Nichtlineares Übertragungsverhalten des Mittelohrs mit seinen angrenzenden Strukturen in Modellbildung, Simulation und Messung
Mechanik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das nichtlineare Bewegungsverhalten des Mittelohrs und seiner angrenzenden Strukturen bei hohen Belastungen und großen Verschiebungen wurde durch räumliche Ersatzmodelle auf mechanischer Basis mit physikalischen Parametern beschrieben. Auf diese Weise wurde ein Beitrag zur fehlenden modellbasierten Analyse des nichtlinearen Mittelohrs durch Zuordnung der physikalischen Parameter auf reale anatomische Strukturen geleistet. Die Parameter des aufgebauten EMKS-Modells wurden aus Messungen an humanen Felsenbeinpräparaten und aus klinischen Beobachtungen bestimmt. Zur nichtlinearen Modellierung der Sehnen, Bänder und Gelenke wurden umfangreiche quasistatische Kraft-Verschiebungs-Messungen am separierten Steigbügel und an der intakten Ossikelkette durchgeführt. Messungen der räumlichen Schwingbewegungen der Ossikelkette bei akustischer Anregung lieferten Ergebnisse zur räumlichen Bewegung des Steigbügels und zur Bewegung in der Fußplattenebene. Weiterhin konnte das Kriech- und Relaxationsverhalten von Bändern experimentell bestimmt und mathematisch beschrieben werden. Ferner wurden die räumlichen Applikationskräfte von unterschiedlichen Prothesentypen sowie Risskräfte bei Bändern und Gelenken ermittelt und somit das Schädigungsrisiko bei einer Implantation abgeschätzt. Durch Simulationen mit dem nichtlinearen EMKS-Modell konnte der Einfluss verschiedener Mittelohrparameter, wie beispielsweise Druckänderungen im Ohrkanal, Cranium oder Innenohr auf das Übertragungsverhalten des Mittelohrs untersucht werden. Damit wurde ein Beitrag zur verbesserten Interpretation in der Diagnostik geleistet. Beispielsweise können gemessene Multifrequenz-Tympanometrie-Diagramme und deren Abhängigkeit von Erkrankungen besser interpretiert werden. Außerdem tragen die Ergebnisse zur Bewertung und Weiterentwicklung von Diagnoseverfahren bei. In den Simulationen lassen sich auch konkret beobachtete abnormale Situationen aus der Praxis durch Anpassung des mathematischen Modells nachbilden. Die Abweichungen von denen des Normalohrs können die Hinweise auf geschädigte oder stark veränderte Strukturen im Mittelohr geben. Für die Simulationen am rekonstruierten Gehör wurden Teilmodelle von Implantaten mit dem EMKS-Modell gekoppelt. Der Einfluss von Vorspannkraft, Position der Koppelstelle und Kopplungseigenschaften auf das Übertragungsverhalten wurde untersucht, wodurch eine optimierte Abstimmung der Implantate erzielt wurde. Die mechanischen Teilmodelle zur Beschreibung des nichtlinearen viskoelastischen Materialverhaltens von biologischen Weichgeweben wurden erweitert und Rückschlüsse auf das veränderte Übertragungsverhalten infolge auftretender Kriecherscheinungen gezogen. Die mechanischen Eigenschaften der Koppelstelle sind vom Kopplungsprinzip und der konstruktiven Gestaltung abhängig. Ganz wesentlich ist dabei der nichtlineare Einfluss der Vorspannkraft und deren Langzeitverhalten. Die Vorspannung kann sich durch Narbenzug erhöhen oder durch Relaxationseffekte absinken. Zu niedrige Vorspannung kann zu erheblichen Distorsionen führen, zu hohe dagegen zu starkem Abfall des Schalltransfers und zu Rückkopplung bei aktiven Implantaten. Die Auszeichnung der Dissertationsschrift von Michael Lauxmann durch die Vereinigung von Freunden der Universität Stuttgart e.V. mit dem Preis für besondere wissenschaftliche Leistungen hebt die Bedeutung der gewonnenen Erkenntnisse hervor und zeigt den Erfolg des Projekts.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Complex Stapes Motions in Human Ears. Journal of the Association for Research in Otolaryngology, Vol. 11. 2010, No. 3, pp. 329-341.
Sim, J. H.; Chatzimichalis, M.; Lauxmann, M.; Röösli, C.; Eiber, A.; Huber, A.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1007/s10162-010-0207-6) - Errors in Measuring Three-Dimensional Motions of the Stapes Using a Laser Doppler Vibrometer System. Hearing Research, Vol. 270. 2010, No. 1-2, pp. 4-14.
Sim, J. H.; Lauxmann, M.; Chatzimichalis, M.; Röösli, C.; Eiber, A.; Huber, A.M.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.heares.2010.08.009) - Mechanical Investigations of Human Hearing. Proceedings of
the 1st Joint International Conference on Multibody System Dynamics, May 25-27, 2010, Lappeenranta, Finland. pp. 215-224.
Eiber, A.; Lauxmann, M.
- Contribution of Complex Stapes Motion to Cochlea Activation.
Hearing Research, Vol. 284. 2012, Issues 1–2, pp. 82–92.
Eiber, A.; Huber, A.; Lauxmann, M.; Chatzimichalis, M.; Sequeira, D.; Sim, J. H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.heares.2011.11.008) - Experimental Study on Admissible Forces at the Incudo-Malleolar Joint. Otology & Neurotology, Vol. 33. 2012, Issue 6, pp. 1077–1084.
Lauxmann, M.; Heckeler, C.; Beutner, D.; Lüers, J.C.; Hüttenbrink, K.-B.; Chatzimichalis, M.; Huber, A.M.; Eiber, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1097/MAO.0b013e318259b34b) - In-Plane Motion of the Stapes in Human Ears. Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 132. 2012, No. 5, pp. 3280-3291.
Lauxmann, M.; Eiber, A.; Heckeler, C.; Ihrle, S.; Chatzimichalis, M.; Huber, A.M.; Sim, J.H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1121/1.4756925) - Nichtlineare Modellierung des Mittelohrs und seiner angrenzenden
Strukturen. Schriften aus dem Institut für Technische und Numerische Mechanik der Universität Stuttgart, Bd. 27. Aachen: Shaker Vlg, zugl.: Universität Stuttgart, Dissertation, 2012, 210 S.
Lauxmann, Michael
- Applikations- und Kontaktkräfte bei Steigbügelprothesen.
84. Jahresversammlung der Deutschen Gesellschaft für Hals-Nasen-
Ohren-Heilkunde, Kopf- und Hals-Chirurgie 08.05. - 12.05.2013.
Wahl, P.; Hornung, J.; Heckeler, C.; Eiber, A.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.3205/cpo000706) - Nonlinear Modeling of the Middle Ear as an Elastic Multibody System - Applying Model Order Reduction to Acousto-Structural Coupled Systems. Fifth International Conference on Advanced Computational Methods in Engineering (ACOMEN 2011),14-17, 2011, Liège.
Journal of Computational and Applied Mathematics, Vol. 246. 2013, pp. 18–26.
Ihrle, S.; Lauxmann, M.; Eiber, A.; Eberhard, P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cam.2012.07.010) - Nonlinear Modelling of the Middle Ear as an Elastic Multibody System - Applying Model Order Reduction to Acousto-Structural
Coupled Systems. Journal of Computational and Applied Mathematics, Vol. 246. 2013, pp. 18–26.
Ihrle, S.; Lauxmann, M.; Eiber, A.; Eberhard, P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cam.2012.07.010)
