t{. KIETZ: Trommeffell, Stapesfugplatte und Basilarmembran 361

C. Audiologische Vortr~ge 29. H. KIETZ-Bremen: D ie A m p l i t u d e n v e r h ~ l t n i s s e : T r o m m e l f e l l ,

StapesfuDplatte und Basilarmembran (Mit 3 Textabbildungen)

Uber das Mittelohr wird dec Schall in das Innenohr geleitet und dadureh die ]3asilarmembran in Sehwingungen versetzt. Jedem reinen Sinuston ist dabei bekanntlich eine ganz bestimmte Stelle auf der Basilarmembran zugeordnet, die bei Dauererregung mit maximaler Amplitude anspricht. In einer friiheren Arbeit yon mir a wurde die Ansieht vertreten, dab einseitig in dem Sehwingungsbaueh der einzelnen Schwin- gung auf der Basilarmembran genau das doppelte Volumen enthalten ist wie in dem ,:on der StapesfuBplatte in jeder einzelnen Sehwingung

erdr~ngten Volumen. Man wird in erster Ann/~herung annehmen diirfen, dag die Fugplat te als Ganzes wie ein Kolben bin und her sehwingt, so daI~ man das verdrangte Volumen als einen Zylinder auffassen daft, wo- bei fiir das am Stapes ~erdrangte Volumen die Beziehung gilt:

Vst = Grundfl/~ehe • HShe = FugplattenflKehe • Amplitude. Die Sehwingung, die sich auf der Basilarmembran ausbildet, wird

mehr einem Kegel als einem Zylinder/ihneln, wobei fiir das Volumen gilt: VBa = 1/3 Grundfl/~che X HShe = 1/a Kegelbasis • Amplitude. Werm sieh die Sehwingungsamplitude auf der Basilarmembran ver-

doppelt, so kann man die Amplitudensteigerung bei der Stapesfugplatte bereehnen. Ffir das Kegelvolumen gilt:

t V 1 = ~ - ~r R12. H i.

Wird nun H e = 2 H1, so gilt beim Kegel, da$ aueh 1~ 2 = 2 t~ 1 i s t ,

und damit wird

1 1 i V~ = - ~ ~ 1~22 �9 H 2 = ~ z 4 R12 �9 2 I t 1 = 8 �9 ~ - n R 1 2 . H 1 = 8 �9 V 1.

Bei Verdoppelung der Amplitude eines Kegels nimmt das Volumen den achtfaehen Wert an. Wenn entsprechend auch bei der StapesfulL platte der verdr~Lngte Zylinder den aehtfaehen Wert annehmen sell, so mug die Amplitude auf den aehtfachen Wert steigen. Nimmt man also bei der Basilarmembran eine Kegefform der Ausbuehtung und bei der StapesfuBplatte die zylindrisehe Form in der Verdr~ngung der Flfissig- keit an, so nimmt die Amplitude auf der Basilarmembran viel langsamer zu als die Amplitude an der Stapesfugplatte. Man kennt abet weder die Schwingungsform der Basilarmembran noeh die der Stapesful~platte. Die obige Bereehnung kann nut als tIinweis dafiir gelten, dab man keines- wegs mi t einem einfaehen linearen Zusammenhang zwisehen den Am- plituden an der StapesfuBplatte und den Amplituden an der Basilar- membran reehnen darf.

Arch. Ohr.-, Nas.-, u. Kehlk.-tteilk., Bd. 175 (Kongrel3bericht 1959) 2~

362 I-I. KIETZ:

I)ie StapesfuBplatte wird in ihrer Sehwingung yon dem Trommelfell gesteuert, und man ist allgemein der Ansieht, dab dabei eine deutliehe Kraftfibersetzung eintritt. I)iese Ubersetzung wird nur zu einem geringen Tell auf die Hebelwirkung Hammer - -Ambo2 zarfiekzuffihren sein. Es gibt in der Faehliteratur mehrfaoh den IIinweis (v. B ~ s Y ~', M~Y~R zu~ GOT~S~ERGE 4, WVLLST~r~6), dal] man die h6rverbessernde Wir- kung dieses Hebelsystems nur knapp auf 5 dB einseh/~tzt.

I)er gr6Bte Tell der Kraftfibersetzung zwisehen Trommelfe]l und StapesfuBplatte ist sieherlich dem Flaehenverhaltnis zwisehen der relativ groBen sehallauffangenden Flaehe des Trommelfells und der relativ kleinen Fl~ehe der StapesfuBplatte zuzusehreiben, wobei mit einer H6rverbesserung ~on ca. 20 dB gereehnet wird. In letzter Zeit mehren sieh die F/ille, we bei operati~en Eingriffen versueht wird, anstatt der bisherigen ,,Fensterung" (Anlegen eines neuen Fensters) das ovale Fenster selbst aueh naeh der Operation ffir den Sehalleintritt zum Innen- ohr beizubehalten.

Es sind bei Ausffihrung dieser Operation Uberlegungen 5 notwendig fiber die GrSBe der dann anstelle der vorherigen StapesfuBplatte ein- zusetzenden Ersatzplatte. Es sei konstante Schallanregung yon auBen angenommen (z. B. 1000 tIz 80 dB). Ver/~ndert man in einem Gedanken- experiment die Gr6Be der StapesfuBplatte, so k6rmen fiber die beiden extremen Gr6Ben (FuBplatte unendlieh und FuBplatte Null) Aussagen gemacht werden. Ist die FuBplatte unendlieh groB, so muB die Amplitude Null sein. Nimmt die GrSBe der FuBplatte ab, so muB die Amplitude all- mahlieh grSl]er werden. Natfirlieh kann sie nut bis zu einem gewissen maximalen Wert ansteigen, der dann erreieht wird, wenn die FuBplatte so klein bzw. so spitz geworden ist, dab praktiseh keine Flfissigkeit mehr verdr/~ngt wird.

In der Abbfldung I gibt die obere Kurve diese Beziehung an zwisehen der Gr6Be der StapesfuBplatte und der zugeh6rigen Gr6Be ihrer Ampli- tude. MaBgebend ffir die Sehallempfindung ist abet die Amplitude auf der Basilarmembran, und diese ist mit der Gr6Be des an der StapesfuB- platte verdr~ngten Volumens gekoppelt. Es muB daher das verdrangte Volumen und nieht die Amplitude an der StapesfuBplatte in Beziehung zur GrSBe der StapesfuBplatte gesetzt werden. I)iese Beziehung wird dureh die untere Kurve der Abbildung i dargestellt. Bei einer sehr kleinen und bei einer sehr groBen FuBplatte muB das verdr~tngte Volu- men zu l~ull werden, und bei irgendeinem bestimmten Weft in der GrSBe der FuBplatte gibt es ein Maximum. Man wird annehmen dfirfen, dab es die I~atur verstanden hat, diesen optimalen Wert zu erreiehen, so dab die normale Gr6Be der StapesfuBplatte aueh zugleieh die beste Gr6Be ist.

Bei tier Beurteilung einer geh6rverbessernden Operation wird die tt6rmessung in I)ezibel durehgefiihrt, wobei mit einer MeBungenauigkeit

Trommelfell, Stapesfugplatte und Basilarmembran 363

yon _+ 5 dB gereahnet warden mug. Es ist daher nicht anzunehmen, dab kleine Unterschiede in der GrSge der StapesfuBplatte yon deutlichem EinfluB sein werden, und man wird daher ohne nennenswerte t t6rver- schlechterung die Stapesfugplatte z. B. auf die tt/ilfte ihrer F1/iche ver- kleinern dfirfen. Diese Verkleinerung der F1/iche darf aber nicht zu weir getrieben werden, was bei der heutigen Operationskunst durchaus mSg- lich w/ire.

Bei einer zu kleinen FuBplatte t r i t t noch ein weiterer Fehler auf, der hier an einem Beispiel erM/irt sei. Will man mit einem Lautsprecher tiefe TSne abstrahlen, so mug man bekanntlich den Laut- spreeher in eine Schallwand einbauen, damit ein akusti- seher AusgMeh (akustiseher Kurzsehlug) um die Membran des Lautsprechers herum yon vorn nach hinten vermieden wird. ~hnlich liegt der Fall, wenn die StapesfuBplatta klein ist im Verh/iltnis znr Offnung des ov~len Fensters. Es kSnnen dann keine' Sehallwellen in die Fliissigkeit des Innenohrs ab- gestrahlt warden. Es ist zweek- m/iBig, die FuBplatte so grog zu w/ihlen, dab sie die 0ffnung ganz ausfii!lt, so dab eine Be- wegung entsteht wie ein Kolben

Amplita#e

5"f~'/]e &f S"mpesfu@/u//e

1

&p58e dep SlapesfuSplulle Abb. 1. Bei konstanter Erregung mit Luftsehall (z. B. 1000 Kz 80 dB) und unver~ndertem Trommelfell wh'd in einem GedankenexpeHment die GrSfle der StapesfuB- !olatte ver~nder~c. Die obere Xurve zeigt dabei den Zu- sammenhang mit der Amplitude der Fugp!atte und die untere Kurve mit dem Volumen, das bei ~eder einzelnen Schwingung maximal yon der Ful3platte verdr~ingt wird

in einem Zylinder. Die Natur hat in unserem Ohr diese Forderung weitge- hend erftillt, so weitgehend, dab sich der Nachteil ergibt, dab die StapesfuB- platte gar zu leicht in ihrem I~ahmen festklemmt. Man wird bei einem operativen Eingriff gut daran tun, lieber dutch eine geringe VerMeinerung der Ersatz-FuBplatte 3 dB ItSrverlust in Kauf zu nehmen, um daffir die Sicherheit zu haben, dab kein erneutes Festklemmen eintritt.

Wir haben in unserem Ohr ein or ales und Bin rundes Fenster, und die ovale Form der Stapesfugplatte wird sicherlich kein Zufall sein. Die Frage ist nur, ob es anatomisehe oder physikalisehe Griinde sind, die zu einer ovalen anstat t zur runden Form fiihrten. Es wurde schon mehrfaeh die Idee 1 ge/iugert, dab die StapesfuBplatte nicht wie ein Kolben auf und nieder sehwingt, sondern sieb bewegt wie eine Tiir, die sieh um ihre Tiir- angel dreht (Abb. 2). Danaeh miiBte (lie Fngplat te an dem einen Ende der 1/ingeren Achse relativ unbeweglieh sein, so dab dureh Kippbewe- gungen am Stapeskopf eine Drehbewegung der ganzen FuBplatte einsetzt.

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364 H. KIETZ :

In den sehematisehen Darstellungen des Mittelohrapparates ist oft der lange Sehenkel yon dem Ambog so gezeiehnet, als st~nde er in der Verl/tngerung der 1/~ngeren Achse der Stapesfugplatte, also in gleieher t~iehtung wie die Verbindungslinie der beiden Steigbiigelsehenkel. ])as ist aber nieht der Fall; er steht senkreeht dazu.

Die eben erw/~hnte Kippbewegung der Stapesfugplatte kann nur dann eintreten, wenn die Ful3platte an irgendeiner Stelle wirklieh wie ein Seharnier festgehalten wird. Es geniigt nieht, dag das eine Ende etwas weniger beweglieh zu sein seheint als das andere Ende. Die Sehall- amplituden an der Stapesfugplatte sind selbst bei grogen Sehallst~rken

kbb. 2. v. :Bs163 will mit diesem ]3ild die i~6glichkeit andeuten, dab sieh even- tuen die Stapesfugplatte dreht wie eine Ttir urn ihre Tfirangel. Dagegen spricht die relativ grol]e ,,Lose" in dem Drehpunkg

sieherlich kMner als 1/t 000 ram. Wenn daher die FuBplatte sich wie eine Tiir um ihre Tiirangel drehen soll, so muB der Drehpunkt auf. viel weniger als 1/1000 m m genau fixiert sein, und davon kann bei der StapesfuBplatte nieht die Rede sein. Man wird wohl mit einer kolbenartigen Bewegung der Stapesful~platte reehnen miissen. Die ovale Form hat sieh vielleieht ausgebil- det, weft der Steigbiigel eine besonders giinstige Form darstellt, um mit m6g- liehst kleiner Masse eine gut kolben- artige Bewegung zu erzielen.

Die Geh6rknSehelehenkette dient dazu, die SehMlsehwingung vom Trom-

meffell zum Stapes zu fibertragen. Die hSrverbessernde Wirkung dieses ~bertragungsgliedes wird auf ca. 5 dB eingeseh~tzt, und vielMcht ist sie sogar noch geringer. Damit ist man sieh Mar darfiber, dab die Amplitudenfibersetzung kleiner sein muB als t :2 , und vielleicht ist sie sogar n u r l : i. Die tIebelwirkung des Systems yon Hammer und Ambol3 wird in ihrer Auswirkung fiir das H6ren vernachl~ssigbar klein sein.

Bei einem operativen Eingriff im Mittelohr kommt es bei der neu- artigen Operationsmethode (ZANGEmEISTEZ 7) vor, dal3 bei zuriiekge- klapptem Trommelfell zeitweise die 0ffnung des ovalen Fensters frei dem Sehall ausgesetzt ist. Der AmboB und der Steigbiigel sind dabei vor- fibergehend verlagert und die Ful]platte selbst entfernt, so dab die Sehall- wellen direkt in dem ovalen Fenster auf die Flfissigkeit des Innenohres treffen. Se]bst nach akustischer Abschattung des runden Fensters durch einen feuehten Wattebauseh b.leibt dabei ein HSrverlust yon 20--30 dB. Die bessere tI6rf/ihigkeit beim normalen ttSren ist also - - und das ent- sprieht der allgemeinen Ansicht - - haupts/~chlich auf die sehallsammelnde Wirkung des Trommelfells zurtickzuffihren.

Trommelfell, S~apesful~platte und Basilarmembran 365

Die Flgehe des Trommelfells ist relativ groG, vergliehen mit der kleinen Flgehe der Stapesfugplatte. Die Sehallwellen treffen auf die groBe F1/~ehe des Trommelfells und wirken dadureh konzentriert auf die kleine F1/tche der StapesfuBplatte. Dabei t r i t t aber keine Ubersetzung der Amplitude vom Trommelfell zum Stapes ein, sondern eine Kraft- konzentration auf den Mittelpunkt des Trommelfells. Man liest zuweilen, dab eine relativ grote Amplitude yon kleiner Kraftwirkung am Trommel- fell auf eine kMne Amplitude mit grSBerer Kraftwirkung am Stapes fibersetzt wird. Die AmpHtuden am Stapes und am Trommelfell sind aber praktiseh gleich zu setzen, und die h6rverbes- sernde Wirkung des Mittel- ohres yon etwa 10 dB (ent- sprieht zehnfaeher Ampli- tudensteigerung infolge der Kraftkonzentration) ist keine Amplitudeniiberset- zung, sondern die Folge einer Kraftkonzentration. Steigbiigel und Trommelfell haben fast dieselbe Ampli- tude.

Welehen Zweck erfiillen nun Hammer und Ambog .~ Die Ubersetzung ist prak- tiseh t :1 , so dab man, wie es in der Abbildung 3 dar- gestellt ist, sieh aueh andere

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Paukenh~'hfe ~ Paut~e/Thb)~le

Abb. 3. Der ~[ i t te lohrappara t sorgt zwar ffir eine hohe Kra f t konzen t r a t i on yon dem re la t iv gro~en Trommelfe l l zur re la t iv kleinen Stapesfu~plat te , abe t nicht ffir eine Ampl i tu- denfibersetzung. Die Ampl i tude a m Mi t te lpunkt des Trom- melfells i s t gleich der Ampl i tude an der Stapesfut~platte. Dahe r s ind die drei oben gezeichneten ?~ber t ragungssys teme

akus t i sch gleichwer r ig

Arten der Schallfibertragungen denken kann, die akustisch gleich- wertig sein diirften. Die obere Figur in der Abbildung 2 ~hnelt dem tats~tchliehen System yon Hammer nnd Ambog, wobei die gelenkartige Verbindung zwisehen diesen beiden Teilen weggeiassen ist. Hammer und AmboB sind wie eine einzige zusammenh~ngende Masse gezeiehnet worden. Wenn auf dieses System Sehallwellen auftreffen, so mfissen Drehkrgfte auftreten, weft die Masse im Mittelpunkt des Trom- melfells sehr klein und die Masse am ~ande, vergliehen damit, sehr grog ist. Die kleine Masse im Mittelpunkt des Trommelfells wird eine viel grSBere Amplitude ausfiihren als die groge Masse am l~and, so dag eine Drehbe- wegung zustande kommt mit einem Drehpunkt, der etwa in der Mitre des gammerkopfes liegen whod. Das Trommelfell als Membran erfiillt dabei nur die Aufgabe, das Massensystem ira t~aume zu halten, ohne akustisch eine groBe t~olle zu spielen. Die Drehbewegung des Mittelpunktes am Trommel- fell wird im Verh~tltnis i : i auf den Kopf des Steigbfigels iibertragen.

366 H. KIETZ: Trommelfell, Stapesful~plat~e uncl Basilarmembran

In der Abbildung 3 ist in der Figur links unten eine Verbindung zwisehen Trommelfell und Stapes gezeiehnet, die zum sogenannten Columnella-Effekt fiihrt. Noeh einfaeher ist die Schalliibertragung in der Figur reehts unten. Diese drei Abarten der Sehalliibertragung veto Trommelfell zum Stapes dfirften akustiseh gleiehwertig sein. Warum hat nun die Natur nieht die einfaehste Form der Schalltibertragung, sondern die Obertragung mi t tIilfe der relativ komplizierten Hammer-AmboB- Verbindung gew~ihlt ? Akustiseh seheint damit kein groBer Vorteil ver- kniipft zu sein, und man wird annehmen miissen, dal~ dureh den kompli- zierten Aufbau des Mittelohres andere Funktionen erfiillt werden sollen. Wenn das Mittelohr beispielsweise eine Sehutzvorriehtung bei plStz- lieher Luftdrucksehwankungen darstellt, so ist es gef~hrlieh, bei Mittel- ohroperationen die einfaehe Sehalliibertragung mi t der direkten Ver- bindung des Trommelfells am Stapeskopf zu wghlen. Man wird darauf gefaBt sein mfissen, dab mi t dieser Ausfiihrungsart Naehteile verkn/ipft sind. Es ist z. B. denkbar, dab sieh sehr sehnell infolge einer Uberlastung die bekannte %-Senke einstellen wird. Da diese Frage dureh physi- kalisehe Untersuehungen nur sehwer zu kl&ren ist, wird man auf die Erfahrungen bei den Mittelohroperationen angewiesen sein.

Zusammen/assung

Das Mittelohr dient dazu, die Sehallschwingungen veto Trommelfell zum Innenohr zu iibertragen, so daft sich dort auf der Basilarmembran die dem erregenden Sehatl zugeordnete Sehwingung ausbfldet. Es wird diskutiert der Zusammenhang zwischen der Amplitude auf der Basilar- membran und der Amplitude der Stapesfu~platte einerseits und zwi- schen der FuBplattenamplitude und der Amplitude am Trommelfell andererseits. Ffir die Amplitude auf der Basilarmembran ist maggebend das in jeder einzelnen Schwingung der StapesfuBplatte maximal ver- drs Fliissigkeitsvolumen und nieht allein die Amplitude der Stapes- fugplatte. Die Amplitude der Stapesfugplatte ist fast ohne Ubersetzung mi t der Amplitude des Trommelfells gleichzusetzen. Es besteht nur eine geringe Amplitudenfibersetzung, dafiir aber eine hohe Kras t ion yon der relativ gro~en Fls des Trommelfells auf die relativ kleine FL~che der Stapesfugplatte.

Literatur 1 v. B~K~.su G.: Akust. Z. 1, 21 (1936). - - 2 v. B~E~sY, G.: Akust. Z. 6, t

(t94t). - - 3 KIETZ, I-L : Z. Larsmg. usw., 38 295 (1959). - - 4 MEYE~ zv~ GOTTES- BEIGE, A. : Z. Laryng. usw. 37, 355 (1958). - - 5 SCHUBERT, K. : Landarzt 33, 595 (1957). - - ~ WV~STEn~, K. : Z. Luryng. usw, 37, 368 (1958). - - ~ ZA~GE~EISTER, H. : Arch. Ohr- usw. Heilk. u. Z. 1-Ials- usw. tteilk. 173, 404 (1958).