Simulation der Fluidströmung und Basilarmembranschwingung im menschlichen Innenohr

Von:

Philipp Wahl

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Die Schwingungen der Gehörknöchelchen im Mittelohr lösen eine Fluidströmung im Innenohr aus, die das charakteristische Schwingungsverhalten der Basilarmembran anregt und somit zur Entstehung des Höreindrucks führt. Ziel dieser Arbeit ist es, diese dynamischen Vorgänge im Innenohr genauer zu untersuchen und die grundlegenden physikalischen Wirkprinzipien zu identifizieren. Hierzu wird ein mechanisches Finite-Elemente Modell des menschlichen Innenohrs, auch Cochlea genannt, unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur Interaktionen entwickelt, das die Fluidströmung und die dadurch angeregte Basilarmembranschwingung, die zum Höreindruck führt, beschreibt. Mit dem Modell werden numerische Simulationen durchgeführt und die Ergebnisse hinsichtlich physiologischer Fragestellungen diskutiert. Für die Beschreibung der laminaren, viskosen Kriechströmung und die effiziente Berechnung der Fluid-Struktur Interaktionen wird in dieser Arbeit eine druck-verschiebungsbasierte Fluidformulierung vorgestellt. Diese wird an zwei einfachen Systemen validiert und es werden Unterschiede zur akustischen Fluidbeschreibung aufgezeigt. Zudem wird auf die mechanische Modellierung des Innenohrs eingegangen und eine Materialformulierung für die Basilarmembran entwickelt. Die Simulationen ermöglichen die Visualisierung der Wanderwelle auf der Basilarmembran sowie die Identifikation der Wirkmechanismen, die zur Anregung und Ausbildung der Wanderwelle führen und liefern somit neue Erkenntnisse hinsichtlich der Entstehung des Höreindrucks. Mit weiteren Untersuchungen zum cochlearen Übertragungsverhalten werden dann physiologische Fragestellungen beantwortet, wie die Orts-Frequenztransformation, die cochleare Verstärkung und der Einfluss der Kippbewegungen der Steigbügelfußplatte auf den Höreindruck.