Dynamic measurement of the circular stapes ligamentum using electrostatic forces

Messungen am intakten Mittelohr sind wegen dessen Komplexität schwer zu interpretieren. Die deshalb naheliegende, alternative Untersuchung einzelner, isolierter Subsysteme bereitet Schwierigkeiten, weil die in der Technik üblichen Anregungsmethoden nicht für Massen von wenigen Milligramm ausgelegt sind. An der Hörschwelle wirken auf das Trommelfell winzige Kräfte von weniger als einem Nano-Newton. Solch kleine Kräfte lassen sich durch elektrostatische Anzeihung und Abstossung realisieren. Die elektrostatische Anregung zeichnet sich durch zwei besondere Vorteile aus. Erstens, sie erfolgt berührungsfrei und ergänzt daher in idealer Weise laservibrometrische Messungen, durch welche die Reaktionen des Systems ebenfalls berührungsfrei erfasst werden. Zweitens, die gleichzeitige Anwendung einer Gleich- und einer Wechselspannung erzeugt eine anregende Kraftkomponente die proportional zur Wechselspannung und vorteilhafterweise unabhängig von der anregenden Frequenz ist. Diese Methode eignet sich daher bestens für die Messung der Frequenzabhängigkeit von Übertragungsfunktionen. Als eine erste Anwendung wurde die Übertragungsfunktion im Bereich der Resonanz des isolierten, durch das Ringband im ovalen Fenster elastisch aufgehängten Stapes untersucht. Durch Anpassung der theoretischen Resonanzfunktion an die gemessenen Daten und Bestimmung der Stapesmasse durch Wiegen wurde die dynamische Steifigkeit des Ringbandes bestimmt. Die Werte streuen wie bei biologischen Systemen üblich in einem weiten Bereich. Der Mittelwert liegt bei 940 N/m, die Stanardabweichung bei 350 N/m.Experiments on a intact middle ear are hardly interpretable because of its complexity. Therefore it’s near to explore single, isolated subsystems. This proceeding itself is hard, because usual methods aren’t found to stimulate small masses of several milligramms. On the other side ossicular bones can be stimulated by minimal energies. The energy needed for moving the tympanic membrane at the hearing threshold is less then one Nano-Newton. Minimal energies as needed can be realized through the attracting and repelling electrostatic forces. Using electrostatic forces provides two major advantages. First, the transmission is free of any physical contact. This proceeding fullfills the same conditions as the Laser-Doppler-Vibrometry. The Measurements are free of any physical contact. Second, the simultaneous use of direct and alternating current generates a stimulating energy proportional to the alternating current. This energy is independent of the stimulating frequency used. This method suits specially for measuring the dependency of the transmission function to the stimulating frequency. As a first step the transmission function of the stapes was analysed in the range of resonance frequency. By fitting a calculated resonance function to the measured data and defining the mass of the stapedial bone the dynamic stiffness of the circular ligamentum was determined. The data spread as known of biological system in a wide range. The meridian is 940 N/m by a standard deviation of 350 N/m