupných portov arduina. Zenerova dióda by mala chrániť port pre príliš vysoké napätie, pretože arduino due môže čítať iba napätia do 3,3 V.

Každá hodnota analógového vstupu sa potom transformuje na hodnotu medzi 0 a 255. S touto hodnotou sa na displej nakreslí ďalší sivý obdĺžnik. Biela znamená vysoký signál/ozvena, tmavosivá alebo čierna znamená nízky signál/ozvena.

Tu sú riadky v kóde na kreslenie obdĺžnikov so šírkou 24 pixelov a výškou 1 pixel

pre (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 jednej sekunde sa nakreslí ďalší stĺpec …

Krok 3: Výsledky

Preskúmal som rôzne objekty od hliníkových valcov cez balóny naplnené vodou až po moje telo. Aby ste videli echá tela, musí byť zosilnenie signálov veľmi vysoké. Pre hliníkové valce je potrebné nižšie zosilnenie. Keď sa pozriete na obrázky, jasne vidíte ozveny pokožky a mojej kosti.

Čo teda môžem povedať o úspechu alebo neúspechu tohto projektu. Dovnútra tela je možné nahliadnuť takými jednoduchými metódami a použitím častí, ktoré na to nie sú bežne určené. Tieto faktory však tiež obmedzujú výsledky. V porovnaní s komerčnými riešeniami nedostanete tak jasné a dobre štruktúrované obrázky.

Ale a toto je najdôležitejšia vec, vyskúšal som to a urobil som maximum. Dúfam, že sa vám tento návod páčil a bol pre vás prinajmenšom zaujímavý.

Ak sa chcete pozrieť na moje ďalšie projekty z fyziky:

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

ďalšie projekty z fyziky: