Übertragungseigenschaften und Funktion des incudo-malleolaren Gelenks

Beschreibung

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Funktion und Eigenschaften des incudo-malleolaren Gelenks sowie deren Auswirkungen auf die Schallübertragung des Mittelohres zu untersuchen. Das IM-Gelenk verbindet die beiden Mittelohrknöchelchen Hammer und Amboss und verändert je nach Amplitude und Frequenz der Anregung sein Übertragungsverhalten. Bei quasistatischen Verschiebungen, wie sie z.B. bei der Rekonstruktion oder Luftdruckschwankungen auftreten, zeigt sich eine ausgeprägte elastische Nachgiebigkeit des Gelenks. Bei dynamischer Anregung steigt mit zunehmender Frequenz der Einfluss der Viskosität des synovialen Fluids im Gelenk und verbessert somit die Kopplung. Um dieses verhalten zu charakterisieren werden mechanische Modelle entwickelt mithilfe derer die Zusammenhänge zwischen den anatomischen Eigenschaften des IM-Gelenks und deren Funktion für die Schallübertragung systematisch zu untersuchen sind.

Das Projekt wird von der DFG im Rahmen des Forschungsprogramms "Übertragungseigenschaften und Funktion des incudo-malleolaren Gelenks" gefördert und in Zusammenarbeit mit dem Universitätsspital Zürich Klinik für Ohren-, Nasen-, Hals- und Gesichtschirurgie (ORL) durchgeführt.

Messung

Dynamische Anregung des Hammer-Amboss-Komplexes: Die räumlichen Geschwindigkeitskomponenten werden mit drei Laser-Doppler-Vibrometern an mehreren Punkten bestimmt. Aus diesen kann die Bewegung des Amboss rekonstruiert werden.

Statische Anregung durch einen Taststift. Die Kraft wird mit einer Kraftmessdose gemessen, die Verschiebung mit einem Laser-Doppler-Vibrometer.

Zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften des IMG werden statische und dynamische Messungen am (isolierten) Hammer-Amboss-Komplex durchgeführt. Bei den statischen Messungen werden Kräfte aufgebracht und die Verschiebung zwischen den Ossikeln bestimmt. Bei der dynamischen Messung wird der Hammer mit einem elektrodynamischen Schwingungsanreger (Shaker) angeregt und die Relativbewegung zum Amboss bestimmt. Es werden unterschiedliche Anregungsparametern (Richtung, Amplitude, Frequenz) gewählt und deren Einfluss untersucht. Aus diesen Messungen sollen die viskoelastischen Eigenschaften des IM-Gelenks abgeleitet werden. Des Weiteren soll die Frequenz und Amplitudenabhängigkeit des Übertragungsverhalten des Gelenks charakterisiert werden.

Darstellung des Abstands der Kontaktflächen des IM-Gelenks bei Kraftapplikation in laterale Richtung. Die Bewegung des Incus wird durch die geometrische Form des IM-Gelenks geführt. Mit zunehmender Last wird der Abstand kleiner, wobei unterschiedliche Regionen der Gelenkfläche in Kontakt kommen (Dargestellt in dark blue/grey).

Darstellung des Abstands der Kontaktflächen des IM-Gelenks bei Kraftapplikation am langen Ambossfortsatz. Die Bewegung des Incus wird durch die geometrische Form des IM-Gelenks geführt. Mit zunehmender Last wird der Abstand kleiner, wobei unterschiedliche Regionen der Gelenkfläche in Kontakt kommen (Dargestellt in dark blue/grey).

Darstellung des Betrags der Verschiebung bei Kraftapplikation am langen Ambossfortsatz. Die graue Farbe markiert geringe Werte, die rote Farbe grosse Werte. Die sich ändernde Rotationsachse ist Ausdruck des Einflusses der Gelenkflächen.

Abstand der Gelenkflächen bei Kraftapplikation in laterale Richtung. Vergleich zwischen Messung und Simulation.

Bewegung des IM-Komplex bei akustischer Anregung im Ohrkanal. Die Bewegung ist aus 3D-LDV Messungen an mehreren Punkten auf beiden Gehoerknoechelchen rekonstruiert worden. Die gezeigte Bewegungsform stellt sich bei einer Anregung mit 500Hz ein. Zur Verdeutlichung ist die Bewegung ueberhoeht dargestellt.

Bewegung des IM-Komplex bei akustischer Anregung im Ohrkanal. Die Bewegung ist aus 3D-LDV Messungen an mehreren Punkten auf beiden Gehoerknoechelchen rekonstruiert worden. Die gezeigte Bewegungsform stellt sich bei einer Anregung mit 2000Hz ein. Zur Verdeutlichung ist die Bewegung ueberhoeht dargestellt.

Bewegung der Gehoerknoechelchenkette bei akustischer Anregung im Ohrkanal. Neben Hammer und Amboss ist das praeparierte Felsenbeins zu sehen. Die Bewegung ist aus 3D-LDV Messungen an mehreren Punkten auf beiden Gehoerknoechelchen rekonstruiert worden. Die gezeigte Bewegungsform stellt sich bei einer Anregung mit 850Hz ein. Zur Verdeutlichung ist die Bewegung ueberhoeht dargestellt.

Rekonstruktion der Orientierung durch am Felsenbein befestigte Marker. Geometrie aus Mikro-CT Aufnahmen rekonstruiert.

Modellierung und Simulation

EMKS Modell des menschlichen Gehörs. Hammer und Amboss sind in rot eingefärbt.

Die Modellierung der elastischen Körper wird mit Hilfe der Finite Elemente Methode durchgeführt. Die Bewegungsgleichungen des Gesamtsystems werden mit der Methode der flexiblen Mehrkörpersysteme aufgestellt.