Laserbasierte nichtlineare optoakustische Tonerzeugung

Abstract

Hörgeräte ermöglichen es Menschen mit Schwerhörigkeit, weiterhin am Alltag und am sozialen Leben teilzunehmen. Am häufigsten tritt Altersschwerhörigkeit besonders im Bereich hoher Frequenzen auf. Je nach Art des Hörverlusts eignen sich z. B. akustische Hörgeräte oder, wenn diese nicht ausreichen, Mittelohr- oder Cochlea-Implantate. Mit einem Mittelohr-Implantat werden je nach Typus mechanische Schwingungen im Mittelohr aktiv erzeugt oder passiv über-tragen. Dabei erreichen die Implantate bei tiefen Töne häufig geringere Lautstärken als für hö-here Frequenzen. Wenn diese Lautstärken aufgrund stärkeren Hörverlusts nicht ausreichen, wird ein Cochlea-Implantat eingesetzt, wobei jedoch etwaige noch intakte Haarzellen im Innenohr zerstört werden. Zudem ist das dadurch erreichbare Hörvermögen insbesondere hinsichtlich der Anzahl und Auflösung der Frequenzen limitiert. Als Alternative zur Stimulation bei noch intak-ten Haarzellen mit einer höheren Lautstärke insbesondere bei tiefen Frequenzen wird in dieser Arbeit eine Stimulationsmethode entwickelt, die mittels Laserpulsen Töne erzeugt und im Mit-tel- oder Innenohr als Grundprinzip für ein Hörimplantat anwendbar ist. Ein gepulster Nahinfrarot-Laser mit einer Pulsdauer von 0,7 ns wurde in Wasser sowie in ein viskoses Gel fokussiert. Dadurch wurden Töne über den optoakustischen Effekt erzeugt. Dazu wurden ein Freistrahl-Aufbau mit einem Mikroskop-Objektiv sowie ein faserbasierter Aufbau konstruiert. Die erzeugten Drucktransienten wurden im Modellaufbau mittels eines Hydrofons zur Untersuchung der akustischen Frequenzanteile sowie mit einem Nadelhydrofon für eine detaillierte Zeitauflösung der Kavitationsdynamik gemessen. Die Effekte der Viskosität und der Geometrie auf den Druckverlauf und die zugrundeliegende Kavitationsdynamik wurden sowohl experimentell als auch mittels einer Simulation basierend auf der Toolbox OpenFOAM mit der Finite-Volumen-Methode untersucht. Zudem wurden Validierungsexperimente der Tonerzeugungsmethode in menschlichen Felsenbeinpräparaten mit einer Stimulation des runden Fensters mittels der Laserfaser und einer davor platzierten Gelportion durchgeführt. Der Druck wurde mittels zweier faseroptischer Drucksensoren in der Scala tympani und vestibuli gemessen und daraus die intracochleäre Druckdifferenz berechnet, die dem Höreindruck entspricht. Bei einer ausreichend hohen Energiedichte im Laserfokus wurden ein optischer Durchbruch und eine Druckwelle erzeugt, die einem akustischen Knall entspricht. Mit einer hohen Pulsrepetiti-onsrate wurden Töne erzeugt, wobei die akustischen Frequenzspektren jeweils die Grundfre-quenz und Vielfache davon enthielten. Bei einem Laserfokus in Wasser waren jedoch aus-schließlich hohe Töne ab ca. 8 kHz generierbar, da sonst hochfrequente Obertöne lauter als die Grundfrequenz waren. Deshalb wurde der Laserfokus stattdessen in einem viskosen Gel plat-ziert, das die Erzeugung von mittleren Frequenzen ab ca. 500 Hz ermöglichte. Für die tiefsten vom Menschen hörbaren Frequenzen wurden zusätzlich zwei verschiedene Pulsdichtemodulati-onsmethoden eingesetzt, sodass sich die Pulsdichte zeitlich periodisch ändert. Mittels der integ-ralen Pulsmodulation wurden verzerrungsarme Töne im tieffrequenten Bereich zwischen 20 Hz und ca. 900 Hz erzeugt. Die Experimente zeigten, dass höhere Viskosität zu einer Verkürzung des Zeitabstands zwischen Expansion und erstem Kollaps der Kavitation führte, was der Simu-lation zufolge auf eine Verringerung des maximalen Kavitationsradius zurückzuführen ist. Bei einer der Kavitation nahegelegenen festen Wand wurden eine Verformung der Kavitation sowie zusätzliche Druckschwingungen beobachtet; ähnliche Ergebnisse lieferte die Betrachtung einer zylindrischen Geometrie als Modell der ausgerollten Cochlea. Die Validierung in menschlichen Felsenbein-Präparaten ergab eine erfolgreiche Tonerzeugung, die größtenteils mit den Ergebnis-sen des Modellaufbaus vergleichbar war. Die erzeugten Lautstärken von ca. 99 dB wären aus-reichend für die Stimulation in einem künftigen Hörimplantat. Zur verzerrungsfreien Tonerzeu-gung aller relevanten Frequenzen wäre ein schnellerer Laser erforderlich, mit einer maximalen Laserrepetitionsrate von ca. 200 kHz, gemäß theoretischer Frequenzspektren. Zudem sind die Verkleinerung des Lasers, der Elektronik und eine Wärmeableitung erforderlich, um die hier entwickelte laserbasierte optoakustische Tonerzeugungsmethode in ein Hörimplantat zu über-führen.