Charakterisierung eines biomechanischen Gelenks
Das menschliche (Mittel-)Ohr überträgt akustisch induzierte Schwingungen des Trommelfells über eine Kette von Gehörknöchelchen an das Innenohr. Die entstehenden dreidimensionalen Schwingungsmuster besitzen nahe der Hörschwelle Auslenkungen im Bereich von wenigen Nanometern. Um diese Schwingungen zu erfassen, sind hochgenaue und rückwirkungsfreie Messsysteme erforderlich.
Das menschliche Gehör wird neben den kleinen akustisch induzierten Druckschwankungen auch durch große, quasistatische Drücke belastet. Diese Druckschwankungen können um ein Vielfaches größer sein als der akustische Schalldruck an der Schmerzschwelle. Sie werden z.B. durch Luftdruckschwankungen der Umgebung, aber auch durch alltägliche Situationen wie das Schnäuzen der Nase, den Luftzug bei offenem Fenster im PKW oder die Veränderung der Körperposition verursacht.
Um diese enorme Anregungsbandbreite zu verarbeiten, fungiert das menschliche Mittelohr als mechanischer Filter, der die großen quasi-statischen Anregungen entkoppelt und die kleinen dynamischen Anregungen überträgt (Bild 1). Einen entscheidenden Einfluss hat dabei das Hammer-Amboss-Gelenk (Incudo-Malleolares Gelenk – IM-Gelenk), welches die beiden Gehörknöchelchen Hammer und Amboss miteinander verbindet. Dieses Forschungsvorhaben untersucht die Funktionsweise des IM-Gelenks bei unterschiedlichen Anregungen und bestimmt ein mathematisches Modell des Gelenks.
Der Versuch
Zur Charakterisierung des IM-Gelenks erfolgen zunächst Messungen an isolierten IM-Komplexen, um den Einfluss anderer (Mittelohr-)Strukturen, wie etwa der Bänder oder des Trommelfells, auszuschließen.
Beim IM-Komplex handelt es sich um eine sehr kleine (ca. 7 x 4 x 9 mm) und leichte (55 mg) Struktur. Sie besteht aus zwei durch biologisches Weichgewebe verbundenen Gehörknöchelchen. Laser-Doppler-Vibrometer-(LDV-)Messungen sind das ideale Werkzeug zur Untersuchung dieser Struktur, da sie die berührungslose und hochaufgelöste Messung auch kleiner Strukturen ermöglichen. Um die räumlichen Geschwindigkeiten und Verschiebungen zu erfassen, erfolgen die Untersuchungen mit einem Polytec MSA Micro System Analyzer und einem Polytec Einpunktvibrometer-Messkopf (Bild 2). Die LDV-Einheiten, das Messobjekt sowie die Messpunktposition werden manuell und elektrisch positioniert bzw. bestimmt.
Bei der Untersuchung von biologischem Weichgewebe kommt es mit zunehmender Messdauer zu einer durch Austrocknung bedingten Veränderung der Materialeigenschaften. Die elektrischen Positioniereinheiten ermöglichen es, die Messpunktpositionen im Vorfeld zu definieren und eine teilautomatisierte Messung mit kurzer Messdauer durchzuführen. In Kombination mit der Befeuchtung des Präparats lassen sich die Austrocknungseffekte so deutlich minimieren.
Die Anregung erfolgt elektrodynamisch durch einen Shaker und quasi-statisch durch einen mit einer Kraftmesszelle verbundenen Taststift (Bild 3). In den LDV-Messköpfen integrierte Kameras überwachen dabei den Messablauf (Bild 4). Es erfolgen Messungen an unterschiedlichen Positionen auf den beiden Knöchelchen mit identischem Anregungsmuster. Aus diesen Einzelmessungen lassen sich im Anschluss an die Messungen die dreidimensionalen Bewegungen der beiden Gehörknöchelchen rekonstruieren.
Neben Untersuchungen an isolierten IM-Komplexen werden Messungen an menschlichen Felsenbeinpräparaten durchgeführt. Die Gehörknöchelchen werden frei präpariert ohne dabei Trommelfell, Mittelohrbänder und Innenohr zu beschädigen. Ein Lautsprecher regt das Trommelfell akustisch an und ein Polytec Compact Laser Vibrometer misst die dreidimensionale Geschwindigkeit an mehreren Punkten auf Hammer und Amboss (Bild 5).
Eine in den Strahlengang des LDV eingekoppelte Kamera überwacht die Messpunktposition, zur Positionierung lässt sich die Intensität der Laserstrahlen mit einer Blende minimieren.
Ergebnis
Aus den Einzelpunktmessungen lassen sich die räumlichen Bewegungen von Hammer und Amboss für quasi-statische und dynamische Anregungen rekonstruieren. Es zeigt sich eine Umlenkbewegung innerhalb des IM-Gelenks bei großen quasi-statischen Auslenkungen. Die sattelförmige Struktur der Gelenkflächen verursacht diese räumliche Bewegung. Bei akustischer Anregung kommt es mit steigender Frequenz ebenfalls zu einer Relativbewegung im IM-Gelenk, einhergehend mit einer zunehmenden Komplexität des Schwingungsmusters der Gehörknöchelchen.
Durch die Verwendung von 3D-Laser-Schwingungsmesssystemen lässt sich die räumliche Relativbewegung im IM-Gelenk bei unterschiedlichen Anregungsmustern rekonstruieren. Dies verbessert das Verständnis der mechanischen Funktionsweise des biologischen Gelenks und die Ableitung von Parametern für ein mathematisches Berechnungsmodell.
Dank
Die Autoren bedanken sich bei Prof. Alexander Huber, Dr. Jae Hoon Sim, Dr. Ivo Dobrev und Rahel Gerig vom Uni-Spital in Zürich für die Zusammenarbeit bei diesem Projekt.
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