Листая на досуге интернет-сервис для размещения объявлений («Авито», не для рекламы) обнаружил, что продаётся много бывших в употреблении устройств с названием типа: «Ультразвуковой доплер – Fetal Doppler» по ценам совсем недорого: 300-500 рублей. Новое, с его ценой, меня бы вряд ли заинтересовало бы. А тут совпало, что устройство продавалось в шаговой доступности, и цена вопроса лишь подогревало любопытство.
Будучи немного в теме по устройству медицинских ультразвуковых приборов УЗИ, решил потратить пару часов на изучение данного устройства, с использованием минимального набора деталей и инструментов, имеющихся дома, чтобы удовлетворить своё любопытство, и может пригодится прибор еще чего полезного.
В итоге, в выходной день: 15 минут ходьбы, минус 500 рублей, и прибор готов для изучения.
Для справки: Фетальный допплер — это портативный ультразвуковой прибор для прослушивания сердцебиения плода, обычно используемый с 12-й недели беременности. Он работает по принципу эхолокации, безопасен для мамы и ребенка, помогая контролировать состояние малыша в домашних условиях (норма ЧСС: 110–160 уд/мин). Для использования нужен специальный гель.
При включении, на дисплее устройстве написано, что он функционирует на частоте 3 Мегагерца.
1: Разбираем:
2: Плата с микроконтроллером (маркировка стерта), драйвером питания, усилителем звуковой частоты:
Жаль, что в схеме не используется какой-нибудь популярный микроконтроллер ARM или RISK-V, да и дисплей не универсальный IPS или TFT ...
3: Вид на обратную сторону, где кнопки и дисплей:
4: Датчик прибора, который более всего меня интересовал:
5: Вид на передающий и приемный пьезоэлемент:
6: Приемо-передающая часть датчика:
7: Область фильтра низкой частоты датчика:
8: Далее разрисовал принципиальную схему части датчика, которая была мне интересна:
Как видим, реальная рабочая частота прибора - два мегагерца, что отличается от заявленной, указанной на дисплее (3 Мегагерца).
Основной принцип работы – постоянно излучаем сигнал с заданной частотой и небольшой мощностью одним пьезоэментом, а второй пьезоэлемент тем временем принимает отраженный сигнал от объекта с пульсирующий поверхностью. Эти пульсации и приводят к доплеровскому сдвигу частоты в принимаемом сигнале. После небольшого усиления, приемный сигнал сравнивается по фазе (перемножается) с опорным излучаемым, и в итоге получаем результирующий сигнал низкой частоты, пропорциональный пульсациям объекта. Затем остается только усилить полученный сигнал низкой частоты, отфильтровать (микросхемы LM324), посредством микроконтроллера определить частоту пульса и вывести результат на дисплей. На громкоговоритель дублируется звук пульсации объекта. По сути дела, прибор - своеобразный микрофон.
Мой основной интерес к данному прибору был следующий: разобраться в принципе работы и проверить возможность его работы в качестве сонара в импульсном режиме. Я вполне осознавал, что шанс получить эхограмму содержимого своего пуза практически равен нулю по многим причинам, но хотелось всё-таки попробовать за недорого:)
Для получения импульсного режима работы, в схему передающей части, в разрыв цепи индуктивности L1, был добавлен управляемый буфер на микросхеме SN74AHC1G125D (была под рукой). Буфер нужен, так как управлять генератором сигналов (микросхема с маркировкой AB42 на схеме) на керамическом резонаторе не получится - его вход в режим генерации очень долгий для наших целей. Управлять этим буфером, будет встроенный в осциллограф генератор сигналов.
У него не очень большой выбор режимов, но приемлемые параметры подобрать можно, и выходной уровень сигнала достаточный для логического входа управления микросхемой.
9: напайка микросхемы-буфера и провода управления сверху микросхемы генератора сигнала:
10: В итоге, получилось так, вместе с дополнительными проводами для управления и получением сигнала отражения:
11: Форма и амплитуда сигнала на передающем пьезоэлементе:
Краткий расчет параметров импульса (исходя из ограничений генератора сигнала осциллографа): передавать будем пачку импульсов длительностью примерно 5 микросекунд, в эти 5 микросекунд укладывается 10 периодов сигнала (с частотой 2 Мегагерца). А каждый один период такого сигнала, это примерно 1400 / 2000000Hz = 0.0007 метра расстояния. Где 1400 – это примерная скорость звука в воде, метров в секунду, для большинства внутренних органов человека она примерно такая же. На самом деле - 1483 м/с по некоторым данным, я просто упростил.
Период повторения этих пачек импульсов, ограничим максимальной заданной шириной (глубиной) изучаемого объекта (тела) в районе талии, и выберем этот период в пределах от 2 до 3 миллисекунд.
Приемный сигнал для осциллографа будем снимать с выхода предварительного усилителя. Остальная часть схемы не трогалась. И в таком виде, передающая и приемная часть все еще остается не приспособленной для импульсного режима работы (из-за резонансных цепей, отсутствия демпферов и т.п.) – будут появляться всякие «артефакты» в приемном сигнале, но для грубого эксперимента оставим так.
После доработки схемы прибора, подключения прибора к осциллографу и настройки его работы, решил проверить корректность работы сначала на емкостях с водой, так как вода очень хороший проводник звука, и затем, убедившись, что все работает, делать опыты над собой.
12: Итоговая сборка получилась такая (на осциллографе меню генератора сигналов):
Для опытов взял пластиковый тазик и пару глубоких стаканов.
Для проверки реакции прибора - подавал сигнал вниз от верхнего уровня воды, смотрел на осциллографе отражение сигнала как от дна емкости, так и от помещаемых объектов между поверхностью и дном на пути распространения сигнала.
13: Опыты со стаканом:
Полученное время отражения сигнала от дна стакана четко совпадает с расчетным..
Кроме подачи сигнала вертикально вниз от среза воды, решил еще подать сигнал сбоку на тазик - через его боковую стенку. Для осуществления этой возможности, как раз и пригодился гель из комплекта, чтобы им полностью заполнить зазор между боковой стенкой тазика и рабочей поверхностью датчика. Плохо, что картинки не передают издающийся звук Доплера из динамика прибора, когда водишь рукой в тазике на пути распространения ультразвуковых волн. Диаграмма направленности сенсора прибора довольно таки хороша, и отражения довольно отчетливо регистрируются.
14: Картинка работы с тазиком:
15: Попытался приложить слишком ужатую gif-картинку:
Так сигнал отражается от движения ладошки под водой на пути распространения сигнала.
И конечно, в итоге прислонил прибор и к себе, и естественно ничего не получил на экране, так как форма (огибающая) передаваемого сигнала неподходящая для этих целей, амплитуда (мощность) излучаемого сигнала на порядки меньше чем требуется, а осциллограф в данном варианте - плохой прибор для наблюдения отраженного сигнала. И что еще немаловажно - наличие жировой прослойки (небольшой) в месте опыта и т.п.
16: Опыт над собой (18+, для не брезгливых):
Отражений не видно - даже гель ничем не помог...
Кстати, много-много лет назад, пытался помочь нашему кардиоцентру реанимировать рентгеновский он-лайн сканер для проведения операций на сердце. Этот сканер был закуплен еще во времена СССР у немцев и предназначался для лечения партийных вождей СССР и сотрудников КГБ, но так как купить – одно, а обслуживать «это нам не надо, дорого», со временем сканер перестал работать. Так вот местные хорошие дядьки врачи-кардиологи, тогда еще молодого и стройного меня "тролили" - что я якобы с излишним весом, и это очень плохо для сердца. Хотя сами, в конце смены, не видели ничего плохого чтобы принять внутрь порцию лечебной слабо разведённой (а иногда и неразведенной) жидкости (как с прекрасной половиной медперсонала, так и без) :). Осталось самое хорошие впечатление от работы и общения с этими врачами.
Вывод: Портативный сканер УЗИ, работающий на двух «мизинчиковых» батарейках и за копейки сделать не получится.
Что можно сделать в итоге из данного устройства:
Простой стенд-демонстратор для студентов и школьников.
Сонар для какого-либо игрушечного кораблика - для запуска в ванне или неглубокой лужи.
Эхолот рыбака для аквариума, для имитации процесса рыбалки на дому или тренировки рыб.
Добавьте свой вариант.
Получился такой вот простой эксперимент на пару часов выходного дня.
Дополнительная ссылка на интересный проект на Хабре: Самодельный сканер УЗИ получил первые изображения (alizar18 апр 2016 в 01:42).
И еще, раньше были, а может и сейчас есть форумы техников-медиков по ремонту разного медоборудования, там кладези схем и литературы. Можно сказать - тоже люди героической профессии.
Спасибо что дочитали, надеюсь не утомил, всем всего хорошего :-)
