Ультразвуковая сонография тела с Arduino: 3 шага (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Привет!

Мое хобби и страсть - реализовывать физические проекты. Одна из моих последних работ посвящена ультразвуковой сонографии. Как всегда, я постарался сделать это как можно проще с помощью деталей, которые вы можете купить на ebay или aliexpress. Итак, давайте посмотрим, как далеко я могу зайти со своими простыми вещами…

Меня вдохновил этот более сложный и более дорогой проект:

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

Вот детали, которые вам понадобятся для моего проекта:

основные части:

• измеритель толщины краски за 40 долларов: измеритель толщины краски ebay GM100
• или просто датчик 5 МГц за 33 доллара: датчик ebay 5 МГц
• Arduino за 12 долларов: ebay arduino из-за
• дисплей 320x480 пикселей за 11 долларов США: дисплей arduino 320x480 пикселей
• два источника питания 9V / 1A для симметричного источника питания + 9 / GND / -9V
• УЗИ-гель для сонографии: 10 у.е. гель для УЗИ

для передатчика:

• повышающий преобразователь на необходимые 100 В за 5 долларов США: повышающий преобразователь на 100 В
• обычный повышающий преобразователь, питающий 12-15 В для повышающего преобразователя 100 В за 2 доллара США: повышающий преобразователь XL6009
• регулятор напряжения LM7805
• монофлоп-IC 74121
• МОП-драйвер ICL7667
• IRL620 MOSFET - описание производителя: IRL620.
• конденсаторы с 1 нФ (1x), 50 пФ (1x), 0,1 мкФ (1x электролитический), 47 мкФ (1x электролитический), 20 мкФ (1 x электролитический для 200 В), 100 нФ (2x MKP для 200 В: 100 нФ 20 мкФ
• резисторы на 3кОм (0,25Вт), 10кОм (0,25Вт) и 50Ом (1Вт)
• Потенциометр 10 кОм
• 2 шт. C5-розетки: 7 USD розетка C5

для приемника:

• 3 шт. Операционный усилитель AD811: ebay AD811
• 1 шт. Операционный усилитель LM7171: ebay LM7171
• Конденсатор 5 x 1 нФ, конденсатор 8 x 100 нФ
• Потенциометр 4 x 10 кОм
• 1 потенциометр 100 кОм
• Резисторы 0,25Вт на 68 Ом, 330 Ом (2 шт.), 820 Ом, 470 Ом, 1,5 кОм, 1 кОм, 100 Ом
• Диоды 1N4148 (2 шт.)
• Стабилитрон 3.3В (1 шт.)

Шаг 1. Мои схемы передатчика и приемника

Сонография - очень важный метод в медицине, позволяющий заглянуть внутрь тела. Принцип прост: передатчик посылает ультразвуковые импульсы. Они распространяются по телу, отражаются внутренними органами или костями и возвращаются к приемнику.

В моем случае я использую датчик GM100 для измерения толщины слоев краски. Хотя на самом деле это не предназначено для того, чтобы заглядывать внутрь тела, я могу видеть свои кости.

GM100-передатчик работает с частотой 5 МГц. Поэтому вам нужно создавать очень короткие импульсы длительностью 100-200 наносекунд. 7412-монофлоп способен создавать такие короткие импульсы. Эти короткие импульсы поступают на драйвер МОП-транзистора ICL7667, который управляет затвором IRL620 (внимание: МОП-транзистор должен выдерживать напряжение до 200 В!).

Если затвор включен, конденсатор 100–100 нФ разряжается, и на пьезопередатчик подается отрицательный импульс -100 В.

Ультразвуковые эхо, полученные от головки GM100, поступают на трехкаскадный усилитель с быстрым OPA AD820. После третьего шага вам понадобится прецизионный выпрямитель. Для этого я использую операционный усилитель LM7171.

Обратите внимание: у меня лучший результат получился, когда я закоротил вход прецизионного выпрямителя с помощью dupont-wire-loop (? В схеме). Я действительно не понимаю, почему, но вам придется это проверить, если вы попытаетесь реконструировать мой ультразвуковой сканер.

Шаг 2: программное обеспечение Arduino

Отраженные импульсы должны сохраняться и отображаться микроконтроллером. Микроконтроллер должен быть быстрым. Поэтому я выбираю ардуино должное. Я пробовал два разных типа кодов быстрого аналогового считывания (см. Приложения). Один быстрее (около 0,4 мкс на преобразование), но я получил в 2-3 раза то же значение при чтении с аналогового входа. Другой - немного медленнее (1 мкс на преобразование), но не имеет недостатка в виде повторяющихся значений. Я выбрал первый…

На плате приемника есть два переключателя. С этими шагами вы можете остановить измерение и выбрать две разные временные базы. Один для времени измерения от 0 до 120 мкс, а другой от 0 до 240 мкс. Я понял это, прочитав 300 или 600 значений. Для 600 значений требуется вдвое больше времени, но тогда я беру только каждую секунду аналога по значению.

Входящие эхо-сигналы считываются одним из аналоговых входных портов Arduino. Стабилитрон должен защищать порт от слишком высоких напряжений, потому что плата Arduino может считывать только напряжения до 3,3 В.

Каждое аналоговое входное значение затем преобразуется в значение от 0 до 255. С этим значением на дисплее будет нарисован следующий прямоугольник серого цвета. Белый означает высокий сигнал / эхо, темно-серый или черный означает низкий сигнал / эхо.

Вот строки в коде для рисования прямоугольников шириной 24 пикселя и высотой 1 пиксель.

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

values = map (values , 0, 4095, 0, 255);

myGLCD.setColor (значения , значения , значения );

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

}

Через одну секунду будет нарисован следующий столбец…

Шаг 3: результаты

Я исследовал разные объекты, от алюминиевых цилиндров до воздушных шаров с водой до моего тела. Чтобы увидеть эхо от тела, усиление сигналов должно быть очень высоким. Для алюминиевых цилиндров требуется меньшее усиление. Когда вы смотрите на фотографии, вы можете ясно видеть эхо от кожи и моей кости.

Так что я могу сказать об успехе или провале этого проекта. Можно заглянуть внутрь тела с помощью таких простых методов и деталей, которые обычно не предназначены для этой цели. Но и эти факторы ограничивают результаты. Таких четких и хорошо структурированных изображений по сравнению с коммерческими решениями не получится.

Но и это самое главное, я пробовал и старался. Надеюсь, вам понравились эти инструкции, и, по крайней мере, они были вам интересны.

Если вы хотите взглянуть на другие мои проекты по физике:

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

другие проекты по физике: