Institut für Technische und Numerische Mechanik

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Universität Stuttgart

	Institut für Technische und Numerische Mechanik
	Nichtlineare Modellierung des Mittelohrs

Forschung

Beschreibung

Abbildung 2: Beispiel eines raeumlichen Kraft-Verschiebungsverlaufes bei quasistatischer Druckanregung an der Steigbügelfußplatte.

Abbildung 3: Flexibles Mehrkörpermodell des Außen-, Mittel- und Innenohrs.

In diesem interdisziplinären Projekt ist die Beschreibung des frequenzabhängigen nichtlinearen Übertragungsverhaltens des Mittelohrs mit seinen angrenzenden Strukturen zwischen der Anregung durch Schalldruck oder aktiven Mittelohrimplantaten bei großen Belastungen und großen Verschiebungen angestrebt.

Dabei wird die nichtlineare Dynamik der Schallleitungskette durch eine dreidimensionale mechanische Modellierung berücksichtigt. Die Parameter der Modelle werden aus Messungen und klinischen Beobachtungen bestimmt.

Die Simulation des Bewegungs- und Übertragungsverhaltens soll eine optimierte Abstimmung von Hörhilfen, eine verbesserte Interpretation in der Diagnostik und eine Weiterentwicklung von Diagnoseverfahren ermöglichen. Bei Implantaten sind insbesondere die nichtlinearen Eigenschaften der Koppelstellen, reduzierte Übertragung durch Verspannung der Gehörknöchelchen sowie die zeitliche Relaxation der Bänder von Bedeutung. Das Schädigungspotenzial von extremen Lärmeinwirkungen und Kräften bei der Applikation von Implantaten soll nachgebildet werden.

Wegen der starken Vernetzung und Verkopplung der physikalischen Vorgänge beim Hören erfordert diese Aufgabe oft ein sehr umfassendes Betrachten zur Datengewinnung und Verifikation der postulierten Modelle und der gefundenen Parameter. Dadurch sind realistische Simulationen der komplexen Vorgänge möglich und die Relationen zwischen Ursache und Wirkung untersuchbar.

Konkrete Ziele des Projektes:

Aufbau von nichtlinearen räumlichen Ersatzmodellen auf mechanischer Basis und der Beschreibung mit physikalischen Parametern.

Abschätzung von Parametern aus statischen und dynamischen Messungen, deren Zusammenführen im Gesamtmodell und Untersuchung des Übertragungsverhaltens durch Simulation.

Erfassen der räumlichen Bewegungsformen der Gehörknöchelchen durch einen 3D-LDV bei Variation charakteristischer Parameter.

Simulation spezifischer Erkrankungen wie Hammerkopffixation, Otosklerose oder Narbenzug und Anomalien wie Paukendruck bei Tubenfunktionsstörung oder Druck in der Cochlea. Untersuchung der Vorspannung bei rekonstruierten Gehören.

Bestimmung der Empfindlichkeit des Hörergebnisses von Rekonstruktionen gegenüber Änderungen des Designs, der Einbaukonfiguration und der Betriebszustände eines Implantats sowie gegenüber äußeren Störungen (Robustheit).

Abschätzung des Schädigungspotenzials stationärer und transienter Schallereignisse.

Einbeziehung der Mittelohrmuskeln als natürliche aktive Elemente mit ihren nichtlinearen Eigenschaften in das Modell.

Darstellung der Knöchelchenbewegungen in einer Virtual Reality-Umgebung.

Durch die Untersuchungen an mathematischen Modellen lassen sich die klinisch praktischen Probleme zwar nicht vollständig lösen, zusammen mit den klinischen Beobachtungen können sie aber die Bildung des physikalischen Verständnisses entscheidend erleichtern. Sie zeichnen Trends von einzelnen spezifischen Änderungen bei Implantaten und chirurgischen Eingriffen im Übertragungsverhalten auf.

Aus der Optimierung chirurgischer Rekonstruktionen des Gehörs lassen sich die Sensitivitäten der einzelnen Einflussgrößen gewinnen. Bei der Frage nach Robustheit ist nicht der maximale Erfolg eines speziellen Einzelfalls von Bedeutung, sondern dessen Unempfindlichkeit gegen Schwankungen der Einflussgrößen. Dies ist wichtig, da sich sowohl die Randbedingungen als auch die Parameter des individuellen Gehörs im Laufe der Zeit ändern können und auch das Modell gegenüber der Wirklichkeit Abbildungsfehler aufweist.

Weitere Informationen zum Thema Dynamik des Hörens lassen sich hier finden.

Nichtlineare Modellierung des Mittelohrs

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