DE102007023059A1 - Miniaturized device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Gerät (1) mit einer Sonde (5) und mit einem ersten Sensor (S1), der eine erste Positionsinformation ermittelt, und mit einem zweiten Sensor (S2), der eine zweite Positionsinformation ermittelt, wobei der erste Sensor (S1) und der zweite Sensor (S2) voneinander unabhängig sind.The invention relates to a miniaturized device (1) with a probe (5) and with a first sensor (S1), which determines a first position information, and with a second sensor (S2), which determines a second position information, wherein the first sensor ( S1) and the second sensor (S2) are independent of each other.
Description
Die Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Gerät.The The invention relates to a miniaturized device.
Ein derartiges miniaturisiertes Gerät ist z. B. als technisches Endoskop (Hohlraumbetrachtungsgerät) ausgeführt und ermöglicht beispielsweise die technische Prüfung von schwer zugänglichen Hohlräumen oder Bauteilen bei Motoren, Maschinen und Fahrzeugen sowie Flugzeugen, Anlagen und Bauwerken, ohne hierfür aufwändige Demontage- oder Abrissarbeiten ausführen zu müssen.One Such miniaturized device is z. B. as a technical Endoscope (cavity viewing device) executed and allows, for example, the technical examination of hard-to-reach cavities or components in engines, machinery and vehicles as well as aircraft, plants and structures without the need for disassembly or to carry out demolition work.
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ist aus
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Der
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Das vorstehend beschriebene Problem stellt sich in besonderem Maße dann, wenn mit dem miniaturisierten medizinischen Gerät interventionelle Eingriffe vorgenommen werden sollen, beispielsweise Biopsien. Bei derartigen interventionellen Eingriffen ist es erforderlich, das miniaturisierte medizinische Gerät sehr exakt an einer bestimmten Position zu halten, wozu auch feine Auslenkungen exakt erfasst werden müssen.The The problem described above arises to a particular extent then, if with the miniaturized medical device interventional procedures, such as biopsies. In such interventional intervention, it is necessary the miniaturized medical device very precisely at one certain position, including fine deflections exactly must be recorded.
In
der
Das
System gemäß der der
Die eindeutige Beziehung zwischen der Position (Ort und Orientierung) der Sensorspule und der Anatomie des Patienten wird durch ein konventionelles Registrierverfahren hergestellt. Dabei werden vom Anwender anatomische Landmarken (Knochen, Organe) am Patienten angewählt, die in den die Messung unterstützenden anatomischen Aufnahmen unterschiedlicher Bildgebungsmodalitäten (z. B. Computertomografie, C-Bogen, Ultraschall, Magnetresonanztomografie) ebenso identifiziert werden können. Eine externe Navigations-Einheit verknüpft rechnerisch das Signal der kapselinternen Sensorspule mit dem durch die Registrierung definierten Koordinatensystem. Das diesem System zugrunde liegende Registrierverfahren ist aufgrund der notwendigen anatomischen Landmarken im Körper des Patienten relativ aufwändig. Darüber hinaus kann die theoretische Genauigkeit der Positionsbestimmung von ca. 1 mm in einem durch die Registrierung definierten Koordinatensystem praktisch nicht erreicht werden. Praktisch ist nur eine orientierende Genauigkeit (je nach Patient und Untersuchungsbereich) von einigen Zentimetern gegeben, da wegen der stets gegebenen Organbewegung eine zeitabhängige Abweichung zwischen der Anatomie zum Zeitpunkt der Registrierung und zum Zeitpunkt der aktuellen Sensorspulenmessung besteht.The unique relationship between the position (location and orientation) of the sensor coil and the anatomy of the patient is established by a conventional registration procedure. It will be The user selects anatomical landmarks (bones, organs) on the patient, which can also be identified in the anatomical images of different imaging modalities that support the measurement (eg computer tomography, C-arm, ultrasound, magnetic resonance tomography). An external navigation unit computationally links the signal of the capsule-internal sensor coil with the coordinate system defined by the registration. The registration method on which this system is based is relatively complicated because of the necessary anatomical landmarks in the body of the patient. In addition, the theoretical accuracy of the position determination of about 1 mm in a coordinate system defined by the registry can not be practically achieved. Practically, only an orienting accuracy (depending on the patient and examination area) of a few centimeters is given because there is a time-dependent deviation between the anatomy at the time of registration and the time of the current sensor coil measurement because of the always given organ movement.
Die
- 1. Vorgabe eines Sollwertes für eine Bewegung des Endroboters an das Magnetfeld-Regelsystem,
- 2. Aufnahme eines ersten Bildes von einem Zielgebiet vor der Bewegung des Endroboters,
- 3. Einstellung des Magnetfeldes durch das Magnetfeld-Regelsystem, wodurch die Bewegung des Endroboters entsprechend dem Sollwert ausgeführt wird,
- 4. Aufnahme eines zweiten Bildes von dem Zielgebiet nach der Bewegung des Endroboters,
- 5. Bestimmung eines Istwertes für die Bewegung des Endroboters aus dem ersten und dem zweiten Bild,
- 6. Ermittlung der Abweichung des Istwertes von einem durch das Magnetfeld-Regelsystem vorgebbaren Sollwert,
- 7. Rückmeldung der Abweichung an das Magnetfeld-Regelsystem,
- 8. Berechnung eines optimierten Magnetfeldes aus der Abweichung.
- 1. Specification of a desired value for a movement of the end robot to the magnetic field control system,
- 2. taking a first image of a target area before moving the end robot,
- 3. adjustment of the magnetic field by the magnetic field control system, whereby the movement of the end robot is carried out according to the target value,
- 4. taking a second image of the target area after the movement of the end robot,
- 5. determination of an actual value for the movement of the end robot from the first and the second image,
- 6. determination of the deviation of the actual value from a setpoint that can be predetermined by the magnetic field control system,
- 7. feedback of the deviation to the magnetic field control system,
- 8. Calculation of an optimized magnetic field from the deviation.
Dieses Verfahren führt nur eine relative und damit nicht besonders genaue Positionsbestimmung für den Endoroboter aus zwei aufgenommenen Bildern durch, nämlich aus einem ersten Bild von einem Zielgebiet vor der Bewegung des Endoroboters und aus einem zweiten Bild von diesem Zielgebiet nach der Bewegung des Endoroboters.This Procedure only performs a relative and therefore not particularly exact position determination for the endorobot of two recorded images, namely from a first image from a target area before the movement of the endorobot and from one second picture of this target area after the movement of the endorobot.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein miniaturisiertes Gerät zu schaffen, dessen Sonde in ihrer Position exakt bestimmbar ist.task The present invention is a miniaturized device to create whose probe is accurately determined in their position.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein miniaturisiertes Gerät gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.The The object is achieved by a miniaturized Device solved according to claim 1. advantageous Embodiments of the invention are each the subject of further Claims.
Das miniaturisierte Gerät nach Anspruch 1 umfasst eine Sonde und einen ersten Sensor, der eine erste Positionsinformation ermittelt, sowie einen zweiten Sensor, der eine zweite Positionsinformation ermittelt, wobei der erste Sensor und der zweite Sensor voneinander unabhängig sind.The The miniaturized device according to claim 1 comprises a probe and a first sensor that determines a first position information, and a second sensor, which determines a second position information, wherein the first sensor and the second sensor are independent of one another are.
Bei dem miniaturisierten Gerät gemäß der Erfindung ist von zwei unabhängigen Sensoren jeweils eine Positionsinformation ermittelbar. Aus diesen beiden unabhängig voneinander ermittelten Positionsinformationen ist dann die genaue Position der Sonde bestimmbar.at the miniaturized device according to the invention is from two independent sensors each position information determined. From these two independently determined Position information is then the exact position of the probe determined.
Die beiden unabhängigen Sensoren können räumlich an verschiedenen Stellen sowohl innerhalb des miniaturisierten Gerätes als auch an der Außenseite oder in der Außenwand des miniaturisierten Gerätes angeordnet sein, wobei innerhalb des miniaturisierten Gerätes angeordnete Sensoren die bevorzugte Variante darstellt.The two independent sensors can be spatially in different places both within the miniaturized device as well as on the outside or in the outside wall be arranged in the miniaturized device, wherein within the miniaturized device arranged sensors the preferred Variant represents.
Im Rahmen der Erfindung kann es sich bei dem miniaturisierten Gerät beispielsweise um ein technisches Gerät, beispielsweise technisches Endoskop, oder um ein medizinisches Gerät, z. B. Endoskop, Endoskopiekapsel oder Endoroboter, handeln. Eine Endoskopiekapsel wird passiv, also nach ihrer Einnahme allein aufgrund der Peristaltik durch den Magen-Darm-Trakt befördert. Demgegenüber handelt es sich bei einem Endoroboter um ein miniaturisiertes medizinisches Gerät, das über ein internes Magnetelement mittels eines externen Magnetfeldes aktiv navigierbar ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist somit unter dem Begriff "Endoroboter" eine magnetische Endoskopiekapsel zu verstehen, die auch als magnetisches Kapselendoskop bezeichnet wird.in the The scope of the invention may be the miniaturized device for example, a technical device, for example technical endoscope, or a medical device, z. As endoscope, endoscopy capsule or Endoroboter act. A Endoscopy capsule becomes passive, ie after taking it alone due peristalsis through the gastrointestinal tract. In contrast, acts an endo robot is a miniaturized medical one Device that uses an internal magnetic element via an external magnetic field is actively navigable. At the present Invention is thus under the term "Endoroboter" a magnetic To understand endoscopy capsule, also called magnetic capsule endoscope referred to as.
Bei dem miniaturisierten Gerät umfasst die erste Positionsinformation vorzugsweise eine Information über den Ort der Son de (Angabe z. B. in kartesischen Koordinaten) und die zweite Positionsinformation vorzugsweise eine Information über den Raumwinkel der Sonde (Orientierung im 3D-Raum). Mit dem Ort der Sonde und dem Raumwinkel der Sonde an diesem Ort liegt eine vollständige Information über die Position der Sonde vor.at The miniaturized device includes the first position information preferably information about the location of the Son de (information z. In Cartesian coordinates) and the second position information preferably information about the solid angle of the probe (Orientation in 3D space). With the location of the probe and the solid angle the probe at this location has complete information about the position of the probe in front.
Im Rahmen der Erfindung können der erste Sensor und der zweite Sensor nach demselben physikalischen Prinzip detektieren. Weiterhin umfasst die Erfindung auch Ausgestaltungen, bei denen der erste Sensor und der zweite Sensor nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien detektieren.in the Under the invention, the first sensor and the second Detect sensor according to the same physical principle. Farther The invention also includes embodiments in which the first sensor and the second sensor according to different physical principles detect.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des miniaturisierten Gerätes ist der erste Sensor als 3D-Hallsensor und der zweite Sensor als 3D-Gravitationsrichtungssensor ausgebildet.According to one preferred embodiment of the miniaturized device is the first sensor as a 3D Hall sensor and the second sensor as 3D gravity direction sensor formed.
Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen miniaturisierten Gerätes misst der 3D-Hallsensor (erster Sensor) die Flussdichte eines magnetischen Grundfeldes, das benutzt wird, um mit der bekannten Amplitude des magnetischen Flusses den Ort der Sonde (erste Positionsinformation) in einem Hohlraum (z. B. in einem Hohlorgan eines Säugetiers oder in einem Hohlraum einer Anlage) zu bestimmen. Der 3D-Gravitationsrichtungssensor (zweiter Sensor) misst hierbei relativ zu einer bezüglich der Sonde feststehenden Achse (z. B. Längs-, Quer- oder Hochachse) die Richtung der Gravitation, wodurch der Raumwinkel der Sonde (zweite Positionsinformation) ermittelbar ist.at this embodiment of the invention miniaturized device measures the 3D Hall sensor (first Sensor) the flux density of a basic magnetic field that uses is to use the known amplitude of the magnetic flux the place the probe (first position information) in a cavity (e.g. in a hollow organ of a mammal or in a cavity a plant). The 3D gravitational direction sensor (second Sensor) measures relative to a fixed with respect to the probe Axis (eg longitudinal, transverse or vertical axis) the direction of gravity, whereby the solid angle of the probe (second position information) can be determined is.
Der 3D-Gravitationsrichtungssensor kann hierbei verschiedene Ausgestaltungen aufweisen.Of the 3D gravitational direction sensor can in this case various configurations exhibit.
So kann der 3D-Gravitationsrichtungssensor wenigstens eine Hohlkugel mit einer darin frei beweglichen und optisch detektierbaren Flüssigkeit und wenigstens einen optischen Detektor zur Erfassung der Lage der optisch detektierbaren Flüssigkeit umfassen.So For example, the 3D gravity direction sensor may include at least one hollow sphere with a freely movable and optically detectable liquid and at least one optical detector for detecting the position of comprise optically detectable liquid.
Weiterhin ist es möglich, den 3D-Gravitationsrichtungssensor als Beschleunigungssensor auszuführen.Furthermore, it is possible to 3D Gravitati onsrichtungssensor perform as an acceleration sensor.
Gemäß einer weiteren Variante umfasst der 3D-Gravitationsrichtungssensor wenigstens ein mechanisches Element, bei dem unter dem Einfluss der Gravitation eine Verformung auftritt, die detektierbar ist.According to one In another variant, the 3D gravity direction sensor comprises at least a mechanical element under the influence of gravity a deformation occurs that is detectable.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung berechnet der 3D-Gravitationsrichtungssensor seine benötigten Informationen aus Daten eines analytischen Modells und/oder ermittelt seine benötigten Informationen aus einer punktuellen Erfassung von Amplitude und Flussdichte eines magnetischen Grundfeldes.To In another advantageous embodiment, the 3D gravity direction sensor calculates its required information from data of an analytical model and / or determine its required information from a selective detection of amplitude and flux density of a magnetic field.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform des miniaturisierten
Gerätes ist der erste Sensor als 3D-Hallsensor und der
zweite Sensor als Gyroskop ausgebildet. Die Anordnung eines Gyroskops
in einem miniaturisierten medizinischen Gerät, das vorzugsweise
als Endoskopiekapsel oder als Endoroboter ausgebildet ist, ist aus
der
Das Gyroskop liefert bei dem miniaturisierten Gerät Informationen über Änderungen des Raumwinkels der Sonde (zweite Positionsinformation). Aufgrund der genauen Positionsbestimmung können bei einer Endoskopiekapsel, die ausschließlich durch die Peristaltik bewegt wird, dadurch Bewegungen im Magen und im Darm bzw. ausbleibende Bewegungen im Magen-Darm-Trakt zuverlässig erkannt werden. Damit sind zum Beispiel Diarrhö, Obstipation, Obstruktion oder Obturation zuverlässig detektierbar. Die vom Gyroskop hierbei erfassten Informationen können z. B. in wenigstens einer geräteinternen Speichereinheit erbgespeichert und/oder über wenigstens eine geräteinter ne Sendeeinheit an eine geräteexterne Auswerteeinheit übermittelt werden.The Gyroscope provides information on changes to the miniaturized device the solid angle of the probe (second position information). by virtue of exact positioning can be done with an endoscopy capsule, which is moved solely by peristalsis Movements in the stomach and intestine or lack of movement in the gastrointestinal tract be reliably recognized. For example, diarrhea, Constipation, obstruction or obturation reliably detectable. The information collected by the gyroscope here can z. B. in at least one device-internal storage unit erbespeichert and / or at least one deviceinter ne Sending unit transmitted to a device external evaluation become.
Bei einem Endoroboter, der über ein externes Magnetfeld navigierbar ist, können durch die vom Gyroskop erfassten Rotationen oder kleinen Translationen zusätzlich die Erfassung der absoluten Position im Magen-Darm-Trakt dienen, wodurch eine möglicherweise erforderliche Lagekorrektur noch genauer durchführbar ist. Insbesondere wenn der Endoroboter im externen Magnetfeld frei schwebend gehalten werden soll, ohne zu "wackeln", kann die ständige Stabilisierung, welche die Anwendung von Korrekturkräften erforderlich macht, wesentlich genauer durchgeführt werden.at an endo robot that navigates through an external magnetic field can be detected by the rotations detected by the gyroscope or small translations additionally capturing the absolute position in the gastrointestinal tract, which may cause one required position correction is even more accurate feasible. Especially if the endorobot levitates in the external magnetic field can be kept without "wiggling", the permanent Stabilization, which is the application of corrective forces required to be performed much more accurately.
Die Informationen des Gyroskops werden also genutzt, um die Lage des miniaturisierten medizinischen Gerätes zu korrigieren. Dies kann entweder im miniaturisierten medizinischen Gerät selbst erfolgen, wenn dieses über interne Möglichkeiten (eigener Antrieb) zur Lagekorrektur verfügt. Alternativ dazu kann die Lage des miniaturisierten medizinischen Gerätes extern, beispielsweise über ein externes Magnetfeld, das von einem Navigationsmagneten erzeugt wird, korrigiert werden.The Information from the gyroscope are thus used to determine the location of the miniaturized medical device to correct. This can be done either in the miniaturized medical device even if this is about internal possibilities (own drive) for the position correction has. Alternatively can the location of the miniaturized medical device externally, for example via an external magnetic field, the is generated by a navigation magnet can be corrected.
Unabhängig davon, ob die Bewegung des miniaturisierten medizinischen Gerätes durch die Peristaltik des Magen-Darm-Traktes (Endoskopiekapsel) oder durch eine manuelle Bewegung (Endoskop) oder durch einen geräteinternen Antrieb oder durch ein geräteexternes Magnetfeld (Endoroboter) erfolgt, kann die Positionsänderung durch ein geeignetes visuelles und/oder akustisches Signal angezeigt werden. Wird die Bewegung des miniaturisierten medizinischen Gerätes von einer Bedienperson veranlasst, dann kann diese entsprechende Korrekturbewegungen des miniaturisierten medizinischen Gerätes veranlassen.Independently of it, whether the movement of the miniaturized medical device through the peristalsis of the gastrointestinal tract (endoscopy capsule) or by a manual movement (endoscope) or by an internal device Drive or by a device external magnetic field (Endoroboter) takes place, the position change by a suitable visual and / or acoustic signal are displayed. Will the Movement of the miniaturized medical device of causes an operator, then this can correct corrections of the miniaturized medical device.
Das vorzugsweise dreiachsige Gyroskop kann beispielsweise als Kreiselgyroskop, als CVG (Coriolis Vibratory Gyroscope) oder als optisches Gyroskop, z. B. Lasergyroskop, ausgeführt sein.The preferably three-axis gyroscope, for example, as a gyro gyroscope, as CVG (Coriolis Vibratory Gyroscope) or as optical gyroscope, z. B. laser gyroscope.
Bei einem Lasergyroskop wird ein Laserstrahl über eine Spiegelanordnung in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, die beide einen Ring durchlaufen und von einem Detektor erfasst werden. Bei einer Rotation des Systems ändern sich die Weglängen der beiden Teilstrahlen bis zum Detektor, wodurch es zu einer Phasenverschiebung der beiden Teilstrahlen relativ zueinander kommt ("Sagnac-Effect"). Aus dieser Phasenverschiebung lässt sich die Rotationsgeschwindigkeit des Gyroskops und daraus wiederum der Raumwinkel der Sonde bestimmen.at a laser gyroscope becomes a laser beam via a mirror arrangement divided into two sub-beams, both of which go through a ring and be detected by a detector. Change during a rotation of the system the path lengths of the two partial beams to the detector, causing a phase shift of the two partial beams relative comes to each other ("Sagnac Effect"). From this phase shift lets the rotation speed of the gyroscope and this in turn determines the solid angle of the probe.
Derartige miniaturisierte Gyroskope lassen sich beispielsweise als MEMS (Mikro-elektro-mechanische Systeme) realisieren. So befasst sich das SIGEM-Projekt mit der Herstellung von Gyroskopen auf der Oberfläche von konventionellen CMOS-Chips. Damit kann zukünftig die Gyroskop-Funktionalität in die ohnehin vorhandene Elektronik (z. B. für die Bildverarbeitung) integriert werden.such Miniaturized gyroscopes can be described, for example, as MEMS (micro-electro-mechanical Systems). This is how the SIGEM project deals with the Production of gyroscopes on the surface of conventional CMOS chips. This may in future be the gyroscope functionality into the already existing electronics (eg for image processing) to get integrated.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des miniaturisierten Gerätes sind der erste Sensor und der zweite Sensor jeweils als 3D-Hallsensor ausgebildet, wobei die beiden voneinander unabhängigen 3D-Hallsensoren räumlich an verschiedenen Stellen des miniaturisierten Gerätes angeordnet sind. Die beiden 3D-Hallsensoren erfassen dadurch zusätzlich zum 3D-Magnetfluss (Flussdichte eines magnetischen Grundfeldes), aus dem die erste Positionsinformation ermittelt wird, auch den 3D-Magnetflussgradienten, aus dem die zweite Positionsinformation ermittelt wird.According to a likewise preferred embodiment of the miniaturized device, the first sensor and the second sensor are each designed as a 3D Hall sensor, wherein the two independent 3D Hall sensors are arranged spatially at different locations of the miniaturized device. In addition to the 3D magnetic flux (flux density of a magnetic basic field) from which the first position information is determined, the two 3D Hall sensors also detect the 3D dimension gnetflussgradienten, from which the second position information is determined.
Nachfolgend ist ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel eines miniaturisierten Gerätes gemäß der Erfindung in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die einzige Figur zeigt das miniaturisierte Gerät, das als Endoroboter ausgeführt ist, in einem Längsschnitt.following is a schematically illustrated embodiment of a miniaturized device according to the invention explained in detail in the drawing, but without to be limited to it. The only figure shows that miniaturized device that runs as an endo robot is, in a longitudinal section.
In
der Zeichnung ist mit
Der
Endoroboter
Zur magnetischen Navigation eines Endoroboters sind typischerweise magnetische Flussdichten von bis zu 100 mT sowie Magnetfeldgradienten von bis zu 400 mT/m notwendig. Die Werte der Flussdichtegradienten liegen derzeit ungefähr um einen Faktor 10 über den typischen Werten für eine Magnetresonanztomografieanlage.to Magnetic navigation of an endo robot are typically magnetic Flux densities of up to 100 mT and magnetic field gradients from to to 400 mT / m necessary. The values of the flux density gradients are currently about a factor of 10 above the typical Values for a magnetic resonance imaging system.
Der
Endoroboter
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der der erste Sensor S1 als 3D-Hallsensor und der zweite Sensor S2 als 3D-Gravitationsrichtungssensor ausgebildet.in the illustrated embodiment, the first sensor S1 formed as a 3D Hall sensor and the second sensor S2 as a 3D gravity direction sensor.
Bei
dieser Ausführungsform des Endoroboters
Der
3D-Gravitationsrichtungssensor S2 misst relativ zu einer bezüglich
der Sonde feststehenden Achse (beispielsweise Längs-, Quer-
oder Hochachse) die Richtung der Gravitation, wodurch der Raumwinkel
des Endoroboters
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der 3D-Gravitationsrichtungssensor
S2 wenigstens ein mechanisches Element
Der
in
Im Rahmen der Erfindung können alternativ oder zusätzlich auch andere Sensoreinrichtungen, so z. B. Sensoreinrichtungen, die einen pH-Sensor, einen Drucksensor oder einen Sensor zur Erfassung der Elektrolyt-Konzentration aufweisen, vorhanden sein.in the Framework of the invention may alternatively or additionally Other sensor devices, such. B. sensor devices that a pH sensor, a pressure sensor or a sensor for detecting the Electrolyte concentration, be present.
Die
von der Sensoreinrichtung
Bei
der gezeigten Ausführungsform werden über die
Antenne
Der
Datenaustausch innerhalb des Endoroboters
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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