Natürliche Vorgänge anhand Schwingung und Akustik besser verstehen

Kommunikation von Tieren wissenschaftlich 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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Article Auditory and Vibratory Sense of Crickets

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

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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Fachartikel Strukturdynamik von Knochen

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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Fachartikel Schwingungsmuster bei Stimmbildung

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.

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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Artikel Dem Hören auf der Spur

Datenblatt HLV Hearing Laser Vibrometer

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.