Natürliche Vorgänge anhand Schwingung und Akustik besser verstehen
Für Forscher und Entwickler aus Biologie, Medizin, der Medizintechnik und vielen anderen Fachgebieten sind Polytec Vibrometer unersetzliche Werkzeuge bei der Aufklärung natürlicher dynamischer Prozesse und der Optimierung technischer Produkte.
In der Biologie hilft optische Messtechnik dabei, unbeeinflusst und ungestört biologische und physiologische Abläufe zu verstehen und den Hörmechanismus verschiedener Tierarten zu erforschen. Des Weiteren ist sie auch wirtschaftlich relevant, z. B. bei der Reifebestimmung von Früchten oder der Schädlingsbekämpfung bei Nutzpflanzen, bei der auf Chemie vollständig verzichtet werden kann.
In der Medizintechnik werden Vibrometer eingesetzt, um physiologische Vorgänge zu erfassen sowie die Schallleitung und -wandlung vom Trommelfell zum Innenohr zu erforschen für verbesserte Mess- und Diagnoseverfahren sowie für eine effektivere und sichere medizintechnische Produkte.
Kommunikation von Tieren mittels berührungsloser Schwingungsanalyse erforschen
Wie die Artenvielfalt auf der Erde, so sind auch die Anwendungen von Laservibrometern in der Biologie extrem vielfältig. Eine der bekanntesten ist die Kommunikation von Insekten. Manche von ihnen kommunizieren mit „Gesängen“ im hörbaren Frequenzbereich, beispielsweise bei den Zikaden, andere liegen im vom Menschen nicht wahrnehmbaren Ultraschallbereich. Einige Insekten sind so winzig, dass ihre Signale eigentlich nur Schwingungen sind, die sich durch die Pflanze fortsetzen.
Diese hör- und unhörbaren Laute spüren die Insektenkundler mit Laservibrometern auf. Die berührungslose Messtechnik ermöglicht es, die Tiere ungestört zu „belauschen“ und damit das natürliche Kommunikationsverhalten zu erforschen. Stellen Sie sich die Schwingungen der Waben in einem Bienenstock vor – solche Signale können nur durch eine hochentwickelte Messtechnik erfasst werden. Andere Anwendungen aus dem Bereich der Biologie umfassen die Kommunikation von Elefanten, die Bestimmung des Reifegrades von Obst, die Bewegung von Spinnennetzen und den Gehörmechanismus von Grillen, Fröschen oder Fruchtfliegen.
Ein weiterer Vorteil von Laservibrometern: Die portable Messtechnik mit autarker Energieversorgung ermöglicht Ihnen Messungen auch direkt im Feld.
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Praxisbeispiel:
Ohren sind komplexe mikromechanische Maschinen, die winzige, durch Schall ausgelöste Vibrationen verstärken und in elektrische Signale wandeln. Welche Strukturen und Prozesse vermitteln die Signalverarbeitung im Inneren des Ohrs? Messungen mit dem Laser-Doppler-Vibrometer an Fruchtfliegen bieten Einblicke in die ausgefeilten Mechanismen des Hörens.
"Ich liebe die Arbeit mit dem Laser, weil er mir den Blick in die spannende Welt der Vibrationskommunikation bei Insekten ermöglicht und dabei wirklich einfach zu bedienen ist."
Dr. Taina Conrad, Institut für Experimentelle Ökologie der Tiere, Universität Ulm
Insektenkommunikation dekodiert für umweltfreundliche Schädlingsbekämpfung
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Biomechanik so realitätsnah wie nie
In der Biomechanik wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) für die Lösung wichtiger medizinischer Fragestellungen eingesetzt, beispielsweise in der Knochenchirurgie, um aus Computer-Tomographie-Daten realitätsnahe Knochenmodelle zu generieren. Diese Modelle werden anhand ihrer dynamischen Eigenschaften verifiziert. Das 3D-Laservibrometer wurde erstmals für die Bestimmung der modalen Parameter eines Beckenknochens verwendet und ermöglichte eine Messung der räumlichen Schwingformen in bisher nicht gekannter Genauigkeit und Auflösung.
Genaue verifizierte Modelle tragen zum besseren Verständnis der Biomechanik und letztendlich zu verbesserten Behandlungsmethoden, sicherer Versorgung mit Implantaten und besserer Lebensqualität bei.
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Physiologische Daten berührungslos erfassen
Laservibrometer werden in Industrie und Maschinenbau bereits verbreitet eingesetzt, wenn das Messobjekt bei der Messung nicht beeinflusst werden soll. Vergleichsweise neu ist ihre Verwendung bei der Erfassung physiologischer Daten. Ohne Berührung zu messen, ist hier nicht nur für den Patienten angenehmer, sondern hat auch entscheidende hygienische Vorteile. Die Anwendungen beruhen auf der Erkenntnis, dass eine Vielzahl physiologischer Aktivitäten des Körpers auch mechanische Komponenten haben. Dabei wird ein Teil der Energie – wie klein auch immer – zur Haut transportiert und sorgt für deren Bewegung. Dementsprechend kann eine Vielzahl innerer Körpergeräusche, Impulse und Vibrationen durch einen auf den Körper gerichteten Laserstrahl erfasst werden.
Verschiedene Herz-Kreislauf-Aktivitäten können mit Laservibrometern erfasst werden:
- Ballistokariale Bewegungen
- Lokale Signale der Herzwände in den einzelnen Phasen des Herzzyklus
- Drucksignale der Blutgefäße
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Praxisbeispiel:
Beim Sprachvorgang wird der Schall nicht nur vom Mund und den Nasenlöchern, sondern auch von der Körperoberfläche an Kopf und Nacken ausgesendet. Mit Hilfe von Polytec Scanning Vibrometern können Wissenschaftler die während der Stimmerzeugung (Phonation) verursachten Schwingungen messen. Die Methode eignet sich zur Evaluierung der Sprache von Patienten mit Gaumenspalte oder bei unzureichendem velopharyngealen Verschluss im Rachenraum. Schwingungsmuster dienen bei solchen Patienten als visuelles Feedback bei Sprechübungen.

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Ultraschallgeräte mit größter Zuverlässigkeit entwickeln
Sicherheit steht in der Medizintechnik an erster Stelle. Eine lückenlose Dokumentation der Entwicklungsschritte ist deshalb für gute Produkte und für rechtliche Sicherheit unabdingbar. Laservibrometer sind deshalb in der Entwicklung und Qualitätsprüfung medizinischer Instrumente, wie zahnärztliche oder chirurgische Ultraschall-Instrumente sowie bildgebende Verfahren von großer Bedeutung. Auch bei Produkten im Gesundheits- und Pflegebereich, wie Inhalatoren, Beatmungsgeräten und Zahnbürsten, lassen sich Effizienz und Sicherheit durch Messungen mit Vibrometern von Polytec verbessern. Unverzichtbar geworden sind Laservibrometer zudem bei der Entwicklung, Prüfung, Kalibrierung und Zertifizierung von Mittelohr-Implantaten und implantierbaren Hörhilfen.
Ultraschallenergie muss in medizinischen Geräten dort ankommen, wo sie benötigt wird. Das PSV Scanning Vibrometer von Polytec stellt die Verteilung der Energie von Ultraschallaktoren schnell und anschaulich dar und beschleunigt so den Entwicklungsprozess. Das Lokalisieren der Schwingungsknoten einer bestimmten Betriebsfrequenz erlaubt es Ihnen, die Bauform zu optimieren und somit den Energieverlust zu reduzieren. Dank der hohen räumlichen Auflösung und einer Messgenauigkeit im Pikometer-Bereich werden auch hochfrequente Schwingformen schnell und sicher visualisiert.
Als Werkzeug zur Verifizierung von FE-Simulationen, sowohl bei invasiven als auch bei diagnostischen Ultraschallwerkzeugen für den medizinischen Bereich, ist die Laservibrometrie die entscheidende Schlüsseltechnologie. Durch ihre Linearität bis in den hohen MHz-Bereich und die völlige Rückwirkungsfreiheit, gepaart mit einer hohen lateralen Auflösung, lässt sie sich für fast alle strukturdynamischen Aufgabenstellungen einsetzen. Von der Grundtechnologie abgeleitete Berechnungsmethoden zur Schallfeldvisualisierung und zur Betriebsfestigkeit (Dehnung/Spannung) erschließen weitere Anwendungsfälle. Damit ist die Laser-Doppler-Vibrometrie ein geeignetes Werkzeug für die Entwicklung effizienter, betriebssicherer und effektiver Instrumente für den Arzt.
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Gehörmechanismus und Schallleitung verstehen
Das menschliche Ohr ist eines der komplexesten schall- und schwingungsverstärkenden Systeme. Mit einfacher Bedienbarkeit und unübertroffener Genauigkeit helfen moderne Laservibrometer die Schwingungscharakteristik und die dynamischen Eigenschaften zu bestimmen. Sie eröffnen damit Forschern ganz neue Möglichkeiten, die Funktionsweise des Gehörs zu verstehen. Mit hochempfindlichen und rückwirkungsfrei arbeitenden Laservibrometern untersuchen Wissenschaftler die Schallleitung vom Trommelfell zur Steigbügel-Fußplatte im Mittelohr, aber auch die Details der elektromechanischen Signalwandlung, die in der Gehörschnecke (Cochlea) des Innenohrs stattfindet.
Das Schwingungsverhalten des Trommelfells lässt direkte Rückschlüsse auf die Ursachen von Hörverlust zu, beispielsweise infolge Fixierung des Steigbügels oder sklerotischer Veränderungen der Gehörknöchelchen. In der medizinischen Forschung erlaubt die Laser-Tympanometrie mit Laservibrometern dem Audiologen eine schnelle Bestimmung der Frequenzantwort des Trommelfells zur Gewinnung aussagekräftiger Daten.
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Praxisbeispiel:
Unverzichtbar sind Laservibrometer auch bei der Entwicklung, Prüfung, Kalibrierung und Zertifizierung von Mittelohr-Implantaten. Im Forschungsbereich werden mit Laservibrometern die sichere Ankopplung von Mittelohrimplantaten und –prothesen (TORP, PORP) noch während der Operation geprüft. Sie helfen somit, den Operationserfolg sicherzustellen und revisionssicher zu dokumentieren.

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