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Die Erfindung betrifft ein medizinisches Endoskop mit einem einen hermetisch dichten Raum begrenzenden Gehäuse, das eine Öffnung aufweist, die mit einem Fenster aus Saphir hermetisch dichtend verschlossen ist.
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Ein medizinisches Endoskop der eingangs genannten Art umfasst typischerweise einen langgestreckten Gehäuseschaft mit einem distalen und einem proximalen Ende, wobei zumindest das distale Ende zur Beobachtung eines mit dem Endoskop zu betrachtenden Bereiches mit einem Fenster aus Saphir bzw. Korund hermetisch dichtend verschlossen ist. Der von dem Gehäuse hermetisch eingeschlossene Raum enthält typischerweise optische Elemente wie zum Beispiel Linsen, Prismen und/oder elektronische Bildverarbeitungselemente wie CCD Sensoren oder dergleichen. In dem hermetisch dichten Raum sind diese Elemente gegen Feuchtigkeit und Staubpartikel geschützt. Zu den in dem Gehäuse typischerweise angeordneten optischen Elementen können auch Bündel von Bildleiterfasern gehören, die Bildinformationen aus dem durch das Fenster zu betrachtenden Bereich an ein proximales Ende des Endoskops weiterleiten. Insbesondere bei Endoskopen mit am proximalen Ende anschließbaren elektronischen Kamerakopf ist bekannt, auch das proximale Ende des Endoskopes mit einem Fenster aus Saphir, beziehungsweise Korund, zu verschließen. Solche Geräte werden auch als Teleskope bezeichnet. Eine elektronische Kamera wird typischerweise an dem sich im proximalen Bereich anschließenden Okulartrichter des die Optik enthaltenen Gehäuses angeschlossen.
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Ein Gehäuseschaft ist bei gattungsgemäßen medizinischen Endoskopen der eingangs genannten Art beispielsweise das Faserrohr. In der Regel ist das die optischen Bildleiterelemente umschließende Faserrohr an dem Endoskop in einem Hüllrohr laufend angeordnet. Am Umfang des Faserrohrs, innerhalb des freien Lumens zwischen Faserrohr und Hüllrohr, sind typischerweise Lichtleitfasern angeordnet, die am proximalen Ende des Endoskops eingespeistes Licht zur Beleuchtung des zu betrachtenden Bereiches an das distale Ende des Endoskops weiterleiten. Zusätzlich können Kanäle zur bedarfsweisen Durchleitung zusätzlicher Fasern oder Instrumente zwischen Faserrohr und Hüllrohr vorgesehen sein.
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Zur Reinigung und für die Sterilisation werden medizinische Endoskope üblicherweise autoklaviert. Dafür werden die Teile des Endoskops mit einem typischerweise über 120°C heißen Dampf bei einem Druck von meist mehr als 2 bar beaufschlagt. Die Temperatur, der Druck und die Dauer der Aufbereitung des medizinischen Endoskops beim Autoklavieren hängen unter anderem von der Art der Verschmutzung, der Keime und der Art des Endoskops oder dessen Verwendungszweck ab. Es ist durchaus bekannt, die Aufbereitung durch Autoklavieren bei einem Druck von 3,2 bar und 140°C durchzuführen.
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Aus Gründen ihrer Biokompatibilität und der guten Verarbeitungseigenschaften wird das Gehäuse typischerweise aus Edelstählen der Werkstoffnummern 1.4301 oder 1.4305 hergestellt. Solche Stähle sind zudem nichtrostend und gut autoklavierbar.
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Das Sterilisieren, Waschen bzw. Reinigen, insbesondere das Autoklavieren führt zu hohen Belastungen der beim Endoskop verwendeten Materialien und insbesondere der Verbindungen von Elementen des Endoskops, wie zum Beispiel des Verschlusses der Faserrohröffnung mit einem zur Beobachtung eines mit dem Endoskop zu betrachtenden Bereiches geeigneten Fenster. Darüber hinaus werden die Endoskope auch mit chemischen Substanzen gereinigt, behandelt und/oder sterilisiert, die das Material und die Verbindungen am Endoskop ebenfalls stark beanspruchen bzw. angreifen.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten medizinischen Endoskopen werden Sichtfenster an den Enden des Endoskopes mit dem jeweiligen Öffnungsrand des Gehäuses typischerweise verklebt und/oder verlötet. Zusätzlich können Überwurfmuttern vorgesehen sein, die das Sichtfenster an dem Gehäuse halten. Verklebt wird das Sichtfenster mit dem Gehäuse üblicherweise nur am proximalen Ende des Endoskopes. Solche Verbindungen, die hermetisch dichten sollen, werden durch häufiges Aufbereiten des Endoskops ausgewaschen, werden porös oder brüchig und verlieren schließlich ihre Dichtheit. Eindringende Feuchtigkeit kann zur Verunreinigung bzw. zum Beschlagen optischer Systeme, zu Glaskorrosion oder zur Beschädigung elektrischer Elemente innerhalb des Gehäuses führen. Für lange Standzeiten und häufige Verwendbarkeit des Endoskops sind derartige Klebeverbindungen deshalb nachteilig. Zur Verhinderung von Feuchtigkeitseintritten ist aus dem Stand der Technik bekannt, sogenannte Trockenringe mit Calciumchlorid im Bereich der Klebestellen zu verwenden, mit denen durch die Klebeverbindung hindurchtretende Feuchtigkeit gebunden werden kann. Diese Maßnahme funktioniert allerdings auch nur zeitlich begrenzt und sorgt zudem nicht für einen hermetisch dichten Verschluss.
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Zur Verbesserung solcher Verbindungsstellen wird im Stand der Technik vorgeschlagen, Sichtfenster mit dem Gehäuse zu verlöten. Ein gattungsgemäßer Stand der Technik dieser Art ist beispielsweise aus
DE 198 36 285 C1 bekannt. Hierin wird gelehrt, das Fenster nur auf einem Lötbereich des Randes zu verlöten, der als Ringbereich einer axialen Länge geringer als die Dicke des Fensters ausgebildet ist, während die übrigen Randbereiche lötfrei gehalten sind.
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Durch Verlötung entstehen feste, hermetisch dichtende Verbindungen zwischen dem Fenster und dem Gehäuseschaft, die häufigen Aufbereitungsdurchgängen gut standhalten. Bei der Verwendung solcher starren Lötverbindungen hat sich allerdings gezeigt, dass gerade durch die Erhitzung des Endoskops während des Lötens und/oder des Autoklavierens mechanische Spannungen im Fenster entstehen, die über das Faserrohr nicht oder nur unzureichend abgebaut werden können. Dabei kommt es regelmäßig zu Rissen im Fenstermaterial. Diese Spannungsrisse sind unter anderem darauf zurückzuführen, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Fenstermaterials und des damit verschlossenen Gehäuses zu große Unterschiede aufweisen und die bei der Erwärmung sich unterschiedlich stark ausdehnenden Materialien das Fenster übermäßig belasten.
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Aus
EP 2 263 518 A1 ist bekannt, die durch unterschiedlich starke Ausdehnungen auftretenden Spannungsprobleme bei medizinischen Endoskopen damit auszuräumen, dass Materialien ausgewählt werden, bei denen die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten statt wie typisch 10 × 10
–6 K
–1 nur noch 5 × 10
–6 K
–1 oder geringer ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Saphir liegt bei etwa 6 × 10
–6 K
–1. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Stahl der Werkstoffnummer 1.4301 oder 1.4305 liegt bei vergleichbaren Temperaturbedingungen dagegen bei ca. 16 × 10
–6 K
–1. Zur Verringerung der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten wird vorgeschlagen, eine NiFe-Legierung mit einem Nickel-Massen-Anteil von ca. 42% oder NiCoFe-Legierungen mit einem Nickel-Massen-Anteil von ca. 29% und einem Cobalt-Massen-Anteil von ca. 17% zu verwenden. Solche Werkstoffe, bei denen durch gezielte Legierung ein spezieller Wärmeausdehnungskoeffizient einstellbar ist, sind als Einschmelzwerkstoffe bekannt. Es hat sich gezeigt, dass solche Einschmelzlegierungen zwar aufgrund eines geringeren Unterschieds der Wärmeausdehnungskoeffizienten zur Verringerung der Gefahr von Spannungsrissen beitragen können, allerdings sind solche Legierungen insbesondere beim Autoklavieren nicht korrosionsstabil. Des Weiteren bestehen Bedenken gegen die Biokompatibilität solcher Werkstoffe, weshalb weitere Abdichtungen an dem Endoskop vorgesehen sein müssen, damit ein menschlicher oder tierischer Körper, an dem das Endoskop verwendet wird, nicht mit den Einschmelzlegierungen in Berührung kommt. Diese Abdichtungen benötigen verhältnismäßig viel Platz, sind aufwendig herzustellen, oft ungenügend dicht und erhöhen die Bauteilkomplexität des Endoskops. Zudem werden solche Dichtungen durch die Aufbereitung oder das Autoklavieren des Endoskops stark angegriffen.
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Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei der Verwendung von Deckgläsern, die Wölbungen und/oder Stufungen aufweisen, trotz Anwendung der aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungen, regelmäßig Spannungsrisse im Material des Fensters entstehen.
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Vor diesem Hintergrund ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein medizinisches Endoskop der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass die Gefahr von Spannungsrissen an dem das Gehäuse verschließende Fenster verringert wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein medizinisches Endoskop mit einem einen hermetisch dichten Raum begrenzenden Gehäuse, das eine Öffnung aufweist, die mit einem Fenster aus Saphir hermetisch dichtend verschlossen ist, wobei ein die Öffnung zumindest teilweise umlaufender, mit dem Fenster verlöteter Randbereich des Gehäuses aus Edelstahl der Werkstoffnummer 1.4523 besteht.
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Auf der Suche nach einer Lösung der Aufgabe der Erfindung haben umfangreiche Versuche gezeigt, dass das Einlöten eines Fensters aus Saphir in einen Materialbereich bestehend aus dem Edelstahl Werkstoff Nr. 1.4523 die Gefahr von Spannungsrissen beim Erhitzen des Endoskops beziehungsweise beim Aufbereiten des Endoskops durch Autoklavieren deutlich verringert. Der Edelstahl der Werkstoffnummer 1.4523 ist auch bekannt als Sandvik 1802. Dieser Werkstoff ist ein autoklavierbarer, ferritischer, nichtrostender, säurefester Edelstahl, der gut schweißbar ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient dieses Werkstoffes liegt bei etwa 10 × 10–6 K–1. Bei vergleichbaren Temperaturbedingungen liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient von Saphir bei 6 × 10–6 K–1. Bei der Angabe von Werkstoffnummern der hier genannten Stähle werden ausdrücklich die derzeit geltenden Normen DIN EN 10027-1:2005-10 und DIN EN 10027-2:1992-09 in Bezug genommen. Teil 1 der DIN EN 10027 betrifft Bezeichnungssysteme für Stähle, insbesondere die Kurznamen und Teil 2 der DIN EN 10027 betrifft insbesondere das Nummernsystem.
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Ein gemäß der Erfindung verwendbarer Stahl enthält maximal 0,03% Kohlenstoff, maximal 0,03% Stickstoff, 0,5% Silizium, maximal 0,5% Mangan, 0,6% Titan, 0,3% Schwefel, 18% Chrom und 2,3% Molybdän.
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Aufgrund der guten Schweißbarkeit des Edelstahls Sandvik 1802 kann vorgesehen sein, den die Öffnung des Gehäuses zumindest teilweise umlaufenden Randbereich aus diesem Werkstoff herzustellen und an das Gehäuse hermetisch dichtend zu fügen, zum Beispiel durch Schweißen oder durch Löten. Insbesondere können das Fenster mit dem Randelement bzw. das Randelement mit dem Gehäuse mittels Hochfrequenzlötverfahren verlötet sein. Als Lot wird bevorzugt ein Goldlot eingesetzt. Diesbezügliche Vorteile sind bekannt.
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Bei einer kostengünstigen und einfachen Variante ist daran gedacht, dass der Randbereich als ein Ringelement ausgebildet ist, wobei das Ringelement mit dem Gehäuse verschweißt oder verlötet ist. Mit einem Ringelement aus dem Werkstoff 1.4523 bzw. Sandvik 1802 können Endoskope herkömmlicher Art in einfacher Weise nachgerüstet werden. Die Ringelemente können als Zwischenringe insbesondere derart ausgebildet sein, dass sie in eine Fensterfassung des Endoskops fügbar sind.
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Durch die Verwendung eines Ringelementes aus dem Werkstoff Sandvik 1802 bzw. Edelstahl 1.4523 können Produktionsabläufe für die erfindungsgemäßen medizinischen Endoskope vereinfacht werden. Es ist dadurch zum Beispiel möglich, die Fenster in einem Einzelschritt mit dem besonders vorteilhaften Werkstoff Sandvik zu verlöten, ohne die gesamte Gehäusekonstruktion bei der Verlötung zu hantieren. Dies hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da das Einlöten eines Saphierglases deutlich aufwendiger ist, als das schließlich notwendige, insbesondere durch Verlöten bzw. Verschweißen durchgeführte Fügen eines ersten Edelstahls an einen zweiten Edelstahl.
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Durch die Verwendung eines separaten Ringelementes wird auch ein modularer Aufbau des Endoskops unterstützt, wobei an einem generischen Gehäuse je nach Bedarf Fenster unterschiedlicher Art in einfacher Weise angesetzt bzw. ausgetauscht werden können.
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Für eine insbesondere für das Weichlöten vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fenster und/oder der Randbereich des Gehäuses in den zu verlötenden Bereichen mit einem Metallfilm beschichtet sind. Durch das Auftragen einer Metallschicht in den Lötbereich kann auf einfache Weise der gesamte Rand des Fensters insbesondere durch Weichlöten belötet werden. Das Lot haftet nur auf dem metallisierten Lötbereich, während die übrigen Randbereiche automatisch lötfrei bleiben. Damit können gezielt definierte Lötbereiche des Fensters ausgebildet werden. Für das Anlöten des Fensters an den Randbereich des Gehäuses kann auch vorgesehen sein, den Randbereich des Gehäuses mit einer Metallschicht entsprechend zu beschichten. Dies erleichtert und vereinfacht die Löthaftung an dem Randbereich. Durch die Beschichtung mit Metallfilmen können Lötverfahren bei schonenden Temperaturen verwendet werden. Ein Aktivloten, das bei ca. 900°C durchgeführt wird, kann durch die Verwendung von aufgearbeiteten Metallschichten entfallen. Das aufwendige Hantieren der Werkstücke, die Verwendung aufwendiger Werkzeuge und die arbeits- und energieintensiven Prozesse, die für Lötverfahren mit Temperaturen von ca. 900°C notwendig sind, können entfallen.
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Zur Verringerung der Gefahr von Spannungsrissen im Fenstermaterial kann darüberhinaus vorgesehen sein, dass das Fenster in seinem Randbereich gestuft ist. Die Stufung des Fensters kann auch dazu dienen, die Anlage des Fensters an Randbereiche eines das Gehäuse umschießenden Hüllrohres zu optimieren.
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Insbesondere zur Bereitstellung eines Endoskops mit variabler Blickrichtung ist daran gedacht, dass das Fenster zumindest bereichsweise gewölbt ist. Bei Endoskopen mit variabler Blickrichtung kann in unmittelbarer Nähe hinter dem Fenster innerhalb des Gehäuses ein schwenkbarer Spiegel, ein schwenkbares Prisma oder eine schwenkbare Kamera beziehungsweise lichtempfindliche elektronische Bauteile zur Aufnahme eines Abbildes des durch das Fenster des Endoskops zu betrachtenden Bereiches angeordnet sein. Mit der Verschwenkung der Optikelemente können die zu betrachtenden Bereiche aus unterschiedlichen Winkeln beobachtet werden. Solche variablen Blickbereiche decken vorzugsweise einen Winkelbereich von mehr als 45°, mehr als 90° oder mehr 120° ab.
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Damit die in unmittelbarer Nähe des Fensters in dem Gehäuse angeordneten Optikelemente bei der Verschwenkung möglichst nahe im Bereich des Fensters bleiben, sind die Fenster bei Endoskopen mit variabler Blickrichtung typischerweise gewölbt bzw. gekrümmt. Unter Wölbung wird insbesondere ein kuppelartiger Aufbau bzw. ein domartiger Aufbau des Fensters verstanden. Insbesondere ist an die Verwendung eines Saphirdoms gedacht. Zur Abdeckung spezifischer Winkelbereiche bzw. Betrachtungsbereiche können auch komplexe Wölbungen mit in verschiedenen Richtungen weisenden Wölbungen vorgesehen sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das gewölbte Fenster zumindest zwischen seinen zu verlötenden Randbereichen eine etwa konstante Materialdicke aufweist. Vorstellbar sind auch linsenartige Fenster mit beidseitig oder einseitig ausgebildeten Wölbungen.
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Grade bei der Verwendung von gewölbten bzw. gekrümmten Gläsern hat sich gezeigt, dass die Gefahr von Spannungsrissen bei mit üblicherweise verwendeten Edelstahlen zum Beispiel der Sorte 1.4301 oder 1.4305 hergestellten Verlötungen besonders hoch ist. Mit der Verwendung von Sandvik 1802 bzw. dem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4523 konnten diese Probleme deutlich verringert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
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1 einen stark schematisierten Achsschnitt durch das Ende eines Gehäuses eines medizinischen Endoskops nach dem Stand der Technik, und
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2 einen stark schematisierten Achsschnitt durch das Ende eines Gehäuses eines Endoskops mit Fenster gemäß der Erfindung.
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1 zeigt stark schematisiert den beispielsweise rohrförmigen Endbereich eines aus Edelstahl der Werkstoffnummer 1.4301 oder 1.4305 hergestellten Gehäuses 10 mit einer daran distal angeordneten Fassung 14, in die ein Fenster 12 eingefasst ist. Das Fenster 12 ist mittels Kleber 16 in die Fassung 14 des Gehäuses 10 eingeklebt. Ein Halteelement 18 hält das Fenster 12 zusätzlich zu dem Kleber 16 an dem Gehäuse 10. Dafür kann das Halteelement 18 am Rand des Gehäuses 10 auf einen mit einem Gewinde versehenen Halterand 20 des Gehäuses 10 aufgeschraubt sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Halteelement 18 Rasthaken aufweist, die in eine Rastnut am Halterand 20 des Gehäuses 10 eingreifen. Mit dem Halteelement 18 wird das Fenster 12 mit Anpressdruck in der Fassung 14 des Gehäuses 10 gehalten.
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2 zeigt ein stark schematisiertes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem rohrförmigen Gehäuse 10, das an einem seiner Enden eine Öffnung aufweist, die mit einem Fenster 12 verschlossen ist. Das Fenster 12 ist dafür mit einem Lot 24 mit dem die Öffnung des Gehäuses 10 zumindest teilweise umlaufenden Randbereich 22 verlötet. Der Randbereich 22 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls über ein Lot 24 mit dem Gehäuse 10 verlötet. In denkbaren Alternativen ist das Fenster 12 mit dem Randbereich 22 gefügt, zum Beispiel durch Schweißen, Kleben, Einpressen oder dergleichen. Entsprechend kann der Randbereich 22 mit dem Gehäuse 10 gefügt sein. In dargestelltem Ausführungsbeispiel ist der Randbereich 22 als Zwischenring an dem Gehäuse 10 per Verlötung oder Fügung befestigt. Statt eines als separates Randelement ausgebildeten Randbereiches 22, das insbesondere stoffschlüssig mit dem Gehäuse 10 verbunden ist, kann der Randbereich 22 auch integral beziehungsweise einstückig mit dem Gehäuse 10 ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gehäuse
- 12
- Fenster
- 14
- Fassung
- 16
- Kleber
- 18
- Halteelement
- 20
- Halterand
- 22
- Randbereich
- 24
- Lot
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19836285 C1 [0008]
- EP 2263518 A1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 10027-1:2005-10 [0015]
- DIN EN 10027-2:1992-09 [0015]
- Teil 1 der DIN EN 10027 [0015]
- Teil 2 der DIN EN 10027 [0015]
