USG ciała z Arduino: 3 kroki (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Cześć!

Moim hobby i pasją jest realizacja projektów z dziedziny fizyki. Jedna z moich ostatnich prac dotyczy ultrasonografii. Jak zawsze starałem się, aby było to jak najprostsze z częściami, które można dostać na ebay lub aliexpress. Spójrzmy więc, jak daleko mogę się posunąć z moimi prostymi przedmiotami…

Zainspirował mnie ten nieco bardziej skomplikowany i droższy projekt:

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

Oto części, których będziesz potrzebować do mojego projektu:

główne części:

• miernik do pomiaru grubości lakieru za 40 USD: ebay miernik grubości lakieru GM100
• lub sam przetwornik 5 MHz za 33 USD: przetwornik ebay 5 MHz
• arduino Due za 12 USD: ebay arduino due
• wyświetlacz 320x480 pikseli za 11 USD: wyświetlacz arduino 320x480
• dwa zasilacze 9V/1A dla symetrycznego zasilania +9/GND/-9V
• żel do USG do USG: 10 USD żel do USG

dla nadajnika:

• konwerter step-up na potrzebne 100V za 5 USD: konwerter boost 100V
• wspólny konwerter podwyższający napięcie dostarczający 12-15 V do konwertera doładowania 100 V za 2 USD: konwerter doładowania XL6009
• regulator napięcia LM7805
• monoflop-IC 74121
• mosfet-sterownik ICL7667
• Mosfet IRL620: IRL620
• kondensatory z 1nF (1x), 50pF (1x), 0,1µF (1x elektrolit.), 47µF (1x elektrolit.), 20 µF (1x elektrolit. dla 200V), 100 nF (2x MKP dla 200V: 100nF20µF
• rezystory 3kOhm (0,25W), 10kOhm (0,25W) i 50Ohm (1W)
• Potencjometr 10 kOhm
• 2 szt. Gniazda C5: gniazdo C5 7 USD

dla odbiorcy:

• 3 szt. Wzmacniacz operacyjny AD811: eBay AD811
• 1 szt. Wzmacniacz operacyjny LM7171: eBay LM7171
• Kondensator 5 x 1 nF, kondensator 8 x 100 nF
• Potencjometr 4 x 10 kOhm
• Potencjometr 1x100 kOhm
• Rezystory 0,25W 68 Ohm, 330 Ohm (2 szt.), 820 Ohm, 470 Ohm, 1,5 kOhm, 1 kOhm, 100 Ohm
• Diody 1N4148 (2 szt.)
• Dioda Zenera 3,3V (1 szt.)

Krok 1: Moje obwody nadajnika i odbiornika

Sonografia jest bardzo ważnym sposobem w medycynie zajrzeć do wnętrza ciała. Zasada jest prosta: nadajnik wysyła impulsy ultradźwiękowe. Rozprzestrzeniają się w ciele, są odbijane przez organy wewnętrzne lub kości i wracają do odbiorcy.

W moim przypadku do pomiaru grubości warstw farby używam miernika GM100. Chociaż nie jest przeznaczony do zaglądania do wnętrza ciała, mogę zobaczyć moje kości.

Nadajnik GM100 pracuje z częstotliwością 5 MHz. Dlatego musisz stworzyć bardzo krótkie impulsy o długości 100-200 nanosekund. 7412-monoflop jest w stanie wytworzyć tak krótkie impulsy. Te krótkie impulsy trafiają do sterownika ICL7667-mosfet, który steruje bramką IRL620 (uwaga: mosfet musi być w stanie obsłużyć napięcia do 200V!).

Jeśli bramka jest włączona, kondensator 100V-100nF rozładowuje się i do nadajnika-piezo przyłożony jest ujemny impuls -100V.

Echa ultradźwiękowe odbierane z głowicy GM100 trafiają do 3-stopniowego wzmacniacza z szybkim OPA AD820. Po trzecim kroku będziesz potrzebował precyzyjnego prostownika. Do tego celu wykorzystuję wzmacniacz operacyjny LM7171.

Uwaga: najlepsze wyniki uzyskałem, gdy skróciłem wejście prostownika precyzyjnego za pomocą pętli z drutu dupontowego (? w obwodzie). Naprawdę nie rozumiem dlaczego, ale będziesz musiał to sprawdzić, jeśli spróbujesz zrekonstruować mój ultradźwiękowy skaner.

Krok 2: Oprogramowanie Arduino

Odbite impulsy muszą być przechowywane i wyświetlane przez mikrokontroler. Mikrokontroler musi być szybki. Dlatego wybieram arduino należne. Wypróbowałem dwa różne typy szybkich kodów do odczytu analogowego (spójrz na załączniki). Jeden jest szybszy (około 0,4 µs na konwersję), ale przy odczycie na wejściu analogowym uzyskałem 2-3 razy tę samą wartość. Drugi jest nieco wolniejszy (1 µs na konwersję), ale nie ma wad powtarzających się wartości. Wybrałem pierwszy…

Na płytce odbiorczej znajdują się dwa przełączniki. W tych miejscach możesz zatrzymać pomiar i wybrać dwie różne podstawy czasowe. Jeden dla czasów pomiaru od 0 do 120 µs, a drugi od 0 do 240 µs. Zdałem sobie z tego sprawę, odczytując 300 lub 600 wartości. Dla 600 wartości zajmuje to dwa razy więcej czasu, ale wtedy biorę tylko co drugi analog w wartości.

Przychodzące echa są odczytywane za pomocą jednego z analogowych portów wejściowych arduino. Dioda Zenera powinna chronić port przed zbyt wysokimi napięciami, ponieważ arduino może odczytywać tylko napięcia do 3,3V.

Każda wartość wejścia analogowego jest następnie przekształcana na wartość z zakresu od 0 do 255. Przy tej wartości na wyświetlaczu zostanie narysowany kolejny szary prostokąt. Biały oznacza wysoki sygnał/echo, ciemnoszary lub czarny oznacza niski sygnał/echo.

Oto linie w kodzie do rysowania prostokątów o szerokości 24 pikseli i wysokości 1 piksela

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

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

myGLCD.setColor(wartości, wartości, wartości);

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

}

Po sekundzie zostanie narysowana kolejna kolumna…

Krok 3: Wyniki

Badałem różne przedmioty, od aluminiowych butli, przez wypełnione wodą balony, aż po moje ciało. Aby zobaczyć echa ciała, wzmocnienie sygnałów musi być bardzo wysokie. W przypadku cylindrów aluminiowych potrzebne jest mniejsze wzmocnienie. Kiedy patrzysz na zdjęcia, możesz wyraźnie zobaczyć echa ze skóry i mojej kości.

Co więc mogę powiedzieć o sukcesie lub porażce tego projektu. Tak prostymi metodami i za pomocą części, które nie są powszechnie do tego przeznaczone, można zajrzeć do wnętrza ciała. Ale te czynniki również ograniczają wyniki. W porównaniu z rozwiązaniami komercyjnymi nie otrzymujesz tak wyraźnych i dobrze ustrukturyzowanych zdjęć.

Ale i to jest najważniejsze, spróbowałem tego i dałem z siebie wszystko. Mam nadzieję, że podobały Ci się te instrukcje i były przynajmniej dla Ciebie interesujące.

Jeśli chcesz rzucić okiem na moje inne projekty z fizyki:

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

więcej projektów z fizyki: