Rozbiór dopplera fetalnego 2 MHz do eksperymentów sonarowych

Analiza i modyfikacja dopplera płodowego: od trybu ciągłego do sonaru impulsowego

Doppler płodowy to urządzenie do nasłuchiwania bicia serca płodu na częstotliwości 2–3 MHz. Rzeczywista częstotliwość robocza, zmierzona na rozebranej jednostce, wynosi 2 MHz, mimo wskazywania 3 MHz na wyświetlaczu. Zasada działania opiera się na efekcie Dopplera: nadający przetwornik piezoelektryczny generuje ciągły sygnał ultradźwiękowy, odbiorczy element rejestruje odbity sygnał od poruszających się powierzchni, takich jak ściany serca.

Sygnał jest wzmacniany, porównywany w fazie z sygnałem odniesienia (metoda detektora kwadraturowego), przekształcany w niskoczęstotliwościowy sygnał audio przez układy scalone typu LM324. Mikrokontroler (oznaczenie starte) zlicza częstotliwość pulsacji i wyświetla ją, jednocześnie przekazując dźwięk do głośnika.

Schemat czujnika obejmuje dwa przetworniki piezoelektryczne: nadający z generatorem na rezonatorze ceramicznym (układ scalony AB42) i odbiorczy ze wzmacniaczem wstępnym. Filtr dolnoprzepustowy odcina szumy.

Rozbiórka i schemat ideowy

Na płytce znajdują się mikrokontroler, sterownik zasilania, wzmacniacz niskiej częstotliwości i wyświetlacz. Czujnik zawiera nadający i odbiorczy przetwornik piezoelektryczny, połączone przez indukcyjność L1. Schemat ideowy części nadawczej:

[Generator AB42] --> [Bufor] --> L1 --> Przetwornik TX
Przetwornik RX --> Wzmacniacz --> Filtr dolnoprzepustowy

Rzeczywista częstotliwość 2 MHz potwierdzona oscyloskopem. Dla trybu ciągłego charakterystyczna jest niska moc, wystarczająca do detekcji audio pulsacji na odległość do 10–15 cm w tkankach.

Modyfikacja do trybu impulsowego

Cel – przekształcenie w sonar do rejestracji odbić. W przerwę L1 wlutowano bufor SN74AHC1G125D do sterowania transmisją. Sterowanie z generatora oscyloskopu: paczki impulsów o czasie trwania 5 µs (10 okresów przy 2 MHz), okres powtarzania 2–3 ms.

Obliczanie odległości: jeden okres ~0,7 mm (prędkość dźwięku ~1400 m/s w tkankach/wodzie). Schemat pozostaje nieoptymalizowany: bez tłumików i z obwodami rezonansowymi, co powoduje artefakty.

Podłączenie:

• Wyjście wzmacniacza do oscyloskopu do odbioru.
• Bufor sterowany sygnałem logicznym.

Kształt impulsu na TX: prostokątne paczki z amplitudą wystarczającą do wzbudzenia przetwornika piezoelektrycznego.

Eksperymenty w trybie impulsowym

Testowanie na pojemnikach z wodą (dobry przewodnik akustyczny):

• Pionowe podawanie sygnału do szklanki: czas odbicia od dna zgadza się z obliczonym (głębokość ~10 cm).
• Boczne podawanie przez ściankę miski z żelem: wyraźne odbicia od poruszającej się dłoni pod wodą.
• Charakterystyka kierunkowa czujnika wąska, sygnał rejestrowany na drodze propagacji.

Przykładanie do ciała nie dało odbić: niska moc, nieodpowiednia obwiednia impulsu, tłumienie w tkankach i warstwie tłuszczowej. Oscyloskop nie jest optymalny dla słabych sygnałów.

Co ważne:

• Rzeczywista częstotliwość 2 MHz, a nie 3 MHz jak podano.
• Tryb ciągły nadaje się tylko do przesunięcia Dopplera, nie do echolokacji.
• Modyfikacja impulsowa daje grube odbicia w wodzie, ale jest bezużyteczna dla tkanek bez wzmocnienia mocy.
• Urządzenie na baterie nie nadaje się do pełnoprawnego skanera USG.
• Możliwe zastosowania: demonstracja, echosonda akwariowa, zabawkowy sonar.

Potencjalne zastosowania i ograniczenia

Zmodyfikowany doppler demonstruje podstawowe zasady sonaru, ale jest ograniczony mocą i schematem.

• Demonstracja: do nauki echolokacji ultradźwiękowej.
• Zabawkowy sonar: dla modeli w wannie.
• Echosonda akwariowa: detekcja obiektów w małych objętościach.

Pełnoprawny skaner USG wymaga innej architektury: generatory impulsowe dużej mocy, tłumione przetworniki, wzmacniacze TGC i przetworniki A/D wysokiej rozdzielczości.

— Editorial Team