Biophysik der Sinnesorgane: das Gehör. Medizinische Physik 1. Semester 2017

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1 Biophysik der Sinnesorgane: das Gehör. Medizinische Physik 1. Semester 2017 Tamás Marek 11. Oktober 2017

2 Gliederung Einleitung Reiz, Empfindung, Sinneswahrnehmung Der Schall Das Gehör Diskussion

3 Themen der letzten beiden Vorlesungen 1) Harmonische Schwingungen, die Schwebung und die Fourier Analyse. 2) Gedämpfte und erzwungene harmonische Schwingungen, die Resonanz. 3) Mechanisch Harmonische Wellen, Reflexion, Intensitätspegel und Intensitätsabnahme von Schallwellen. 4) Der Akustische Doppler Effekt, Messung der Fließgeschwindigkeit vom Blut.

4 Der Reiz Ein Reiz oder Stimulus ist eine physikalische oder chemische Größe der äußeren Umwelt, die durch Änderung ihrer Beträge auf die lebenden Systeme einwirkt. Im Sinne der Neurobiologie ist das demnach eine Einwirkung auf eine Sinneszelle, die eine überschwellige Veränderung des Membranpotentials bewirkt und so ein Aktionspotential auslöst. unterschwellig überschwellig Damjanovich Fidy- Szöllősi

5 Die Empfindung Die Empfindung ist ein - bei der Einwirkung eines Reizes auf ein Sinnesorgan - elementares Wahrnehmungserlebnis. Physikalische oder chemische Reize treffen auf die Sinnesrezeptorzellen des Sinnesorgans, werden von hier als Erregungen an den Großhirnrinde geleitet und bilden dort die entsprechenden Empfindungen: z.b. Mann nimmt einen Ton wahr.

6 Die Sinneswahrnehmung Wahrnehmung bezeichnet allgemein den Vorgang der Empfindung einer subjektiven Gesamtheit von Sinneseindrücken aus Reizen (Stimuli). Wahrnehmung ist also das unbewusste und/oder bewusste Filtrieren und Zusammenführen von Teil- Informationen zu subjektiv sinnvollen Gesamteindrücken. z.b. Die einzelnen Töne nimmt man als Musik wahr.

7 Die Sinneswahrnehmung Damjanovich Fidy- Szöllősi Schmerzschwelle Reizschwelle Modalitäten Hören Sehen Riechen Schmecken Fühlen Schmerz Untere Wahrnemungsgrenze

8 subjektiv objektiv Objektive, subjektive Messungen Objektive Messungen Messungen, die bei wiederholter Messung unter gleichen Anfangsbedingungen das gleiche (innerhalb der Fehlergrenzen) Ergebnis liefern. PET Aufnahme Subjektive Messungen Messungen, die nicht unabhängig von mentalen und anderen subjektiven Umständen der untersuchten Person durchgeführt werden können. Damjanovich Fidy- Szöllősi

9 Absolute und relative Reizschwelle Absolute Reizschwelle Ф 0 der Wahrnehmung. bezieht sich auf idealisierte Bedingung Sei Ф die Basis- oder Untergrund-intensität und Ф r die gerade noch zu unterscheidbare höhere Intensität. Dann ist die relative Reizschwelle oder Differenzempfindlichkeit: Ф = Ф r - Ф Das Weber Gesetz Die relative Reizschwelle Ф ist proportional zur Basisintensität: Ф = k Ф k = (Ф r Ф) / Ф

10 Das Stevens Gesetz Objektive Reiz Ф und subjektive Empfindung Ψ konst konst 0 n Damjanovich Fidy- Szöllősi Ф 0 = absolute Schwellenreiz Ф = Basis- oder Untergrundintensität n = Charakteristische Konstante der Wahrnehmung

11 Der Schall

12 Der Druck Wenn ein Körper in ein Fluid eintaucht, übt das Fluid eine Normalkraft F auf die Körperoberfläche A aus, die in jedem Punkt senkrecht zur Oberfläche ist. Diese Kraft, bezogen auf die Fläche nennt man den Druck P des Fluids. P = F / A [P] = N / m 2 = Pa = kg m /m 2 s 2 = kg / m s 2 Normbedingungen: Temperatur: T n = 273,15 K entsprechend 0 C und Druck: p n = Pa = 1,01325 bar (= 1 atm)

13 Der Schall Physikalisch gesehen wird Schall als eine mechanische Welle in einem Medium angesehen. Schall breitet sich mit einer für das jeweilige Medium, seine Temperatur und den herrschenden Druck charakteristischer Geschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit aus. Dabei wird Schallenergie transportiert. In ruhenden Gasen und Flüssigkeiten wird Schall immer mit einer Longitudinalwelle beschrieben. λ = c / f c = Schallgeschwindigkeit f = Frequenz

14 Gasdynamik -> Akustik Die Akustik ist die Lehre vom Schall und seiner Ausbreitung. Als Wissenschaftsgebiet umfasst sie sämtliche damit zusammenhängenden Gesichtspunkte, so die Entstehung und Erzeugung, die Ausbreitung, die Beeinflussung und die Analyse von Schall. Weiterhin sind auch die Wechselwirkung von Schall mit Materialien sowie die Wahrnehmung von Schall durch das Gehör und seine Wirkung auf Menschen und Tiere Gegenstand der Akustik. Die Akustik ist ein interdisziplinäres Fachgebiet, das auf Erkenntnissen aus zahlreichen anderen Fachgebieten aufbaut, unter anderem der Physik, der Psychologie, der Nachrichtentechnik und der Materialwissenschaft.

15 Das akustisches Spektrum Damjanovich Fidy- Szöllősi

16 Die Schallintensität Wenn wir davon ausgehen, dass wir Menschen keine Sensoren für die Detektierung von Schall hätten Die Rayleigh-Scheibe Intensität in W/m 2

17 Der Intensitätspegel in Dezibel als Maß des akustischen Reizes Es handelt sich dabei allgemein um den dekadischen Logarithmus des Verhältnisses zweier gleichartiger physikalischer Größen. In der Praxis ist die Verwendung des zehnten Teils eines Bels des Dezibel (db) üblich. Damjanovich Fidy- Szöllősi n 10log J J 1 2 Bezogen auf die Hörschwelle: J 2 = J 0 J 0 = W/m 2

18 Die subjektive empfundene Lautstärke Es ist deutlich zu unterscheiden zwischen der objektiven, physikalischen Intensität und der subjektiv empfundenen Lautstärke. Erstere charakterisiert die Stärke des Reizes, letztere die Stärke der Empfindung! Die Phon-Skala Der Wert in Phon gibt an, welchen Schalldruckpegel (in db) ein Sinuston mit einer Frequenz von 1000 Hz besitzt, der gleich laut wie das Schallereignis, das eine andere Frequenz besitzt, empfunden wird. Schalldruckpegelangabe unabhängig vom Spektrum des Signals. Damjanovich Fidy- Szöllősi

19 Die Frequenz und die Tonhöhe Die Tonhöhe hängt von der Frequenz der Schwingungen ab. Reiz Empfindung 1. Sehr tiefer Ton 2. Tiefer Ton 3. Hoher Ton 4. Sehr hoher Ton 1. Tiefer, leiser Ton 2. Tiefer, lauter Ton 3. Hoher, leiser Ton 4. Hoher, lauter Ton

20 Die Obertöne und die Klangfarbe Die Klangfarbe wird von der Frequenz und relativen Stärke der sog. Obertöne, die sich zu dem Grundton gesellen, d.h. vom Schwingunkspektrum des Tones bestimmt. (Helmholtz 1873) Damjanovich Fidy- Szöllősi

21 Das Richtungshören Schall braucht eine gewisse Zeit, um sich auszubreiten. In Luft bspw. legt der Schall ca.340 Meter in der Sekunde zurück. Befinden wir uns schräg zu einem Schallereignis, sind unsere beiden Ohren unterschiedlichweit von diesem Schallerreger entfernt. Der Schall trifft also nicht gleichzeitig, sondern etwas zeitverzögert in unserem Ohr ein. Diesen kleinen Zeitunterschied wertet das Gehirn aus und kann daraufhin den Ort des Schallereignisses bestimmen.

22 Akustische Reize und Empfindungen Objektive Reize Subjektive Empfindungen Intensitätspegel Lautstärke Frequenz der Schwingung Tonhöhe Frequenz u. relative Stärken der Obertöne Klangfarbe Hörschwelle: J 0 = W/m 2 Schmerzschwelle: J max = 10 W/m 2

23 Die Physik des Hörens

24 Der Aufbau des menschlichen Ohrs Damjanovich Fidy- Szöllősi

25 Das äußere Ohr Erste Resonanz: λ/4 = 0,025 m λ = 0,10 m f = c / λ f = 343 / 0,10 f = 3430 Hz Der äußere Gehörgang wirkt wie ein λ/4-resonator, da er mit dem Trommelfell abschließt. Die Resonanzen liegen wie bei einer gedachten Orgelpfeife bei λ/4, 3 λ/4, 5 λ/4 usw.

26 Der Aufbau des menschlichen Ohrs Das äußere Ohr Druckverteilung in einem Rohr mit quasi geschlossenes Ende und beweglicher Kolben als Druckerreger. Stehende Wellen in einem Rohr, das ein offenes und ein geschlossenes Ende hat

27 Die Ruhehörschwelle und die Resonanz im äußeren Gehörgang Die Schwingungsamplitude am Trommelfell entsprechen nur ca. 1/10 des H-Atom Durchmessers, -> ca m. Damjanovich Fidy- Szöllősi

28 Das Mittelohr Das Mittelohr ist mit Luft und das Innenohr mit Flüssigkeit gefüllt. Dieser Übergang wirkt wie eine schallharte Wand Trommelfell hinten Ovales Fenster vorne

29 Das Mittelohr Das Mittelohr ist mit Luft und das Innenohr mit Flüssigkeit gefüllt. Dieser Übergang wirkt wie eine schallharte Wand.

30 Schallimpedanz in der Luft und in einer Flüssigkeit Schallkennimpedanz in der Luft Z L = 414 kg/(m²s) Z L << Z F Schallkennimpedanz in einer Flüssigkeit Z F =1, kg/(m²s) I i I t = I i - I r I r R = I r / I i

31 Das Schallübergang Luft/Wasser Das Mittelohr ist mit Luft und das Innenohr mit Flüssigkeit gefüllt. Dieser Übergang wirkt wie eine schallharte Wand. Z R Z Z Z t 6 1, R 6 1, IW asser 1 R 0,0011 I Luft W asser W asser Luft Luf 2 2 0,9989 Nur ein Tausendstel der Schallintensität wird in das Wasser eingekoppelt.

32 Das Mittelohr Das Mittelohr ist mit Luft und das Innenohr mit Flüssigkeit gefüllt. Dieser Übergang wirkt wie eine schallharte Wand Trommelfell hinten Ovales Fenster vorne

33 Das Mittelohr als Impedanzwandler Am Übergang Mittelohr/Innenohr kommt es zu einer Erhöhung der akustischen Impedanz. Um diesem Anstieg entgegenzuwirken gibt es im Mittelohr zwei Mechanismen: die Hebelwirkung des Gehörknöchelchens und die Druckverstärkung, die durch den Flächenunterschied zwischen ovalem Fenster und dem Trommelfell entsteht. Ohne diese Mechanismen läge eine Dämpfung von ca. Τ = > -30 db vor. Damjanovich Fidy- Szöllősi

34 Die Verstärkung im Mittelohr 22,3 3,2 55 1,3 1,3 1,3 1,3 Luft Wasser Luft Wasser oval Trom luft oval oval Wasser Torm Luft Trom oval p p p p A A p A F p A p x x F F fach t J J Z t Z p p J J Luf Wasser Wasser Luf Luft Wasser Luft Wasser 125 0,0011 0, , ,5 414, Damjanovich Fidy- Szöllősi

35 Überlastschutz des Mittelohrs Bei Schädigung der Mikromechanik im Mittelohr wird z.b. an der Technischen Universität Ilmenau an entsprechenden Implantaten gearbeitet. Damjanovich Fidy- Szöllősi Die Schwingungsfähigkeit der Gehörknöchelchenkette wird durch 3 kleine Muskeln reguliert. Diese Muskeln sind wichtig um laute und kurze Schallereignisse zu dämpfen.

36 Das Innenohr Zum Innenohr gehören die drei Bogengänge des Gleichgewichtsorgans und die Schnecke (Cochlea), die das Cortische Organ, die schallempfindliche Struktur des Innenohrs enthält. Die Bogengänge registrieren Drehbeschleunigung - v.a. die Drehung des Kopfes. Dabei ist jeder Gang für jeweils eine Raumachse zuständig.

37 Der Aufbau der Schnecke Reissner Membran Das Corti Organ Zum runden Fenster Vom ovalen Fenster

38 Anatomie des Corti-Organs Damjanovich Fidy- Szöllősi a und c Schemazeichnungen, b und d Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen

39 Intensitätsverstärkung im Innenohr Damjanovich Fidy- Szöllősi Die äußeren Haarzellen reagieren bereits auf eine geringe Auslenkung ihrer Haarbündel mit einer aktiven Längenänderung ihres gesamten Zellkörpers. Dazu sind die äußeren Haarzellen durch ein besonderes Membranprotein, das Prestin, befähigt. Das ist ein kontraktiles Protein in der Plasmamembran, das sich potentialabhängig verkürzt oder verlängert. Diese Prestin-Motoren in der Zellmembran der äußeren Haarzellen ermöglichen eine Verstärkung des Schalls und eine Erhöhung der Frequenzselektivität.

40 Die Wanderwelle Békésy, Georg Békésy entdeckte, dass die sich in der Lymphflüssigkeit der Cochlea fortbewegenden Schallwellen entlang der Basilarmembran frequenzspezifische stehende Wellen erzeugen (prägte den Begriff der "Wanderwelle") und stellte aufgrund dieser Erkenntnisse eine Alternativtheorie zur Helmholtzschen Resonanztheorie des Hörens auf; prägte im Bereich der Hörakustik die Bezeichnung "Verzerrung"; erhielt 1961 den Nobelpreis für Physiologie in der Medizin.

41 Tonhöhenkodierung Die einzelnen Frequenzen eines auf diese Weise zerlegten Klangs reizen die auf die jeweiligen Frequenzen spezialisierten inneren Haarzellen. Der Reiz löst ein elektrisches Signal in den Haarzellen aus. Diese geben ein chemisches Signal an eine Hörnervenfaser, wobei jede Hörnervenfaser wieder für eine einzelne Frequenz zuständig ist. Die Hörnervenfasern reagieren elektrisch (Aktionspotential) und reichen bis zum Stammhirn. Auf diese Weise werden die Tonfrequenzen getrennt und elektrisch zum Gehirn gesendet. Damjanovich Fidy- Szöllősi Damjanovich Fidy- Szöllősi

42 Tonhöhenkodierung Damjanovich Fidy- Szöllősi Die Lokalisation des Maximums entlang des Basilarmembrans hängt von der Frequenz des Schallreizes, die Höhe von seiner Stärke ab.

43 Zusammenfassung Damjanovich Fidy- Szöllősi

44 Literatur Vorlesungsskript ( Biophysik für Mediziner, Damjanovich Fidy Szöllősi (2. Auflage) Abschnitt IV, Die Biologie der Sinnesorgane Lehrbücher über Transportvorgänge Internet

45 Diskussion

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