Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Mikrosystemtechnik der Technischen Universität Hamburg-Harburg in Zusammenarbeit mit dem Bundeswehrkrankenhaus Hamburg.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. habil. Jörg Müller für die langjährige Betreuung, bei der er mich stets mit einem offen Ohr empfing und durch angeregten fachlichen Austausch bei der Entscheidungs- und Lösungsfindung unterstützte. Ebenso möchte ich Herrn Prof. Dr.-Ing. R.-R. Grigat für die Übernahme des Koreferats dieser Arbeit danken, dessen nachträgliche Anregungen diese Veröffentlichung gut getan haben.
Für die Möglichkeit, das Messsystem jederzeit im klinischen Umfeld und mit tatkräftigem ärztlichen Beistand testen zu können, möchte ich mich ganz herzlich bei Herrn Dr. Thorsten Zehlicke der HNO-Abteilung des Bundeswehrkrankenhauses Hamburg bedanken. Auch möchte ich meinen Studenten und meiner studentischen Hilfskraft Herrn Chandramouli Nyshadham meinen Dank ausdrücken, die durch ihre Arbeiten und unermüdliche Unterstützung wichtige Zuarbeit geleistet haben.
Weiterhin möchte ich Herrn Dr.-Ing. Gerd Huber danken, der mir bereits während meines Studiums bei diversen Gelegenheiten die ersten Schritte des wissenschaftlichen Arbeitens vermittelte und die mir bis heute hilfreich sind. Des weiteren gilt mein Dank Herrn Dr.-Ing. Robert Wendlandt für die fruchtbare Betreuung meiner Diplomarbeit als thematischer Wegbereiter dieser Arbeit.
Außerdem danke ich meinen Bürokollegen Frau Dipl.-Ing. Kristina Kaiser, Frau Dr.-Ing. Julia Amthor, Herrn Dipl.-Ing. Ibrahim Dag und Herrn Dr.-Ing. Sinan Ünlübayir für die vielen interessanten fachlichen als auch nicht-fachlichen Gesprächen und das freundschaftliche Miteinander. Ebenso gilt mein Dank den vielen Kollegen des Institut für Mikrosystemtechnik für Ihrer Hilfsbereitschaft und die kollegiale Arbeitsatmosphäre. Insbesondere danke ich Herrn Andrè Born für die Unterstützung bei meinen mechanischen Aufbauten und Basteleien aller Art.
Ganz besonders möchte ich mich bei meiner Freundin Lilya Tafat und bei meinen Eltern bedanken, deren moralische und fürsorgliche Unterstützung mir stets sehr viel bedeutet hat.
Abschließend sei meine Tante, Frau Dr. Marianne Stamer, erwähnt, die sich mit ihren fast 80 Jahren unbeeindruckt auf den mehrstündigen Weg mit Bus und Bahn zu meiner Disputation gemacht hat.
Die eustachische Röhre (Tuba auditiva Eustachii), auch als Ohrtrompete oder Tube bezeichnet, ist eine Verbindung zwischen Nasen-Rachen-Raum und Paukenhöhle des Mittelohrs. Sie kann sowohl passiv durch äußere Druckveränderungen als auch aktiv durch kontrahieren anliegender Muskulatur geöffnet und geschlossen werden und erfüllt darüber Funktionen, die für die Gesundheit des Mittelohrs und damit das Hören von grundlegender Bedeutung sind. [53, 34] In einer Untersuchung der britischen Bevölkerung wurde die Häufigkeit einer chronisch pathologischen Tubenfunktion bei Erwachsenen mit etwa 1 % beziffert [4]. Die Folgen einer gestörten Tubenfunktion sind vielfältig und reichen zumeist von einem mangelhaften Druckausgleich des Mittelohrs mit anschließender Hörminderung über die unzureichende Drainage des Mittelohrsekrets bis hin zu einer erleichterten Aszension von Krankheitserregern vom Rachen in das Mittelohr. Überdies gilt eine fehlerhafte Tubenfunktion mitunter als ein kritischer Risikofaktor bei der Entstehung von entzündlichen Mittelohrerkrankungen. [51, 54] Des Weiteren kann der Schutz des Mittelohres und des Trommelfells gegenüber plötzlich auftretenden Druckdifferenzen eingeschränkt sein, was besonders für Berufstaucher und -piloten ein Problem darstellt.
Eine umfassende Beurteilung der Tubenfunktion ist daher sowohl von diagnostischer als auch therapeutischer Bedeutung. Neben der Beurteilung der Tubenfunktion in Bezug auf ihre Beteiligung an entzündlichen Mittelohrerkrankungen ist sie entscheidend für die Wahl und Planung therapeutischer Maßnahmen und operativer Eingriffe am Mittelohr oder Trommelfell. [34] Zudem wird eine gründliche Evaluation dieser sowohl als Teil der medizinischen Auswahlkriterien als auch für die Beurteilung der Einsatztauglichkeit von Berufstauchern und -piloten benötigt [62]. Insbesondere hier ist die Kenntnis der Tubenfunktion über einen aussagekräftigen Zeitraum und bei wechselnden Druckveränderungen von Bedeutung.
Auf Grund der schwer zugänglichen anatomischen Lage und der Komplexität ihrer Funktion existiert gegenwärtig kein Verfahren, welches die Tubenfunktion in erforderlichem Maße darzustellen vermag [35]. Dabei ist besonders von Nachteil, dass sich viele Verfahren auf eine Momentanaufnahme der Tubenfunktion beschränken und mit stationären Aufbauten arbeiten, die keine mobilen Messungen zulassen. Abhilfe könnte diesbezüglich ein zeitlich auflösendes, mobiles Messverfahrens schaffen. Neben der Untersuchung der bisher nur unzureichend erforschten physiologisch-periodischen Alltagsfunktion der Tube könnte ein solches zudem die Entwicklung eines Screeningverfahrens der Tubenfunktion entscheidend vorantreiben.
Eine direkte Messung der Tubenfunktion ist durch die schwer zugängliche anatomische Lage der eustachischen Röhre stark erschwert. Daher ist vielen Messverfahren die Erfassung einer indirekten Messgröße gemein. Eine Möglichkeit der indirekten Tubenfunktionsmessung liegt in der Betrachtung der druckabhängigen Veränderungen der Trommelfelleigenschaften [34]. In dieser Arbeit soll die Trommelfelldeformation in Folge von Druckveränderungen im Mittelohr als Messgröße dienen. Voraussetzung dafür ist ein frei zugänglicher Gehörgang und ein intaktes oder künstlich abgedichtetes Trommelfell.
Im Rahmen der Entwicklung eines mobilen telemedizinischen Diagnoseinstruments, soll in dieser Arbeit ein tragbares Tubenfunktionsmessgerät unter Verwendung eines optisch aktiven Triangulationsverfahrens entwickelt werden. Die Vorteile eines solchen Verfahrens sind insbesondere die berührungslose Messung und ihr hohes Potential für ein kleines Systemvolumen. Basierend auf der One-Shot-Musterprojektion eines projizierten Laserpunktegitters soll das Messverfahren sowohl eine rudimentäre Membrantopographie des Trommelfells liefern als auch ein Auslenkungsmaß bereitstellen, welches erlaubt die Tubenfunktion zu detektieren und quantitativ zu beurteilen. Hierzu soll ein Projektor entwickelt und für die räumlichen Gegebenheiten des Gehörgangs ausgelegt werden. Des Weiteren soll für die Bildaufnahme des Musters durch eine Digitalkamera ein Kameramodul unter Verwendungen eines Endoskops aufgebaut werden. Die Steuerung und Messdatenübertragung soll drahtlos mithilfe eines Embedded Computers erfolgen. Hinzu kommt die softwarebasierte Umsetzung aller notwendigen Bildverarbeitungsfunktionen, Kalibrierungen sowie die Charakterisierung des Messsystems hinsichtlich der Messgenauigkeit, räumlichen Auflösung und Robustheit.
Im folgenden Kapitel sollen sowohl die wesentlichen medizinischen Grundlagen als auch einige für das Verständnis dieser Arbeit relevanten technische Zusammenhänge erläutert werden. Dazu wird zunächst die Anatomie des Gehörganges und des Trommelfells behandelt, aus denen sich die räumlichen Anforderungen des Messsystems und die Dimensionierung des Projektionsmusters ableiten. Außerdem erfolgt ein Überblick über den Stand der Technik im Bereich der Tubenfunktionsmessverfahren und der optischen Triangulationsverfahren zur Oberfiächcncrfässung. Zum Abschluss werden einige Konzepte der digitalen Bildverarbeitung vorgestellt.
Die eustachische Röhre, auch als Ohrtrompete oder Tube (1) bezeichnet, bildet eine funktionierende Einheit mit dem Mittelohr und setzt als röhrenartige Verbindung die Paukenhöhle (2) in Richtung Rachenraum fort (Abb. 2.1). Sie ist bei Erwachsenen etwa 31-35 mm lang und von einer Schleimhaut mit pharynxwärts schlagendem Flimmerepithel bedeckt [49]. In Ruhe ist sie geschlossen. Das Öffnen und Schließen kann sowohl passiv durch äußere Druckveränderungen als auch aktiv durch Kontraktion anliegender Muskulatur beim Schlucken oder Gähnen erfolgen. Eine Tubenöffnung dauert etwa 400 ms und erfolgt bei Erwachsenen im Wachzustand etwa einmal pro Minute und während des Schlafens etwa alle 5 Minuten [49]. Die damit verbundenen physiologischen Funktionen sind für die Gesundheit des Mittelohrs und damit das Hören von grundlegender Bedeutung. So ist sie sowohl für den physiologisch-periodischen Druckausgleich des Mittelohres mit der Umgebung als auch dessen Schutz gegenüber plötzlich auftretenden Druckdifferenzen verantwortlich. Ersteres ist wichtig, da ein Unter- oder Überdruck im Mittelohr zu einer entsprechenden Wölbung des Trommelfells (3) in die Paukenhöhle oder den äußeren Gehörgang (4) führt. Die Folge ist eine Dämpfung der Schwingfähigkeit des Trommelfells, was zu einer reversiblen Hörminderung führt. Des Weiteren sorgt sie mit Hilfe des Flimmerepithels und der intermittierenden Kontraktion der Tubenmuskulatur für die Drainage des Mittelohrsekrets und verhindert die Aszension von Keimen vom Rachraum in das Mittelohr. [9, 30, 34, 49, 51, 53]
Der äußeren Gehörgang (4) ist Teil des Außenohres (Abb. 2.1). Er beginnt außenseitig am Übergang zur Ohrmuschel und endet mit dem Trommelfell (3), was gleichzeitig die Begrenzung zum Mittelohr darstellt. Der Gehörgang ist etwa 35 mm lang und hat einen Durchmesser von 7-8 mm. Er besitzt eine leichte S-förmige Krümmung und ist in zwei Abschnitte unterteilt. Der äußere knorpelige Teil besteht aus elastischem Knorpel und ist mit Haut überzogen, die sowohl vereinzelte Haare und Talgdrüsen als auch apokrine Drüsen zu Produktion von Ohrenschmalz (Zerum) enthält. Der innere, knöcherne Abschnitt ist etwa 10-15 mm lang und ebenfalls mit Epithel überzogen, was jedoch keine Hautanhangsgebilde besitzt. Sein Epithel geht direkt auf die Oberfläche des Trommelfells über. Beide Abschnitte sind durch den Isthmus tubae auditivae getrennt, welches gleichzeitig die engste Stelle des Gehörgangs darstellt. [9, 15, 53]
Das Trommelfell (Membrana tympani) ist eine rundliche Membran mit einem Durchmesser von etwa 10 mm, die das Außenohr vom Mittelohr trennt. Es stellt zum einen eine äußere Barriere für die sensiblen Mittelohrstrukturen dar und dient zum anderen der Übertragung von Schallwellen in Form von Schwingungen auf die Gehörknöchelchen (Ossicula auditus). Aus der Verbindung zum Hammerstiel ergibt sich eine trichterförmige Wölbung in das Mittelohr. An den Rändern ist das Trommelfell durch einen Faserknorpelring in eine Knochenfurche (Sulcus tympanicus) des äußeren Gehörgangs eingebunden und steht in einem Winkel von etwa 45° zur Gehörgangsachse. Das Trommelfell ist größtenteils aus drei Schichten aufgebaut: Einer äußeren Hautschicht aus verhorntem Plattenepithel, mittig einer tragenden Bindegewebsschicht aus Kollagenringen und -radiärfasern (Lamina propria) und innen aus Schleimhaut. Während der weitaus größere Teil des Trommelfells (Pars tensa) durch die Lamina propria gestrafft wird, existiert im oberen Bereich ein kleiner spannungsloser Teil (Pars flaccida), der keine Bindegewebsschicht besitzt. Die Hautschicht des Trommelfells ist sowohl innerviert und damit schmerzempfindlich, als auch mit feinen Blutgefäßen durchsetzt. Die Versorgung findet hauptsächlich über den Kutisstreifen statt, der vom oberen Gehörgang zum Hammergriff verläuft. Des weiteren wird das Trommelfell radiär von peripheren Gefäßen überzogen. [9, 15, 53]
Optisch betrachtet besitzt die Trommelfellmembran eine glänzende, leicht transparente Oberfläche und wird farblich als Perlmutt schimmernd bis rauchgrau beschrieben. In der Literatur wird häufig ein Lichtrefiex bei der Otoskopie erwähnt, der immer dort Auftritt, wo das Licht senkrecht auf die Membran trifft. [15]
Die Tubenfunktionsmessung dient der Überprüfung der aktiven und passiven Tubenöffnung. Sie ist sowohl von diagnostischer als auch therapeutischer Bedeutung. So gilt sie in einigen Studien als entscheidend für die Wahl und Planung therapeutischer Maßnahmen bei operativen Eingriffen am Mittelohr [34]. Zudem wird eine gründliche Evaluation dieser als Teil der medizinischen Auswahlkriterien und der Beurteilung der Einsatztauglichkeit von Berufstauchern und -piloten benötigt [62]. Insbesondere hier ist die Kenntnis der Tubenfunktion über einen Zeitraum und bei äußeren Druckveränderungen von Bedeutung. Gegenwärtig existiert noch kein Verfahren, mit dem sich die Tubenfunktion in vollem Umfang darstellen lässt [35]. Hinzu kommt, dass sich viele Verfahren nur auf eine Momentanaufnahme der Tubenfunktion beschränken oder mit stationären Aufbauten arbeiten und somit keine mobilen Langzeitmessungen zulassen. Auch wird die Darstellung der Dynamik der Tubenfunktion von den meisten Verfahren unberührt gelassen. Im Folgenden soll sowohl ein Überblick über die in der klinischen Praxis verwendeten Verfahren gegeben als auch ein neuer Ansatz vorgestellt werden, der eine mobile Langzeitmessung der Tubenfunktion möglich machen soll.
Die klinischen Verfahren zur Tubenfunktionsuntersuchung erlauben nur eine erste grobe Beurteilung der Tubenfunktion, so dass ihnen eher eine orientierende Rolle zukommt. Die bekanntesten Verfahren sind das Valsalva-Manöver und der Toynbee-Versuch. Beim Valsalva-Manöver presst der Patient unter verschlossener Nase und Mund Luft durch die Tube ins Mittelohr. Die resultierende Auslenkung des Trommelfells kann dabei gleichzeitig otomikroskopisch untersucht und beurteilt werden. Beim Toynbee-Versuch wird zunächst versucht, beim Schlucken mit geschlossener Nase, einen Unterdruck im Mittelohr zu erzeugen und durch erneutes Schlucken bei offener Nase, eine Tubenöffnung hervorzurufen. Auch hier kann der Versuch otomikroskopisch begleitet werden. [34, 49]
Manometrische Verfahren basieren auf der Erzeugung und anschließenden Messung von Druckveränderungen im Gehörgang und/oder im Nasen-Rachen-Raum. Je nach Verfahren kann damit die augenblickliche passive und/oder aktive Tuben-Öffnung am intakten und/oder defekten Trommelfell untersucht werden. [30, 34, 49] Die Tubenmanometrie (Tubensprengung) ist auf die Messung der passiven Tubenöffnung bei defektem Trommelfell beschränkt. Dabei wird versucht, durch kontinuierliche Druckerhöhung im Gehörgang, eine passive Tubenöffnung auszulösen. Das Beurteihmgskriterium ist hierbei der Druck, bei dem die Tubenöffnung erfolgt. In der klinischen Praxis werden Drücke bis zu 500 mmWS appliziert. Ein weiteres Verfahren ist der Aspirations-Deflations-Test zur Beurteilung der aktiven Tubenöffnung am intakten oder defekten Trommelfell. Dazu wird ein Unterdruck zwischen -200 und -300 mmWS im Gehörgang erzeugt, der durch Schlucken des Patienten auszugleichen versucht wird. Das Beurteilungskriterium ist hierbei die Druckdifferenz, bei der der Patient eine aktive Tubenöffnung herbeiführen kann. Um eine differenziertere Beurteilung der Tubenfunktion zu ermöglichen, werden manometrische Verfahren auch in Kombination verwendet. Der Inflations-Deflations-Test beispielsweise vereinigt die bereits erwähnte Tubensprengung und den Aspirations-Deflation-Test. Hierbei werden nacheinander zunächst die passive und danach die aktive Tubenöffnung untersucht. Die Normwerte entsprechen denen der oben genannten Einzelverfahren. Eine zusätzliche Erweiterung der bisher erwähnten Verfahren stellt der SSTV-Test (Sprengen, Schlucken, Toynbee, Valsava) dar. Er beginnt mit dem Inflations-Deflations-Test, wobei die Untersuchung der aktiven Tubenöffnung durch den Toynbee-Versuch und das Valsalva-Manöver erweitert wird. Aufgrund seiner leichten Durchführbarkeit und der Möglichkeiten, sowohl die passive als auch aktive Tubenöffnungsfähigkeit beurteilen zu können, stellt es in der klinischen Praxis eines der aussagekräftigsten Verfahren dar. [30, 34, 49]
Besonders vielseitig für die experimentelle Beurteilung der Tubenfunktion sind Druckkammerversuche. Sie erlauben neben der Simulation verschiedenster Drucksituationen im Mittelohr auch eine dynamische Betrachtung der Tubenfunktion bei sich stetig verändernden Außendrücken. Da hierbei zur Druckerzeugung weder der Gehörgang noch die Nase verschlossen werden müssen, können Druckkammerversuche mit anderen Tubenfunktionsmessverfahren kombiniert werden. So lässt sich die Tubenfunktion bei ändernden Druckverhältnissen beispielsweise durch fortlaufende Impedanzmessungen oder differenzialmanometrische Messungen überwachen. Aufgrund des hohen Aufwands sind Druckkammerversuche jedoch für den Routinebetrieb ungeeignet und eher der klinischen Forschung vorbehalten. [30, 34]
Endoskopische Untersuchungen dienen der Beurteilung der von außen sichtbaren Funktionsindikatoren der Tube. Neben den pharyngealen Tubenostien, den Tubeneingängen des Nasen-Rachen-Raums, kann auch die Tube selbst mit Hilfe von fiberoptischen Mikroendoskopen mit einem Durchmesser von ≤ 1mm begutachtet werden. Endoskopische Untersuchungen kommen insbesondere zur Abklärung von offenen Tuben oder der Ortung von Tubenstenosen zum Einsatz. [34]
Die Tympanometrie hat aufgrund ihrer Kosteneffizienz, der einfachen und schnellen Durchführbarkeit und der Möglichkeit begrenzt dynamische Drucksituationen untersuchen zu können, weite Verbreitung gefunden. Sie gehört damit zu den wichtigsten Routineverfahren der Tubenfunktionsmessung. Im Gegensatz zu den klinischen Verfahren handelt es sich bei der Tympanometrie um ein objektives Messverfahren basierend auf der akustischen Impedanzmessung des Trommelfells. Diese ist abhängig vom Mittelohrdruck, so dass ein intaktes Trommelfell vorausgesetzt wird. Für die Messung wird eine Messsonde in den Gehörgang eingeführt und dieser luftdicht abgeschlossen. Daraufhin wird ein definierter Prüfton ausgegeben und ein Druck von 300 daPa (1 daPa = 10 Pa) aufgebaut. Der Druck wird anschließend bei gleichzeitiger Aufzeichnung der akustischen Impedanz auf -300 daPa gesenkt. Diese erlaubt Aussagen über die Steifigkeit des Trommelfells und darüber indirekt über die Druckverhältnisse im Ohr und damit die Tubenfunktion. Die minimale Impedanz entspricht dabei der maximalen Compliance (normal ±50 daPa), wobei eine Verschiebung auf einen Über- oder Unterdruck hindeutet. Als Compliance wird in diesem Zusammenhang die Nachgiebigkeit des Trommelfells bezeichnet. Ein Abflachen der Compliancekurve deutet zudem auf eine Veränderung des Trommelfells durch Narbenbildung oder Raumforderung durch Paukenerguss hin. [34]
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