Erste Vergleiche von Laservibrometriemessungen und Computersimulationen der Gehörknöchelchenbewegungen

Zusammenfassung

Das hochkomplexe, frequenzabhängige Bewegungsverhalten der Gehörknöchelchenkette beim Hörvorgang ist noch nicht zufriedenstellend geklärt. Eine wesentliche Ursache ist das Fehlen von Meß- und Untersuchungsverfahren, die jeden Punkt von Trommelfell und Ossikeln über den gesamten Frequenzbereich gleichzeitig mit hoher Empfindlichkeit erfassen können. Sie werden in absehbarer Zeit auch nicht zur Verfügung stehen. Hingegen stehen heute Meßtechniken zur Verfügung, die hochauflösende Bewegungsmessungen an einzelnen, wenigen Punkten entlang der Ossikelkette zulassen. In der vorliegenden Arbeit werden derartige Messungen vorgestellt und es wird gezeigt, wie das frequenzabhängige Bewegungsmuster der übrigen Ossikelkette mittels mechanischer Ersatzmodelle und deren mathematischer Gleichungen berechnet werden kann. Die hohe Präzision einer derartigen Vorgehensweise ist z.B. aus der Weltraumfahrt oder dem Fahrzeugbau bekannt. Ein leistungsfähiges Verfahren zur Untersuchung der Bewegungen kleinster Strukturen mit minimalen Schwingungsamplituden ist die Laserdopplervibrometrie (LDV), die hier zur Ermittlung des Übertragungsverhaltens der Gehörknöchelchenkette genutzt wird. Um das Transferverhalten zwischen unterschiedlichen Punkten zuverlässig bestimmen zu können, wurden Zweipunktmessungen durchgeführt, aus denen sich der Stimulus rechnerisch eliminieren läßt. Probleme bereiten hierbei u.a. der für Messungen schwierige Zugang zur Paukenhöhle. Mechanische Ersatzmodelle mit unterschiedlicher Komplexität wurden erstellt, die sich mit mathematischen Gleichungen beschreiben lassen. Anhand der Struktur, den Koeffizientenmatrizen und den Lösungen der Gleichungen läßt sich eine detaillierte Dynamikanalyse ausführen. Zur Verifikation der Simulationsmodelle wurden die LDV-Messungen an Felsenbeinpräparaten herangezogen. In der vorliegenden Arbeit werden die gemessenen Übertragungsfunktionen zwischen Umbo und Steigbügelfußplatte vorgestellt und mit den ermittelten Computermodellen verglichen. Man erkennt aus den Messungen Charakteristika des dynamischen Verhaltens, und es lassen sich Transferfunktionen ableiten, die ebenfalls mehrere Überhöhungen aufweisen. Ein Vergleich mit den Rechenergebnissen der mechanischen Simulationsmodelle zeigt die qualitative Übereinstimmung. Die bisher erstellten Ersatzmodelle sollen nach weiteren Verfeinerungen Aussagen zur gezielten Auslegung von Mittelohrprothesen ermöglichen.

Summary

The dynamic behavior of the ossicular chain is very complex and is frequency-dependent. To date, this has still not been fully investigated or understood. There remains a lack of measurement procedures to pick up the motion of the ossicles and ear drum simultaneously with sufficient resolution. The presented paper reports simultanous measurements with laser-Doppler vibrometry at two points of the ossicular chain of cadaver specimens. Motions not observed were derived using mechanical simulation models on a computer and then evaluating appropriate mathematical equations. Using a sound stimulus, the displacement velocities of the umbo and stapes footplate were measured, and the corresponding transfer functions were derived by Fourier transform. Results were used for verification of the computer models. In the current investigations these models were refined and allow for the detailed investigation of the dynamic behavior of the ossicular chain, facilitating the optimal design of passive and active middle-ear implants.