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Abstrakt in Englisch

More than 50 years after the introduction of reconstructive surgery in the middle ear by Wullenstein the results still vary in a larger range. After a total ossicular chain reconstruction (TORP) 60% of the patient and after a partial ossicular chain reconstruction (PORP) about 40% of the patients still have a lesser sound transmission by more than 20dB in comparison with others. Though, the operation techniques are standardized. One of the influencing factors is the resistance of the stapes that is a result of the stiffness of the annular stapedial ligament. The state-of-the-art to determine the mobility of the stapes during an operation is to move its footplate with a dissection needle. Unfortunately, with this method the surgeon can only decide between the two states mobile and fixed. In 2001 Zahnert et al. introduced an electromagnetic probe for an intraoperative measurement of the stapes mobility. The probe they introduced was a very high resonant system, working at a resonance frequency of 2400 Hz. Though, the input impedance of the cochlea is mainly influenced by the stiffness of the annular ligament at lower frequencies. Therefore, a method for measuring the transfer function with a broader bandwidth can provide better information form that the surgeon can decide about the procedure during an operation. Pseudo random signal processing is a state-of-the-art technique and is used in many applications like satellite navigation and encryption coding technologies. In the field of acoustics pseudo random signals are used for example for the measurement of pulse response in rooms. Correlation analysis is the key algorithm for these measurements. With the help of modern digital signal processors (DSP) today it is possible to integrate the algorithms into a handheld device and provide a tool that can be used during an operation. By using MEMS-Elements as sensors and actors the probe can have a small design and still gives a result over a larger frequency range. The middle ear is a very small and fragile construct, including the smallest bones of the human body. The forces for excitation of the stapes must be very small (< 5mN) to not do any damage. Because of that, the measuring system should be very robust against disturbing signals that may come from head movement of the patient, the hand movement of the surgeon or outside sound sources.

Abstrakt in Deutsch

”Das Gehör erlaubt es akustische Reize aus der Umgebung wahrzunehmen und zu verarbeiten. Wichtig für die soziale menschliche Interaktion ist dabei vor allem die Sprache.“ [Wullstein 1968] Bei operativen Eingriffen zur Verbesserung des Gehörs durch Einsetzen von Gehörknöchelprothesen im Mittelohr ist der Erfolg der Operation von Patient zu Patient trotz standardisierter Operationsmethoden sehr unterschiedlich. Dies liegt unter anderem an der sehr subjektiven Bestimmung der Beweglichkeit des Steigbügels (lat. stapes) während der Operation. Diese Bestimmung wird vom Operateur mit eine Präpariernadel durchgeführt und unterscheidet bisher nur in ” fest“ oder ” beweglich“. Dabei bietet die heutige Messtechnik einige Möglichkeiten um die Beweglichkeit objektiv und differenziert für verschiedene Frequenzen anzugeben. In dieser Arbeit soll deshalb ein Konzept für die Signalverarbeitung vorgestellt werden, mit dem es möglich ist breitbandig über den gesamten Hörbereich den Frequenzgang zu bestimmen. Die Grundlage dafür bildet die Korrelationsmesstechnik auf Basis der Pseudo-Random-Signalverarbeitung. Diese ist bekannt und wird oft eingesetzt um die Übertragungsfunktionen verschiedenster linearer zeitinvarianter Systeme (eng.: linear time invariant; LTI-Systeme) zu bestimmen. Um diese Technik einsetzen zu können, muss zuerst ein geeignetes Modell des Schwingungssystem Stapes-Ringband im ovalen Fenster der Hörschnecke erstellt werden. In der Literatur gibt es dazu bereits einige Untersuchungen zu den Parametern und verschiedene mehr oder weniger genaue Modelle für verschiedene Anwendungen. Darüber soll untersucht werden, inwieweit sich eventuell auftretende Störungen auf die Algorithmen der Korrelationsmesstechnik auswirken. Dazu gehört auch, den Einfluss des Operateurs zu untersuchen, welcher die Sonde einsetzt. Beispielsweise kann die Kraft, mit der die Sonde auf die Fußplatte des Stapes gedrückt wird, den Ausgang der Messung verändern, je nachdem wie weit diese aus ihrem natürlichen Arbeitspunkt herausgedrückt wird. Auch kann nicht gewährleistet werden, dass die Sondennadel immer exakt mittig aufgesetzt wird. Im nächsten Schritt soll dann ein mittels eines digitalen Signalprozessors (DSP) ein Messsystem aufgebaut werden, mit dem die Algorithmen zur Frequenzgangbestimmung evaluiert werden können. Dabei ist auf den Operationsprozess Rücksicht zu nehmen. Wenn die Messung während einer Operation durchgeführt werden soll, um anhand der Ergebnisse den weiteren Operationsverlauf festzulegen, muss die Auswertung und Ausgabe der Messwerte recht schnell gehen. Dafür müssen die Algorithmen möglichst ressourcenschonend implementiert sein, jedoch trotzdem die notwendige Genauigkeit der Ergebnisse liefern. Als DSP wird ARM Cortex M4 verwendet und der Aufbau als Labormuster realisiert. Am Ende steht eine Empfehlung, wie die Signalverarbeitung für eine Messsonde zur intraoperativen Stapesmobilitätsmessung umgesetzt werden kann.