Biomechanik des Hörens

Die Verarbeitung eines akustischen Ereignisses vom freien Schallfeld bis zur Wahrnehmung erfordert das Zusammenwirken von vielen komplexen Mechanismen. Diese hohe Komplexität kommt in der starken Diversifikation der Hörforschung in verschiedene, spezialisierte Fachgebiete zum Ausdruck. Neben der Neurootologie und der Audiologie ist die Biomechanik des Mittelohrs eines davon. Ziel dieses Forschungsgebietes ist es, die Funktionen der einzelnen Mittelohrstrukturen zu entschlüsseln, und daraus diagnostische und therapeutische Maßnahmen für den Fall einer gestörten Hörfunktion abzuleiten. 

Dazu wird die Dynamik der Schallleitungskette durch dreidimensionale mechanische Modelle abgebildet. Zur Modellbildung kommen Mehrkörpersysteme, Elastische Mehrkörpersysteme und Finite Elemente Systeme zum Einsatz. Die Simulation des Bewegungs- und Übertragungsverhaltens ermöglicht eine optimierte Abstimmung von Hörhilfen, eine verbesserte Interpretation in der Diagnostik und eine Weiterentwicklung von Diagnoseverfahren in der Otologie.

Details zu aktuellen Forschungsprojekten lassen sich hier finden.

Physiologie des Hörens

Hören und Sprechen sind die wichtigsten Kommunikationsmittel des Menschen. Der Hörverlust des Erwachsenen oder die angeborene Taubheit des Säuglings bedeuten ei ne kommunikative Katastrophe für den Einzelnen. Betroffene geraten in eine für den Gesunden kaum nachvollziehbare Isolation.

Das Ohr stellt auf kleinstem Raum ein anatomisch und physiologisch einzigartiges Gebilde unseres Körpers dar. Eine wichtige Komponente dieses faszinierenden Sinnesorgans ist das Mittelohr. Es beherbergt nicht nur die kleinsten Einzelknochen und die feinsten Muskeln, sondern beeindruckt vor allem durch seinen großen Dynamikbereich, in dem es minimale Druckschwankungen in Strukturschwingungen umwandelt. Während im Bereich der Hörschwelle der eben hörbare Schalldruck etwa 20 µPa beträgt und die entsprechenden Strukturschwingungen nur knapp oberhalb der Brownschen Molekularbewegung liegen, können die Drücke und Amplituden bis zur Schmerzgrenze noch etwa zweimillionenfach gesteigert werden.

Derartige physiologische Schalldrücke sind jedoch immer noch verschwindend klein gegenüber den ebenfalls auf das Ohr einwirkenden statischen Luftdruckschwankungen, wie sie beispielsweise beim Treppensteigen, Zug- bzw. Autofahren, Fliegen oder beim Nase- putzen vorkommen. Zwar führen diese zu einer veränderten Wahrnehmung, jedoch nicht zu einer Schädigung des Ohrs. Diese Fähigkeit, trotz großer statischer Druckschwankungen in der Umgebung, gleichzeitig winzige physiologische Schalldrücke wahrnehmen zu können, ist hauptsächlich in den nichtlinearen Eigenschaften der Gelenke und Bänder des Mittelohrs begründet.

 

 

Modellierung und Simulation des Gehörs

Die Abbildung dieser Eigenschaften in mathematische Modelle stellt ein Werkzeug dar, mit dem anhand von numerischen Experimenten der Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung und die Sensitivitäten auf veränderte Randbedingungen untersucht werden können. Zusammen mit klinischen Beobachtungen erleichtert dies die Bildung des physikalischen Verständnisses entscheidend, vermittelt einen tieferen Einblick in die räumlichen Bewegungsformen und eröffnet eine direkte Zuordnung der Phänomene zu den mechanischen Eigenschaften der natürlichen Strukturen.

Simulationen erlauben es beispielsweise, die Auswirkung einzelner spezifischer Änderungen am Ohrmodell auf das Übertragungsverhalten des Mittelohrs zu beobachten und ermöglichen so eine gezielte und von Nebeneinflüssen entbundene Untersuchung von Ursache-Wirkungszusammenhängen bei Veränderungen durch Pathologien, chirurgischen Eingriffen, passiven oder aktiven Implantaten.

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Prof. Dr.-Ing. Michael Lauxmann

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