Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise – Hörhilfen werden stetig verbessert Ein Beispiel, wie die physikalische Forschung zunächst auf grundlegende Erkenntnisse und dann sehr schnell zu praktischen Anwendungen führt, ist die Halbleiterphysik (s. S. 29). Die Ergebnisse der Grundlagenforschung in der ersten Hälfte des 20. Jh. führten ab 1960 zur Entwicklung der Halbleiterindustrie. Den Ersatz von menschlicher Arbeitskraft durch die Dampfmaschine bezeichnet man als industrielle Revolution, den Wandel der Technik (Steuerungstechnik und Kommunikationswesen) und unseres Nutzungsverhaltens als digitale Revolution. Die Miniaturisierung der elektronischen Bauteile durch Transistoren und integrierte Schaltkreise hat neben vielen anderen Anwendungen den PC, den Personal Computer in seinen vielfältigen Formen, und die Mobiltelefonie ermöglicht. Am medizinischen Beispiel der Hörprothese für das Innenohr, einer österreichischen Entwicklung, wird das Zusammenspiel von Grundlagenforschung und Anwendung deutlich. Bei taub geborenen Kindern mit intaktem Hörnerv und auch bei später Ertaubten fehlen z. B. die Haarzellen, welche die Druckwelle des Schalls in der Gehörschnecke in Nervenimpulse umwandeln. Damit diese Personen hören können, wird der intakte Hörnerv direkt durch eine Elektrode mit insgesamt 12 in der Gehörschnecke verteilten Kontakten elektrisch stimuliert (8.1–8.3). In einem Signalprozessor wird der Schall nach Frequenz und Lautstärke analysiert. Zur Signalanalyse werden moderne mathematische Verfahren verwendet. Die Information wird an den Stimulator übertragen, der elektrische Pulse über feine elektrische Leitungen an die Nervenfasern des Hörnervs im Innenohr überträgt. Die elektrischen Impulse der Nervenfasern erreichen schließlich das Hörzentrum im Gehirn. Da Nervenfasern auch Erholungspausen brauchen, feuern sie maximal etwa dreihundert Mal pro Sekunde (300 Hertz). Höhere Frequenzen ergeben sich aus dem zeitlich versetzten Feuern verschiedener Fasern. Die Miniaturisierung der Elektronik ermöglicht eine kompakte Bauweise des Stimulators, so dass er unter die Kopfhaut implantiert werden kann. Energieversorgung und Signalübertragung erfolgen vom Signalprozessor (mit Mikrofon und kleiner Batterie), der hinter dem Ohr getragen wird, über hochfrequente elektromagnetische Schwingungen nach dem Induktionsprinzip. Die Datenrate erreicht 600 kbit/s und ermöglicht Hören in einem Frequenzbereich von 70 Hz bis über 8 000 Hz – sie bringt damit auch wieder Musikgenuss. Da die gesamte Information über nur 12 Kontakte übertragen wird (zum Vergleich: Im gesunden Ohr gibt es etwa 20 000 Nervenfasern), ist dieser Musikgenuss etwas eingeschränkt, während die Sprache robuster ist und weniger strenge Anforderungen an die Signalverarbeitung stellt. Interessant ist auch die Geschichte der Entwicklung: Von der Idee im Jahr 1975 zur ersten implantierten Elektrode vergingen nur zwei Jahre, aber erst die Miniaturisierung der Elektronik erlaubte ab 1989 den Bau der kompakten implantierbaren Empfänger. Untersuche, überlege, forsche: Hörhilfen 8.1 S2 Überlege, warum es besonders für taub geborene Kleinkinder wichtig ist, eine Hörprothese zu erhalten. 8.1 Beim Cochlea-Implantat wird der Hörnerv (7) nicht durch die Haarzellen, sondern durch elektrische Wechselspannungen an Kontaktstellen einer Elektrode mit der Gehörschnecke (lat. Cochlea) (6) stimuliert. Der Signalprozessor (1) mit Mikrofon, Elektronik und Leitung (2) zur Sendespule wird außen am Ohr getragen. Er transformiert den Schall in elektrische Impulse für die externe Sendespule (3). Unter der Kopfhaut liegt der Empfänger mit der Empfangsspule (4) und der Elektrode (5), die in die Gehörschnecke reicht. 8.2 Die in die Gehörschnecke eingesetzte Elektrode stimuliert mit ihren Kontakten mittels Wechselspannung einzelne Fasern des Hörnervs. 8.3 Implantierbarer Stimulator mit Empfangsspule. Die externe Spule wird durch den internen Magneten (rund) im Zentrum der Empfangsspule (orange) gehalten. Das Gerät wird unter die Kopfhaut implantiert und die Elektrode in die Gehörschnecke eingeführt. Der Stromfluss wird über eine großflächige Elektrode auf dem Metallgehäuse geschlossen. 8 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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