Zeitlich-diskrete Erfassung der Trommelfellauslenkung zur Tubenfunktionsmessung mittels optisch aktiver Triangulation

Von Mark Stamer

In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines tragbaren Tubenfunktionsmessgerätes zur zeitlich-diskreten Vermessung der Trommelfellauslenkung in Folge unterschiedlicher Mittelohrdrücke behandelt. Verwendet wird ein optisch aktives Triangulationsverfahren basierend auf der One-Shot-Musterprojektion eines äquidistanten 5 × 5 Laserpunktegitters. Neben der Entwicklung und Charakterisierung eines Prototypen konnte in einem in-vivo Versuch gezeigt werden, dass mit diesem eine Messung durch den Gehörgang hindurch am Trommelfell möglich ist.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Books on Demand
• Erscheinungsdatum: 14. Nov. 2014
• ISBN: 9783738663389

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Konstruktionszeichnungen

1. Einleitung

1.1. Thematischer Kontext

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.

1.2. Zielsetzung

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.

2. Grundlagen und Stand der Technik

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.

2.1. Anatomische und physiologische Grundlagen

2.1.1. Aufbau und Funktion der eustachischen Röhre

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]

Abbildung 2.1.: Bild eines gesunden Trommelfells. [22]

2.1.2. Äußerer Gehörgang und Trommelfell

Äußerer Gehörgang

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]

Trommelfell

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]

Abbildung 2.2.: Bild eines gesunden Trommelfells [64]

2.2. Methoden der Tubenfunktionsuntersuchung

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.

Klinische Verfahren

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