تحسين أداء محول طاقة الأمواج فوق الصوتية باستخدام المحاكاة والنمذجة

Abstract: Improving medical imaging using ultrasound is important in order to get a high- resolution medical image, this research aims to achieve a physical modeling and simulation of an ultrasound transducer (UT) showing the electrical impedance of the piezoelectric material, in order to increase the transducer performance at both high and low frequencies by choosing a suitable piezoelectric material with good impedance. we adopted in this research Lead Zirconate Titanate material (PZT4), and performed modeling using mathematical equations that describe the actual physical behavior in the transducer structure and made a graphic user interface (GUI) using Matlab environment that demonstrate it, and display the electrical impedance of the piezoelectric material. As well as using Simulation by Finite Elements Methods (FEM) using On Scale environment and comparing the results in both of them. The results matched at a certain frequency, to give a clear image in the deep areas of the body. This later enables us to make modifications to the transducer structure and add backing layer and matching layer for the piezoelectric material.

Keywords: Medical imaging, Electrical impedance, Piezoelectric Material, Lead Zirconate Titanate (PZT4), Graphic user interface (GUI), Finite Elements Method (FEM).

المستخلص: بعتبر تحسين الصورة الطبية الناتجة من التصوير باستخدام الأمواج فوق الصوتية أمر ضروري للحصول على صورة ذات دقة عالية، يهدف البحث إلى عمل نمذجة فيزيائية ومحاكاة لمحول طاقة الأمواج فوق الصوتية تظهر الممانعة الكهربائية للمادة البيزوكهربائية، وذلك من أجل مراقبة وتحسين أداء عمل محول الطاقة في كلا الترددات العالية والمنخفضة من خلال اختيار مادة بيزو كهربائية مناسبة ذات ممانعة جيدة. حيث اعتمدنا في البحث مادة زيركونيت تيتانيت الرصاص Lead Zirconate Titanate (PZT4)، وقمنا بعمل نمذجة باستخدام معادلات رياضيات تصف السلوك الفيزيائي الفعلي في بنية محول الطاقة وعمل واجهة مستخدم رسومية Graphic User Interface(GUI) باستخدام بيئة الماتلاب Matlab توضح ذلك، وتظهر الممانعة الكهربائية للمادة البيزوكهربائية. وكذلك باستخدام المحاكاة بطريقة تحليل العناصر المنتهية Finite Elements Method (FEM)، باستخدام بيئة أون سكيل OnScale ومقارنة النتائج بينهما. وتحقق التطابق بين النتائج عند تردد معين، لإعطاء صورة واضحة في المناطق العميقة من الجسم. وهذا يمكننا لاحقاً من إضافة تعديلات على بنية محول الطاقة وإضافة طبقة داعمة وطبقة ملائمة للمادة البيزو كهربائية.

الكلمات المفتاحية: التصوير الطبي، ممانعة كهربائية، مادة بيزو كهربائية، زيركونيت تيتانيت الرصاص، واجهة مستخدم رسومية، تحليل العناصر المنتهية.