Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Susanne Bradel

Konstruktion eines innovativen

3D Modells der Schallleitungskette

des Mittelohres

für die Simulation

mittels Finite-Elemente-Methode

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-106239

title (engl.)

Construction of an innovative 3D model of the sound transmitting organ of the middle ear for finite-element-method simulation

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/bradels_ss15.pdf

abstract (deutsch)

Durch Entzündungen des Mittelohres oder Traumata kann es beim Menschen zur Zerstörung der Schallleitungskette des Mittelohres, bestehend aus Malleus (Hammer), Incus (Amboss) und Stapes (Steigbügel) kommen. Aber auch bei unseren Haustieren wie Hunden, Katzen oder Kaninchen kommt es durch sich meist aus dem äußeren Gehörgang ausbreitende Entzündungen zur Zerstörung dieser Strukturen und somit zu einer Schallleitungsschwerhörigkeit. Diese belastet nicht nur betroffene Menschen sondern auch die betroffenen Tiere, ebenso leiden deren Besitzer unter der Einschränkung des Hörsinnes ihres Hausgenossen. Durch das Einsetzen eines TORP‘s (total ossicular replacement prothesis) oder PORP‘s (partial ossicular replacement prosthesis) kann die Schallleitung über das Mittelohr wiederhergestellt werden, sodass ein Hören wieder möglich wird. Um allerdings eine physiologisch optimierte Mittelohrprothese zu entwickeln, ist ein detailliertes histoanatomisches Wissen über die Strukturen, die ersetzt werden sollen, vonnöten. Daher sollte mittels einer Pilotuntersuchung eine neue Methode der Probenbearbeitung zur Untersuchung von sehr kleinen anatomischen und histologischen Strukturen etabliert werden, die es durch Kombination mit einer dreidimensionalen Rekonstruktion erlaubt, den Schallleitungsapparat auf sein physiologisches Verhalten während des Hörvorganges mittels Finite-Elemente-Methode zu untersuchen.

Für diese Pilotuntersuchung wurde daher das komplette, in Epoxidharz eingebettete Felsenbein eines erwachsenen Menschen sowie das eines adulten Kaninchens mittels Feinschlifftechnik und µCT untersucht. Zusätzlich wurde noch eine µCT Untersuchung einzelner Gehörknöchelchen eines Menschen durchgeführt. Durch dreidimensionale Rekonstruktion über ein CAD-Programm wurde das humane Präparat zusätzlich rekonstruiert. Bei der Probenbearbeitung mittels Feinschliffverfahren betrug der Abtrag pro Schleifgang im Bereich der zu untersuchenden Gehörknöchelchen ca. 35 μm. Von jeder Probenoberfläche, die während des Schleif- und Poliervorgangs entstand und jeweils mit der modifizierten Färbemethode nach Mann-Dominici gefärbt wurde, wurden von dem humanen Präparat insgesamt 20.996 digitale, histologische Fotografien und von dem Präparat des Kaninchens 9.235 digitale Fotografien in verschiedenen Vergrößerungen erstellt, welche eine detaillierte histologische Analyse der zu untersuchenden Strukturen erlauben. Insgesamt wurden 151 Schleifdurchgänge zur Bearbeitung des humanen Präparates und 56 Schleifdurchgänge beim Kaninchenpräparat durchgeführt, um das komplette Felsenbein mit seinem darin befindlichen Cavum tympani durchzuschleifen. Nach einer histologischen Analyse der Weich- und Hartgewebe der sich innerhalb des Cavum tympani befindenden Strukturen wurde eine dreidimensionale Rekonstruktion der menschlichen Gehörknöchelchen inklusive des innerhalb des Knochens befindlichen Blutgefäßsystems und der Knorpelanteile erstellt. Zusätzlich wurden auch die Gelenkflächen des Hammer-Amboss und Amboss-Steigbügel Gelenkes dreidimensional rekonstruiert. Außerdem wurden noch 3D Modelle der beiden Binnenmuskeln der Paukenhöhle, M. tensor tympani und M. stapedius, sowie der Ligamente, die die Gehörknöchelchen im luftgefüllten Raum des Cavum tympani befestigen, rekonstruiert.

Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die Feinschliffmethode eine hervorragende Methode darstellt, um besonders kleine und detailreiche Strukturen zu untersuchen und diese mittels computergestützter Rekonstruktion dreidimensional darzustellen. Dabei können sowohl kalzifizierte Strukturen wie Knochen als auch Weichgewebe wie Blutgefäße, Ligamente, Muskeln und Schleimhautfalten dreidimensional untersucht werden.

Die Simulation einer neu entwickelten Mittelohrprothese am Computer stellt die „state of the art“ Technologie des 21. Jahrhunderts dar. Dafür ist allerdings ein sich physiologisch verhaltendes, anatomisch korrektes Simulationsmodell des gesunden Schallleitungsapparates des Mittelohres vonnöten. Aus den histologischen Schliffbildern konnten viele Informationen zur Verbesserung eines Simulationsmodells der Gehörknöchelchenkette gewonnen werden. Um diese auf ihre Relevanz zu testen, wurde eine Finite-Elemente-Analyse mit verschiedenen Modellen durch Kombination von μCT Aufnahmen mit Rekonstruktionen aus den histologischen Schliffbildern erstellt. Als Ergebnis dieser Simulationen konnten sowohl ein Einfluss der Anordnung der Ligamente im Modell als auch der Einfluss der Beschaffenheit der Gelenke festgestellt werden. Allerdings fehlen noch spezifische Materialkennwerte für Simulationen. Das innerhalb des Knochens festgestellte Blutgefäß- und Knorpelsystem hatte hingegen keinerlei Einfluss auf das Schwingungsverhalten der Schallleitungskette.

Nach Abklärung, welche Faktoren einen Einfluss auf das Schwingungsverhalten einer solchen Simulation haben, lassen sich nun auch für die Kleintiermedizin Modelle erstellen, die zur Etablierung von Mittelohrprothesen bei Schallleitungsschwerhörigkeit beim Haustier beitragen können. Zusätzlich sollte hierbei der Einfluss der unterschiedlichen Ausbildungen der Gehörknöchelchen bei den verschiedenen Spezies auf ihr Schwingungsverhalten während der Schallleitung untersucht werden.

Durch verbesserte Simulationen der humanen Mittelohrstrukturen können Tierversuche in Zukunft vermieden werden, da Prothesen am Computer auf ihre Schallleitungsfähigkeit sowie die Belastung angrenzender Strukturen, wie zum Beispiel auf das Trommelfell, getestet werden können.

abstract (englisch)

Inflammation or traumata of the middle ear may lead to a destruction of the human sound conduction organ, i.e. the malleus, incus and stapes. But also our companion animals, like dogs, cats and rabbits can be affected with conduction deafness. In these species the common trigger is a spreading inflammation of the ear canal, which leads to the destruction of the sound conduction organ. Hearing loss does not only strain affected humans and animals, but also the owners of such animals suffer from the deafness of their companions.

By insertion of a TORP (total ossicular replacement prosthesis) or PORP (partial ossicular replacement prosthesis) the sound conduction in the middle ear can be reconstructed. To develop physiologically optimized middle ear prostheses, precise histoanatomical knowledge of the middle ear structures is necessary. Hence, with this pilot study a new method of sample preparation for a detailed examination of very small anatomical and histological structures has to be established. The innovative combination of this method with a three-dimensional (3D) reconstruction allows a simulation of the physiological sound conduction of the middle ear by using the finite-element-method.

For this pilot study the petrosal bones of an adult human as well as of an adult rabbit were embedded in epoxy resin and examined by micro computer tomography (μCT) and micro grinding. Both specimens were reconstructed in 3D by using the μCT data. In this process, the human specimen was also reconstructed by using the micro grinding images. In addition, one set of separated human ossicles were examined by μCT. The abrasion of every micro grinding run was 35 μm in the area of the ossicles. Every appearing sample surface was stained with the modified staining method according to Mann-Dominici. In total 20.996 histological images in different magnifications were generated of 151 grinding runs of the human specimen as well as 9.235 histological images of the 56 grinding runs of the rabbit specimen. These images allowed a detailed histological analysis of both specimens.

After an examination of the hard and soft tissues inside the tympanic cavity, the auditory ossicles, including the inner structures of the bones, like the blood vessel system and the cartilage areas, were reconstructed in 3D by using a computer aided designing (CAD) software. Additionally, the articulation surfaces of the incudo-malleolar and incudo-stapedial joints, the muscles of the tympanic cavity, and the ligaments of the ossicles were reconstructed.

In conclusion, the micro grinding method is an excellent device to examine very fine and detailed structures as well as for reconstruction of these by using CAD software. Also calcified structures like bones as well as soft tissue like blood vessels, ligaments, muscles and mucosal plications, can be examined and remodeled.

 

The simulation of newly developed middle ear prostheses with a computer system is the state of the art technology of the 21st century. Therefore a physiologically and anatomically correct simulation model of a healthy sound conduction organ is indispensable. A high amount of information to improve the simulation model can be drawn from these images of the histological micro grinding to test them for their relevancy through a finite-element analysis. The models for this testing were developed through a combination the μCT reconstruction with the reconstructions obtained from the micro grinding images. With the results of these simulations, the influence of the ligaments as well as the nature of the joints can be evaluated. However, the nature of the joints has to be tested in further examinations as to develop the exact material parameters for simulations. In contrast, the blood vessel system and cartilage areas inside the ossicles do not influence the vibration behavior of the ossicular chain and thus do not have to be included in further simulations.

By analyzing the factors which have an influence on the vibration behavior of the ossicular chain, simulation models for small animal medicine can also be developed. With these it will become possible to create middle ear prostheses for companion animals. Likewise, through a better simulation of the human middle ear structures animal experiments can be reduced. What is more, the influence of the prosthesis on adjacent structures and tissues, e.g. the influence of the prosthesis’ head on the tympanic membrane during sound transmission, can be simulated.

keywords

Gehörknöchelchen, Feinschliffverfahren, Cavum tympani, Auditory ossicles, micro grinding, tympanic cavity

kb

11.375