Сономирометрия

Сономометрия — это метод измерения расстояния между пьезоэлектрическими кристаллами, основанный на скорости акустических сигналов в среде, в которой они внедрены. Обычно кристаллы покрывают эпоксидной «линзой» и помещают в материал лицом друг к другу. Электрический сигнал, отправленный на любой кристалл, преобразуется в звук, который проходит через среду и в конечном итоге достигает другого кристалла, который преобразует звук в электричество, обнаруженное приемником. Зная время, необходимое звуку для перемещения между кристаллами, и скорость звука в среде, можно рассчитать расстояние между кристаллами.

История

Сономометрия была первоначально применена при изучении сердечной функции у экспериментальных животных Дином Франклином в 1956 году и была быстро принята биологами, работающими в области биомеханики , а также других физиологических систем и структур органов (желудочно-кишечных, мочеполовых и мышечно-скелетных). . Компании, производящие медицинское оборудование, также используют сономирометрию для оценки физических характеристик, долговечности и долговечности устройств на этапе исследований и разработок. Сономирометрия в настоящее время является наиболее распространенным методом определения изменений длины мышц во время передвижения животных , кормления и других биомеханических функций.

При первоначальной разработке несколько десятилетий назад были приняты меры для правильной ориентации кристаллов, чтобы обеспечить удовлетворительное обнаружение сигнала между кристаллами, но более современные версии оборудования сономрометра (обычно выпускаемые с 1995 года по настоящее время) не требуют такого внимания к ориентации кристаллов.

Системы сономрометров используются учеными, инженерами и биологами для измерения свойств мягких твердых тел, гелей и жидкостей. Несмотря на то, что они используются для измерения механики и функции мышечной ткани, неизвестно, какое медицинское или терапевтическое применение эти устройства используют. Сономрометры не используются для лечения или диагностики заболеваний у животных или людей.

Механизм

Основным критерием проведения измерений сономрометром является то, что промежуточное пространство или материал между кристаллами должны быть способны проводить ультразвуковой звук в диапазоне частот от 100 кГц до по крайней мере нескольких МГц. Обычно это означает, что кристаллы должны работать в среде, состоящей из жидкостей, гелей, мягких твердых веществ и некоторых твердых тел, включая биологические ткани (кровь, мышцы, жир и т. д.). Измерение расстояния между кристаллами становится проблематичным или полностью прекращается, если между кристаллами возникают воздушные зазоры или твердые предметы.

Измерения сономирометра точны только в том случае, если среда, окружающая кристаллы, или объект, измеряемый кристаллами, имеет одинаковую скорость звука. В биологических условиях почти все ткани имеют скорость звука в диапазоне от 1550 до 1600 метров в секунду, что является достаточно равномерным и позволяет проводить точные измерения с точностью от 3% до 4%, а чаще всего с точностью до 1%.

Устройство сономрометра измеряет расстояние, выполняя измерение времени звука, передаваемого одним кристаллом и принимаемого одним (или несколькими) соседними кристаллами. Способность разрешать небольшие различия во времени прохождения (или «времени полета») напрямую коррелирует со способностью разрешать небольшие изменения в расстояниях между кристаллами. Первое поколение сономрометров представляло собой аналоговые устройства, которые интегрировали время пролета как функцию линейного изменения напряжения. Их разрешение зависело от наклона рампы и электрического шума компонентов системы. Эти системы выводят измерения длины в виде аналогового напряжения. Второе поколение сономрометров было цифровым — они измеряли время пролета с помощью быстродействующих цифровых счетчиков. Обычно это счетчики с разрядностью от 12 до 16 бит, работающие в диапазоне от 32 до 128 МГц. Цифровая система будет выводить измерения длины в виде цифрового числа (значение времени пролета). Благодаря своей цифровой природе разрешение может быть точно задано как функция тактовой частоты счетчика. Например, при измерениях в биологической ткани при температуре тела (скорость = 1590 м/с) цифровой сономрометр, работающий с тактовой частотой 128 МГц, будет иметь пространственное разрешение 12 микрометров.

Приложения

Сономирометрия часто используется в исследованиях физиологии животных, где необходимы точные расстояния с высоким временным разрешением, особенно когда такие расстояния невозможно измерить извне. Кристаллы сономометрии чаще всего имплантируются в ткани скелетных или сердечных мышц для отслеживания изменений длины во время активности (сердцебиение, взмахи крыльями, жевание и т. д.). Однако они могут быть очень полезны для отслеживания движения целых структур, которые не видны, но погружены в жидкость, например, костей во рту рыбы во время кормления.

Ссылки

Саразан, Р. Дастан; Швейц, Карл Т.Р. (2009). «Стоя на плечах гигантов: Дин Франклин и его замечательный вклад в физиологические измерения у животных». Adv Physiol Educ . 33 (3): 144–156. дои : 10.1152/advan.90208.2008 . ПМИД 19745039 . S2CID 15287605 .