Simulation der Fluidströmung und Basilarmembranschwingung im menschlichen Innenohr

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Die Schwingungen der Gehörknöchelchen im Mittelohr erzeugen eine Fluidströmung im Innenohr, die das Schwingungsverhalten der Basilarmembran anregt und somit den Höreindruck entstehen lässt. Ziel dieser Arbeit ist es, die dynamischen Vorgänge im Innenohr zu untersuchen und die grundlegenden physikalischen Prinzipien zu identifizieren. Hierzu wird ein mechanisches Finite-Elemente Modell des menschlichen Innenohrs, auch Cochlea genannt, entwickelt, das die Fluidströmung und die angeregte Basilarmembranschwingung beschreibt. Mit diesem Modell werden numerische Simulationen durchgeführt, deren Ergebnisse in Bezug auf physiologische Fragestellungen diskutiert werden. Eine druck-verschiebungsbasierte Fluidformulierung wird vorgestellt, um die laminare, viskose Kriechströmung und die Fluid-Struktur Interaktionen effizient zu berechnen. Diese wird an zwei einfachen Systemen validiert und Unterschiede zur akustischen Fluidbeschreibung aufgezeigt. Zudem wird die mechanische Modellierung des Innenohrs behandelt und eine Materialformulierung für die Basilarmembran entwickelt. Die Simulationen ermöglichen die Visualisierung der Wanderwelle auf der Basilarmembran und identifizieren die Wirkmechanismen, die zur Anregung und Ausbildung der Wanderwelle führen. Weitere Untersuchungen zum cochlearen Übertragungsverhalten beantworten physiologische Fragen wie die Orts-Frequenztransformation, die cochleare Verstärkung und den Einfluss der Kippbeweg