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Mit Simulationen zu besseren Hörprothesen

Ingenieure der Universität Stuttgart simulieren am Computer, wie die Bauteile des Ohrs auf Schall reagieren. Dabei treten Details zutage, die bei der Optimierung von Hörprothesen helfen.

Anfang der 90er Jahre kam ein Ohrenarzt mit einer ungewöhnlichen Bitte zu Dr.-Ing. Albrecht Eiber: Er wollte defekte oder fehlende Knochenstrukturen im Mittelohr durch Prothesen ersetzen und um sie optimal anzupassen, fragte er nach einer Simulation der mechanischen Vorgänge beim Hören. Als sich Eiber erst einmal in die Mechanik des Hörvorgangs eingearbeitet hatte, ließ ihn das Thema nicht mehr los. Das Hören war nämlich längst nicht so gut erforscht, dass alle Fragen der quantitativen und qualitativen Umsetzung von Schall bis zur Erregung des Hörnervs geklärt waren.

Eine Forschergruppe am Institut für Technische und Numerische Mechanik (ITM) der Universität Stuttgart begann damit, eine modellhafte, mathematische Beschreibung der Vorgänge an der Knöchelchenkette des Mittelohrs zu erarbeiten. Diese Knöchelchenkette übersetzt den Schalldruck in räumliche Bewegungen, die schließlich über die Flüssigkeit des Innenohrs die Haarzellen auslenken und dadurch den Hörnerv anregen. Zwar gab es bereits elektrische Ersatzmodelle für die Funktionen des Mittelohrs, doch handelt es sich dabei um skalare, eindimensionale Modelle, die nur mit Spannung und Strom als beschreibenden Größen arbeiten. „Kraft ist stets dreidimensional, bei den elektrischen Modellen fehlt jedoch die vektorielle, also räumliche Bewegung“, erklärt Eiber.

Kippbewegung des Steigbügels hat Folgen

Modell eines Mittelohrs mit intakter Kette Hammer-Amboss-Steigbügel. Die farbigen Elemente stellen Ersatzkörper für die Luft im Ohrkanal, das Trommelfell und das Innenohr dar; die schwarzen symbolisieren die Bänder und Muskeln. Eingetragen sind außerdem die Bewegungsmöglichkeiten der Elemente. (Abbildung: ITM Universität Stuttgart)
Modell eines Mittelohrs mit intakter Kette Hammer-Amboss-Steigbügel. Die farbigen Elemente stellen Ersatzkörper für die Luft im Ohrkanal, das Trommelfell und das Innenohr dar; die schwarzen symbolisieren die Bänder und Muskeln. Eingetragen sind außerdem die Bewegungsmöglichkeiten der Elemente. (Abbildung: ITM Universität Stuttgart) 
Mit seinem computergestützten mechanischen Modell konnte er nachweisen, dass der Schalldruck nicht nur eine Kolben-, sondern auch eine Kippbewegung an der Fußplatte des Steigbügels auslöst. Der Steigbügel gibt über seine Fußplatte im ovalen Fenster die Bewegung direkt an die Flüssigkeit im Innenohr weiter. Dabei hängt die Art der Steigbügelbewegung von der Frequenz ab. Im niederfrequenten Bereich kommt es zur Kolbenbewegung, im hochfrequenten Bereich kommt eine Kippbewegung hinzu. „Ich laufe nun seit zehn Jahren Sturm gegen die Society der Akustikspezialisten, die behaupten, dass die Kippbewegung keine Wirkung hat. Das System muss jedoch auch Kippbewegungen ausführen, das lehrt die Mechanik“, so der engagierte Forscher.
Messung von Felsenbeinbewegungen mit Laser-Doppler-Vibrometern (LDV) bei unterschiedlichem statischem Druck im Ohrkanal. (Abbildung: ITM Universität Stuttgart, zum Vergrößern anklicken)Neues Fenster
Messung von Felsenbeinbewegungen mit Laser-Doppler-Vibrometern (LDV) bei unterschiedlichem statischem Druck im Ohrkanal. (Abbildung: ITM Universität Stuttgart, zum Vergrößern anklicken) Messung von Felsenbeinbewegungen mit Laser-Doppler-Vibrometern (LDV) bei unterschiedlichem statischem Druck im Ohrkanal. (Abbildung: ITM Universität Stuttgart, zum Vergrößern anklicken)  
Eiber ließ nicht locker, bis er durch elektrophysiologische Messungen schließlich beweisen konnte, dass die Kippbewegung ein Nervenpotenzial zufolge hat. Diese Ergebnisse erregen zurzeit einiges Aufsehen auf Fachkongressen, wobei sich immer mehr Skeptiker inzwischen überzeugt zeigen. „Es ist immer schwierig, eine einmal festgelegte Lehrmeinung zu ändern. In diesem Fall beruht sie einfach auf unzureichenden Messmethoden“, sagt Eiber. Erst die moderne Mikrosystemtechnik machte es möglich, überhaupt eine Kippbewegung im hochfrequenten Bereich zu messen. Benutzt wird dafür ein Lasersystem, das berührungslos Bewegungen bis in den Nanometerbereich erfassen kann.

Es spielt eine große Rolle, wie und wo Implantate verankert werden

Die Stuttgarter Forscher ruhen sich auf ihren Lorbeeren nun ganz und gar nicht aus und wollen mit mechanischen Modellen auch die Übertragungseigenschaften bei Druck und Zug im Mittelohr untersuchen. „Uns interessiert zum Beispiel das nichtlineare Verhalten des Gelenks zwischen Amboss und Steigbügel bei statischer Vorspannung“, sagt Eiber. Die Nichtlinearitäten im Gehör sorgen unter anderem dafür, dass ein objektiv doppelt so lauter Ton nicht als doppelt so laut empfunden wird und dass das Klangbild sich ändert. Im gesunden Ohr ist das zwar eine sinnvolle Schutzfunktion, den Entwicklern von Hörimplantaten macht dieser Effekt jedoch das Leben schwer.
Die Simulation eines Gewehrschusses mit einem maximalen Schalldruck von 163 dB zeigt neben der kolbenförmigen Bewegung auch ausgeprägte Kippbewegungen des Steigbügels. (Abbildung: ITM Universität Stuttgart, zum Vergrößern anklicken)Neues Fenster
Die Simulation eines Gewehrschusses mit einem maximalen Schalldruck von 163 dB zeigt neben der kolbenförmigen Bewegung auch ausgeprägte Kippbewegungen des Steigbügels. (Abbildung: ITM Universität Stuttgart, zum Vergrößern anklicken) Die Simulation eines Gewehrschusses mit einem maximalen Schalldruck von 163 dB zeigt neben der kolbenförmigen Bewegung auch ausgeprägte Kippbewegungen des Steigbügels. (Abbildung: ITM Universität Stuttgart, zum Vergrößern anklicken) 
„Die Hauptproblematik ist die Ankopplung von Implantaten. Durch das übliche Andrücken an die Mittelohrknöchelchen kommt es zu einer großen Vorspannung, die das System meist in den nichtlinearen Bereich bringt“, erklärt Eiber. Zudem reagieren die Bänder, an denen die Gehörknöchelchen aufgehängt sind, auf eine ständige Vorspannung mit Dehnung. Die Computersimulationen sollen in Zukunft klären, wie entsprechende Implantate am besten gestaltet und mit welchen Mitteln sie wo am besten angebracht werden, um dauerhaft gutes Hören zu ermöglichen. „Wir können Veränderungen jetzt ganz gezielt mechanischen Größen zuordnen und den Klinikern sowie den Prothesenherstellern zuverlässige Voraussagen liefern“, so Eiber.

Alle in einem Boot: Mediziner, Ingenieure und Hersteller

Dabei gilt es neben den wissenschaftlichen auch noch gewisse sprachliche Hürden zu überwinden - medizinische Probleme müssen in die Sprache der Mechanik übersetzt werden und umgekehrt. Deshalb begreift Eiber es als Herausforderung, eine gemeinsame Sprache zu finden und damit die interdisziplinäre Zusammenarbeit zu stärken. Eingespielt hat sich inzwischen die Kooperation mit den Industriepartnern. Eiber und seine Mitarbeiter kooperieren seit Jahren erfolgreich mit der Heinz Kurz Medizintechnik GmbH in Dusslingen, einem führenden Hersteller von Mittelohrprothesen. Auch der zweite wichtige Industriepartner ist in der BioRegio STERN angesiedelt - und hat auch noch zufälligerweise den gleichen Namen: Die Firma Kurz Industrie Elektronik in Remshalden unterstützt Eiber mit elektrischen Systemen zur mechanischen Erregung der Mittelohrknöchelchen.

leh - 28.08.2006
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH








Weitere Informationen:
Universität Stuttgart
Institut für Technische und Numerische Mechanik
Dr.-Ing. Albrecht Eiber
Pfaffenwaldring 9
70569 Stuttgart
Tel.: 0711 685-66393
Fax: 0711 685-66400
E-Mail: eiber@itm.uni-stuttgart.de
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04.09.2006

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