Optische Stimulation des Innenohrs
In den Industrienationen leiden ca. 10 – 12 % der Bevölkerung unter einer behandlungsbedürftiger Schwerhörigkeit, die große Mehrheit davon weist eine Innenohrschwerhörigkeit auf. Ursächlich ist eine Schädigung der äußeren, bei höhergradigem Hörverlust auch der inneren Haarzellen. Mit konventionellen Hörgeräten und implantierbaren Hörgeräten mit Ankopplung an die Gehörknöchelchenkette oder die Perilymphe gelingt es nur unvollständig diese funktionellen Ausfälle zu kompensieren.
Das Ziel unser Grundlagenuntersuchungen ist der Funktionsersatz äußerer Haarzellen durch eine räumlich- und damit frequenzselektive optische Anregung des Innenohrs (Cochlea). Der Transport des Laserlichts erfolgt prinzipiell über eine Glasfaser ins Innenohr, wobei die Frequenzabhängigkeit dieses Verfahrens durch mehrere Glasfasern, endend an verschiedenen Orten in der Cochlea entsteht. Dabei werden durch einen Fasermultiplexer nacheinander oder durch mehrere Laser zeitgleich verschiedene Positionen in der Scala tympani aktiviert. Vergleichbar mit der elektrischen Stimulation des Hörnervs soll nicht nur die Anzahl der Kanäle erhöht sondern auch der optoakustische Stimulationsmodus selbst untersucht werden. Damit werden nicht nur die Frequenzselektivität (das Ortsprinzip) sondern auch die Intensitätswahrnehmung und die Zeitauflösung der Cochlea physiologisch nachgebildet.
- Schematische Darstellung der Cochlea [Quelle: scienceblogs.com/startswithabang/2010/05/dont_you_hear_that.php]
Wir untersuchen die Abhängigkeit der Laserparameter wie z.B. die Wellenlänge und die Pulsdauer auf die Stimulation der Cochlea, um den optoakustischen Wirkmechanismus zu manipulieren und zu verstehen. Dazu sollen geeignete Anregungsparameter ermittelt sowie fasergestützte Applikatoren für ein- und mehrkanalige Stimulation entwickelt werden. Als Nachweis der Stimulation wird das Gesamtsummenpotential (compound action potential) oder die Gehörreaktion des Gehirnstamms (auditory brainstem response) an einem Mehrschweinchen gemessen. Erste erfolgreiche Ergebnisse wurden bereits veröffentlicht, wobei die Amplitude der neuronalen Antworten mittels Pulsenergie moduliert werden konnte[1]. Desweiteren konnte die Schwingung der Basilarmembran durch die Laserbestrahlung mit einem Laser-Dopplervibrometer gemessen werden[2]. Zum Variieren der Wellenlänge wird ein optisch parametrischer Oszillator (OPO) verwendet, der es ermöglicht im Bereich von 420-2300 nm Nanosekundenpulse zu emittieren. Bei der Variation der Pulsdauer werden die optischen Prozesse im sog. „stress-“ bzw. „thermal confinement“ weitergehend untersucht und hinsichtlich Effizienz (Umwandlung optische Energie in akustische bzw. mechanische Bewegung) optimiert.
- Angeschrägte Faser mit einem Durchmesser von 50µm.
Als vorbereitende Arbeitsschritte für die Fertigung eines Faserapplikators wurden grundlegende Untersuchungen, wie zum Beispiel das Anschrägen einer Glasfaser (siehe Foto) zum seitlichen Lichtaustritt aus der Glasfaser durchgeführt. Bei einem Faserdurchmesser von 50 µm kann eine Strukturierung nicht mechanisch durch polieren erfolgen, sondern z.B. durch einen Fluor-Laser, der bei einer Wellenlänge von 157 nm arbeitet. Um diese Glasfaserbündel einzusetzen, werden Sie durch eine funktionale Siliconschicht (Polydimethylsiloxan) umgeben. Erste Untersuchungen an 100 µm dünnen Polydimethylsiloxanschichten zeigten, dass an eingelagerten Dexamethasonpartikeln zur Entzündungshemmung Streuung auftritt.
Veröffentlichungen:
[1] G.I. Wenzel, S. Balster, K. Zhang, H.H. Lim, U. Reich, O. Massow, H. Lubatschowski, W. Ertmer, T. Lenarz, G. Reuter; “Green laser light activates the inner ear,” J. Biomed. Opt. 14(4):044007 (2009)
[2] K.Y. Zhang, G.I. Wenzel, S. Balster, H.H. Lim, H. Lubatschowski, T. Lenarz, W. Ertmer, and G. Reuter, "Optoacoustic induced vibrations within the inner ear," Opt. Express 17, 23037-23043 (2009)
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