Archly Ohren- usw. Heilk. u. Z. Hals- usw. Heilk. 177, 563--568 (1961)

Aus der Hals-Nasen-Ohrenklinik der Universit~t GSttingen (Direktor: Prof. Dr. D r h.c.H. FlCENZV.L)

Ein einfacher Drehstuhl-Modellversuch zur Frage der Corioliserregung der Bogeng~inge

bei Kopfbewegungen w/ihrend der Drehung * V o n

~ E R M A N N I~RENZEL

(Eingegangen am 28. Mai 1961)

In letzter Zeit sind bei wissenschafthehen Otologen-Tagungen (Syra- posion Basel und in Padua 1960"*) raehrfaeh die Coriolisbesehleunigungen zur Spraehe gekommen, die zu Erregungen des Vestibularappara~es ffihren, wenn w/~hrend einer Drehung eine Kopfbewegung erfolgt, wenn es also ia einera rotierenden Systera zu zus/~tzlichen Bewegungen yon Massenteilen koramt. Die Auswirkungen dieses Vorganges werderl dann

besonders augenf//llig, wenn sie w/~hrend einer Drehung rait konstanter Geschwindigkeit aus roller Erregungsruhe heraus auftreten.

Die Corioliserregung des Vestibularapparates ist in der Fliegerei, z.B. beira Trudeln yon praktiseher Bedeutung, und der Physiologe SCHUSE~T, Wien, daraals Prag, war 1932 der erste, tier auf diese Zusararaenh/~nge hinwies S und sie 1934 genauer bearbeitete4, s.

Inzwischen hat er s auch elektronystagmographische Registrierungen des Coriolisnystagmus vorgenommen, bei denen iibrigens bemerkenswert ist, dal~ der durch schnelle Kopfvorbeugung entstanderte Coriolisnystagmus schw/icher ist ats der durch die abschliel~ende langsame Riickbeugung auftretende Coriolisnystagmus entgegengesetzter Richtung.

In eigenen 1Nystagmus-Registrierungen haben wit die gleiche Beobachtung gemacht, deren Ursache zu diskutieren aber auSerhalb der bier behandelten Frage liege.

In tier Klinik sind die Corioliserregungen ein wichtiger StSrfaktor bei der Nystagrausregistrierung auf dera Drehstuhl, so da• bei dieser Untersuchung jede aktive Kopfbewegung w/~hrend der Drehung pein- liehst vermieden werden raul3.

Selbstverst/~ndlich unterliegen ira Vestibularisapparat nicht nur die Flfissigkeiten der Bogenggnge sondern auch die Massen der Otolithen- raerabranen den Coriohsbeschleunigungen. Aber wit sind leider nicht in der Lage, die Auswirkungen der Otolithenerregungen, die wahrschein- lich nur quant i ta t iv den Bogengangsnystagraus beeinflussen, zuverl/~ssig

* Igerrn Prof. Dr. F. ZSLnNEn zum 60. Geburtstag. ** Ac~a o~o-laryng. (Stockh.) 53, 218 (1961) und Suppl. 159, 113 (1961).

Arch. Ohr.-, l~as.-, u. Kehlk.-~eilk., 3Bd. 177 39

56~ HERMAI'~N I~]~EI'~ZEL :

zu erfassen. S u b j e k t i v di i r f te ihre Bete i l ig~ng in den besonders un- angenehmen Cor io l i s -Nausea-Sensa t ionen zum Ausd ruek kommen , wie sie auch bei der e lekt r i schen Er regung auf t re ten , die ebenfal ls die Oto- l i then bzw. deren Nerven mi te r regen .

F t i r den Otologen is t es r a t s am, sieh die Vorggnge in e infaehen Model lversuehen zu veransohaul ichen. Man k a n n sioh zu diesem Zwecke eines fliissigkeitsgefiill~en Glgs- oder P las t ikr inges yon e twa 20 cm bedienen, den man , selbst au f dem Drehs tuh l si~zend, an f seinen Kn ieen h/ilt . Der Beobach te r , dessen geni igend vorgebeug te r K o p f unbeweg t an einer Kopfs t t i t ze ruhen mug, wird mSgl ichst unterschwel l ig in eine Drehung m i t k o n s t a n t e r Drehgeschwindigke i t yon beispielsweise 90~ verse tz t . Die Versuehe bes tehen dar in , dab m a n mi t dem l~ing, e twa du tch radi/~res H o c h k l a p p e n in oder en tgegen der Drehrichgung, dureh t t o c h k l a p p e n zur Drehaehse hin oder yon der Drehachse weg und anderes mehr zus// tzliche Bewegungen ausfiiha% deren Auswi rkungen an den le icht s i eh tba ren Str6mungsvorg/~ngen der Ringfl i iss igkei t beobaeh te t werden. Vor te i lha f t i s t na t i i r l ieh ein e lektr isoher Drehs tuhl , aber die Versuche lassen sich mi t i iberzeugenden Ergebnissen aueh a u f e inem einfachen handbe t r i ebenen Drehs tuh l ausfi ihren, au f dem m a n nur die U n v o l l k o m m e n h e i t des ungerschwell igen Andrehens in K a u f nehmen

toni3.

Die Versuche werden w/~hrend der Drehung m i t kons t a n t e r Dreh- geschwindigkei t begonnen, sobald S t rSmungsruhe im Hohl r ing herrscht .

Ieh habe einen Plastikring aus glasklarem Material benutzt, der aus handels- fibliehen Plastiksehlaueh leieht herstellbar ist. Ein etwa 60 em langes Stiiek Plastik- sehlauch yon 2,5 em liehtem Durchmesser wird mit seinen Enden auf die Seiten- rohre eines metallisehen T-fSrmigen Hohlstutzens erttspreehendert Kalibers gesteckt. Der iibrigbleibende l~ohrstu~zert client als Einfiitlstutzen. Der t~ing wird mit einige~ I-Ialteklammern anf ein Brett entspreehender GrSBe montiert, um stSrenden Ver- formungen vorzubeugen. Er wird mit einem Wasser-Alkoholgemiseh gel/lilt, das dutch Waehskfige]ehen yon etwa 3 sam N markiert wird.

Die Waehskfigelehen wurden so gewonnen, dab in einem Porzellansehglehen gefgrbtes Abdruekwaehs fiber tier Bunsenflamme gesehmolzen und in eine fiber der Flamme angewgrmte Laboratorinmspiloet~e mit angesteektem Saugballon aufge- zogert wurde. Sodgrm wurden Waehstropfen aus der Pipette in ein Beeherglgs mit 960/0igem denaturierten Alkohol getropft, die hier sehnell zu Xiigelehert ers~arren und naeh voriibergehendem Verweilen an der Oberflgehe in die Tiefe sii~ken. Naeh der Herstellung einer genfigenden Zahl yon Waehskfigelehela wird dutch Hinzugabe yon Wasser das spezifisehe Gewieh~ der Flfissigkeit so eingestellt, dag die Kiigelehen, wenigstens in der Mehrzahl, schweben. Es empfielxl~ sieh, dutch mehrfaehes Sehlagen mit einem Glasst~behen etwaige kleinste Luftblgsehen an den Waehskfigetehen w~hrend der Einstellung des spezifisehen Gewichtes zu en~- fernen.

A u f Grund dieser Versuehe mug ich zun/iehst einen I r r t u m r ieht ig- stel len, der mi r in einer fr t iheren Arbe i t ~ un te r laufen ist.

Ein einfacher Drehstuhl-3~odellversuch 565

Ieh habe damals in einer Abhandlung fiber die Vestibularfunktionen in ihrer Bedeutung ffir das Fliegen bei der Ableitung der dutch Corioliskr/~fte entsgehenden FliissigkeitsstrSmungen in einem I-Iotflring = Bogengang gesagt: ,,Wenn d~gegen der Bogengang nieht naeh der Aehse zu, sondern seitlieh in der Drehriehtung hoch- geklappt wird" -- ngmlieh als Hohlringmodell auf einer Drehseheibe mit konstanter Drehgesehwindigkeit -- ,,so kann kein StrSmungseffekt zustandekommen, denn Mle Teilehen behMten ja in bezug auf dieDrehaehse die gleiehe Entfernung~ mithin die gleiche Lineargesehwindigkeit auf ihrer kreisf6rmigen Bahn."

])as ist abet falseh. Aueh werm mat~ eh~en horizon~aI auf eiaer Drehseheibe liegenden t~ing radigr

hochklappt, kommt es stets zur Verlagerung yon Massenteilen in bezug auf die Drehachse, sei es, dab man ihn fiber den Bogengangssehenkel also sozusagen fiber die Kante oder um eine dutch die Mitte des Bogengangs und dutch beide Schenkel verlaufende radi/~re Aehse hoehklappt. In beiden Fgllen l~gt sich in dem oben beschriebenen Versuch das Auftreten der StrSmungen leicht festsgellen. (Siehe Tabelle.)

Die in den geschilderten Versuchen auftretenden Sgr6mungsrichtungen entspreehen nun, bezogen auf den Itohlring, sbets der Richtung, in der Hohlring und Fliissigkeitsinhalt w/~hrend der Drehung ,,ira Raume ]cre~sen ".

Wenn in einem exzentrisch auf einer Drehscheibe mit konstanter Drehgeschwind/gke~t kreisenden fl~ssigkei~sgef~iI1 ~.en Hohlring die FItissig- keit nach der anNngliehen gemanenzsgrSmung die Ringgeschwindigkeit angenommen hat, so unterliegg sie in gleieher Weise wie der Hohlring einer Drehbewegung im Raum, die man als ,,Kreisen im Raum", be- zeiehnen kann.

Dieses ,,Nreisen im Raum" ist in seinem AusmaB unabh/~ngig yon der Entfernung des Ringes yon der Drehachse, so dal] zwischen zentri- scher und beliebig weir exzentriseher Drehung keine Untersehiede be- stehen. Stets mtissen Ring und Ringfliissigkeit in der Zeit einer Dreh- seheibenumdrehung auch um 360 ~ im Raum gekreist sein. Einfliisse der unterschiedlichen Zentrithgalkraft auf die Fliissigkeit, die im biologisehen Versueh Ms Erregu~gsfaktor der Otolithen yon Bedeutung sind, k6nnen hier als unwesentlich vernaehl~ssigt werden.

Welche Bewegung man nun mit dem in der Drehebene befindlichen Hohlring aus der Drehebene heraus auch ausfiihrt, es resultiert eine Strdmung, die diesem ,,Kreisen im Raum" in der Richtung entsprieht.

Man kann also die resultierenden StrSmungen aus der VorsteHung des ,,Kreisens im Raum" ableiten, ohne die sehwerer iibersehbaren Corioliskr/ifte dafiir in Anspruch nehmen zu miissen.

Wenn man dutch einen von beiden Ringseiten her siehtbaren Pfeil die Riehtung des ,,Kreisens im t~aum" bei Horizontallage am HohMng anzeiehnet oder sieh den Pfeil angezeiehnet vorstellt, so ist die Ableitung der jeweils resultierenden Str6mungsriehtung/~6ehst einfaeh.

39*

566 HERMA~N F~ENZnL:

Es bleibe iibrigens dahingestellt, ob es sieh bei den Str6mungsvorg~ngen aus- sehlie$1ieh um die Folge yon Corioliskr~ften handelt oder ob dabei noeh andere Trggheitskr~fte im Spiele sind. Die Corioliskraft ist j~ nur ein Sonderfall der TrggheitskI~ifte. ,,Einzelne yon ihnen haben aul~erdem noch Sondemamen (Zentri- fugalkraft, Corioliskraft) erh~lten", sehreibt Peril 2.

Wenn naeh einer Hohlringbewegung aus der Drehebene die Fliissig- keit zur Ruhe gekommen ist und nun der Hohlring wieder in seine horizontale Lage auf der Drehseheibe (oder auf den Knieen des Beob- achters auf dem Drehstuhl) zuriickgefiihrt wird, d. h. in die Drehebene wieder eingeschaltet wird, so entsteht stets eine Remanenzstr6mung, also ein Tr~ghe~tsverharren der Fliissigkeit im l%aum, so d~I~ sich z.B. w~hrend einer I)rehstuhl-Rechtsdrehnng bei Betrachtung des Ringes yon oben her eine l%elativstrSmung im IIohlring gegen den Uhrzeiger ergibt.

Man kann also in der Physik der Bogengangserregungen, soweit sie der Bildung yon Vorstellungen ffir die praktische Verwertung in der Otologie client, auf die Ableitung der StrSmungsvorg/inge aus den Rich- tungen und Gr6$en der angreifenden Corioliskr/~fte verzichten und sieh auf die oben dargelegten leicht vorstellbaren Ableitungen aus der Rich- tung des ,,Kreisens im Raum" und der Richtung der zum rotierenden System jeweils geh6renden Remanenzstr6mung verlassen. Letztere ist stets entgegen dem am Hohlring angezeichneten oder angezeichnet ge- dachten Pfeil geriehtet.

Die friiher 1 verwendete Formuherung : ,,Wenn wghrend der Drehung mit konstanter Gesehwindigkeit die Endolymphe in den Bogenggngen zur Ruhe gelangt ist, so kann dieser Zustand nieht nur dureh Anhalten, sondern aueh dadurch gegndert werden, dab dureh Kopfbewegungen wghrend der gleichmgBig fortgesetzten Drehung die im Beginn der Drehung erregten Bogenggnge aus der Drehebene ausgeschaltet bzw. andere Bogeng/~nge eingesehaltet werden" sei daher folgendermal~en ergiinzt: ,,Die StrSmungsrichtung in einem aus der Drehebene aus- geschalteten Bogengange entspricht stets der Richtung seines voran- gegangenen Kreisens im Raum, diejenige in einem aus behebiger Stellung in die Drehebene eingeschaltetden Bogengange stets der entgegengesetzten RemanenzstrSmung."

AbschlieBend seien die Ergebnisse nur einiger Versuche als Beispiele zusammengestellt. Dariiber hinaus haben wir die Versuehe in den ver- schiedensten anderen Kombinationen durchgefiihrt und stets das gleiche, in den obigen Regeln niedergelegte Ergebnis erhalten.

Versuche

Drehstuhl mit Beobachter, Drehung im Uhrzeigersinn (Rechts- drehung), unterschwelhg beschleunigt bis zur konstanten Geschwindig- keit yon 90~ Hohlring horizontal auf den Knieen. Versuehsbeginn

Ein einfaeher Drehs~uhl-Modellversueh 567

bei StrSmungsruhe innerhalb des ttohlringes. ,,Kreisert im I:r im Uhrzeigersitm.

Zwisehen allen Versuehen naeh Aufh6ren der StrSmungen im ttohl- ring Riicklagerung des Ringes in die Drehebene:

Stets Auftreten der RemanenzstrSmung gegen den Uhrzeiger.

Tabelle. Ringbewegungen um ]eweils 90 ~ aus der Horizontallage oder aus der Senkrechtstellung

Str6mungsrichtung in der Ar~ der t t ingbewegungen oberen Hohlringh~Ifte

1. Ring aus der Horizontallage, radi~r fiber dieKante in der Drehrieh~ung hoehgeklappt

2. Ring aus der Itorizontallage, radi~r fiber dieKante gegen die Drehrichtung hoehgeklaplot

3. Ring radi~r um eine radigre Mittelaehse in der Drehrieh~ung hochgeklappt

4. Ring radi~r um eine radiiire Mittelaehse gegen die Drehriehtung hoehgeklapp~

5. Ring fiber die Kante zur Aehse hoehgeklappt

6. Ring fiber die Kante yon der Achse weg hoehgeklappt

Zentrifugal

Zentripetal

Zentrifugal

Zentril~etal

In der Drehrichtung

Gegen die Drehrichtung

Ztlsammen~assung 1. Die Coriolisstr6mungen in Hohlringen (Bogeng~ngen), die bei zu-

s~tzlichen Bewegungen w~hrend einer Drehung mit konstanter Ge- sehwindigkeit auftreten, entsprechen in ihrer l~iehtung entweder der Riehtung des ,,Kreisens im l~aum", dem der Hohlring und sein Flfissig- keitsinhMt w~hrend der Drehung unterliegen, oder der Richtung der R e m a n e n z s t r S m u n g des rotierenden Systems.

2. HohMngbewegungen w~hrend einer Drehung mit konstanter Gesehwindigkeit stellen entweder ein teflweises oder vollst/~ndiges Aus- schMten a u s der Drehebene oder EinschMten i n d ie Drehebene dar (sofern es sich nieht um eine I-Iohlringbewegung in der Drehebene, in der l~ingebene oder parallel zur Drehachse handelt).

3. Fiir die besonderen Zwecke der Otologie ist es daher zweckm/~Big, das Auftreten und die l~ichtung yon Coriolisstr6mungen in den Bogen- g~ngen yon der Vorstellung der Richtung des ,,Kreisens im Raum" abzuleiten, wobei die Ansschaltung aus der Drehebene im Grunds~tz- lichen dem Effekt des Anhaltens aus der Drehung und das Einschalten dem Besehleunigungseffek~ der Andrehung (l~emanenzstr6mung) ent- spricht.

4. Die in Frage kommenden Str6mungsvorg/inge lassen sich auf ein- facile Weise auf jedem yon Hand bedienten Drehstuhl an einem HoM- ringmodell mit markiertem Fliissigkeitsinhalt darstellen.

568 I - I ~ A ~ F ~ z ~ 5 : Ein einfacher Drehstuhl-~Iodellversueh

Se lbs tve r s t~nd l i ch di i rfen die S t rSmungen im Hoh l r ing n i c h t e infach a u f die Bogengi inge i ibe r t r agen werden, in denen es sich aus Gr i inden der D imens ionen u n d der Viscos ib~ nu r urn min imale Druckdi f fe renzen bzw. F l f i s s igke i t sve rsch iebungen hande ln kann , die aber zu gesetzms ge r i ch te t en Cupu lade fo rma t ionen en t sp rechend den R ieh tungen der F l f i s s igke i t s s t r5mungen in den Hoh l r ingen eines Modelles fi ihren.

Literatur 1 F~E~Z~L, H. : Funktionen des Vestibularapparates in ihrer Bedeutung ffir das

Fliegen. Luftf~hr~medizinische Abhandlungen 1, 86 (1936/37). 2 Pon~, R. : Einffihrung in die Physik, Bd. I Meehanik, 13. Aufl: Berlin, GSttingen,

Heidelberg: Springer 1955. SChUBeRT, G. : Die physiologischen Auswirkungen der Coriolisbeschleunigungen

bei F]ugzeugsteuerung. Z. Hals-, Nas.- u. Ohrenheilk. 30, 595 (1932). 4 SCHUBERT, G. : La byrinthreizung dutch Zusatzbeschleunigung bei Einwirkung yon

Zentrifugal-Kraft. Pfliigers Arch. ges. Physiol. 238, 537 (1934). 5 ScnvB~RT, G.: Physiologie des Menschen im Flugzeug. Berlin: Springer 1935. 6 SCnVB]~RT, G. : Coriolis-Nyst~gmus. J. Avian. Med. 25, 257 (1954).

Prof. H. FaE~Z]~L, GSt~ingen, Geiststr. 1O