Unter Sonographie versteht man die Untersuchung innerer Körperteile mittels Ultraschall. Ein kurzer Ultraschallpuls breitet sich dabei innerhalb des Körpers fort und wird an inneren Strukturen reflektiert und gelangt wieder zum Sender/Empfänger. Je tiefer im Körper diese Reflexion stattfindet, umso später trifft das Echo wieder beim Empfänger ein. Erfasst man also die Reflexionen zeitlich innerhalb einer bestimmten Zeitspanne nach Aussenden des Ultraschallpulses, so liefert dies auch eine Ortsauflösung der inneren Körpersturktur.
Der zum Einsatz kommende Ultraschallkopf wird eigentlich zur Bestimmung von Lackdicken verwendet. Das entsprechende Modell GM100 ist für rund 60 Euro auf ebay erhältlich (engl. GM100 Thickness gauge). Eigentlich benötigt man für dieses Projekt nur den Ultraschall-Sende/Empfängerkopf. Dieser kann für rund 25 Euro auch separat auf ebay erworben werden.
Die empfohlene Arbeitsfrequenz liegt bei 5 MHz. Deshalb steuere ich den US-Sender nur sehr kurz (rund 200 ns) und einmalig an. Dabei besitzt der am Sender anliegende Spannungspuls eine Amplitude von rund 100V. Erst durch eine so hohe Spannung werden die sehr schwachen Echos im menschlichen Körper sichtbar. Verwendet man anstelle des Körpers einen Metallgegenstand, so wären bereits geringere Pulsspannungen ausreichend.
Der Empfänger liefert ein nur sehr schwaches Signal, welches mittels mehrerer Operationsverstärker-Stufen verstärkt wird. Im Anschluss an die Verstärkung folgt eine sog. Peak-Detektor-Schaltung, denn ich benötige vom Echo quasi nur den positiven, einhüllenden Spannungsverlauf. Dieser wird dann an einen analogen Eingang des Arduino Due gelegt. Ich wählte deshalb den Arduino Due, da dieser über eine höhere/schnellere Leserate analoger Signale verfügt. Ein einzelner analoger Lesevorgang dauert dabei rund 0.4 µs. Insgesamt werden pro Scan 300 bzw. 600 Spannungen eingelesen, was eben 120 bzw. 240 µs in Anspruch nimmt. Im Anschluss daran werden die eingelesenen Spannungen in einen Grauwert umgewandelt und dann untereinander in Form von kurzen horizontalen Strichen mit dem jeweiligen Grauwert gezeichnet. Ein starkes Eche entspricht so einer hohen, eingelesenen Spannung und dementsprechend hell wird auch der kurze Strich gezeichnet. Im 240µs-Modus wird nur jeder zweite, eingelesene Spannungswert graphisch dargestellt. Jeder Scan besitzt eine eigene Spalte auf dem Display. Dies bedeutet, dass sich nacheinander Bilder/Scans von links nach rechts auftun. Sind alle Spalten am Bildschirm voll, beginnt die Darstellung wieder mit der ersten Spalte ganz links auf dem Bildschirm.
Obwohl mein Ultraschallgerät mit einem komerziellen Produkt in keinster Weise mithalten kann, bin ich dennoch zufrieden, damit einzelne Körperechos erfassen zu können. Dabei dürfte es sich zum Beispiel um das Echo an Knochen handeln.
Arduino-Code:
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#define pin_output 5 #define pin_input_magnification 4 #define pin_input_sleep 3 unsigned long start_time; unsigned long stop_time; unsigned int values[600]; // Array mit den eingelesenen Spannungswerten int i, j; int Trigger_time; // Dauer des Triggerpulses int gray_value; #define CENTRE 240 #include <UTFT.h> // Declare which fonts we will be using extern uint8_t SmallFont[]; UTFT myGLCD (ILI9486,38,39,40,41); // ========================= // ========= SETUP ========= // ========================= void setup() { Serial.begin(115200); REG_ADC_MR = 0x10380080; // change from 10380200 to 10380080, 1 is the PREESCALER and 8 means FREERUN ADC -> ADC_CHER = 0x03; // enable ADC on pin A7 pinMode(pin_output, OUTPUT); pinMode(pin_input_magnification, INPUT); // Switch-input for magnification pinMode(pin_input_sleep, INPUT); // Switch-input for sleep-mode digitalWrite(pin_output, LOW); Trigger_time = 1; // Dauer des Triggerpulses // Setup the LCD myGLCD.InitLCD(); myGLCD.setFont(SmallFont); myGLCD.clrScr(); myGLCD.setColor(255, 255, 0); myGLCD.fillRect(0, 0, 432, 13); myGLCD.setColor(0, 0, 0); myGLCD.setBackColor(255, 255, 0); myGLCD.print("Sonographie - stoppi", CENTER, 1); } // ======================== // ========= LOOP ========= // ======================== void loop() { for (j = 0; j < 18; j++) // Darstellung von 18 scans nebeneinander in x-Richtung { // Ausgabe des Triggersignals // ========================== digitalWrite(pin_output,HIGH); //delayMicroseconds(Trigger_time); digitalWrite(pin_output,LOW); // Einlesen der US-Reflexionen // =========================== //start_time = micros(); if (digitalRead(pin_input_magnification) == LOW) // ohne Zeitstreckung Einlesen von 300 Werten; erfasste Zeitspanne = 120 µsec { for(i = 0; i < 300; i++) { while((ADC->ADC_ISR & 0x03)==0); // wait for conversion values[i] = ADC->ADC_CDR[0]; //get values //delayMicroseconds(1); } } else // mit Zeitstreckung Einlesen von 600 Werten; erfasste Zeitspanne = 240 µsec { for(i = 0; i < 600; i++) { while((ADC->ADC_ISR & 0x03)==0); // wait for conversion values[i] = ADC->ADC_CDR[0]; //get values //delayMicroseconds(1); } } //delayMicroseconds(100); //delay(5); /* stop_time = micros(); Serial.print("Total time for 300 values: "); Serial.print(stop_time-start_time); Serial.println(" microseconds"); Serial.print("Average time in microseconds per conversion: "); Serial.println((float)(stop_time-start_time)/300); */ /* Serial.println("Values: "); for(i = 0;i < 600; i++) { Serial.println(values[i]); } */ // Zeichnen des scans // ================== if (digitalRead(pin_input_magnification) == LOW) // ohne Zeitstreckung Darstellung der ersten 300 eingelesenen Werte { myGLCD.setColor(255, 255, 255); myGLCD.setBackColor(0, 0, 0); myGLCD.drawLine(440, 15, 440, 15 + 300); myGLCD.drawLine(440, 15, 445, 15); myGLCD.drawLine(440, 65, 445, 65); myGLCD.drawLine(440, 115, 445, 115); myGLCD.drawLine(440, 165, 445, 165); myGLCD.drawLine(440, 215, 445, 215); myGLCD.drawLine(440, 265, 445, 265); myGLCD.drawLine(440, 315, 445, 315); myGLCD.print("0 us", 450, 10); myGLCD.print("20 ", 450, 60); myGLCD.print("40 ", 450, 110); myGLCD.print("60 ", 450, 160); myGLCD.print("80 ", 450, 210); myGLCD.print("100", 450, 260); myGLCD.print("120", 450, 310); for(i = 0; i < 300; i++) { values[i] = map(values[i], 0, 4095, 0, 255); // Bringe die Helligkeitswerte in den Zahlenbereich [0,255] //values[i] = random(255); myGLCD.setColor(values[i], values[i], values[i]); myGLCD.fillRect(j * 24, 15 + i, j * 24 + 23, 15 + i); } } else // mit Zeitstreckung Darstellung nur jedes zweiten Werts der 600 eingelesenen Werte { myGLCD.setColor(255, 255, 255); myGLCD.setBackColor(0, 0, 0); myGLCD.drawLine(440, 15, 440, 15 + 300); myGLCD.drawLine(440, 15, 445, 15); myGLCD.drawLine(440, 65, 445, 65); myGLCD.drawLine(440, 115, 445, 115); myGLCD.drawLine(440, 165, 445, 165); myGLCD.drawLine(440, 215, 445, 215); myGLCD.drawLine(440, 265, 445, 265); myGLCD.drawLine(440, 315, 445, 315); myGLCD.print("0 us", 450, 10); myGLCD.print("40 ", 450, 60); myGLCD.print("80 ", 450, 110); myGLCD.print("120", 450, 160); myGLCD.print("160", 450, 210); myGLCD.print("200", 450, 260); myGLCD.print("240", 450, 310); for(i = 0; i < 300; i++) { values[2*i] = map(values[2*i], 0, 4095, 0, 255); // Bringe die Helligkeitswerte in den Zahlenbereich [0,255] //values[2*i] = random(255); myGLCD.setColor(values[2*i], values[2*i], values[2*i]); myGLCD.fillRect(j * 24, 15 + i, j * 24 + 23, 15 + i); } } // Pause-Taster abfragen // ===================== if (digitalRead(pin_input_sleep) == HIGH) { while(digitalRead(pin_input_sleep) == HIGH) { // sleeping } } delay(1000); } } |
