Sonography อัลตราซาวนด์ของร่างกายด้วย Arduino: 3 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

สวัสดี!

งานอดิเรกและความหลงใหลของฉันคือการทำโครงงานฟิสิกส์ให้เป็นจริง งานสุดท้ายของฉันคือเกี่ยวกับ sonography อัลตราโซนิก เช่นเคย ฉันพยายามทำให้มันง่ายที่สุดด้วยชิ้นส่วนที่คุณสามารถหาได้จาก ebay หรือ aliexpress ลองมาดูกันว่าฉันจะไปได้ไกลแค่ไหนกับไอเท็มง่ายๆ ของฉัน…

ฉันได้รับแรงบันดาลใจจากโครงการที่ซับซ้อนและมีราคาแพงกว่านี้เล็กน้อย:

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

นี่คือส่วนที่จำเป็นสำหรับโครงการของฉัน:

ส่วนหลัก:

• เกจวัดความหนาของสี 40 USD: เครื่องวัดความหนาสีอีเบย์ GM100
• หรือเพียงแค่ทรานสดิวเซอร์ 5 MHz ในราคา 33 USD: ตัวแปลงสัญญาณ ebay 5 MHz
• arduino Due สำหรับ 12 USD: ebay arduino due
• จอแสดงผล 320x480 พิกเซลสำหรับ 11 USD: 320x480 arduino display
• แหล่งจ่ายไฟ 9V/1A สองตัวสำหรับการจ่ายไฟแบบสมมาตร +9/GND/-9V
• เจลอัลตราซาวนด์สำหรับการตรวจคลื่นเสียง: 10 USD เจลอัลตราซาวนด์

สำหรับเครื่องส่งสัญญาณ:

• ตัวแปลงแบบสเต็ปอัพสำหรับ 100V ที่จำเป็นในราคา 5 USD: ตัวแปลงบูสต์ 100V
• step-up-converter ทั่วไปที่จ่าย 12-15V สำหรับ 100V-boost-converter สำหรับ 2 USD: XL6009 boost-converter
• ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า LM7805
• โมโนฟลอป-IC 74121
• mosfet ไดรเวอร์ ICL7667
• มอสเฟต IRL620: IRL620
• ตัวเก็บประจุที่มี 1nF (1x), 50pF (1x), 0.1µF (1x อิเล็กโทรไลต์), 47µF (1x อิเล็กโทรไลต์), 20 µF (1 x อิเล็กโทรไลต์สำหรับ 200V), 100 nF (2x MKP สำหรับ 200V: 100nF20µF
• ตัวต้านทาน 3kOhm (0.25W), 10kOhm (0.25W) และ 50Ohm (1W)
• โพเทนชิโอมิเตอร์ 10 kOhm
• 2 ชิ้น C5-ซ็อกเก็ต: 7 USD C5 socket

สำหรับเครื่องรับ:

• 3 ชิ้น AD811 เครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน: ebay AD811
• 1 ชิ้น เครื่องขยายเสียงปฏิบัติการ LM7171: อีเบย์ LM7171
• ตัวเก็บประจุ 5 x 1 nF, ตัวเก็บประจุ 8 x 100nF
• 4 x 10 kOhm โพเทนชิโอมิเตอร์
• 1 x 100 kOhm โพเทนชิโอมิเตอร์
• ตัวต้านทาน 0.25W พร้อม 68 โอห์ม 330 โอห์ม (2 ชิ้น) 820 โอห์ม 470 โอห์ม 1.5 kOhm 1 kOhm 100 โอห์ม
• ไดโอด 1N4148 (2 ชิ้น)
• ไดโอดซีเนอร์ 3.3V (1 ชิ้น)

ขั้นตอนที่ 1: วงจรตัวส่งและตัวรับของฉัน

Sonography เป็นวิธีที่สำคัญมากในการแพทย์ในการมองเข้าไปในร่างกาย หลักการง่ายๆ คือ เครื่องส่งสัญญาณจะส่งพัลส์อัลตราโซนิก กระจายออกไปในร่างกาย สะท้อนจากอวัยวะภายในหรือกระดูก และกลับมาที่เครื่องรับ

ในกรณีของฉัน ฉันใช้เกจ GM100 เพื่อวัดความหนาของชั้นสี แม้ว่าจะไม่ได้มีไว้สำหรับมองเข้าไปในร่างกาย แต่ฉันก็สามารถมองเห็นกระดูกของฉันได้

เครื่องส่งสัญญาณ GM100 ทำงานด้วยความถี่ 5 MHz ดังนั้นคุณต้องสร้างพัลส์ที่สั้นมาก ๆ ที่มีความยาว 100-200 นาโนวินาที 7412-monoflop สามารถสร้างพัลส์สั้น ๆ ดังกล่าวได้ พัลส์สั้น ๆ เหล่านี้ไปที่ ICL7667-mosfet-driver ซึ่งขับเกตของ IRL620 (โปรดทราบว่า mosfet ต้องสามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 200V!)

หากประตูเปิดอยู่ ตัวเก็บประจุ 100V-100nF จะคายประจุและพัลส์ลบที่ -100V จะถูกนำไปใช้กับเครื่องส่งสัญญาณ-piezo

เสียงสะท้อนจากอัลตราโซนิกที่ได้รับจากหัว GM100 จะเป็นแอมพลิฟายเออร์ 3 ขั้นด้วย OPA AD820 ที่รวดเร็ว หลังจากขั้นตอนที่สาม คุณจะต้องมีวงจรเรียงกระแสที่แม่นยำ เพื่อจุดประสงค์นี้ ฉันใช้แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการ LM7171

ให้ความสนใจ: ฉันได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด เมื่อฉันย่ออินพุตของวงจรเรียงกระแสที่มีความแม่นยำด้วยลูปดูปองต์-ไวร์-ลูป (? ในวงจร) ฉันไม่เข้าใจจริงๆ ว่าทำไม แต่คุณจะต้องตรวจสอบหากคุณพยายามสร้างเครื่องสแกนอัลตราโซนิกของฉันขึ้นใหม่

ขั้นตอนที่ 2: ซอฟต์แวร์ Arduino

ไมโครคอนโทรลเลอร์จะต้องจัดเก็บและแสดงพัลส์ที่สะท้อนกลับ ไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องเร็ว ดังนั้นฉันจึงเลือก Arduino เนื่องจาก ฉันได้ลองใช้รหัสอ่านแบบอะนาล็อกที่รวดเร็วสองประเภท (ดูเอกสารแนบ) อันหนึ่งเร็วกว่า (ประมาณ 0.4 µs ต่อการแปลง) แต่ฉันได้ค่าเท่ากัน 2-3 เท่าเมื่ออ่านในอินพุตแบบอะนาล็อก อีกอันหนึ่งช้ากว่าเล็กน้อย (1 µs ต่อการแปลง) แต่ไม่มีข้อเสียของค่าที่ซ้ำกัน ฉันเลือกอันแรก…

มีสวิตช์สองตัวบนบอร์ดรับสัญญาณ คุณสามารถหยุดการวัดและเลือกฐานเวลาที่แตกต่างกันสองฐาน หนึ่งสำหรับการวัดเวลาระหว่าง 0 ถึง 120 µs และอีกระหว่าง 0 ถึง 240 µs ฉันรู้สิ่งนี้โดยการอ่านค่า 300 หรือ 600 ค่า สำหรับค่า 600 ค่าจะใช้เวลาสองเท่า แต่จากนั้นฉันก็ใช้ค่าอนาล็อกเป็นค่าทุกวินาที

กำลังอ่านเสียงสะท้อนที่เข้ามาด้วยหนึ่งในพอร์ตอนาล็อกอินพุตของ Arduino ซีเนอร์ไดโอดควรป้องกันพอร์ตสำหรับแรงดันไฟฟ้าสูงเกินไป เนื่องจาก Arduino สามารถอ่านแรงดันไฟฟ้าได้สูงถึง 3.3V เท่านั้น

ค่าอินพุตแบบอะนาล็อกแต่ละค่าจะถูกแปลงเป็นค่าระหว่าง 0 ถึง 255 ด้วยค่านี้ สี่เหลี่ยมสีเทาเพิ่มเติมจะถูกวาดบนจอแสดงผล สีขาวหมายถึงสัญญาณ/เสียงสะท้อนสูง สีเทาเข้มหรือสีดำหมายถึงสัญญาณ/เสียงสะท้อนต่ำ

ต่อไปนี้คือเส้นในโค้ดสำหรับวาดรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีความกว้าง 24 พิกเซลและความสูง 1 พิกเซล

สำหรับ (i = 0; i < 300; i++) {

ค่า = แผนที่(ค่า, 0, 4095, 0, 255);

myGLCD.setColor(ค่า, ค่า, ค่า);

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

}

หลังจากหนึ่งวินาที คอลัมน์ถัดไปจะถูกวาด…

ขั้นตอนที่ 3: ผลลัพธ์

ฉันได้ตรวจสอบวัตถุต่างๆ ตั้งแต่กระบอกสูบอะลูมิเนียมเหนือลูกโป่งที่บรรจุน้ำไปจนถึงร่างกายของฉัน หากต้องการเห็นเสียงสะท้อนของร่างกาย การขยายสัญญาณจะต้องสูงมาก สำหรับกระบอกสูบอะลูมิเนียมจำเป็นต้องมีการขยายเสียงที่ต่ำกว่า เมื่อคุณดูภาพคุณสามารถเห็นเสียงสะท้อนจากผิวหนังและกระดูกของฉันได้อย่างชัดเจน

ฉันจะพูดอะไรเกี่ยวกับความสำเร็จหรือความล้มเหลวของโครงการนี้ได้บ้าง เป็นไปได้ที่จะมองเข้าไปในร่างกายด้วยวิธีการง่ายๆ และใช้อวัยวะต่างๆ ซึ่งโดยทั่วไปไม่ได้มีไว้สำหรับจุดประสงค์นั้น แต่ปัจจัยเหล่านี้ก็จำกัดผลลัพธ์เช่นกัน คุณไม่ได้ภาพที่ชัดเจนและมีโครงสร้างที่ดีเมื่อเปรียบเทียบกับโซลูชันเชิงพาณิชย์

แต่นี่คือสิ่งที่สำคัญที่สุด ฉันพยายามแล้วและทำให้ดีที่สุด ฉันหวังว่าคุณจะชอบคำแนะนำนี้และอย่างน้อยก็น่าสนใจสำหรับคุณ

ถ้าคุณชอบดูโครงงานฟิสิกส์อื่นๆ ของฉัน:

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

โครงการฟิสิกส์เพิ่มเติม: