Sonomikrometria
Sonomikrometria to technika pomiaru odległości między kryształami piezoelektrycznymi w oparciu o prędkość sygnałów akustycznych przez medium, w którym są osadzone. Zazwyczaj kryształy są powlekane epoksydową „soczewką” i umieszczane w materiale naprzeciw siebie. Sygnał elektryczny wysłany do jednego z kryształów zostanie przekształcony w dźwięk, który przechodzi przez ośrodek, ostatecznie docierając do drugiego kryształu, który przekształca dźwięk w elektryczność wykrywaną przez odbiornik. Na podstawie czasu potrzebnego na przejście dźwięku między kryształami i prędkości dźwięku w ośrodku można obliczyć odległość między kryształami.
Historia
Sonomikrometria została pierwotnie zastosowana w badaniu funkcji serca u zwierząt badawczych przez Deana Franklina w 1956 roku i szybko została przyjęta przez biologów zajmujących się biomechaniką , a także innymi fizjologicznymi układami i strukturami narządów (żołądkowo-jelitowy, moczowo-płciowy i mięśniowo-szkieletowy) . Firmy produkujące urządzenia medyczne wykorzystują również sonomikrometrię do oceny parametrów fizycznych, trwałości i żywotności urządzeń w fazie badań i rozwoju. Sonomikrometria jest obecnie najbardziej rozpowszechnioną metodą określania zmian długości mięśni podczas poruszania się zwierząt , karmienia i innych funkcji biomechanicznych.
Kiedy pierwotnie opracowano dziesiątki lat temu, zwrócono uwagę na prawidłowe ustawienie kryształów, aby zapewnić zadowalające wykrywanie sygnału między kryształami, ale bardziej nowoczesne wersje sprzętu sonomikrometrycznego (zwykle pochodzące z okresu od 1995 r. Do chwili obecnej) nie wymagają takiej uwagi przy orientacji kryształów.
Systemy sonomikrometryczne są używane przez naukowców, inżynierów i biologów do pomiaru właściwości materiałów miękkich ciał stałych, żeli i płynów. Chociaż są one używane do pomiaru mechaniki i funkcji tkanki mięśniowej, nie są znane medyczne ani terapeutyczne zastosowania tych urządzeń. Urządzenia sonomikrometryczne nie są używane do leczenia ani diagnozowania schorzeń u zwierząt lub ludzi.
Mechanizm
Podstawowym kryterium wykonywania pomiarów sonomikrometrycznych jest to, że przestrzeń pośrednia lub materiał między kryształami musi być zdolny do przewodzenia dźwięku ultradźwiękowego w zakresie częstotliwości od 100 kHz do co najmniej kilku MHz. Zazwyczaj oznacza to, że kryształy muszą działać w środowisku lub na podłożu złożonym z płynów, żeli, miękkich ciał stałych i niektórych twardych ciał stałych, w tym tkanek biologicznych (krew, mięśnie, tłuszcz itp.). Pomiar odległości między kryształami staje się problematyczny lub całkowicie ustaje, jeśli między kryształami występują szczeliny powietrzne lub ciała stałe.
Pomiary sonomikrometrem są dokładne tylko wtedy, gdy ośrodek otaczający kryształy lub obiekt, który mierzą kryształy, ma jednolitą prędkość dźwięku. W warunkach biologicznych prawie wszystkie tkanki mają prędkość dźwięku w zakresie od 1550 do 1600 metrów na sekundę, co jest zadowalająco jednorodne, aby zapewnić dokładne pomiary z dokładnością od 3% do 4%, a częściej z dokładnością do 1%.
Urządzenie sonomikrometryczne mierzy odległość, wykonując pomiar czasu dźwięku przesyłanego przez jeden kryształ i odbieranego przez jeden (lub więcej) sąsiednich kryształów. Zdolność do rozwiązywania małych różnic w tym czasie przejścia (lub „czasie przelotu”) bezpośrednio koreluje ze zdolnością do rozwiązywania małych zmian odległości między kryształami. Pierwsza generacja urządzeń sonomikrometrycznych była urządzeniami analogowymi, które integrowały czas przelotu jako funkcję rampy napięcia. Ich rozdzielczość była funkcją nachylenia rampy i szumu elektrycznego elementów systemu. Systemy te wyprowadzają pomiary długości jako napięcie analogowe. Druga generacja urządzeń sonomikrometrycznych była cyfrowa - mierzą czas przelotu za pomocą szybkich liczników cyfrowych. Zazwyczaj są to liczniki od 12 do 16 bitów pracujące w zakresie od 32 do 128 MHz. System cyfrowy wyprowadza pomiary długości w postaci liczby cyfrowej (wartość licznika czasu przelotu). Ze względu na ich cyfrowy charakter rozdzielczość można dokładnie określić jako funkcję częstotliwości zegara licznika. Na przykład podczas wykonywania pomiarów w tkance biologicznej w temperaturze ciała (prędkość = 1590 m/s) cyfrowy sonomikrometr pracujący z częstotliwością zegara 128 MHz będzie miał rozdzielczość przestrzenną 12 mikrometrów.
Aplikacje
Sonomikrometria jest często stosowana w badaniach fizjologii zwierząt, gdzie potrzebne są dokładne odległości przy wysokiej rozdzielczości czasowej, zwłaszcza gdy takich odległości nie można zmierzyć z zewnątrz. Kryształy sonomikrometryczne są najczęściej wszczepiane w tkankę mięśni szkieletowych lub sercowych w celu śledzenia zmian długości podczas aktywności (bicie serca, trzepotanie skrzydłem, żucie itp.). Mogą być jednak bardzo przydatne do śledzenia ruchu całych struktur, które nie są widoczne, ale zanurzone w płynie, takich jak kości w pysku ryby podczas karmienia.
- Sarazan, R. Dustan; Schweitz, Karl TR (2009). „Stojąc na ramionach gigantów: Dean Franklin i jego niezwykły wkład w pomiary fizjologiczne u zwierząt”. Adv Physiol Educ . 33 (3): 144–156. doi : 10.1152/advan.90208.2008 . PMID 19745039 . S2CID 15287605 .