Danas je nabavljen ultrazvučni uređaj za dijagnostiku graviditeta kod životinja američke tvrtke RENCO pod nazivom PREG-TONE. Tvrtka RENCO osnovana je 1961. godine, a proizvodnjom ultrazvučnih uređaja za primjenu u stočarstvu (detekcija graviditeta životinja i određivanje debljine leđne slanine / mesnatosti kod svinja) bavi se od 1975. godine. Naš uređaj je jedan od prvih takvih produkata navedene tvrtke.
Uređaj PREG-TONE je u osnovi ultrazvučni primopredajnik i radi na istom principu kao i npr. radar, sonar ili parkirni senzor kod automobila:
- Preko ultrazvučnog predajnika u prostor se šalje kratkotrajni ultrazvučni impuls određenog trajanja i frekvencije. Frekvencija impulsa je rezonantna frekvencija samog ultrazvučnog predajnika kako bi se dobila najveća izračena snaga i tipično je u rasponu 20-400 kHz. Ultrazvučna frekvencija odabire se prema tome koja vrsta materijala i površine se želi detektirati jer refleksija ultrazvučnog vala nije jednaka na svim frekvencijama za sve objekte. O veličini amplitude impulsa ovisi snaga (domet) ultrazvučnog predajnika i najčešće je u rasponu 5-40 V. Trajanje ultrazvučnog predajnog impulsa je obično reda nekoliko desetaka mikrosekundi. Kako bi imali zadovoljavajuću osjetljivost ultrazvučni pretvornici imaju usku karakteristiku zračenja, tipično 5-30°. Učestalost ponavljana ultrazvučnog predajnog impulsa može biti do reda nekoliko milisekundi.
- Ultrazvučni prijemnik čeka reflektirani impuls od prepreke koji ostaje iste frekvencije kao i predajni impuls. Stoga se par ultrazvučnog prijemnika i predajnika odabire na istoj rezonantnoj frekvenciji kako bi prijenos energije bio najveći mogući.
- Ukoliko ultrazvučni prijemnik uhvati reflektirani signal na rezonantnoj frekvenciji na njegovim izvodima inducirati će se naponski signal. Taj signal je vrlo slab te je prvo potrebno njegovo pojačanje.
- Pojačani signal dalje se na željeni način obrađuje u detektoru uređaja. Obično se mjeri vrijeme proteklo između predajnog impulsa i detekcije povratnog reflektiranog impulsa kako bi se izračunala udaljenost do objekta koji je reflektirao impuls. Također se na osnovu tako izračunate udaljenosti i podatka o jačini primljenog odjeka može donekle odrediti vrsta objekta koji je reflektirao predajni impuls.
U našem slučaju ultrazvučna sonda uređaja PREG-TONE prisloni se na područje trbuha životinje tako da je signal ultrazvučnog predajnika usmjeren kroz uterus životinje. Detektor ultrazvučnog prijemnika pak je podešen tako da daje signal samo u slučaju odbijanja ultrazvuka od uterusa životinje ispunjenog plodnom vodom koja se javlja u ranoj gravidnosti. Kod ultrazvučnog mjerenja kontakt ultrazvučne sonde i kože životinje mora biti ostvaren preko medija koji izjednačava gustoću kontakta (obično gel ili ulje) kako bi se omogućio prolazak ultrazvučnog signala u unutrašnjost tijela, odnosno kako se isti ne bi odbio već od same površine kože životinje.
Može se zaključiti da je detektor podešen da signalizira samo onaj odjek koji se dogodi od materije određene gustoće na određenoj udaljenosti. Ta udaljenost je ona od površine kože u predjelu trbuha do uterusa (ispunjenog plodnom vodom) u unutrašnjosti tijela životinje. S obzirom da je ova udaljenost dakle ključna, uz uređaj se dobiju posebne upute koje govore gdje je točno na površini kože određene životinje potrebno postaviti ultrazvučnu sondu i u kojem smjeru ju usmjeriti kako bi detekcija bila ispravna. Također, pošto je kod pojedinih životinja (ovca, svinja, koza, zec, krava itd..) s obzirom na njihovu različitu fizionomiju navedena udaljenost prirodno različita, neki uređaji ove vrste (koji se baziraju na mikroprocesoru) imaju mogućnost kalibracije sonde prije mjerenja, pa se mogu koristiti za testiranje više različitih životinja. Očekivano vrijeme odjeka kod navedenih životinja, ovisno o njihovoj veličini i fizionomiji, kreće se u rasponu od 85 mikrosekundi (kod npr. zečeva) do 180 mikrosekundi (kod npr. krava). Rekli smo da se ultrazvuk reflektira nailaskom na fluid (plodnu vodu) u tijelu životinje pa na točnost detekcije utječe i termin mjerenja s obzirom na početak oplodnje (pripusta) jer se i plodna voda mijenja kroz razdoblje. Da ne duljimo, najtočniji rezultati će biti će u vremenu od oko 30 do 40 dana nakon pripusta (točnost preko 95%).
U konačnici, ako se sonda ispravno postavi, ako se kontakt ispravno namaže gelom i ako se mjerenje vrši u ispravnom terminu na predviđenoj životinji, korisnik nema potrebe za nikakvim drugim podešavanjem ultrazvučnog mjerača. Isti će posebnim zvukom izravno signalizirati da li je životinja gravidna ili nije, pa su ovakvi ultrazvučni detektori vrlo korisni za stočare.
Za što jednostavniju upotrebu uređaja PREG-TONE na terenu isti je izveden kao autonoman sklop sa punjivim baterijskim napajanjem, malih dimenzija i težine te ugrađen u čvrsto i otporno metalno kućište. Naš primjerak nabavljen je bez ultrazvučne sonde, no ne treba zbog toga biti pretjerano nesretan jer je bez sonde i punjača nabavljen za svega 2 dolara, dok je njegova puna maloprodajna cijena oko 500 dolara. Za te novce vrijedi malo zaviriti u unutrašnjost ovog sklopa jer se svaki iole znatiželjni elektroničar mora zapitati zašto je ovaj nizgled jednostavan ultrazvučni detektor višestruko skuplji od sličnih puno sofisticiranijih ultrazvučnog mjerača, kao što su npr. mjerači udaljenosti ili parkirni senzori.
Skidanjem donjeg poklopca uočava se kućište baterija u središnjem dijelu gdje masne mrlje ukazuju na vjerojatno kemijski razgrađene baterijske uloške koji su očito predugo ostali zaboravljeni ležati u ovom uređaju.
Daljnjim rastavljanjem nailazimo na baterijski paket fiksiran izolir trakom što dalje ukazuje da se vjerojatno ne radi o originalnom baterijskom paketu. U originalu je u PREG-TONE ugrađen paket od četiri punjive NiCd baterije, no ovdje nailazimo na obične alkalne baterije povezane žicama koje su izravno lemljene na kontakte baterija. Ako se slika pogleda malo bolje vidi se da su dva članka spojena paralelno, a zatim dalje serijski sa preostala dva članka. U originalu bi naravno svi članci trebali biti spojeni serijski tako da se dobije napon od oko 4,8 V. Može se zaključiti kako je ideja o izradi ovog zamjenskog baterijskog paketa bila osuđena na propast i prije nego su baterije doživjele svoj konačni kemijski raspad.
Od indikacija PREG-TONE ima jednu crvenu LED i zvučnik. LED indicira samo stanje punjive baterije ugrađene u uređaj, pa ako LED svijetli baterije daju dovoljan napon za mjerenje. Testiranje gravidnosti životinje traje oko 5 do 20 sekundi ovisno o uvježbanosti i spretnosti operatera. Kao što smo rekli kontakt kože i sonde potrebno je dobro nauljiti te postaviti sondu na ispravno mjesto na životinji i usmjeriti ju pod ispravnim kutom. Kod upotrebe sredstva za uljenje potrebno je paziti da se ne stvaraju mjehurići zraka jer će svaka količina zraka između sonde i kože onemogućiti ispravno mjerenje. PREG-TONE prvo treba isprekidanim zvučnim signalom signalizirati da je ostvaren dobar kontakt sonde sa kožom životinje (ova detekcija traje 2,5 sekundi). To znači da je ultrazvučni signal ušao u tijelo životinje i odbija se negdje u unutrašnjosti. Nakon toga slijedi detekcija gravidnosti. Ukoliko se ostvari odbijanje od plodne vode, zvučni signal će biti kontinuiran. U tom slučaju detektor ultrazvučnog prijemnika izdvojio je signal određene jakosti na određenoj udaljenosti, odnosno detektiran je odbijeni signal koji po jakosti odgovara refleksiji od plodne vode, a po vremenu odgovara udaljenosti gdje bi se ista trebala nalaziti. Ovdje se nećemo baviti daljnjim objašnjenjima jer je to za elektroničare nebitno. Svatko će lako zaključiti da može doći do pogrešne detekcije ako se sonda usmjeri npr. na mokraćni mjehur pun urina jer ultrazvuk ne može kemijski raspoznati plodnu vodu, već samo detektirati materiju određene gustoće ili refleksije, na određenoj udaljenosti.
Također, opisani način detekcije uzmite s malom rezervom, jer tehničku dokumentaciju za ovaj uređaj ne posjedujem, a sve napisano je rezultat zaključaka koji se mogu izvesti na temelju dostupnih prospekata i znanja o ultrazvučnim pretvornicima. Uzmimo za primjer ultrazvučni parkirni senzor na automobilu. Rasprostiranje ultrazvuka preko zraka i njegovo odbijanje od zida je relativno jednostavan račun jer imamo dva homogena medija vrlo različitih gustoća i refleksija. Brzina širenja zvuka kroz zrak je poznata i detektor može biti vrlo jednostavan. Iako promjena gustoće i temperature zraka može donekle utjecati na izmjerenu vrijednost to u slučaju parkirnih senzora nije toliko kritično, a i kompenzaciju istog je po potrebi elektronički relativno lako izvesti. S druge strane, kod PREG-TONE detektora ultrazvuk putuje kroz tijelo životinje te na svojem putu prolazi kroz više struktura različitih gustoća i refleksija. Ne znam da li je ovdje račun dobiven matematički ili pokusima ali sigurno da je daleko složeniji nego u prvom primjeru. Može biti da je refleksija ili gustoća plodne vode znatno različita od refleksije bilo kojeg drugog mekog tkiva unutar tijela čime bi za detekciju bila dovoljna samo jačina signala. Međutim u prospektima nailazim na podatke o vremenima čekanja odjeka, pa pretpostavljam da je i udaljenost bitna. Sama udaljenost ne znači ništa ako nije dobivena odbijanjem od ciljanog fluida pa je samim time i gustoća/refleksija bitna. Stoga dolazim do zaključka da detektor mora izdvojiti povratni signal koji dolazi kako u određenom vremenu tako i u određenoj jačini kako bi točna detekcija bila moguća.
Po gornjim slikama vidimo da se čitav PREG-TONE uređaj bazira na četiri timera NE555, transformatoru na feritnoj jezgrici te na nekoliko tranzistora i dioda. Na osnovu toga rekonstruirali smo vjerojatnu blok shemu uređaja.
S obzirom da nemamo ultrazvučnu sondu, možemo samo pokušati otkriti kojeg bi mogla biti tipa i koje frekvencije. U svakom slučaju naša ultrazvučna sonda u svojem kućištu treba sadržavati najmanje jedan par ultrazvučnih pretvornika, dakle prijemnika i predajnika. Pretvornici mogu biti izvedeni kao zasebni moduli (piezoelektrični senzori) ili kao jedan modul koji radi i kao prijemnik i kao predajnik (elektrostatični senzor) ali također u sondi mogu biti objedinjeni i svi elektronički sklopovi za oblikovanje predajnog i pojačanje prijemnog signala. Ukoliko je elektronika ugrađena u sondu onda za nju treba napajanje.
U našem slučaju sonda se spaja preko BNC priključnice, dakle imamo samo dva kontakta za prijemni i predajni ultrazvučni pretvornik pa ukoliko ne postoji neko fantomsko napajanje preko koaksijalnog kabla onda sondu s elektronikom možemo eliminirati. Za početak možemo snimiti signal koji PREG-TONE daje na priključnice sonde.
Vidimo da bez priključenog ultrazvučnog pretvornika PREG-TONE šalje kratke impulse u trajanju od oko 4 us sa periodom ponavljanja od oko 1,3 ms. Na slici impulsa vidi se da nema istitravanja na frekvenciji ultrazvučnog pretvornika već se rado o samo jednom jedinom impulsu koji se šalje na ultrazvučni predajnik. To bi značilo da se ovdje može upotrijebiti ultrazvučni pretvornik bilo koje frekvencije, a iz naše blok sheme možemo izbaciti oscilator rezonantne frekvencije.
Stoga ćemo pokušati na naš PREG-TONE spojiti jedan analogni ultrazvučni pretvornik sa integriranim prijemnim i predajnim modulom koji radi na rezonantnoj frekvenciji od 40 kHz. Paralelno ćemo snimati signal koji se prenosi koaksijalnim kablom. Evo kako mjerni sklop izgleda u praksi.
Donji oscilogrami prikazuju snimljene odjeke u slučaju udaljene prepreke i u slučaju bliske prepreke. Uočavaju se razlike u amplitudi i trajanju povratnog titraja. Prvi oscilogram nastao je kad je senzor usmjeren preko zraka na zid sobe (cca 2 metra), a drugi kad je na senzor prislonjen prst. U drugom slučaju simuliran je kontakt s kožom pri čemu je PREG-TONE generirao isprekidani zvučni signal kako je i navedeno u uputama. Za daljnje ispitivanje funkcionalnosti sklopa potrebno je izvesti praktičnu sondu i stvoriti uvjete sličnima onima za koje je uređaj namijenjen. Mi ovdje nećemo ići toliko daleko i možemo biti zadovoljni i ovim prvim dobivenim rezultatima.
Timeri NE555 često se koriste u sklopovima sa ultrazvučnim pretvornicima i to u sklopovima za oblikovanje predajnog impulsa, kao i u sklopovima za mjerenje vremena trajanja odjeka. Danas se najčešće nabavljaju gotovi moduli sa ugrađenim ultrazvučnim prijemikom i predajnikom kao i mikroprocesorom koji oblikuje signal za predajnik i daje gotov digitalni izlazni signal sa informacijom o udaljenosti zapreke pogodan za daljnju digitalnu obradu (prikaz vrijednosti na zaslonu, upravljanje alarmom i sl.). Mikroprocesor je vrlo pogodan realizaciju sklopovlja potrebnih za ultrazvučne mjerače udaljenosti zbog jednostavne prilagodljivosti potrebnih parametara i digitalizacije signala te se koristi u svim novijim uređajima toga tipa. Tako je već i kod naredne inačice PREG-TONE uređaja sklopovlje bazirano na timerima NE555 zamijenjeno mikroprocesorom čime su proširene mogučnosti detekcije na više vrsta životinja zbog lakog odabira različitih vremena odjeka.
Potrebno je još puno rada i testova na našem uređaju PREG-TONE da bi se potvrdila njegova funkcionalnost sa integriranim ultrazvučnim pretvornicima. Također je potrebno prikupiti i dovoljno podataka, iskustava i znanja o propagacijama ultrazvučnih valova s obzirom na značajke samih senzora (frekvencija, veličina, dijagram zračenja, vrsta i jačina pobude…) i značajke medija kroz koji ultrazvučni valovi prolaze (gustoća, refleksija…) kako bi se dobio puzdan indikator za specifičnu namjenu. Ako smo na kraju u tome uspjeli onda se i cijena od 500 dolara čini razumnom, bez obzira što su u čitav sklop ugrađene komponente vrijednosti ne veće od možda 50 dolara. No, za 2 dolara koliko je nas koštao ovaj nekompletni primjerak PREG-TONE detektora gravidnosti dobili smo eto korisne i zabavne istraživačke trenutke u kojima smo prikupili neka nova znanja, a čija vrijednost je u konačnici neprocjenjiva 🙂