DE2155853B2 - Einrichtung zur Sichtbarmachung der schwingenden Oberflächenbereiche des Trommelfelles von Mensch oder Tier - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Sichtbarmachung der schwingenden Oberflächenbereiche des Trommelfelles von Mensch oder Tier durch Erzeugung eines optischen Bildes, das die Schwingungsbereiche des Trommelfelles als Bereiche sich bewegender oder ruhender verschwimmender Flecken zeigt.

Für eine gründliche Untersuchung des Ohres bei ehörschäden ist es von besonderem Interesse, die Schwingungsbereiche eines natürlich oder künstlich beeinflußten Trommelfelles genau zu lokalisieren und Veränderungen dieser Bereiche in Abhängigkeit von der auftreffenden Schallfrequenz und Schallintensität

to festzustellen, weil daraus wichtige Rückschlüsse für operative Eingriffe gezogen werden können.

Es ist bekannt, auf dem Gebiet der Holographie mit Hilfe von Laserlicht Knotenlinien und Kurven gleicher Schwingungsamplituden als sogenannte Ho- !ogranime von schwingenden Flächen abzubilden. Hologramme vom Trommelfell lassen sich jedoch nur schwer herstellen und geben erfahrungsgemäß nicht den gewünschten klaren Aufschluß über das Schwingungsverhalten des Trommelfelles, auch nicht beim Einsatz von Modulationseinrichtungen, mit deren Hilfe festgestellt werden kann, ob sich eine Kontur auf eine Bewegung von der Hologrammplatte weg oder auf sie zu bezieht. Ein weiterer Nachteil der holographischen Verfahren besteht darin, daß sie eine

Einrichtung mit großer optischer Stabilität und dementsprechend großem Aufwand benötigen. Außerdem ist bei der Anwendung im biologischen Bereich die bei der Holographie erforderliche lange Meßdauer pro fotografischer Bildaufnahme sehr nachteilig.

Es sind auch bereits Schwingungsmeßverfahren bekannt, die auf der Dopplerverschiebung beruhen, die ein Laserstrahl durch ein schwingendes oder bewegtes Objekt erfährt. Bei einer in der deutschen Offenlegungsschrift 1623410 beschriebenen Einrichtung wird eine beschallte Fläche mit dem Licht einer Laserquelle direkt und flächig beleuchtet und das von der schwingenden Fläche reflektierte Laserlicht zu einem optischen Bild erfaßt. Die schwingende Fläche ist dort beispielsweise eine Fensterscheibe. Diese Einrichtung läßt sich jedoch nicht einfach für Schwingungsuntersuchungen am menschlichen oder tierischen Trommelfell einsetzen, wo es nicht um die Rekonstruktion und Wiedergabe bestimmter Schwingungen geht, sondern um die Darstellung der Schwingungsbereiche eines Objektes nach Lage und Größe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Sichtbarmachung der schwingenden Oberflächenbereiche eines Elementes so auszubilden, daß sie auch zur Anwendung bei sehr kleinen schwingenden Objekten, nämlich des Trommelfelles von Menschen oder Tieren, eingesetzt werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anwendung eines an sich bekannten Gerätes gelöst, das aus einem Schallgeber zum berührungsfreien Beschallen eines schwingenden Elementes, einem Laserlichtgeber, dessen Licht über einen Lichtspalter teils direkt und flächig auf das schwingende Element und teils auf einen nicht schwingenden Reflektor geleitet wird, und einer optischen Einrichtung zur Darstellung eines optischen Bildes, in welcher sowohl das vom schwingenden Element reflektierte Laserlicht als auch der vom Reflektor zurückgeworfene Referenzstrahl gemeinsam erfaßt werden, besteht, in der Weise, daß das schwingende Element das Trommelfell ist.

Die Erfindung geht aus von der Tatsache, daß mit Laserlicht beleuchtete Oberflächen ein geflecktes Bild ergeben, wobei die Flecken auf Grund von Interferen-

zen des von der Oberfläche zurückgeworfenen Lichtes auftreten. Der Anmelder hat in wissenschaftlichen Arbeiten festgestellt, daß bei einer Verformung der Oberfläche eines Objektes, wie sie bei schwingenden Körpern auftreten, Phasenveränderungen innerhalb der zurückgeworfenen Lichtstrahlen auftreten, die den Zustand der ursprünglichen und bei ruhender Oberfläche auftretenden Interferenzen ändern. Bei einer ausreichend starken Verformungsrimpliti'de und Verformungsgeschwindigkeit der Oberfläche werden die ursprünglich nach Lage und Umfang definierten Flecken verschwommen und unscharf. Auf diese Weise lassen sich auf einer schwingenden Oberfläche, ■;o auch auf einem von Laserlicht beleuchteten Trommelfell, die schwingenden Bereiche genau analysieren.

Dabei läßt sich von der laserlichtbeleuchteten Trommelfeiloberfläche ein Bild erfassen, das sich nach Interferenz der an der schwingenden Oberfläche reflektierten Laserlichtstrahlen mit nicht an der schwingenden Fläche reflektierten Laserlichtstrahlen ergibt. Die Schwingungsbereiche werden in diesem Fall ebenfalls als verschwommene Flächen dargestellt, wobei sich der Unschärfeeffekt auf Grund der Interferenz zwischen dem Referenzstrahl mit konstanlern Phasengehalt und den von der Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen mit sich änderndem Phasengehalt ergibt.

Mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung kann auch die Auswirkung von Wanderwellen :uf der Oberfläche des Trommelfelles untersucht werden, wenn die Beleuchtung der schwingenden Oberfläche intermittierend erfolgt und die Intensität der Schwingungserzeugung am Objekt und seine Beleuchtung bezüglich der Dauer und Phasenlage in gegenseitiger Abhängigkeit durchgeführt werden. Dabei lassen sich die Phasenbedehungen innerhalb der Wanderwelle messen, wenn das Beleuchtungsintervall die Dauereines endlichen Bruchteils der Schwingungsperiode des Objektes hat. Während des endlichen Beleuchtungs-Intervalls verformt sich die schwingende Oberfläche, und durch die verschiedenen Unschärfegrade in dem erfaßten Bild lassen sich die unterschiedlich starken Verformungen verschiedener Bereiche bestimmen. Die Verformungen sind größer in Bereichen relativ größerer Verformungsgeschwindigkeit als in Bereichen relativ kleinerer Verformungsgeschwindigkeit. Bereiche relativ größerer Verformungsgeschwindigkeit sind Bereiche, für die das Beleuchtungsintervall mit der Zeit des Schwingungsnulldurchgangs zusammenfällt.sodaß in Bereichen der Nulldurchgänge die Unscharfe in der Abbildung bei relativ kleineren Schwingungsausschlägen auftritt als in Bereichen, fur die das Beleuchtungsintervall und die Zeit des Durchgangs durch das Schwingungsmaximum zusammenfallen. Auf diese Weise können also die Phasenbeziehungen innerhalb der Wanderwelle gemessen werden.

Mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung läßt sich aber auch die Phasenverteilung innerhalb einer Wanderwelle und auch innerhalb einer stehenden Welle durch die Beobachtung der Verschiebung von Bildflecken feststellen, die erfolgt, wenn bei einer stroboskopischen, also regelmäßig intermittierenden Beleuchtung der schwingenden Oberfläche die Schwingungsamplitude der Oberfläche langsam geändert wird. Diese Amplitudenänderung führt in Bereichen, die in entgegengesetzter Phase schwingen, zu entgegengesetzten Fleckenbewegungen.

Der Lichtspalter der Einrichtung kann durch einen halbreflektierenden Spiegel gebildet sein, und die Einrichtung weist vorteilhafterweise noch ein Dämpfungsglied für den Referenzstrahl auf, beispielsweise eine Polarisierscheibe, mit weichem die Intensität des Aeferenzstrahles an die Intensität der reflektierten Strahlung angepaßt werden kann.

Die Anwendung der Einrichtung kann durch die Verwendungeines Hohlkörpers mit zwei aufeinander

ίο ausgerichteten Öffnungen an entgegengesetzten Enden erleichtert werden, wobei eine dieser Öffnungen vor der schwingenden Oberfläche des Trommelfells ohne Berührung mit ihr und die andere öffnung vor dem Lichtspalter angeordnet ist.

Dieser Hohlkörper kann als einseitig offene Schallkammer ausgebildet und mit dem Schallgeber direkt gekoppelt sein, wobei dann die mikroskopseitige Öffnung des Hohlkörpers durch ein Glasfenster verschlossen ist, durch welches die Laserstrahlen hindurchtreten können. Die vom Laserlichtgeber gelieferten Laserstrahlen werden zweckmäßig durch einen flexiblen Lichtleitstab auf die schwingende Oberfläche oder auf den Lichtspalter geleitet, wodurch eine größere Freiheit bei der Anordnung des Laserlichtgebers gegenüber dem Bildgeberteil der Einrichtung erreicht wird.

Zur Durchführung einer stroboskopischen Laserbeleuchtung der schwingenden Oberfläche des Trommelfelles kann die Einrichtung einen Lichtstrahlmodulator am Ausgang des Laserlichtgebers aufweisen, beispielsweise einen Lichtstrahlunterbrecher, der von einem dem Schwingungsgeber zugeordneten Generator gesteuert ist. Zweckmäßig wird hierbei der Modulator über ein Verzögerungsglied und/oder einen Impulsformer und/oder einen Verstärker mit dem Generator verbunden.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, auf der zwei Ausführungsbeispiele einer Einrichtung gemäß der Erfindung schematisch dargestellt sind.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Teile einer ersten Ausführungsform der Einrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Teile einer zweiten Ausführungsform der Einrichtung für eine stroboskopische Beleuchtung der schwingenden Oberflächen.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung weist einen Laserlichtgeber 10 auf, dessen Licht über einen Lichtleitstab 11 auf einen durch einen halbversilberten Spiegel 12 gebildeten Lichtspalter gegeben wird. Der halbversilberte Spiegel 12 liegt in an sich bekannter Anordnung unter einem Winkel von 45° sowohl zu den einfallenden Laserlichtstrahlen 13« als auch zu der optischen Achse eines Mikroskopes 14 und der Längsachse eines Hohlkörpers 15.

Der längliche Hohlkörper 15 weist an seinem vorderen Ende eine Öffnung 151 und an seinem entge-

gengesetzten Ende eine weitere Öffnung 152 auf, welch letztere durch ein Glasfenster 16 verschlossen ist. Die vordere Öffnung 151 des Hohlkörpers 15 wird direkt vor einem symbolisch angedeuteten Trommelfell 17 angeordnet.

Der Hohlkörper 15 ist als Schallkammer ausgebildet und zu diesem Zweck mit einem seitlichen Rohransatz 153 versehen, an dessen Ende ein Schallgeber 18 angeordnet ist. Der Schallgeber kann ein einfacher

Lautsprecher sein, der von einem Tongenerator 19 über eine einstellbare Verstärkerstufe 20 und/oder eine Dämpfungsstufe 21 erregbar ist.

Das vom Laserlichtgeber 10 durch den Lichtleitstab 11 auf den halbversilberten Spiegel 12 gelangende Laserlicht wird in der Hauptsache als Lichtstrahl 13fr durch den Hohlkörper IS hindurch auf das Trommelfell 17 abgelenkt. Die von dort reflektierten Strahlen 13 c gelangen durch den halbversilberten Spiegel 12 hindurch in das Mikroskop 14, zusammen mit einem Referenzstrahl 13c von Laserlicht, der aus demjenigen Lichtanteil besteht, der vom Lichtstrahl 13a als Lichtstrahl 13d durch den halbversilberten Spiegel 12 hindurchtritt, und, reflektiert an einem Spiegel 22, gedämpft durch eine Polarisierscheibe 23, an der Rückseite des halbversilberten Spiegels 12 abgelenkt in das Mikroskop gelangt. Das Mikroskop liefert ein Bild, das sich durch eine Überlagerung der Lichtstrahlen 13c und lie ergibt. Dabei erhält man eine Abbildung des Trommelfelles mit unscharfen Bereichen, welche die schwingenden Bereiche des Trommelfelles kennzeichnen.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellten Einrichtungsteile können mindestens teilweise zu einem kompakten Gerät kombiniert sein. Im Mikroskop läßt sich bei einer Änderung des am Trommelfell auftretenden Schalldruckes, der sich am Verstärker 20 oder der Dämpfungsstufe 21 verändern läßt, die Ausbreitung der Unschärfebereiche auf dem Trommelfell, also die Vergrößerung der schwingenden Bereiche des Trommelfelles, mit wachsendem Schalldruck beobachten.

In F i g. 2 ist eine Einrichtung schematisch dargestellt, die weitgehend aus den gleichen Teilen aufgebaut ist wie die Einrichtung nach Fig. 1. Gleiche Teile sind daher mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in Fig. 1. Im Gegensatz zu der Einrichtung nach Fig. 1, bei welcher eine kontinuierliche Beleuchtung des Trommelfelles 17 mit Laserlicht erfolgt, ist die Einrichtung nach Fi g. 2 für eine intermittierende Beleuchtung des Trommelfelles, und zwar eine schallsynchrone Beleuchtung des Trommelfelles ausgelegt. Mit dieser Einrichtung lassen sich in Erweiterung des mit einer Einrichtung nach Fig. 1 erzielbaren Meßverfahrens auch die Relativbewegungen verschiedener Bereiche des Trommelfelles feststellen, wenn der Schalldruck variiert wird. Damit kann die Phasenverteilung der Trommelfellschwingung gemessen werden.

Der Modulator 24 wird vom Tongenerator lü oder vom Verstärker 20 aus über einen Impulsformer 25, über ein Verzögerungsglied 26 und über eine Verstärkerstufe 27 gesteuert. Mit Hilfe des Verzögerungsgliedes 26 kann die Phasenlage der Beleuchtungszeit gegenüber der Phasenlage des auf das Trommelfell einwirkenden Schallsignals verändert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Sichtbarmachung der schwingenden Oberflächenbereiche des Trommelfelles von Mensch oder Tier durch Erzeugung eines optischen Bildes, das die Schwingungsbereiche des Trommelfelles als Bereiche sich Bewegender oder ruhender verschwimmender Recken zeigt, gekennzeichnet durch die Anwendung eines an sich bekannten Gerätes, das aus einem Schallgeber (18) zum berührungsireien Beschallen eines schwingenden Elementes, einem Laserlichtgeber (10), dessen Licht (13a) über einen Lichtspalter (12) teils (13/)) direkt und flächig auf das schwingende Element und teils (13d) auf einen nicht schwingenden Reflektor (22) geleitet wird, und einer optischen Einrichtung (14) zur Darstellung eines optischen Bildes, in welcher sowohl das vom schwingenden Element reflektierte Laserlicht (13c) als auch der vom Reflektor (22) ■urückgeworfene Referenzstrahl (13c) gemeinsam erfaßt werden, besteht, in der Weise, daß das •chwingende Element das Trommelfell (17) ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtspalter ein halbdurch-ISssiger Spiegel (12) dient und daß für den Refenenzstrahl (13d, 13e) ein Dämpfungsglied, beispielsweise eine Polarisierscheibe (23), vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen als Schallkammer ausgebildeten und mit dem Schallgeber

(18) gekoppelten Hohlkörper (15) mit zwei aufeinander ausgerichteten Öffnungen (151,152) an den entgegengesetzten Enden des Hohlkörpers aufweist, und daß eine (151) dieser Öffnungen vor der schwingenden Oberfläche des Trommelfells (17) ohne Berührung mit ihr angeordnet ist, und die andere öffnung (152) durch ein lichtdurchlässiges Fenster (16) verschlossen und vor dem Lichtspalter (12) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Laserlichtgebers (10) mit einem vorzugsweise flexiblen Lichtleitstab (11) als Laserstrahlleiter gekoppelt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang des Laserlichtgebers (10) ein Lichtstrahlmodulator (24), beispielsweise ein Lichtstrahlunterbrecher, ■achgeschaltet ist, der in Abhängigkeit von einem dem Schallgeber (18) zugeordneten Generator

(19) oder Verstärker (20) gesteuert ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (24) über ein Verzögerungsglied (26) und/oder einen Impulsformer (25) und/oder einen Verstärker (27) mit dem Generator (19) verbunden ist.

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