Ultraschallrastermikroskopie zur Bestimmung der Verteilung der akustischen Impedanz in Schnitten menschlicher Gehörknöchelchen

Abstract

Die Ultraschall-Rastermikroskopie (auch: akustische Rastermikroskopie, scanning acoustic microscopy, SAM) ergänzt die herkömmlichen Verfahren für die Untersuchung der Mikrostruktur von Geweben. Mit SAM-Untersuchungen lassen sich Prozesse, welche die mechanischen Eigenschaften des Knochenmaterials von Gehörknöchelchen beeinflussen, charakterisieren. Der Bildkontrast hängt von der Interaktion des Knochens mit Ultraschallwellen ab und gibt daher Auskunft über lokale Unterschiede elastomechanischer Eigenschaften, z.B. der akustischen Impedanz, im mikroskopischen Bereich. Für die SAM ist eine plane und extrem glatte Oberfläche der Untersuchungspräparate erforderlich. 41 Gehörknöchelchen wurden in Polymethylmethacrylat (PMMA) eingebettet, anschließend geschliffen und mit Diamantspray absteigender Körnung bis 0,25 µm poliert. Die Messungen wurden im Puls-Burst-Modus in Reflexion mit den akustischen Rastermikroskopen KSI 100 und KSI 2000 der Firma Krämer Scientific Instruments (Herborn) durchgeführt. Mit einer neuen Software wurden die Mikroskope kalibriert, so dass quantitativ farbkodierte Impedanzbilder der Gehörknöchelchenschnitte hergestellt werden konnten. Auch bei der hohen Arbeitsfrequenz von 900 MHz konnte mit Hilfe der Schichtbildanalyse die Verteilung der akustischen Impedanz quantitativ angegeben werden. Bei einer Arbeitsfrequenz von 25 MHz betrugen die gemessenen mittleren Impedanzwerte im Steigbügel 5 Mrayl, im Amboss 6,8 Mrayl und im Hammer 7,2 Mrayl. Bei 900 MHz war die ermittelte akustische Impedanz um den Faktor 1,5 bis 2 geringer als bei 25 MHz. Es wurden statistisch signifikante Unterschiede zwischen Hammer, Amboss und Steigbügel und zwischen verschiedenen Regionen der einzelnen Gehörknöchelchen (einfaktorielle Varianzanalyse, p<0,05) festgestellt. Ein besonderes Potential der akustischen Rastermikroskopie liegt in der Ermittlung elastomechanischer In-vitro-Gewebeeigenschaften von menschlichen Gehörknöchelchen. Es ist denkbar, Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen für die Entwicklung von Werkstoffen für die rekonstruktive Mittelohrchirurgie zu nutzen.

Scanning Acoustic Microscopy (SAM) is a powerful complement to the variety of available techniques for investigation of auditory ossicles. The contrast in acoustic microscopy depends on the elastic response of the bone material to acoustic waves and provides information on local changes in the acousto-mechanical properties, e.g. the acoustic impedance at a microscopic scale. For SAM it is important to have a plane and very smooth surface. Therefore all 41 human auditory ossicles were imbedded in PMMA and the sample surface were grinded and polished using successively finer diamond paste down to a grain size of 0.25 µm. Measurements were done in reflection mode with the scanning acoustic microscopes KSI SAM 100 and KSI SAM 2000 (Kraemer Scientific Instruments, Herborn, Germany) at frequencies of 25 and 900 MHz, respectively. The data were analyzed by a custom made software, which yields calibrated impedance images of the ossicle sections. At 25 MHz the mean of acoustic impedance was 5 Mrayl in stapes, 6.8 Mrayl in incus and 7.2 Mrayl in malleus. By use of the Multi Layer Analysis technique the distribution of acoustic impedance can be calculated for the high frequency data at 900 MHz. Here the acoustic impedance was 1.5 to 2 times less than at 25 MHz. Statistically significant differences were found between the different ossicles as well as between different regions within individual ossicles (multivariation analysis; p<0,05). Scanning acoustic microscopy provides unique information with regard to in vitro elastic tissue properties of human auditory ossicles. The results may contribute to the development of new materials for reconstructive middle ear surgery and to a better understanding of changes of normal structure by chronic otitis media.