DE19821602C1

DE19821602C1 - Vibrationsmeßkopf zur Bestimmung der Beweglichkeit der Bestandteile des menschlichen Mittelohrapparates

Info

Publication number: DE19821602C1
Application number: DE1998121602
Authority: DE
Inventors: Gert Hofmann; Thomas Zahnert; Karl-Bernd Huettenbrink; Uwe Vogel
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2018-05-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vibrationsmeßkopf zur Bestimmung der Beweglichkeit der schwingfähigen Bestandteile des menschlichen Mittelohrapparates, wie Trommelfell, Teilen der Gehörknöchelchenkette und Aufhängebänder, im normalen oder operierten Zustand, DOLLAR A - bestehend aus einem elektromechanischen Wandler (1) mit einem schwingfähigen Element (4, 4'), DOLLAR A - der eine bifilar gewickelte Spule (2, 2') aufweist, deren erste Wicklung (2) mit einem Niederfrequenzgenerator (9) und deren zweite Wicklung (2') mit einer Auswerteeinrichtung (10) verbunden ist, wobei DOLLAR A - am schwingfähigen Element (4, 4') in Schwingebene eine elastische Meßkopfnadel (6) mit ihrem einen Ende befestigt ist und das andere Ende auf ein Bestandteil des menschlichen Mittelohrapparates (7) aufsetzbar ist, DOLLAR A - die Meßkopfnadel (6) so bemessen ist, daß bei Überschreitung einer maximalen Auflagekraft die Meßkopfnadel (6) seitlich ausknickt und somit die Auflagekraft auf einen zulässigen Wert begrenzt wird, DOLLAR A - das Wandlersystem in seiner Resonanzfrequenz schwingt und beim freien Schwingen der Meßkopfnadel (6) die Spannung der ersten Wicklung (2) und die Spannung der zweiten Wicklung (2') so aufeinander abstimmbar sind, daß an der Auswerteeinheit (10) ein Spannungsminimum gemessen wird, DOLLAR A - bei Dämpfung des freien Schwingens der Meßkopfnadel (6) durch Aufsetzen auf ein Bestandteil des menschlichen Mittelohrapparates (7) eine Spannung in der zweiten Wicklung (2') gemessen wird, die der Beweglichkeit des ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Vibrationsmeßkopf zur Bestimmung der Beweglichkeit der schwingfähigen Bestandteile des menschlichen Mittelohrapparates, wie Trommelfell, Teilen der Gehörknöchelchenkette und Aufhängebänder, im normalen oder operierten Zustand. Die Erfindung eignet sich damit vor allem zur Beurteilung der Ringbandsteifigkeit des Steigbügels (Stapes), zum Nachweis von Hammerkopffiksation, von Tympanosklerosen und anderen Beeinträchtigungen der Schwingungsfähigkeit der Mittel- und Innenohrstrukturen.

Die Beweglichkeit des Steigbügels kann erheblich eingeschränkt sein, wenn sich das elastische Ringband, das den Steigbügel im Felsenbein fixiert und gleichzeitig schwingen läßt, verfestigt hat. Die Weiterleitung der Schwingungen in das Innenohr ist hierdurch behindert. Der akustische Erfolg eines Wiederaufbaues einer zerstörten Gehörknöchelchenkette im Rahmen einer notwendigen hörverbesserenden Operation wird so a priori gefährdet.

Die Kenntnis der Mobilität des Stapes einschließlich des Ringbandes ist folglich für den Operateur notwendig, damit er während der Operation seine Rekonstruktionstechnik anpassen kann.

Aus der DE 196 18 961 A1 ist ein Gerät zur elektromechanischen Stimulation und Prüfung des Gehörs bekannt. Dieses Gerät ist gekennzeichnet durch einen elektromechanischen Wandler zum Erzeugen von mechanischen Schwingungen im Audiobereich und ein starres, mechanisches Koppelelement zum Übertragen der mechanischen Schwingungen ohne operativen Eingriff durch den äußeren Gehörgang in direktem mechanischen Kontakt auf das Zentrum des Trommelfells und damit auf den Hammergriff der Gehörknöchelchenkette des Mittelohres.

Nachteilig bei dieser Ausführung ist, daß die Kopplung mit einem starren Element vorgenommen wird, wodurch die intraoperative Verwendbarkeit (bestehende Verletzungsgefahr) ausgeschlossen ist. Außerdem wird mit dem Gerät nur eine Tonfrequenz auf das Trommelfell und damit auf die Gehörknöchelchenkette übertragen, ohne eine Meßsignal für die Beweglichkeit der Bestandteile des Mittelohres zu erhalten.

Nach Zöllner, F.: "Die bisherigen Ergebnisse der Schallsondenuntersuchungen. Arch. Ohr. Nas. Kehlkopf Heilk., 1951, JG 159, S. 398 ist auch eine sogenannte Schallsonde bekannt, die es erlaubt, mechanische Schwingungen an beliebige Orte der Schalleitungskette eines wachen Patienten (während der Operation) anzukoppeln. Die Rückmeldung erfolgt über den Patienten selbst, der Angaben zur empfundenen Lautheit des Tones macht; diese Informationen sind also nachteiligerweise als rein subjektiv zu betrachten und an den wachen Patienten gebunden. Klinische Erfahrungen mit dieser Schallsonde sind in Thullen, A.: Klinische Erfahrungen mit der Schallsonde nach Zöllner, Medizinal-Markt, Heft 12, 1956, S. 444-445 niedergelegt.

Eine weiterentwickelte Variante dieser Schallsonde wird in Lau, H. H.; Michler H., Zöllner F.: Versuch einer technischen Verbesserung der Schallsonde. Acta Otolaryngol, Stockholm, 1963, 56, S. 421-427 beschrieben.

In Gyo, K.; Sato, H.; Aritomo, H.; Nishihara, S.; Murakami, S.: Measurement of the Stapes Mobility and Cochlear Input Impedance Using a Newly Developed Piezoelectric Ceramic Device, veröffentlicht in Hüttenbrink, K.-B.: Middle Ear Mechanics in Research and Otosurgery. Proceedings of the first International Workshop on middle ear mechanics, Dresden, Germany, Sept. 19.622., 1996, UniMedia, 1997, S. 191-194 wird eine Sonde zur Messung der Stapesmobilität vorgestellt, die mit Hilfe zweier piezoelektrischer Elemente (Geber und Sensor) die Schwingungsfähigkeit des Stapes- Ringbandsystems bestimmt. Nachteilig ist bei dieser Methodik, daß die Sonde nicht handgehalten werden kann, sondern auf einen festen Bezugspunkt (umliegender Knochen) aufgesetzt werden muß. Weiterhin bleibt die Einhaltung einer maximalen Auflagekraft auf den zu testenden Punkt kritisch, da neben der Gefahr der Zerstörung des Ringbandes bei zu hoher Kraft zusätzlich die Messung durch zu starke Spannung des Ringbandes falsch wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Vibrationsmeßkopf anzugeben, mit dem alle schwingfähigen Bestandteile des menschlichen Mittelohrapparates, wie Trommelfell, Gehörknöchelchenkette und Aufhängebänder, im normalen oder operierten Zustand, erreicht werden können. Der Meßkopf soll eine auswertbare, von subjektiven Einflüssen freie Information über die Beweglichkeit dieser Teile liefern. Eine Beschädigung der Teile, insbesondere bei Handführung des Meßkopfes, muß mit Sicherheit ausgeschlossen werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Vibrationsmeßkopf gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhaft wird der Vibrationsmeßkopf mit einem Handgriff versehen, so daß ein handgeführter Einsatz des Meßkopfes direkt am Menschen ermöglicht wird. Die noch näher ausgeführte Dimensionierung der Meßkopfnadel verhindert dabei zuverlässig Beschädigungen des Meßobjektes. Neben der Handführung des Meßkopfes durch den Operateur ist auch eine geeignete Führung durch eine Gestell oder einen Manipulator möglich.

Entsprechend Anspruch 3 und 4 ist der elektromechanische Wandler als elektromagnetischer Wandler ausgeführt, an deren schwingfähige Metallzunge bzw. Membran die Meßkopfnadel angekoppelt ist. Entsprechend Anspruch 5 und 6 ist die Meßkopfnadel eine mit einem Kunststoffmantel umgebene Glasfaser. Das seitliche Ausknicken der Glasfaser soll auf Grund ihrer Vorspannung und entsprechend dimensionierter Länge und Durchmesser bei einer definierten Kraft erfolgen. Für die Gewährleistung einer richtigen und reproduzierbaren Messung muß die Auflagekraft im Bereich von 4 bis 6 mN liegen. Größere Kräfte bergen die Gefahr einer Fehlmessung in sich bzw. führen schließlich zur Zerstörung des Meßobjektes. Die vorzugsweise Auflagekraft von 5 mN wird bei einer Länge der Glasfaser von 6 cm und einem Durchmesser von 0,2 mm erreicht.

Zu Desinfektionszwecken ist die Meßkopfnadel mit dem schwingfähigen Element lösbar verbunden. Der Wandler wird mit einer konstruktiv bedingten Resonanzfrequenz betrieben, die im Bereich von 250 Hz bis 10 kHz liegt, welche von einem NF-Generator bereitgestellt wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit einem relativ einfach aufgebauten Vibrationsmeßkopf auch bei Handführung eine der Beweglichkeit des Meßobjektes entsprechende Spannung gemessen werden kann. Dabei ist durch die Auswahl und Dimensionierung der Meßkopfnadel eine Beschädigung des Objektes zuverlässig ausgeschlossen. Die zum Zeitpunkt des Aufsetzen und/oder zum Zeitpunkt des Absetzens des Meßkopfes gewonnenen Meßwerte lassen dem Operateur intraoperativ Rückschlüsse für das weitere Vorgehen schließen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Meßkopf mit einem elektromagnetischen Wandler mit einer schwingfähigen Metallzunge im Magnetspalt und daran angekoppelter Meßkopfnadel

Fig. 2 ein Diagramm mit Darstellung der Ausgangsspannung der Auswerteeinrichtung

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Meßkopf mit einem elektromagnetischen Wandler mit einer schwingfähigen Membran und daran angekoppelter Meßkopfnadel.

Der erfindungsgemäße Meßkopf gemäß der Fig. 1 besteht aus dem Gehäuse 1, einer schwingfähigen Metallzunge 4 innerhalb eines von den Magneten 3 und 3' erzeugten Magnetfeldes sowie den die Zunge umgebenden bifilaren Spulen 2 bzw. 2'. An der Zunge 4 ist steckbar über eine Hülse 5 die Meßkopfnadel 6, bestehend aus einer Glasfaser angeordnet.

Der NF-Generator 9 speist die Wicklung 2 mit einer Wechselspannung u_gen, deren Frequenz f_res der Resonanzfrequenz des Wandlers 1 entspricht. Die in der Wicklung 2' induzierte Gesamtspannung weist ein Minimum bei dieser Frequenz auf. Mit Hilfe des regelbaren Widerstandes 8 wird wechselseitig mit der anregenden Frequenz auf das absolute Spannungsminimum abgeglichen, d. h. in der Auswerteeinheit 10 (bestehend aus Verstärker, Filter, Gleichrichter, Linearisierung und Anzeigemodul) wird beim freien Schwingen der Meßkopfnadel kein bzw. nur ein minimales Signal u_sign detektiert.

Wird nun die mit f_res schwingende Meßkopfnadel 6 auf das zu messende Objekt 7 (Steigbügel) aufgesetzt, erfolgt neben einer Verstimmung auch eine Dämpfung der mechanischen Schwingamplitude; entsprechend dem Zustand des Ringbandes.

In der Folge kann an der Auswerteeinheit 10 ein dämpfungsproportionaler Wert abgelesen werden, der dem Operateur anzeigt, ob es sich um einen normalbeweglichen bzw. um einen infolge Ringbandversteifung eingeschränkt schwingenden Steigbügel handelt.

Das Problem bei einer handgeführten Sonde besteht darin, daß trotz der Tremorbewegungen des Operateurs beim Berührens des Steigbügels eine maximale Auflagekraft von 5 mN nicht überschritten werden darf, um Beschädigungen des empfindlichen Meßobjektes zu vermeiden. Mit einer starren Sonde läßt sich diese Forderung nicht erfüllen.

Erfindungsgemäß wird eine elastische Glasfaser als Meßkopfnadel verwendet, die beim Aufsetzen auf den Steigbügel eine Kraft von 5 mN überträgt, aber beim Überschreiten dieses Wertes seitlich ausknickt und dabei die Auflagekraft verringert. Eine Beschädigung des schwingenden Systems des Mittel- und Innenohres ist somit ausgeschlossen.

Fig. 2 zeigt die Ausgangsspannung der Auswerteeinrichtung 10 im Meßfall. Zum Zeitpunkt t₁ wird die Sonde zu Kalibrierzwecken beispielsweise auf ein starres Objekt (z. B. Knochen) aufgesetzt; die Ausgangsspannung u_kno erreicht im Aufsetzmoment der Sonde ihr erstes Maximum. Beim leichten Durchbiegen der Sonde durch Verringerung des Abstandes verkleinert sich die Auflagekraft und damit die Ausgangsspannung. Erst wenn die Sonde wieder entfernt wird erreicht u_kno unmittelbar vor Abheben der Sonde ihr 2. Maximum t₂. Beide Maxima haben den gleichen Wert.

Wird die Sonde nun auf den Steigbügel aufgesetzt, wiederholt sich obiger Vorgang, t₃ ist der Aufsetzzeitpunkt und t₄ der Zeitpunkt vor Abheben der Sonde. Es entsteht wieder der typische M- förmige Zeitverlauf, jedoch ist das Maximum u_sign diesmal kleiner, weil der Steigbügel mitschwingen konnte.

Je nach Festigkeit des Ringbandes schwankt die Ausgangsspannung von 10 zwischen u_sign und u_kno. Der Operateur kann mit dieser Information sofort den Zustand des Ringbandes beurteilen und die gehörverbessernde Operation diesbezüglich modifizieren.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßkopfes. Im Unterschied zu Fig. 1 wurde hier ein elektromagnetischer Wandler mit einer schwingfähigen Membran 4' gewählt. Die Meßkopfnadel 6 ist an der schwingfähigen Membran 4' befestigt und wird durch diese wie unter Fig. 1 bzw. 2 beschrieben in Schwingung versetzt.

Es sei darauf hingewiesen, daß mit der in den Ausführungsbeispiele beschriebenen Vorgehensweise auch sämtliche schwingenden Bestandteile des menschlichen Mittelohrapparates hinsichtlich ihrer Beweglichkeit untersucht werden können. Ebenso kann der operative Erfolg bei Ersatz dieser Teile durch Prothesen intraoperativ beurteilt werden.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Wicklung

2

' Wicklung

3

Magnet

3

' Magnet

4

schwingfähige Metallzunge

4

' schwingfähige Membran

5

Hülse

6

Meßkopfnadel

7

Steigbügel

8

Widerstand

9

NF-Generator

10

Auswerteeinheit

Claims

1. Vibrationsmeßkopf zur Bestimmung der Beweglichkeit der schwingfähigen Bestandteile des menschlichen Mittelohrapparates, wie Trommelfell, Teilen der Gehörknöchelchenkette und Aufhängebänder, im normalen oder operierten Zustand,

1. bestehend aus einem elektromechanischen Wandler (1) mit einem schwingfähigen Element (4, 4'),
2. der eine bifilar gewickelte Spule (2, 2') aufweist, deren erste Wicklung (2) mit einem Niederfrequenzgenerator (9) und deren zweite Wicklung (2') mit einer Auswerteeinrichtung (10) verbunden ist, wobei
3. am schwingfähigen Element (4, 4') in Schwingebene eine elastische Meßkopfnadel (6) mit ihrem einen Ende befestigt ist und das andere Ende auf ein Bestandteil des menschlichen Mittelohrapparates (7) aufsetzbar ist,
4. die Meßkopfnadel (6) so bemessen ist, daß bei Überschreitung einer maximalen Auflagekraft die Meßkopfnadel (6) seitlich ausknickt und somit die Auflagekraft auf einen zulässigen Wert begrenzt wird,
5. das Wandlersystem in seiner Resonanzfrequenz schwingt und beim freien Schwingen der Meßkopfnadel (6) die Spannung der ersten Wicklung (2) und die Spannung der zweiten Wicklung (2') so aufeinander abstimmbar sind, daß an der Auswerteeinheit (10) ein Spannungsminimum gemessen wird,
6. bei Dämpfung des freien Schwingens der Meßkopfnadel (6) durch Aufsetzen auf ein Bestandteil des menschlichen Mittelohrapparates (7) eine Spannung in der zweiten Wicklung (2') gemessen wird, die der Beweglichkeit des Bestandteils des menschlichen Mittelohrapparates entspricht, und
7. für die Auswertung der Meßwerte der Zeitpunkt des Aufsetzen und/oder des Absetzens der Meßkopfnadel (6) herangezogen wird.

2. Vibrationsmeßkopf nach Anspruch 1, bei dem der Meßkopf mit einem Handgriff zum direkten manuellen Einsatz am lebenden Menschen versehen ist.

3. Vibrationsmeßkopf nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der elektromechanische Wandler (1) ein elektromagnetischer Wandler mit einer schwingfähigen Metallzunge (4) in einem Magnetspalt ist.

4. Vibrationsmeßkopf nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der elektromechanische Wandler (1) ein elektromagnetischer Wandler in konzentrischer Bauweise mit einer schwingfähigen Membran (4') ist.

5. Vibrationsmeßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Meßkopfnadel (6) eine Glasfaser ist.

6. Vibrationsmeßkopf nach Anspruch 5, bei dem die Glasfaser mit Kunststoff ummantelt ist.

7. Vibrationsmeßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Länge der Glasfaser 5 bis 8 cm und der Durchmesser 0,1 bis 0,3 mm beträgt.

8. Vibrationsmeßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Meßkopfnadel (6) mit dem elastischen Element (4, 4') zwecks Desinfektion lösbar verbunden ist.

9. Vibrationsmeßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Resonanzfrequenz des Wandlers (1) konstruktiv bedingt zwischen 250 Hz und 10 kHz liegt.