Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. med. (habil.) Hartmut Witte

Verschiedene Studien konnten einen großen und frequenzspezifischen Einfluss anatomischer Strukturen des Kopfes und des Rumpfes auf die Schallübertragung zum Trommelfell nachweisen. Gerade der menschliche Gehörgang und dessen große geometrische Varianz, sowohl im Querschnitt als auch bei der Ausprägung der in der Literatur beschriebenen zwei Knicke im Gehörgangverlauf, beeinflussen den am Trommelfell auftreffenden Schalldruckpegel stark. Zur Beurteilung des Schalldruckpegels am Trommelfell in Abhängigkeit von der Gehörganggeometrie dienten eigene experimentelle Untersuchungen und Finite-Elemente-Simulationen, welche mit dem Simulationsprogramm COMSOL® Multiphysics durchgeführt wurden. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein Versuchsstand entworfen, welcher die Messung des Schalldrucks in der Trommelfellebene des jeweiligen individualisierten künstlichen Gehörgangs erlaubt. Die Versuchsobjekte wurden mit einem 3D-Druck-Verfahren gefertigt (Ultimaker 2, Ultimaker B.V). Die Schallerzeugung erfolgte orthogonal zur Ebene der Pinna über einen Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz. Der Schalldruckpegel in der Trommelfellebene zeigt eine deutliche Abhängigkeit von der jeweiligen Gehörganggeometrie. Anhand der durch unterschiedliche Geometrien hervorgerufenen räumlichen Maxima und Minima des frequenzabhängigen Schalldruckpegels sowie der Verschiebung dieser Extrema können Aussagen über die objektive äußere Lärmbelastung, hervorgerufen durch individuelle Eigenschaften der Signaltransmission, getroffen werden. Es erscheint dadurch möglich, anhand der Gehörganggeometrie zu Abschätzungen zur Vulnerabilität des Gehörs für verschiedene Frequenzen beizutragen. Diese Erkenntnisse sollten im Rahmen des Arbeitsschutzes - speziell der Lärmprävention genutzt werden.

One of the most challenging adaptations within the therians has been to ensure dynamic stability of the trunk during rapid locomotion in highly structured environments. A reorganization of limb mechanics and development of new sensors has taken place within their stem lineage. Rats, which have a similar lifestyle to the first therians, possess sinus hairs specialized for tactile sensing. It is supposed that carpal sinus hairs have a role in sensing substrate properties and can thus induce adjustments in limb kinematics and body posture according to the different surface diameters and structures detected. This implies a shared sensorimotor control loop of sinus hairs and body posture. To investigate the role of the carpal sinus hairs during locomotion and to explore a possible interaction between limb and spine motion, spatiotemporal and kinematic parameters as well as the contact mechanics of the hairs with regard to the surface were quantified. Locomotion on a treadmill with continuous and discontinuous substrates was compared in the presence/absence of the carpal sinus hairs across a speed range from 0.2 m/s to 0.6 m/s. Recordings were taken synchronously using x-ray fluoroscopy and normal-light high-speed cameras. Our investigation revealed that the three tactile hairs made a triangle-like contact with the ground approximately 30 ms before touchdown of the forelimb. Within that time, it is likely that both the body posture and its oscillation are adjusted according to the different surface textures. The sensory input of the carpal sinus hairs induces a stabilization of the trajectory of the center of mass and, therefore, improves the dynamic stability of the trunk; conversely, the absence of the sensors results in a more crouched frontal body posture, similar to that seen in rats when they are moving in an unknown terrain. The carpal sinus hairs also sense the animal's speed during surface contact. This implicates an adjustment of the limb and spine kinematics, by increasing the speed-dependent effect or by increasing the distance between the trunk and the ground when the rat is walking faster.