Krops-ultralyd sonografi med Arduino: 3 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Hej!

Min hobby og passion er at realisere fysikprojekter. Et af mine sidste værker handler om ultralydssonografi. Som altid forsøgte jeg at gøre det så enkelt som muligt med dele, du kan få på ebay eller aliexpress. Så lad os se på, hvor langt jeg kan gå med mine enkle ting …

Jeg blev inspireret af dette lidt mere komplicerede og dyrere projekt:

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

Her er de dele, du skal bruge til mit projekt:

hoveddelene:

• en måler til at måle tykkelsen af maling til 40 USD: ebay laktykkelsesmåler GM100
• eller bare 5 MHz transduceren til 33 USD: ebay 5 MHz transducer
• en arduino Due for 12 USD: ebay arduino due
• en 320x480 pixel skærm til 11 USD: 320x480 arduino skærm
• to 9V/1A strømforsyninger til den symmetriske +9/GND/-9V forsyning
• ultralydsgel til sonografi: 10 USD ultralydsgel

til senderen:

• en trin-op-konverter til den nødvendige 100V til 5 USD: 100V boost-konverter
• en fælles step-up-converter, der leverer 12-15V til 100V-boost-converter til 2 USD: XL6009 boost-converter
• en LM7805 spændingsregulator
• monoflop-IC 74121
• mosfet-driver ICL7667
• IRL620 mosfet: IRL620
• kondensatorer med 1nF (1x), 50pF (1x), 0,1µF (1x elektrolytisk), 47µF (1x elektrolytisk), 20 μF (1 x elektrolytisk for 200V), 100 nF (2x MKP for 200V: 100nF20µF
• modstande med 3kOhm (0,25W), 10kOhm (0,25W) og 50Ohm (1W)
• 10 kOhm potentiometer
• 2 stk. C5-fatninger: 7 USD C5-fatning

til modtageren:

• 3 stk. AD811 operationsforstærkning: ebay AD811
• 1 stk. LM7171 operationsforstærkning: ebay LM7171
• 5 x 1 nF kondensator, 8 x 100nF kondensator
• 4 x 10 kOhm potentiometer
• 1 x 100 kOhm potentiometer
• 0,25W modstande med 68 Ohm, 330 Ohm (2 stk.), 820 Ohm, 470 Ohm, 1,5 kOhm, 1 kOhm, 100 Ohm
• 1N4148 dioder (2 stk.)
• 3.3V zener diode (1 stk.)

Trin 1: Mine sender- og modtager-kredsløb

Sonografi er en meget vigtig måde inden for medicin til at se ind i kroppen. Princippet er enkelt: En sender sender ultra-soniske pulser. De spredes ud i kroppen, reflekteres af indre organer eller knogler og vender tilbage til modtageren.

I mit tilfælde bruger jeg måleren GM100 til måling af tykkelsen af malingslag. Selvom jeg egentlig ikke er beregnet til at kigge inde i kroppen, kan jeg se mine knogler.

GM100-senderen fungerer med en frekvens på 5 MHz. Derfor skal du oprette meget korte impulser med en længde på 100-200 nanosekunder. 7412-monoflop er i stand til at skabe sådanne korte impulser. Disse korte impulser går til ICL7667-mosfet-driveren, som driver porten til en IRL620 (opmærksom: mosfeten skal kunne håndtere spændinger op til 200V!).

Hvis porten er tændt, aflades 100V-100nF-kondensatoren, og en negativ puls på -100V tilføres senderen-piezo.

Ultralydsekkoerne, der modtages fra GM100-hovedet, går til en 3-trins forstærker med den hurtige OPA AD820. Efter det tredje trin skal du bruge en præcisions-ensretter. Til dette formål bruger jeg en LM7171 operationsforstærker.

Vær opmærksom: Jeg fik de bedste resultater, da jeg forkortede indgangen til præcisionsretteren med en dupont-wire-loop (? I kredsløbet). Jeg forstår ikke rigtigt hvorfor, men du bliver nødt til at kontrollere det, hvis du prøver at rekonstruere min ultralydsscanner.

Trin 2: Arduino-softwaren

De reflekterede impulser skal gemmes og vises af en mikrokontroller. Mikrocontrolleren skal være hurtig. Derfor vælger jeg en arduino pga. Jeg har prøvet to forskellige typer hurtige analog-læsekoder (se vedhæftede filer). Den ene er hurtigere (ca. 0,4 µs pr. Konvertering), men jeg fik 2-3 gange den samme værdi, da jeg læste den analoge indgang. Den anden er lidt langsommere (1 µs pr. Konvertering), men har ikke ulempen ved de gentagne værdier. Jeg har valgt den første …

Der er to kontakter på modtagerbordet. Med disse sitches kan du stoppe målingen og vælge to forskellige tidsbaser. Den ene til målingstider mellem 0 og 120 µs og den anden mellem 0 og 240 µs. Jeg indså dette ved at læse 300 værdier eller 600 værdier op. For 600 værdier tager det dobbelt så lang tid, men så tager jeg bare hver anden analog-i-værdi.

De indgående ekkoer læses med en af de analoge input-porte på arduinoen. Zenerdioden skal beskytte porten for for høje spændinger, fordi arduinoen kun kan aflæse spændinger op til 3,3V.

Hver analog-input-værdi omdannes derefter til en værdi mellem 0 og 255. Med denne værdi vil der blive tegnet en yderligere grå-farvet-rectancle på displayet. Hvid betyder højt signal/ekko, mørkegrå eller sort betyder lavt signal/ekko.

Her er linjerne i koden til tegning af rektanglerne med 24 pixel bredde og 1 pixel højde

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

værdier = kort (værdier , 0, 4095, 0, 255);

myGLCD.setColor (værdier , værdier , værdier );

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

}

Efter et sekund bliver den næste kolonne tegnet …

Trin 3: Resultater

Jeg har undersøgt forskellige objekter fra aluminim-cylindre over vandfyldte balloner til min krop. For at se krop-ekkoer skal amplifikationen af signalerne være meget høj. For aluminiumcylindrene er en lavere forstærkning nødvendig. Når du ser på billederne, kan du tydeligt se ekkoerne fra huden og min knogle.

Så hvad kan jeg sige om dette projekts succes eller fiasko. Det er muligt at kigge inde i kroppen med sådanne enkle metoder og ved hjælp af dele, som normalt ikke er beregnet til dette formål. Men disse faktorer begrænser også resultaterne. Du får ikke så klare og velstrukturerede billeder sammenlignet med kommercielle løsninger.

Men og det er det vigtigste, jeg har prøvet det og gjort mit bedste. Jeg håber, at du kunne lide denne instruktør, og det var i det mindste interessant for dig.

Hvis du kan lide at kigge på mine andre fysikprojekter:

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

flere fysikprojekter: