Sonomicrometría

La sonomicrometría es una técnica para medir la distancia entre cristales piezoeléctricos basándose en la velocidad de las señales acústicas a través del medio en el que están incrustados. Normalmente, los cristales se recubren con una "lente" de epoxi y se colocan uno frente al otro en el material. Una señal eléctrica enviada a cualquiera de los cristales se transforma en sonido, que se propaga a través del medio hasta llegar al otro cristal, donde convierte el sonido en electricidad, que es detectada por un receptor. A partir del tiempo que tarda el sonido en viajar entre los cristales y la velocidad del sonido en el medio, se puede calcular la distancia entre ellos.

La sonomicrometría fue aplicada originalmente en el estudio de la función cardíaca en animales de investigación por Dean Franklin en 1956, y rápidamente fue adoptada por biólogos que trabajaban en biomecánica , así como en otros sistemas y estructuras orgánicas fisiológicas (gastrointestinal, urogenital y musculoesquelético). Las empresas de dispositivos médicos también utilizan la sonomicrometría para evaluar el rendimiento físico, la durabilidad y la vida útil de los dispositivos durante la fase de I+D. Actualmente, la sonomicrometría es el método más utilizado para determinar los cambios en la longitud muscular durante la locomoción , la alimentación y otras funciones biomecánicas de los animales.

Cuando se desarrolló originalmente hace décadas, se tuvo cuidado de orientar correctamente los cristales para garantizar una detección de señal satisfactoria entre ellos, pero las versiones más modernas del hardware del sonomicómetro (que generalmente datan de 1995 hasta la actualidad) no requieren tanta atención a la orientación de los cristales.

Los sonomicroscopios son utilizados por científicos, ingenieros y biólogos para medir las propiedades de sólidos blandos, geles y fluidos. Si bien se emplean para medir la mecánica y la función del tejido muscular, no se conoce ningún uso médico o terapéutico para estos dispositivos. Los sonomicroscopios no se utilizan para tratar ni diagnosticar afecciones médicas en animales ni en humanos.

El criterio principal para realizar mediciones con sonomicrometro es que el espacio o material entre los cristales debe ser capaz de conducir ultrasonidos en el rango de frecuencia de 100  kHz a al menos varios MHz. Esto generalmente significa que los cristales deben operar dentro o sobre un medio compuesto de fluidos, geles, sólidos blandos y algunos sólidos duros, incluyendo tejidos biológicos (sangre, músculo, grasa, etc.). La medición de la distancia entre cristales se vuelve problemática o se interrumpe por completo si hay espacios de aire u objetos sólidos entre ellos.

Las mediciones con sonomicrometro solo son precisas cuando el medio que rodea a los cristales o el objeto que miden tiene una velocidad del sonido uniforme. En entornos biológicos, casi todos los tejidos tienen una velocidad del sonido comprendida entre 1550 y 1600 metros por segundo, lo cual es suficientemente uniforme como para proporcionar mediciones precisas con un margen de error del 3 % al 4 %, y más comúnmente, del 1 %.

Un sonomicrómetro mide la distancia mediante la medición del tiempo de transmisión del sonido por un cristal y su recepción por uno o más cristales adyacentes. La capacidad de detectar pequeñas diferencias en este tiempo de tránsito (o "tiempo de vuelo") se correlaciona directamente con la capacidad de detectar pequeños cambios en las distancias entre los cristales. La primera generación de sonomicrómetros era analógica e integraba el tiempo de vuelo como una función de rampa de voltaje. Su resolución dependía de la pendiente de la rampa y del ruido eléctrico de los componentes del sistema. Estos sistemas proporcionaban las mediciones de longitud como un voltaje analógico. La segunda generación de sonomicrómetros era digital: medían el tiempo de vuelo incrementando contadores digitales de alta velocidad. Normalmente, se trataba de contadores de 12 a 16 bits que operaban entre 32 y 128  MHz. Un sistema digital proporcionaba las mediciones de longitud como un número digital (el valor del conteo del tiempo de vuelo). Gracias a su naturaleza digital, la resolución se podía especificar con precisión en función de la frecuencia del reloj del contador. Por ejemplo, al realizar mediciones en tejido biológico a temperatura corporal (velocidad = 1590  m/s), un sonomicómetro digital que funcione con una frecuencia de reloj de 128  MHz tendrá una resolución espacial de 12 micrómetros.

La sonomicrometría se utiliza frecuentemente en estudios de fisiología animal donde se requieren distancias precisas con alta resolución temporal , especialmente cuando dichas distancias no son medibles externamente. Los cristales de sonomicrometría se implantan comúnmente en el tejido muscular esquelético o cardíaco para registrar los cambios de longitud durante una actividad (latido cardíaco, aleteo, masticación, etc.). Sin embargo, también pueden ser muy útiles para registrar el movimiento de estructuras completas que no son visibles pero están inmersas en fluidos, como los huesos en la boca de un pez durante la alimentación.

• Sarazan, R. Dustan; Schweitz, Karl TR (2009). "Panding on the shoulder of giants: Dean Franklin and his highlight contributions to physiological measurements in animals". Adv Physiol Educ . 33 (3): 144– 156. doi : 10.1152/advan.90208.2008 . PMID 19745039 . S2CID 15287605 .