Ecografia corporea ad ultrasuoni con Arduino: 3 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Ciao!

Il mio hobby e la mia passione è realizzare progetti di fisica. Uno dei miei ultimi lavori riguarda l'ecografia ad ultrasuoni. Come sempre ho cercato di renderlo il più semplice possibile con parti che puoi trovare su ebay o aliexpress. Quindi diamo un'occhiata a quanto posso spingermi lontano con i miei oggetti semplici…

Mi sono ispirato a questo progetto un po' più complicato e costoso:

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

Ecco le parti necessarie per il mio progetto:

le parti principali:

• un calibro per misurare lo spessore della vernice per 40 USD: spessimetro della vernice ebay GM100
• o solo il trasduttore da 5 MHz per 33 USD: trasduttore da 5 MHz ebay
• un arduino Due per 12 USD: ebay arduino due
• un display 320x480 pixel per 11 USD: display arduino 320x480
• due alimentatori 9V/1A per l'alimentazione simmetrica +9/GND/-9V
• gel per ultrasuoni per ecografia: 10 USD gel per ultrasuoni

per il trasmettitore:

• un convertitore step-up per i 100 V necessari per 5 USD: convertitore boost da 100 V
• un comune convertitore step-up che fornisce 12-15 V per il convertitore boost da 100 V per 2 USD: convertitore boost XL6009
• un regolatore di tensione LM7805
• monoflop-IC 74121
• driver mosfet ICL7667
• Mosfet IRL620: IRL620
• condensatori con 1nF (1x), 50pF (1x), 0.1µF (1x elettrolitico), 47µF (1x elettrolitico), 20 µF (1 x elettrolitico per 200V), 100 nF (2x MKP per 200V: 100nF20µF
• resistori da 3kOhm (0,25W), 10kOhm (0,25W) e 50Ohm (1W)
• Potenziometro da 10 kOhm
• 2 pz. Prese C5: 7 USD presa C5

per il destinatario:

• 3 pz. Amplificatore operazionale AD811: ebay AD811
• 1 pz. Amplificatore operazionale LM7171: ebay LM7171
• Condensatore 5 x 1 nF, condensatore 8 x 100nF
• Potenziometro 4 x 10 kOhm
• 1 x potenziometro da 100 kOhm
• Resistori da 0,25 W con 68 Ohm, 330 Ohm (2 pz.), 820 Ohm, 470 Ohm, 1,5 kOhm, 1 kOhm, 100 Ohm
• Diodi 1N4148 (2 pz.)
• Diodo Zener da 3,3 V (1 pz.)

Passaggio 1: i miei circuiti di trasmissione e ricezione

L'ecografia è un modo molto importante in medicina per guardare all'interno del corpo. Il principio è semplice: un trasmettitore invia impulsi ultrasonici. Si diffondono nel corpo, vengono riflessi dagli organi interni o dalle ossa e ritornano al ricevitore.

Nel mio caso utilizzo il calibro GM100 per misurare lo spessore degli strati di vernice. Sebbene non sia realmente destinato a guardare all'interno del corpo, sono in grado di vedere le mie ossa.

Il trasmettitore GM100 funziona con una frequenza di 5 MHz. Quindi devi creare impulsi molto brevi con una lunghezza di 100-200 nanosecondi. Il 7412-monoflop è in grado di creare impulsi così brevi. Questi brevi impulsi vanno al driver del mosfet ICL7667, che pilota il gate di un IRL620 (attenzione: il mosfet deve essere in grado di gestire tensioni fino a 200V!).

Se il cancello è acceso, il condensatore da 100V-100nF si scarica e viene applicato un impulso negativo di -100V al trasmettitore-piezo.

Gli echi ultrasonici, ricevuti dalla testata GM100, stanno andando a un amplificatore a 3 stadi con il veloce OPA AD820. Dopo il terzo passaggio avrai bisogno di un raddrizzatore di precisione. A tale scopo utilizzo un amplificatore operazionale LM7171.

Prestare attenzione: ho ottenuto i migliori risultati, quando accorcio l'ingresso del raddrizzatore di precisione con un anello dupont (? nel circuito). Non capisco bene perché, ma dovrai controllarlo se provi a ricostruire il mio scanner a ultrasuoni.

Passaggio 2: il software Arduino

Gli impulsi riflessi devono essere memorizzati e visualizzati da un microcontrollore. Il microcontrollore deve essere veloce. Pertanto scelgo un arduino due. Ho provato due diversi tipi di codici di lettura analogici veloci (guarda gli allegati). Uno è più veloce (circa 0,4 µs per conversione) ma ho ottenuto 2-3 volte lo stesso valore durante la lettura nell'ingresso analogico. L'altro è un po' più lento (1 µs per conversione), ma non ha lo svantaggio dei valori ripetuti. io ho scelto il primo…

Ci sono due interruttori sulla scheda del ricevitore. Con quei punti puoi fermare la misurazione e scegliere due diverse basi temporali. Uno per tempi di misura compresi tra 0 e 120 µs e l'altro tra 0 e 240 µs. L'ho capito leggendo 300 valori o 600 valori. Per 600 valori ci vuole il doppio del tempo, ma poi prendo solo ogni secondo di valore analogico.

Gli echi in arrivo vengono letti con una delle porte di ingresso analogiche dell'arduino. Il diodo zener dovrebbe proteggere la porta da tensioni troppo alte perché l'arduino può leggere solo tensioni fino a 3,3 V.

Ogni valore di ingresso analogico viene poi trasformato in un valore compreso tra 0 e 255. Con questo valore verrà disegnato sul display un ulteriore rettangolo di colore grigio. Bianco significa segnale/eco alto, grigio scuro o nero significa segnale/eco basso.

Ecco le linee nel codice per disegnare i rettangoli con 24 pixel di larghezza e 1 pixel di altezza

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

valori = mappa(valori, 0, 4095, 0, 255);

myGLCD.setColor(valori, valori, valori);

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

}

Dopo un secondo verrà disegnata la colonna successiva…

Passaggio 3: risultati

Ho esaminato diversi oggetti, da cilindri di alluminio a palloncini pieni d'acqua, fino al mio corpo. Per vedere gli echi del corpo l'amplificazione dei segnali deve essere molto alta. Per i cilindri in alluminio è necessaria un'amplificazione inferiore. Quando guardi le immagini puoi vedere chiaramente gli echi della pelle e delle mie ossa.

Quindi cosa posso dire del successo o del fallimento di questo progetto. È possibile guardare all'interno del corpo con metodi così semplici e utilizzando parti, che comunemente non sono destinate a tale scopo. Ma anche questi fattori stanno limitando i risultati. Non si ottengono immagini così chiare e ben strutturate rispetto alle soluzioni commerciali.

Ma e questa è la cosa più importante, ci ho provato e ho fatto del mio meglio. Spero che questo tutorial ti sia piaciuto e che sia stato almeno interessante per te.

Se ti va di dare un'occhiata ai miei altri progetti di fisica:

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

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