Körper-Ultraschall-Sonographie mit Arduino - Gunook

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2025-01-23 12:52

Hallo!

Mein Hobby und meine Leidenschaft ist es, Physikprojekte zu realisieren. Eine meiner letzten Arbeiten beschäftigt sich mit der Ultraschallsonographie. Wie immer habe ich versucht, es so einfach wie möglich zu machen mit Teilen, die Sie bei ebay oder aliexpress bekommen. Schauen wir uns also an, wie weit ich mit meinen einfachen Gegenständen gehen kann…

Ich wurde von diesem etwas komplizierteren und teureren Projekt inspiriert:

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

Hier sind die Teile, die Sie für mein Projekt benötigen:

die wichtigsten teile:

• ein Messgerät zum Messen der Lackdicke für 40 USD: ebay Lackdickenmessgerät GM100
• oder nur der 5-MHz-Geber für 33 USD: ebay 5 MHz-Geber
• ein arduino fällig für 12 USD: ebay arduino fällig
• ein 320x480-Pixel-Display für 11 USD: 320x480 Arduino-Display
• zwei 9V/1A Netzteile für die symmetrische +9/GND/-9V Versorgung
• Ultraschall-Gel für die Sonographie: 10 USD Ultraschall-Gel

für den Sender:

• ein Aufwärtswandler für die benötigten 100V für 5 USD: 100V Aufwärtswandler
• ein üblicher Aufwärtswandler mit 12-15V für den 100V-Boost-Wandler für 2 USD: XL6009 Boost-Wandler
• ein LM7805 Spannungsregler
• Monoflop-IC 74121
• Mosfet-Treiber ICL7667
• IRL620-Mosfet: IRL620
• Kondensatoren mit 1nF (1x), 50pF (1x), 0.1µF (1x Elektrolyt), 47µF (1x Elektrolyt), 20 µF (1 x Elektrolyt für 200V), 100 nF (2x MKP für 200V: 100nF20µF
• Widerstände mit 3kOhm (0,25W), 10kOhm (0,25W) und 50Ohm (1W)
• 10 kOhm Potentiometer
• 2 Stk. C5-Buchsen: 7 USD C5-Buchse

für den Empfänger:

• 3 Stk. AD811 Betriebsverstärker: ebay AD811
• 1 Stück. LM7171 Betriebsverstärker: ebay LM7171
• 5 x 1 nF Kondensator, 8 x 100 nF Kondensator
• 4 x 10 kOhm Potentiometer
• 1 x 100 kOhm Potentiometer
• 0,25W Widerstände mit 68 Ohm, 330 Ohm (2 Stk.), 820 Ohm, 470 Ohm, 1,5 kOhm, 1 kOhm, 100 Ohm
• 1N4148 Dioden (2 Stk.)
• 3,3V Zenerdiode (1 Stk.)

Schritt 1: Meine Sender- und Empfängerschaltungen

Die Sonographie ist in der Medizin eine sehr wichtige Methode, um in das Körperinnere zu schauen. Das Prinzip ist einfach: Ein Sender sendet Ultraschallimpulse. Sie breiten sich im Körper aus, werden von inneren Organen oder Knochen reflektiert und kommen zum Empfänger zurück.

In meinem Fall verwende ich das Messgerät GM100 zum Messen der Dicke von Lackschichten. Obwohl nicht wirklich dafür gedacht, in den Körper zu schauen, kann ich meine Knochen sehen.

Der GM100-Sender arbeitet mit einer Frequenz von 5 MHz. Dafür muss man sehr kurze Pulse mit einer Länge von 100-200 Nanosekunden erzeugen. Das 7412-Monoflop kann solche kurzen Impulse erzeugen. Diese kurzen Impulse gehen an den ICL7667-Mosfet-Treiber, der das Gate eines IRL620 ansteuert (Achtung: der Mosfet muss Spannungen bis 200V verarbeiten können!).

Wird das Gate eingeschaltet, entlädt sich der 100V-100nF-Kondensator und ein negativer Impuls von -100V wird an den Sender-Piezo angelegt.

Die vom GM100-Kopf empfangenen Ultraschall-Echos gehen an einen 3-Stufen-Verstärker mit dem schnellen OPA AD820. Nach dem dritten Schritt benötigen Sie einen Präzisionsgleichrichter. Dazu verwende ich einen Operationsverstärker LM7171.

Achtung: Ich habe die besten Ergebnisse erzielt, wenn ich den Eingang des Präzisionsgleichrichters mit einer Dupont-Drahtschleife (? in der Schaltung) kürze. Ich verstehe nicht wirklich warum, aber Sie müssen es überprüfen, wenn Sie versuchen, meinen Ultraschallscanner zu rekonstruieren.

Schritt 2: Die Arduino-Software

Die reflektierten Impulse müssen von einem Mikrocontroller gespeichert und angezeigt werden. Der Mikrocontroller muss schnell sein. Daher wähle ich ein Arduino fällig. Ich habe zwei verschiedene Arten von schnellen Analog-Read-Codes ausprobiert (siehe Anhänge). Einer ist schneller (ca. 0,4 µs pro Wandlung), aber ich habe beim Einlesen des Analogeingangs 2-3 mal den gleichen Wert erhalten. Der andere ist etwas langsamer (1 µs pro Konvertierung), hat aber nicht den Nachteil der Wiederholwerte. Ich habe den ersten gewählt…

Auf der Empfängerplatine befinden sich zwei Schalter. Mit diesen Sitches können Sie die Messung stoppen und zwei verschiedene Zeitbasen wählen. Einer für Messzeiten zwischen 0 und 120 µs und der andere zwischen 0 und 240 µs. Ich habe dies realisiert, indem ich 300 Werte oder 600 Werte ausgelesen habe. Bei 600 Werten dauert es doppelt so lange, aber dann nehme ich nur jeden zweiten Analog-in-Wert.

Die eingehenden Echos werden mit einem der Analog-Input-Ports des Arduino gelesen. Die Zener-Diode sollte den Port vor zu hohen Spannungen schützen, da das Arduino Due nur Spannungen bis zu 3,3 V lesen kann.

Jeder Analog-Eingangswert wird dann in einen Wert zwischen 0 und 255 umgewandelt. Mit diesem Wert wird ein weiteres graues Rechteck auf dem Display gezeichnet. Weiß bedeutet hohes Signal/Echo, dunkelgrau oder schwarz bedeutet niedriges Signal/Echo.

Hier sind die Zeilen im Code zum Zeichnen der Rechtecke mit 24 Pixel Breite und 1 Pixel Höhe

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

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

myGLCD.setColor(values, values, values);

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

}

Nach einer Sekunde wird die nächste Spalte gezeichnet…

Schritt 3: Ergebnisse

Ich habe verschiedene Objekte untersucht, von Aluminiumzylindern über mit Wasser gefüllte Ballons bis hin zu meinem Körper. Um Körperechos zu sehen, muss die Verstärkung der Signale sehr hoch sein. Für die Aluminium-Zylinder wird eine geringere Verstärkung benötigt. Wenn Sie sich die Bilder ansehen, können Sie deutlich die Echos von der Haut und meinem Knochen sehen.

Was kann ich also über den Erfolg oder Misserfolg dieses Projekts sagen. Mit so einfachen Methoden und mit Teilen, die normalerweise nicht dafür vorgesehen sind, ist es möglich, ins Körperinnere zu schauen. Aber auch diese Faktoren schränken die Ergebnisse ein. So klare und gut strukturierte Bilder bekommt man im Vergleich zu kommerziellen Lösungen nicht.

Aber und das ist das Wichtigste, ich habe es ausprobiert und mein Bestes gegeben. Ich hoffe, Sie mochten diese instructables und es war zumindest für Sie interessant.

Wenn Sie einen Blick auf meine anderen Physik-Projekte werfen möchten:

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

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