DE1808501A1

DE1808501A1 - Vorrichtung zur Begrenzung der Breite eines Strahls im Bestrahlungsgeraet

Info

Publication number: DE1808501A1
Application number: DE19681808501
Authority: DE
Inventors: Larry Resnick
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1967-11-24
Filing date: 1968-11-13
Publication date: 1969-08-14
Also published as: US3539813A; GB1196100A; FR1593275A

Description

PATENTANWÄLTE DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL- ING. KLAUS BERNHARDT

D-8 MÖNCHEN 60

BÄCKERSTRASSE 3 V1 P194 D

VAHIAN ASSOCIATES Palo Alto / California V. St. v. Amerika

Vorrichtung zur Begrenzung der Breite eines Strahls im Bestrahlungsgerät

Priorität: 24· November 19^7 Vereinigte Staaten von Amerika US Serial Number 685 533

Zusammenfassung:

Ein Paar Schwermetallbacken mit aufeinander zu weisenden Oberflächen, die die Breite eines Röntgenstrahls begrenzen, der zwischen den Backen hindurchläuft. Jede Backe wird von einer Gewindewelle getragen, die senkrecht zur Strahlachse liegt, und einer Welle, die mit der Gewindewelle einen Winkel bildet. Der Winkel und die Befestigungspunkte zwischen den Backen und Wellen sind so gewählt, daß die aufeinander zu weisenden Oberflächen jeder Backe im wesentlichen parallel zur Strahlkante gehalten werden, wenn die Backen bewegt werden, so daß Streustrahlung an den Strahlkanten verringert wird.

Stand der Technik:

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Begrenzung der Breite von Röntgenstrahlen oder Strahlen aus geladenen Par-

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tikeln zur Verwendung in der Therapie mit energiereichen Röntgenstrahlen, in der diagnostischen Radiographie, in der Elektronentherapie oder bei anderen Bestrahlungstechniken. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Einrichtung, mit der die Streustrahlung oder Halbschattenstrahlung beseitigt wird, die bei einigen bekannten • Röntgengeräten an den Strahlkanten vorhanden ist.

Moderne Behandlungsverfahren für Krebs und andere ähnliche Krankheiten fordern hohe Strahlungsintensitäten für Tiefen-Röntgentherapie. Es werden deshalb Hochenergiegeräte im Bereich von 4-8 MeV ^r verwendet, um die gewünschte Intensität und Qualität der Strahlung zu erreichen.

Um effektiv beispielsweise einen tief sitzenden Tumor zu bestrahlen, sind Techniken, wie Bogentechnik, Mehröffnungstechnik und Patientendrehung, entwickelt worden. Bei jeder dieser Techniken ist bei Verwendung in Verbindung mit energiereicher Röntgenstrahlung erforderlich, daß die Querschnittsabmessungen des Röntgenstrahl genau kontrollierbar sind. Nachdem ferner den Gefahren der Streustrahlung stärkere Aufmerksamkeit geschenkt wird, ist ferner die Forderung aufgetaucht, daß die Strahlkanten scharf begrenzt sind, um die Strahlungsmenge herabzusetzen, die ausserhalb der gewünschten Strahl- Mk grenzen auftrifft.

Um die Strahlkanten zu begrenzen, sind in bekannten Geräten für energiereiche Röntgenstrahlen grosse und schwere bewegliche Backen verwendet worden, die paarweise auf gegenüberliegenden Seiten der Röntgenstrahlachse angeordnet waren. Eine solche Vorrichtung ist in der US-Patentschrift 3 322 950 beschrieben, Die Backen bestehen üblicherweise aus Blei und sind so bemessen, daß die Dicke des Bleis in Richtung der Röntgenstrahlung ausreicht, die Stärke oder Intensität der Röntgenstrahlen, die durch den Block hindurchtreten, um einen Paktor von I/IOOO zu schwächen. Eine Bewegung- der Backen erfolgt im allgemeinen in Richtung auf die Röntgenstrahlachse zu bzw.

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von dieser weg, um die Strahlbreite zu begrenzen.

Um zu gewährleisten, daß der Röntgenstrahl an den Strahlkanten scharf begrenzt ist, oder, anders ausgedrückt, daß die Strahlungsintensität an der Strahlkante abrupt abfällt, ist es erforderlich, daß die den Strahl begrenzenden Innenflächen der Backen parallel zu den Strahlkanten liegen. Anders ausgedrückt, die den Strahl begrenzenden Flächen müssen in Ebenen liegen, die durch das Target oder den Brennfleck hindurchtreten. Wenn die die Strahlkanten begrenzenden Flächen in das Target schneidenden Ebenen liegen, gehen Röntgenstrahlen in der Nähe der Strahlkante entweder vollständig an der Backe vorbei und bilden damit einen Teil des gewünschten Strahles oder sie treffen an der stromaufwärtigen Kante auf die Backe auf und werden dann durch die volle Dicke der Backe geschwächt. Auf diese Weise müssen praktisch alle auf die Backen auftreffenden Röntgenstrahlen durch die volle Stärke der Backe hindurchlaufen und werden dadurch um den Faktor von 1/1000 geschwächt.

Um diese Bedingungen über den ganzen Bewegungsbereich der Backen einzuhalten, werden in der bekannten Vorrichtung gekrümmte Führungen verwendet, die aus Teilen eines Kreises um das Target herum bestehen. An den Backen montierte Rollen laufen in der Führung und sorgen dafür, daß die den Strahl begrenzenden Oberflächen über den ganzen Bereich der Backenbewegung parallel zu den Strahlkanten bleiben.

Dieses bekannte System arbeitet zufriedenstellend, ist jedoch kompliziert und aufwendig. Es sind doppelte Führungen erforderlich, um die Backen abzusetzen, weil sich der Rönt^enkopf in einer vertikalen Ebene um *6J dreht, wenn Bogontherapie oder Mehröffnungrstherapie verwendet wird. Die Führungen una Rollen Küssen sehr präzise hergestellt werden, unj die Toleranzen müssen sorgfältig einjustiert werden, ue eine unerwünschte Verschiebung oder Verschwenkung der

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backen zu verhindern, wenn der Kopf verdreht wird. Zusammenfassung der Erfindung;

Erfindungsgemäss wird ein neuartiges Gestängesystem dazu verwendet, die Backen abzustützen und deren Bewegung einzuschränken, so daß die den Strahl begrenzenden, aufeinander zu weisenden Oberflächen in das Target schneidenden Ebenen liegen. Eine einzige horizontale Welle erstreckt sich zwischen den Backen und weist zwei mit gegensinnigen Gewinden versehene Teile auf, die als Bewegungsschrauben dienen, um .beide Backen gleichzeitig zu bewegen, wenn die Welle verdreht wird. Eine zweite'Welle auf jeder Backe ist unter einem Winkel zu der horizontalen Welle angeordnet. Jede Backe des Paares ist mit einem Schwenkzapfen auf die horizontale Welle montiert, der mit dem Gewinde kämmt \ind auch eine Schwenkbewegung der Backe um "eine die Welle schneidende Achse ermöglicht. Ein zweiter Schwenkzapfen auf jeder Backe wird von der zweiten Welle getragen und erlaubt eine Schwenkbewegung der Backe um eine diese Welle schneidende Achse und eine lineare Gleichbewegung längs der Welle.

Ein zweiter Satz Backen, der gegen den ersten Satz um 90 verdreht ist, ist in der Nähe dieses ersten Backensatzes um die Strahlachse herum angeordnet und wird in ähnlicher.Weise betrieben.

Durch geeignete Auswahl der Winkel zwischen den Wellen und der Plätze für die Schwenkzapfen bezüglich der Backen kann dafür gesorgt werden, daß die einander gegenüberstehenden Flächen der Backen sich im wesentlichen auf Kreisbahnen bewegen,deren Mittelpunkt im Target liegt.

Durch die Erfindung soll also eine verbesserte Vorrichtung verfügbar gemacht werden, mit der die Breite eines Strahls einstellbar begrenzt werden kann, wobei gleichzeitig eine Streu- oder Halbschatten-

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bestrahlung an den Strahlkanten wesentlich herabgesetzt wird.

Erfindungsgemäss wird ein neuartiges Gestänge verfügbar gemacht, das aus zwei festen, nicht parallelen Wellen besteht und das eine Schwermetallbacke bewegt, die in der Nähe der Strahlachse eines Röntgenstrahls angeordnet ist, und zwar auf die Strahlachse zu oder von dieser hinweg, während die strahlbegrenzenden Oberflächen der Backe parallel zur Strahlkante gehalten werden.

Weiter wird durch die Erfindung ein neuartiges Gestänge verfügbar gemacht, mit dem zwei Schwermetallbacken abgestützt und gleichzeitig auf einen Röntgenstrahl zu oder von diesem weg bewegt werden, der zwischen den Backen hindurchläuft, während die einander zu weisenden Oberflächen der Backen parallel zu den Kanten des Strahls gehalten werden, wobei das Gestänge eine Gewindewelle auf jeder Seite jeder Backe umfasst, mit der die Backen entsprechend einer Verdrehung der Wellen bewegt werden, sowie eine Kupplungseinrichtung für die Drehung der Wellen.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden} es zeigen:

Fig..1 eine Seitenansicht eines Linearbeschleunigers für Radiotherapie mit einer neuartigen Strahlbegrenzungseinrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den in Fig. 1 mit der Linie 2-2 umschlossenen Teil; und

° . Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2.

ca In Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Linearbeschleunigers 1 für

_o Radiotherapie dargestellt, der aus einer Hauptbeschleunigersektion 15» einer Elektronenkanone 2 und einem koHinearen Abschluss besteht,

c*> wie er beispielsweise in der US-Patentschrift 3 264 515 beschrieben ist, einem Strahlbiegeende 3> einem drehbaren Strahlbegrenzungskopf und einem mit Gegengewicht versehenen Modulatorteil 5. Die Haupt-

ο beschleunigersektion 15 ist so ausgelegt, daß_ sie sich um 360 um eine horizontale Achse drehen kann, die "beispielsweise 117.cm über dem Boden liegt. Die Hauptbeschleunigersektion kann in irgendeiner radialen Lage um die horizontale Achse 6 fixiert werden, um in der dargestellten Weise einen Patienten zu behandeln. Der drehbare Strahlbegrenzungskopf 4 kann um 3βΟ um eine zentrale Strahlachse 12 verdreht werden und kann leicht in irgendeine gewünschte Position mit Bezug auf den Patienten bewegt werden, beispielsweise die dargestellte Position.

Ein spezielles Behandlungsbett 8 mit abnehmbaren Radeinheiten ist vorgesehen, das an einen schwimmenden Tisch 10 angeklemmt oder in anderer geeigneter Weise befestigt wird, der von einer Säule 11 getragen wird, die mit zwei Geschwindigkeiten vertikal bewegt werden kann und die ihrerseits auf einer drehbaren Plattform 13 in Bodenhöhe montiert ist, die eine Kreisbewegung um die zentrale Strahlachse 12 ausführen kann. Am Bett 8 ist ein geeignetes Tragmaterial 9, beispielsweise dünnes Mylar, befestigt, so daß der Patient vom Rücken her bestrahlt werden kann, wie dargestellt, ohne daß sich eine Ionisierung aufbaut und schwere Hautreaktionen hervorgerufen werden. Der schwimmende Tisch 10 ist mit einer Einrichtung versehen, mit der der Patient in der horizontalen Ebene verschoben werden kann.

Es ist leicht zu erkennen, daß die räumlichen Beziehungen zwischen der horizontalen Drehachse 6 des Beschleunigers, der Zentralachse 12 des Röntgenstrahls und der vertikalen Drehachse 12¹ der Patiententrageinheit dafür sorgen, daß sich diese drei Achsen in einem festen Punkt, dem Isocenter 7» schneiden.

Diese Beziehungen erleichtern die Einstellung des Patienten und sorgen für ein Linearbeschleunigersystem zur Radiotherapie, mit dem Behandlungen im Sinne der Mehrfachöffnungstherapie, der Patientendrehungstherapie und der Bogentherapie in einer Art und Weise durch-

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geführt werden können, die ausserordentlich vorteilhaft vom klinischen Standpunkt ist, ebenso wie hinsichtlich des Zeitaufwandes, des Raumaufwandes und des finanziellen Aufwandes.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Begrenzung der Strahlbreite ist in Pig. 2 dargestellt. Ein Röntgentarget 16 wird mit einem nach unten gerichteten, nicht dargestellten Elektronenstrahl bombardiert, so daß ein nach unten gerichteter Röntgenstrahl erzeugt wird. Ein Wolframkollimator 18 weist eine konisch geformte Mittelöffnung auf, durch die der Strahl hindurchtritt, um auf eine Feldabflacheinrichtung 19 und eine Ionisierungskammer 20 aufzutreffen. Die Kammer 20 kann dazu verwendet werden, die gesamte Strahlungsintensität zu messen, während die FeIdabflachungseinrichtung 19 eine gleichförmige Strahlintensität über den ganzen Strahlquerschnitt fördert.

Vom Rest des Beschleunigers 1 wird mit einem Kugellager 24 eine um 36O verdrehbare, kreisförmige Montageplatte 22 getragen. An der Platte 22 sind seitliche Tragelemente 26 befestigt und dienen dazu, den Rest der in Fig·. 2 dargestellten Struktur zu tragen. Eine schüsseiförmige Abdeckung 27 wird mit geeigneten, nicht dargestellten Einrichtungen von den Tragelementen 26 getragen und rotiert mit diesen. Eine horizontale Tragwelle 28 ist in Kugellagern 32 in einem Tragarm 30 gelagert, und mit einem Zentranleger 36 in einer Frontdeckplatte 34 (teilweise geschnitten). Der Arm 30 und die Platte 34 sind fest an den seitlichen Tragelementen 26 befestigt.

Die Welle 28 weist zwei mit gegensinnigen Gewinden versehene Teile 35 auf, die als Bewegun,jsschrauben dienen, um zwei untere Schwermetallbacken 38 zu bewegen, wenn die Welle 28 verdreht wird. Wie in Fig, 2 und 3 dfirgestellt ist, werden die Backen 38 mit unteren Schwenkzapfen 40 getragen, die aus Tragzapfen 42 und Muttern 44 bestehen, die auf dem Gewinde der Gewindeteile 36 laufen und mit Endflanschen 46 in den Tragzapfen 42 gehalten werden. Die Backen 38

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haben aufeinander zu weisende Oberflächen 45, die zum Begrenzen der Strahlbreite dienen.

Die Tragzapfen 42 bestehen jeweils aus einer unteren Schale 48 einer oberen Schale 49, die mit Schrauben 51 an der unteren Schale 48 befestigt ist. Die untere Schale 46 weist₍ eine Schwenkwelle auf, die durch eine Zwischenlagscheibe 52 hindurch in eine Aufnahme 54 reicht, die zusammen mit einem Kugellager 56 in einer Backe angeordnet ist. Wenn die Schrauben 5I festgezogen sind, wird die Mutter 44 daran gehindert, sich zu drehen.

unter einem Winkel angeordnete Tragwellen 58 werden mit Ringankern 60 an ihren äusseren Enden festgehalten, die mit Armen 62 an den seitliehen Tragelementen 26 "befestigt sind« Zwei Yerriegelungsmuttern 64 sorgen für eine Höheneinstellung der ätisseren. Enden, der Wellen 58» um den, Winkel der Wellen 58 ^u ändern. Die inneren Baden der Wellen 58 sind in ähnlicher Weise mit ßingankern 66 abgestützt, die durch die Frontabdeckplatte 54 hindurchreichen.

Wie in Fig. 2 und 5 su erkennen ist, sind die Backen 58 mit oberen Schwenkzapfen 68 auf den Wellen 58 abgestützt, die aus einer Zapfenschale JO bestehen, die eine Büchse 72 umfasst^ und einer Schwenkwelle, die durch eine Zwischenlegscheibe, eise Aufnahme und ein Kugellager hindurchreich-t _f ähnlich.wie die unteren Schwenkzapfen 40. ·

Ein zweiter Satz von horizontalen und abgewinkelten Wellen, oberen und unteren Schwenkzapfen, usw. (nicht dargestellt) ist auf der gegenüberliegende Seite der Backen 58 angeordnet.

Den unteren Backen 38 ähnliche obere Backen 74 sind, zusammen mit horizontalen Wellen 76 und abgewinkelten Wellen, oberen und unteren Schwenkzapfen, usw. (nicht dargestellt) gegenüber den Backen 58

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um 90° um die Strahlachse verdreht angeordnet. Ein oberer und ein unterer Antriebsmechanismus, der dazu verwendet wird, einen der Backensätze einzustellen, besteht aus Antriebskettenrädern 78, freilaufenden Kettenrädern 80 und Antriebsketten 82. Ein Justierrad- 84, das nur am unteren Antriebsmechanismus dargestellt ist, jedoch auch im oberen Antriebsmechanismus enthalten ist, ist auf einem der freilaufenden Kettenzahnräder 80 vorgesehen, so daß die Horizontalwellen abgestimmt werden können, wodurch für einen synchrone Bewegung der entsprechenden Backen dadurch gesorgt wird, daß die Muttern 44 längs der Welle 28 laufen. Venn die Muttern 44 längs der Schraubenwelle 28 laufen, sorgt die sich dadurch ergebende Bewegung der Backen dafür, daß die Schwenkzapfen 68 längs der Wellen 58 gleiten.

Im Betrieb wird die Bewegung der unteren Backen 38 zwc Strahlachse hin oder von dieser hinweg von einer gleichzeitigen Schwenkbewegung der Backen um die Schwenkachsen 86 und 88 der oberen und unteren Schwenkzapfen 68 bzw. 40 begleitet. Wenn die Backen 38 von der Strahlachse weg bewegt werden, werden sie auf diese Weise gleichzeitig in einer solchen Richtung verdreht, daß die unteren Kanten der Backen 38 von der Strahlachse weg gekippt werden.

Durch geeignete Wahl des Winkels zwischen der Horizontalwelle 28 und der abgewinkelten Welle 58, und dem Abstand zwischen den Schwenkachsen 86 und 88 können die aufeinander zu weisenden Flächen 45 im wesentlichen parallel zu den Strahlkanten gehalten werden, und zwar über den ganzen Einstellbereich der Strahlbreiten. Mit anderen Worten, die Flächen 45 bleiben in Ebenen, die die Mitte der y,uelle 16 im wesentlichen durchschneiden.

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Claims

ΙΟ Τ1 Ρ194 D Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Begrenzung der Breite eines Strahls in Bestrahlungsgeräten um eine Zentralachse, bestehend aus auf beiden Seiten dieser Zentralachse angeordneten Metallbacken, die auf einander zu weisende Oberflächen aufweisen, die die Kanten des Strahls begrenzen, wobei wenigstens eine dieser Backen auf die Zentralachse zu oder von dieser weg bewegbar ist, um die Breite des Strahls innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu verändern, und einer ersten Bewegungseinrichtung, die mit der bewegbaren Backe verbunden ist, um deren Bewegung derart zu begrenzen, daß die auf die andere Backe zu weisende Oberfläche innerhalb des vorgegebenen Bereiches im wesentlichen parallel zur durch sie selbst begrenzten Strahlkante gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung aus zwei nicht parallelen Tragwellen besteht, eine Schwenkeinrichtung zwischen die Backe und eine dieser Wellen geschaltet ist, um eine Schwenkbewegung der Backe um eine diese eine Welle schneidende Achse zu. ermöglichen und eine Linearbewegung der Backe längs dieser Welle zu erlauben, und eine zweite Schwenkeinrichtung zwischen die Backe und die andere der beiden Tragwellen geschaltet ist, um eine Schwenkbewegung der Backe um eine diese andere Welle schneidende Achse zu erlauben und eine Linearbewegung der Backe längs der anderen Welle zu ermöglichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Antriebseinrichtung, mit der die Backe längs der Wellen in irgendeine gewählte Position innerhalb des vorgegebenen Bereiches bewegt werden kann.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung aus einem Gewinde auf der einen Welle besteht, einer Eingriffseinrichtung an der ersten Schvenkeinrichtung, die in das Gewinde eingreift und einer Dreheinrichtung für die Welle, um auf diese Weise die eine Schwenkeinrichtung und die Baeke entsprechend einer Drehung längs der Wellen zu "bewegen.

4* Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 5, bei der eine zweite Backe auf die Zeatralaohse am oder von dieser weg bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Bewegungseinrichtung mit der zweiten Baofce verbunden ist, um deren Bewegung zu begrenzen, so daß deren «ur anderen Backe weisende Fläche innerhalb des vorgegebene» Bereiches im wesentlichen parallel zur durch sie selbst begrenzten Strahlkante gehalten wird, und eine Antriebseinrichtung beide Backen gleichzeitig *uf die Zentralachse zu oder von dieser weg bewegt.

5» Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4» dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Bewegungseinrichtung aus einer dritten Tragwelle besteht, die unter einem Winkel zu der einen Welle angeordnet ist, einer dritten Sohwenkeinrichtung, die zwischen die zweite Backe und die dritte Welle geschaltet ist, und eine Schwenkbewegung der zweiten Baeke üb eine die dritte Welle schneidende Achse ermöglicht, und eine Linearbewegung der zweiten Backe längs der dritten Welle zulässt, und eine vierte Schwenkeinrichtung zwischen die zweite Backe und die eine Welle geschaltet ist, um eine Schwenkbewegung der zweiten Backe um eine die eine Welle schneidende Achse zu ermöglichen und eine Linearbewegung der zweiten Backe längs der ersten Welle zuzulassen, und daß die Antriebseinrichtung aus zwei Gewinden mit entgegengesetzter Steigung auf der einen Welle besteht und einer Eingriffseinrichtung an der vierten Schwenkeinrlchtung, die in das zweite Gewinde eingreift,

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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere nicht parallele Tragwellen auf der der einen Welle gegenüberliegenden Seite wenigstens einer Backe angeordnet sind, eine Schwenkeinrichtung zwischen die Backe und eine dieser weiteren Wellen geschaltet ist, um eine Schwenkbewegung der Backe um eine diese Welle schneidende Achse zu erlauben und eine Linearbewegung der Backe längs dieser Welle zu ermöglichen, und eine andere Schwenkeinrichtung zwischen die Backe und die andere der weiteren Wellen geschaltet ist, um eine Drehung der Backe um eine diese andere Welle schneidende Achse zu erlauben und eine Linearbewegung der Backe längs dieser anderen Welle zu ermöglichen.

7· Vorrichtung nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehkupplung die eine Welle und die eine der weiteren Wellen derart kuppelt, daß diese synchron rotieren, wenn eine von beiden Wellen in Drehung versetzt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkupplung aus einem Kettenzahnrad auf jeder der beiden Wellen und einer beide Kettenzahnräder verbindenden Kette besteht.

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