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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen und Entfernen von schädlichem Gewebe mit mindestens einer Laserstrahlquelle zum Entfernen bzw. Schneiden des schädlichen Gewebes.
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Um Patienten mit einer Krebserkrankung einer richtigen Behandlung zu unterziehen, müssen Ärzte Krebszellen bzw. deren Art identifizieren. Bisher geschieht dies in der Weise, dass der Pathologe anhand einer entnommenen Gewebeprobe unter dem Mikroskop die Größe, Form und Farbe der Zellen untersucht. Handelt es sich um eine Gruppe von Krebsarten deren Zellbeschaffenheit sich ähnelt, verwendet der Pathologe Proteinmarker, d. h. Sensibilisatoren zur Identifikation. Ein solcher Vorgang ist jedoch langwierig, d. h. eine Diagnose ist erst nach einem zeitaufwändigen Verfahren erreichbar.
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In einer Mitteilung vom 11.06.2001 von heise online, www.heise.de/newsticker/meldung wird beschrieben, dass ein von niederländischen Wissenschaftlern am Erasmus Medial Center in Rotterdam entwickeltes Skalpell während der Operation überwacht, ob der Chirurg an gesundem Gewebe oder an Krebszellen schneidet, wodurch ihm so eine vollständige Entfernung eines Tumors erleichtert wird. Das Messer ist mit einer nur millimetergroßen Glasfasersonde ausgestattet, die einen Laserstrahl auf das Gewebe sendet, ein optischer Sensor fängt das zurückgeworfene Licht wieder auf. Um anhand des reflektierten Lichts gesunde und kranke Zellen voneinander unterscheiden zu können, bedienen sich die Wissenschaftler der sogenannten Raman-Spektroskopie: verschiedene Arten von lebendem Gewebe besitzen ein charakteristisches Raman-Spektrum, das quasi dem Fingerabdruck der molekularen Zusammensetzung des jeweiligen Gewebes entspricht. Die verschiedenen Spektra wurden zuvor in einer Computerdatenbank gespeichert.
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Während der Chirurg im Gewebe schneidet, vermisst der am Skalpell angebrachte optische Sensor das Raman-Spektrum und vergleicht dieses mit den verschiedenen anderen Spektra in der Datenbank, um zu erkennen, ob es sich um eine kanzerogene Zelle handelt oder nicht.
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Das Entfernen von kranken Zellen ist dabei einer subjektiven Einschätzung des Chirurgen unterworfen. Manche Chirurgen entfernen zu viel gesundes Gewebe und manche entfernen zu wenig erkranktes Gewebe.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erfassen und Entfernen von schädlichem Gewebe zu schaffen, die eine verbesserte Möglichkeit zum Erkennen und Schneiden von krankem Gewebe liefert und die Notwendigkeit der subjektiven Beurteilung des Chirurgen verringert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
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Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Gemäß der Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Erfassen und Entfernen von schädlichem Gewebe mindestens eine Laserstrahlquelle, ein Detektormodul mit mehreren ersten und zweiten Detektoren zum Detektieren einer vom Gewebe beeinflussten Strahlung, mindestens eine Beleuchtungsquelle, eine Steuervorrichtung für eine Laserstrahlquelle und eine Auswertevorrichtung, wobei mindestens die Laserstrahlquelle und die Detektoren des Detektormoduls mit Lichtwellenleitern verbunden sind, die jeweils an ihren der Laserstrahlquelle oder den Detektoren entgegengesetzten Enden in einem Handhabungskopf zusammengefasst und befestigt sind, und in dem Kopf die zu den ersten Detektoren führenden Lichtwellenleiter mit einem vorgegebenen Abstand zu den Lichtwellenleitern angeordnet sind, die zu den zweiten Detektoren führen und wobei die Detektoren mit der Auswertevorrichtung verbunden sind zur Auswertung der von den Detektoren gelieferten Signalen nach schädlichem oder gesundem Gewebe und die Steuervorrichtung ausgebildet ist, die Laserstrahlquelle abhängig von dem Ergebnis der Auswertung der Detektorsignale anzusteuern oder die Ansteuerung zu ändern.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit möglich, gleichzeitig eine Unterscheidung zwischen krankem und gesundem Gewebe durch Detektion von kranken Gewebezellen und eine Regelung bzw. Steuerung der Laserstrahlquelle zum Entfernen von krankem Gewebe vorzunehmen und durch die Anordnung der Detektoren bzw. der den Detektoren zugeordneten Lichtwellenleiter in dem Handhabungskopf sowie durch die Life-Überwachung von erkranktem Gewebe wird die subjektive Beurteilung des Chirurgen hinfällig und erleichtert erheblich den chirurgischen Eingriff. Es wird nur noch erkranktes Gewebe bzw. gesundes Gewebe in einem definierten und notwendigen Maß zur erkrankten Zelle entfernt. Die Größe des Handhabungskopfes bzw. seiner Stirnfläche und der Abstand zwischen Lichtwellenleiter der ersten und zweiten Detektoren sowie die Anordnung des Lichtwellenleiters der Laserstrahlquelle, die insgesamt den Schneid- bzw. Sicherheitsabstand zu detektiertem krankem Gewebe vorgeben, ist von der Größe des zu operierenden Krebses bzw. von der Größe der Krebszellen abhängig. Das bedeutet, dass gegebenenfalls Handhabungsköpfe unterschiedlicher Größe für schädliches Gewebe unterschiedlicher Größe vorgesehen werden. Der kleinste zu operierende Krebs ist beispielsweise ca. 1 mm groß.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Lichtwellenleiter der ersten und zweiten Detektoren im Handhabungskopf so angeordnet, dass sie eine innere und eine äußere geschlossene oder offene Anordnung bilden, vorzugsweise auf einem inneren und einem äußeren Kreis liegen, wobei zwischen der inneren und der äußeren Anordnung bzw. dem inneren und dem äußeren Kreis der vorgegebene Abstand gegeben ist. Wenn hier von innerer und äußerer geschlossener oder offener Anordnung sowie von Kreisen oder Linien in Bezug auf die Lichtwellenleiter gesprochen wird, so beziehen sich diese Ausdrücke auf die Lichteintritts- oder Austrittsflächen der Lichtwellenleiter, d. h. auf die Stirnfläche des Handhabungskopfes.
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In einem Ausführungsbeispiel hat der Lichtwellenleiter der Laserstrahlquelle eine feste räumliche Zuordnung zu den Lichtwellenleitern der ersten und/oder zweiten Detektoren, vorzugsweise ist der Lichtwellenleiter der Laserstrahlquelle innerhalb der inneren Anordnung, noch bevorzugter mittig innerhalb des inneren Kreises vom Lichtwellenleiter angeordnet.
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Für den Handhabungskopf und die Anordnung der Lichtwellenleiter in dem Handhabungskopf sind neben den schon erwähnten unterschiedliche Möglichkeiten denkbar, beispielsweise können die Austrittsflächen der Lichtwellenleiter der ersten Detektoren und der zweiten Detektoren in geraden oder gekrümmten Linien oder Reihen, die vorzugsweise parallel angeordnet sind, ausgebildet sein und der Lichtwellenleiter der Laserstrahlquelle bzw. dessen Austrittsfläche ist dann räumlich bzw. örtlich diesen Reihen oder Linien fest zugeordnet. Eine andere, oben erwähnte Möglichkeit liegt darin, dass die jeweiligen Austrittsflächen einen Ring bilden, der offen oder geschlossen sein kann, vorzugsweise geschlossen und vorzugsweise liegen die Lichtwellenleiter in diesen Ringen dicht nebeneinander. Es ist jedoch auch denkbar, dass sie einen Abstand zueinander innerhalb des Ringes, der auch konstruktiv bedingt sein kann, aufweisen können. Dabei können die Ringe von unterschiedlicher Form sein, z. B. oval bzw. elliptisch, mehreckig oder rund. Vorzugsweise liegt der Lichtwellenleiter für die Laserstrahlquelle im Inneren des Innenrings der Lichtwellenleiter zu den Detektoren. Im besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Lichtwellenleiter mittig in einem Kreis angeordnet und wird von einem inneren Ring von Lichtwellenleitern zu den zweiten Detektoren umgeben, wobei mit Abstand zu dem inneren Ring von Lichtwellenleitern der äußere Ring von Lichtwellenleitern zu den ersten Detektoren liegen.
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Durch die beschriebene Anordnung kann ein schädliches Gewebe sicher erkannt und entfernt werden und es kann dabei zum einen die Schneidrichtung, gegebenenfalls unter Heranziehung einer Positionsmarke, bestimmt werden und zum anderen ist durch die genannte Anordnung der Schnittabstand. zu einem erkannten schädlichen Gewebe bestimmbar.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Detektoren ausgebildet, eine von der mindestens einen Beleuchtungsquelle oder einer Anregungsstrahlquelle angeregte Fluoreszenz des Gewebes und/oder unterschiedliche Farben einer von der mindestens einen Beleuchtungsquelle hervorgerufenen und vom Gewebe reflektierten Strahlung zu erfassen. Auf diese Weise kann eine Auswertung der organischen Oberfläche über die Detektion der Fluoreszenz und über die Farbmessung und/oder über Fluoreszenz, Farbmessung und gegebenenfalls spektralselektive Raman-Analyse durchgeführt werden. Üblicherweise erfassen die Fluoreszenz- und Farbdetektoren Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und im nahen UV- und/oder IR-Bereich, für die Raman-Analyse sind spezielle Raman-Detektoren, in der Regel mit größeren Wellenlängen erforderlich.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die Laserstrahl quelle gleichzeitig als Beleuchtungsquelle und/oder Anregungsstrahlquelle ausgebildet sein und/oder es können mehrere Beleuchtungsquellen vorgesehen sein. Dabei kann der im inneren Ring der Detektorlichtwellenleiter liegende Lichtwellenleiter auch mehrere Fasern haben, wobei eine Faser mit einer Weißlichtquelle, eine Faser mit einer Fluoreszenzanregungsquelle und eine Faser als Laserschneidfaser verwendet werden. Als Beleuchtungsquellen können auch LEDs vorgesehen sein, die in der Stirnfläche des Handhabungskopfes angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist die Laserstrahlquelle derart ausgebildet, dass sie eine Strahlung mit unterschiedlichen Intensitäten erzeugen kann, die die Intensität zum Schneiden des schädlichen Gewebes einschließt. Auf diese Weise kann die Laserstrahlquelle, wie schon beschrieben, zu unterschiedlichen Zwecken verwendet werden und von der Steuerung entsprechend angesteuert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Handhabungskopf eine Positionsmarke auf, wodurch die Bestimmung der Schneidrichtung erleichtert wird.
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Wie schon erwähnt, ist durch den Abstand der Lichtwellenleiter der ersten und zweiten Detektoren und der festen Zuordnung der Laserstrahlquelle ein Schneidabstand zu einem detektierten schädlichen Gewebe vorgebbar und/oder ist abhängig von der Richtung der Erfassung des schädlichen Gewebes und der Positionsmarke eine Schneidrichtung vorgebbar.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind an oder in dem Handhabungskopf Optikelemente zum Ausrichten der Akzeptanzwinkel der Detektoren und/oder des Abstrahlkegels der Laserstrahlung und/oder der Strahlung von der mindestens einen Beleuchtungsquelle angeordnet. Auf diese Weise können Einfallswinkel und Abstrahlwinkel auf die Schneidvorgänge und die Erkennungsvorgänge angepasst werden.
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Das Detektormodul mit den Detektoren kann aus Fotodioden mit entsprechenden Lichtleitfasern, aus Multicolor-Detektoren mit Faserbündeln, als Liniendetektor (z. B. Mikrospektrometer) ausgebildet sein oder aus einer Detektormatrix bestehen.
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Durch zunehmend leistungsstarke Diodenlaser ist ein erheblicher Miniaturisierungsgrad des Gesamtsystems mit Handhabungskopf möglich. Es sind Abmessungen für den Handhabungskopf, d. h. für dessen Durchmesser bzw. Kantenabstand der Stirnfläche im Millimeterbereich möglich, z. B. 5–10 mm für den Durchmesser.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine perspektivische Ansicht eines Handhabungskopfes der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine Ansicht auf die Stirnfläche des Handhabungskopfes und einen Schnitt gemäß der Schnittlinie B-B durch den Handhabungskopf,
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3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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4 eine Darstellung des zeitlichen Ablaufs bei der Detektion von schädlichem Gewebe.
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In den 1 und 2 ist ein Handhabungskopf dargestellt, wie er in einer Vorrichtung zum Erfassen und Entfernen von schädlichem Gewebe nach 3 verwendet wird. Der Handhabungskopf fasst eine Vielzahl von Lichtwellenleitern oder Fasern zusammen, die auf der Stirnfläche des Handhabungskopfes 1 enden und die einerseits gemäß 3 mit einem Detektormodul 2 und einem Lasermodul 3 verbunden sind. Das Detektormodul 2 weist eine Vielzahl von Detektoren a1 bis an und i1 bis i8 im Ausführungsbeispiel auf, wobei die Detektoren a1 bis an mit Lichtwellenleitern 5 verbunden sind, die in dem Handhabungs- oder Sensorkopf 1 einen äußeren Zylinderring bilden und deren Einstrahlenden in der Stirnfläche einen äußeren Ring 5 bilden Die den Detektoren i1 bis i8 zugeordneten Lichtwellenleiter enden in einem inneren Ring 6, um den Mittelpunkt der in 2a) gezeigten kreisförmigen Stirnfläche.
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Ein weiterer Lichtwellenleiter 7 ist zwischen dem Lasermodul 3 und der Stirnfläche des Handhabungskopfes 1 angeordnet, wobei er mittig im inneren Ring 6 liegt und von diesem umgriffen wird. Wie aus 2a) und 1 zu erkennen ist, sind zwischen innerem Lichtwellenleiterring 6 und äußerem Lichtwellenleiterring 5 vier Beleuchtungsquellen 8 vorgesehen, die von LEDs gebildet werden und vorzugsweise direkt in dem Handhabungskopf 1 angeordnet sind, wobei aber auch hier Lichtwellenleiter verwendet werden können.
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Wie in 2b) zu erkennen ist, enden die Lichtwellenleiter des äußeren Ringes 5 an einer ringförmigen Kerbvertiefung 9, wodurch die Eintrittsflächen für die zu detektierende Strahlung schräg geneigt ist. Mit 10 ist der Akzeptanzwinkel des Faseraußenrings 5 angedeutet. Der Lichtwellenleiter 7 für die Laserquelle bzw. das Lasermodul 3 ist mittig angeordnet und sein Abstrahlkegel ist mit 11 bezeichnet. Die Lichtwellenleiter des inneren Ringes 5 umgeben den Laserlichtwellenleiter 7 und weisen einen mit 12 bezeichneten Akzeptanz- oder Eintrittswinkel auf. Der Übersichtlichkeit halber ist der Abstrahlkegel der LEDs 8 nicht eingezeichnet. Die Abstrahlkegel und Akzeptanzwinkel 10 bis 12 können mit optischen Elementen so gerichtet werden, dass sie einen überlappenden Erfassung- und Bestrahlungsbereich aufweisen.
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Mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Zustand eines abzutastenden Gewebes mit Hilfe einer Fluoreszenzanalyse und mit Hilfe einer Farbmessung vorgenommen werden. Dazu dient im Ausführungsbeispiel die Laserlichtquelle (Lasermodul) 3 zur Anregung einer Fluoreszenz, wobei dazu die behandelnde Person vorher einen Marker, beispielsweise in Form von Porphyrine eingenommen haben muss. Die LEDs 8 dienen zur Beleuchtung bzw. Bestrahlung des Gewebes, wobei die Rückstrahlung über die Lichtwellenleiter 5, 6 Multicolor-Detektoren im Detektormodul 2 zugeleitet wird. Selbstverständlich können auch die LEDs 8 als Anregungsstrahlung für eine Fluoreszenzauswertung dienen.
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Die von den Detektoren a1 bis an und i1 bis i8 des Detektormoduls 2 erfasste Strahlung wird in entsprechende Signale umgewandelt und einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 4 zugeführt. Die Auswerte- und Steuereinheit 4 umfasst einen Mikrorechner für die Auswertung der Signale vom Detektormodul 2 sowie mindestens einen Speicher und einen Ansteuerkreis für das Lasermodul 3. Selbstverständlich kann die Auswertung der Detektorsignale und die Steuerung des Lasermoduls 3 in unterschiedlichen Einheiten vorgenommen werden. In der Auswerte- und Steuereinheit 4 werden die von den Detektoren gelieferten Signale hinsichtlich der Fluoreszenzintensität und/oder den erfassten Farbsignalen ausgewertet, wobei beispielsweise die Fluoreszenzintensität steigt, wenn eine Krebszelle erfasst wird. In entsprechender Weise werden Farbunterscheidungen quantifiziert, derart, dass die Auswerteeinheit eine Aussage darüber liefert, ob eine Krebszelle bzw. ein schädliches Gewebe vorhanden ist oder nicht. Wird ein schädliches Gewebe erkannt, beispielsweise durch eine Überschreitung von Grenzwerten der Fluoreszenzintensität, so wird über die Lasersteuerung das Lasermodul 3 so angesteuert, dass die Laserleistung auf die benötigte Schneidenergie angehoben wird, so dass die Laserstrahlung ein Schnittwerkzeug darstellt. Zur Referenzierung können ein oder mehrere Referenzkanäle zwischen Laser-Modul und Auswerte- und Steuereinheit 4 vorgesehen sein, die zur parallelen Messung der Leitungen des oder der Laserstrahlungsquellen dienen und die zur Normierung und Kalibrierung der Schneidleistung und der Quantität der Meßsignale genutzt werden.
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In 4 ist ein Vorgang für das Erfassen einer schädlichen Zelle und das darauf folgende Schneiden dargestellt. Wie ausgeführt wurde, sind die Lichtwellenleiter oder optischen Fasern in dem Handhabungskopf 1, der auch als bewegliche ”Optode” bezeichnet werden kann, zusammengefasst, wobei ihre Enden fest fixiert sind, um rekonstruierbare Beleuchtungs- bzw. Detektionsbedingungen zu gewährleisten. Ein Chirurg tastet mit dem beweglichen Kopf 1 beispielsweise in der Richtung 13 ab und mit 14 sei ein schädliches Gewebe bezeichnet. Bei der Abtastung wird der äußere Ring mit einigen Lichtwellenleitern, die zu bestimmten Detektoren des Detektormoduls führen, beispielsweise a2, a3, a4, eine Signaländerung erfassen, die von der Auswerteeinheit 4 als schädliches Gewebe erkannt wird. Bei einem weiteren Vorschub entsprechend der Richtung 13 werden nacheinander die Detektoren des inneren Laserwellenrings 6 eine Signaländerung erfassen und die Auswerteeinheit 4 wird entsprechend die Auswertung vornehmen. Anschließend werden bei weiterem Vorschub des Kopfes 1, wie bei der Darstellung von 4 oben, die Lichtwellenleiter des Innenrings 6 wieder das schädliche Gewebe verlassen und nur noch die Detektoren von einigen Lichtwellenleitern des Außenrings erfassen das die Signale beeinflussende schädliche Gewebe. Die Auswerteeinheit steuert nun das Lasermodul 3 mit erhöhter Laserleistung für das anschließend stattzufindende Schneiden an, was dem Chirurgen beispielsweise durch Anzeigeelemente signalisiert wird. Er kann nunmehr mit dem Führen des Kopfes 1 in die Schneidrichtung 15 den Schneidvorgang beginnen und das schädliche Gewebe umkreisen. Dabei werden nacheinander die Detektoren a1 bis an des Außenrings 5 das schädliche Gewebe 14 erfassen. Falls auch der Innenring 6 bzw. die zugehörigen Detektoren i1 bis i8 ein Detektionssignal für schädliches Gewebe 14 erfassen, wird der Laser 3 abgeschaltet bzw. in seiner Intensität verringert, da der Schnittabstand zu dem schädlichen Gewebe nicht eingehalten wird und die Gefahr besteht, in das Gewebe zu schneiden. Somit bestimmt die Aufeinanderfolge der Abtastsignale der Detektoren a1 bis an bzw. i1 bis i8 des äußeren Ringes 5 und des inneren Rings 6 sowie die Abtastrichtung 13 die anschließende Schnittrichtung und der Abstand zwischen dem Innenring 6 und dem Außenring 5 bestimmt den Schnittabstand zum Gewebe, d. h. das Lasermodul 3 wird so von der Auswerteeinheit angesteuert, dass ein ausreichender Schnittabstand zum schädlichen Gewebe 14 eingehalten wird. Zur Erleichterung der Abtastung in die Abtastrichtung 13 und des Schneidens entsprechend der Schneidrichtung 15 weist der Handhabungskopf 1 eine Markierung, z. B. einen Griff auf, der ein Hinweis auf die entsprechende Richtung gibt.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird somit ein Regelkreis für das Abtasten bzw. Erfassen eines schädlichen Gewebes und Schneiden dieses schädlichen Gewebes in der Weise zur Verfügung gestellt, dass nur dann geschnitten wird, d. h. der Laser 3 zum Schneiden aktiviert wird, wenn ein schädliches Gewebe 14 erfasst wird, nämlich durch Detektion durch den äußeren Ring 5, nachdem der Innenring 6 das Gewebe detektiert und wieder verlassen hat und durch Einhalten eines ausreichenden Schneidabstands vom schädlichen Gewebe 14, der durch den Abstand zwischen Innenring 6 und Außenring 5 bestimmt wird.
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Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Erfassung eines schädlichen Gewebes anhand von Fluoreszenzabtastung und Farbabtastung beschrieben, selbstverständlich kann auch nur eine Art der Erfassung vorgenommen werden oder auch zusätzlich noch eine spektralselektive Raman-Analyse.
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Die Lichtwellenleiter können als einzelne Fasern ausgebildet sein, sie können aber auch, wie 3 angedeutet, eine Mehrzahl von Fasern 16 umfassen. Auch kann der innerhalb des Innenrings liegende Lichtwellenleiter unterschiedliche Fasern haben, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen, beispielsweise kann eine Faser als Laserschneidfaser, eine als Fluoreszenzanregungsfaser und eine als Weißlicht-Beleuchtungsfaser dienen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- www.heise.de/newsticker/meldung [0003]
