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Beschreibung.
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Flexibles endoskopisches Laserskalpell mit Beobachtungsoptik Es ist
bekannt, die energiereiche Laserstrahlung auch in der Medizin zum Trennen und Verbrennen
von Geweben zu verwenden.
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Die Vorteile dieser Methode sind: 1) Völlige Keimfreiheit der Lichtstrahlen
2) Die Eigenschaft, das Gewebe an der Schnittfläche zu koagulieren und damit kleine
blutgefäße sofort zu verschließen, so daß sehr geringe Blutungen auftreten.
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Ein technisches Problem bei dieser Methode ist die Bewegung des energiereichen
Laserstrahls (weiterhin kurz als Energiestahl bezeichnet). Dort, wo genügend Platz
vorhanden ist, kann man dazu Spiegel- und Linsenanordnungen verwenden. Bei Operationen
in engen Körperhöhlen muß der Energiestrahl Jedoch durch enge Querschnitte und auf
gekrümmten Wegen an die Arbeitsstelle geführt werden. Hierzu sind Spiegel- und Linsenanordnutzen,
wegen ihrer Größe nicht mehr geeignet.
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1?£rfindungsgemäß werden zu diesem Zweck zum Fortleiten oer energiereichen
Strahlung geeignet geformte Glasfaserbündel verwendet.
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werden Laserstrahlen durch Glasfasern wcggeleitet, so gehen jedoch
wesentliche Eigenschaften der Laserstrahlen verloren.
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Beim eintritt eines normalerweice sehr gut gebündelten Daserstrahls
in ein Glasfaserbündel wird das Licht durch folgende Effekte diffuser gemacht:
1)
Brechung der Strahlen beim intritt in die Glasfasern, wenn die Eintrittsfläche nicht
VÖ'lli eben ist.
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2) Beugung an den Eintrittsöffnungen.
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3) Inhomogenitäten des Brechungsindex in den Glasfasern.
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4) Krümmung der Glafasern.
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5) Brechung der Strahlen an der Austrittsfläche Die Weiterleitung
der Strahlen in den Glasfasern geschieht durch mehr oder weniger häufige rl'otálreflexion
an den Faseroberflächen. Dadurch sind die Lichtwege in den einzelnen Glasfasern
verschieden lang. Bei den neu auf den Markt genommenen sog. "Selfoc" - Fasern nimmt
der Brechungsindex von der Mitte zur Oberfläche der Faser ab, so daf3 die lichtstrahlen
immer wieder zur Mitte hin gebrochen werden. Auch hier ist die Länge des Lichtweges
in der Glasfaser nicht definiert Zu diesen Störeffekten kommt noch hinzu, daß die
einæelnen Glasfasern eines Bündels nie exakt, d.h. auf Bruchteile von Lichtwellenlängen
gleich lang sind. Die ebene Wellenfront des in das Glasfaserbündel eintretenden
Laserstrahls geht wegen dieser Störeffekte im Glasfaserbündel verloren. Dadurch
kann man den aus dem Glasfaserbündel austretenden Laserstrahl nicht mehr zu einem
so kleinen energiereichen Brennfleck fokussieren, wie einen ungestörten Laoerstrahl.
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Um den durch ein (Jlasfaserbündel fortgeleiteten Taserstrahl für operative
Zwecke verwenden zu können, muß trotz der o.a Schwierigkeit versucht werden, einen
möglichst kleinen, energiereichen Brcnnfleck zu erzeugen. Hierzu sind mehrere Wege
möglich.
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Die einfachste .etethodebder Fokussierung ist es, die Austrittsfläche
eines S-lasfaserbündels mit Hilfe einer Linse verkleinert abzubilden (siehe Bild
1). In der normalen optik gilt der Grundsatz, daß die Energiedichte des verkleinerten
Bildes nicht höher sein kann, als die Energiedichte des selbstleuchtenden Originals.
dieses von der Thermodynamik geforderte Gesetz gilt deshalb hier nicht, weil das
Licht, das aus der strahlenden Austrittsfläche des Glasfaserbündels austritt, bereits
gerichtet ist, und nicht nach dem Lambertschen Cosinusgesetz in den Halbraum strahlt.
Mine solche Fokussierung erfordert jedoch eine Linse, die in ihrem Durchmesser wesentlich
größer ist als das GlasfaserUindel, so daß das Einführen in enge Körperöffnungen
nicht mehr möglich ist.
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Das zweite Verfahren, den aus dem Glasfserbiindel austretenden Energiestrahl
auf eine möglichst kleine Fläche zu konzentrieren, benötigt keine Linse. Hierzu
werden die einzelnen Fasern des Bündels, wie es in Bild 2 gezeigt wird, auf einen
Punkt gerichtet, der zweckmäßigerweise auf der verlängerten Achse des Bündels liegt.
Die Entfernung dieses Punktes von der Austrittsfläche aus dem Glasfaserbündel (d
im Bild 2) darf nicht zu groß gewählt werden, weil die Laserstrahlen, auch wenn
sie parallel in die Glasfasern eintreten, dne einzelnen Fasern leicht disvrgent
wieder verlassen. Der Öffnungswinkel eines aus einer etwa 50 cm langen, 70 - 100
Hm dicken Glasfaser austretenden,vorher parallelen .aserstrahlen ist etwa 150 mrad
(8 - 9°). titan wählt zweckmäßigerweise eine Entfernung von der Austrittsfläche
in der Größenordnung des Durchmessers des Glasfaserbündels. sie überlagerung der
aus diesen, auf
einen Funkt gerichteten glasfasern austretenden
Lichtbündel ergibt einen Fleck hoher Energiedichte von wenigen Zehntel mm Durchmesser.
sie Herstellung eines solchen konvergenten (71asfaserbündels ist jedoch sehr schwierig,
weil jede Glasfaser einzeln gerichtet und festgelegt werden muß. Bei dieser Art
der Fokussierung müssen die einzelnen Glasfasern gebogen werden. Bei zu kleinem
Krümmungsradius (etwas kleiner als das zwanzigfache des Glasfaserdurchmessers) nimmt
die Divergenz des aus den glasfasern austretenden Lichtbündels stark zu und die
Fokussierung wird schlechter. wählt man andererseits die Krümmung der einzelnen
glasfasern klein, so nimmt der Querschnitt des Glasfaserbündels vor dem Austrittsende
beträchtlich zu. Da es hel der hier beabsichtigten Anwendung in engen Körperhöhlen
auf kleinsten Querschnitt ankommt, ist auch diese Art der Fokussierung ungünstig.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein Glasfaserbündel zu verwenden,
das am Anfang und am Ende fest verkittet oder verschmolzen ist und dessen Eintritts-
und Austrittsfiächen ge schliffen und poliert sind. die Form der i'irtrittsfläche
ist, wenn das einfallende Lichtbündel parallel ist, eine Ebene senkrecht zu den
Faserachsen. Wenn die Lichtstrahlen von einem Brennpunkt herkommen muß die Eintrittsfläche
eine konvexe, linsenförmige Gestalt tz.B. wie eine Kugelkalotte) habe, so daß die
in die Glasfasern eintretenden Strahlen parallel zu den Faserachsen gebrochen werden.
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Die Austrittsfläche muß immer die jiorin einer konvexlinse (Kugelkalotte
oder Paraboloid) haben, damit die aus den einzelnen asern austretenden schwach divergenten
Bündel nach
der Mitte (Achse) des Glasfaserbündels hin gebrochen
werden.
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Ein solches Glasfaserbündel braucht zur Fokussierung keinen erweiterten
Querschnitt (siehe Bild 3).
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Technisch läßt sich eine solche Anordnung relativ einfach herstellen.
Zunächst müssen die Glasfasern am Anfang und am Ende des Bündels durch einen sehr
harten Kitt, oder besser durch ein niedrig schmelzendes Glas mit möglichst niedrigem
Brechungsindex zusammengekittet werden. Dann werden die verkitteten Enden des Bündels,
ähnlich wie optische Linsen, geschliffen und poliert. Es ist günstig, wenn das Kittmittel
die gleiche rte hat wie das (las der Glasfasern. 3e1 unterschiedlicher Härte werden
die weicheren stellen beim Polieren stärker abgetragen als die harten und man erhalt
eine von der gewünschten Austrittsfläche abweichende orm der überfläche. Da in diesem
Hall nur eine angenäherte Fokussierung gewünscht ist, sind kleine Abweichungen von
der idealen oder ,e'ünSChten Austrittsfläche zulässig und nicht sehr schädlich.
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Die Näherungsrechnung ergibt als Brennweite f eine kugelförmige Endfläche
in Luft etwa
(siehe Bild 3) Hierbei ist R der Krümmungsradius der Austrittsfläche und n der Brechungsindex
des Glases. Damit die aus den einzelnen Fasern austretenden Strahlen möglichst.
wenig divergent sind, müssen sie schon beim Eintritt in das Glasfaserbündel möglichst
parallel zu den tchsen der Glasfasern ausgerichtet sein. Um Beugungserscheinungen
klein
zu halten sollen die lasern einen möglichst großen Durchmesser, z.B. 0, 1 - 0, 3
mm # erhalten. Dadurch ist auch die Anzahl der wandref]exionen in den einzelnen
Fasern kleiner als bei dünnen masern. Dicke Glasfasern erfordern von selbst einen
größeren Krümmungsradius als dünne Masern, so daß auch dadurch die Divergenz der
austretenden Strahlen klein bleibt. Natürlich nimmt bei dicken Einzelfasern die
Beweglnchkeit des Bündels ab. Hier ist ein Kompromiß zwischen der notwendigen Beweglichkeit
und der guten Fokussierbarkeit notwendig.
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Um in engen Körperhöhlen operieren zu können, muß die Operationsstelle
beobachtet und deshalb auch beleuchtet werden.
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Da die Strahlung hoher Intensität normalerweise ultrarotes Licht ist,
wird noch eine Beleuchtungsmöglichkeit der Arbeitsstelle mit sichtbarem Licht vorgtsehen.
Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten: a) Man spiegelt in das die Laserstrahlen
hoher Intensität fahrende Glasfaserbündel ruder in leile dieses B'ndels gleichzeitig
oder abwechselnd mit der Energiestrahlung sichtbares Licht ein. Dieses Glasfaserbündel
für Strahlen hoher Intensität wird von nun an zur Unterscheidung von weiteren Glasfaserbündeln
mit Energiebündel bezeichnet.
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Das sichtbare Licht soll zweckmäßigerweise bei seinem Eintritt in
das Glasfaserbündel nicht parallel ausgerichtet sein, damit es beim austritt aus
dem Glasfaserbündel mehr divergent ist als die zum Schneiden dienenden strahlen
hoher Intensität. Dadurch wird eine größere Fläche beleuchtet als die Brennfläche
der strahlung hoher Intensität.
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b>' Man verwendet ein getrenntes Glasfaserbündel für die Beleuchtung
tim Bild 5 als Beleuchtungebündel bezeichnet).
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Da dieses Bündel wenig Wärme entwickelt, braucht es nicht gekühlt
zu werden und kann im inneren des 'wesamtbündels, z.X. auf der Oberfläche des weiter
unten beschriebenen Bildbündels verlegt werden. Das Austrittsende dieses Bündeis
soll nicht geschliffen oder poliert sein, damit das austretende licht möglichst
diffus ist, um auch die umgebung des Brennflecks zu beleuchten.
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c) Wenn man ein oder mehrere Beleuchtungsbündel am Umfang des t,nergiebündels
anbringt, kann man den plastischen Eindruck des Bildes dadurch verstärken, daß man
nur das oder die Bündel an einer beite zur Beleuchtung verwendet. Das wahlweise
Einschalten beliebiger Bündel gibt die Möglichkeit Einzelheiten des Bildes genauer
zu erkennen.
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Für die Beobachtung kann man ebenfalls GlasSaserbündel verwenden.
ms gibt sog. kohärente Glasfaserbündel die dadurch gekennzeichnet sind, daß die
beiden Enden der vielen in einem Bündel vereinigten Glasfaserngvöllig gleich angeordnet
sind. Helle und dunkle Flecken auf der Eintrittsfläche eines solchen Bündels erscheinen
dann als ebenso geformte helle und dunkle Flecken auf der Austrittsebene. Heute
gelingt es bereits kohärente Glasfaserbündel herzustellen, bei denen auf 1 mm2 etwa
10 000 Glasfasern enden. Man kann deshalb mit einer solchen Bildauflösung Bilder
über bewegliche Glasfaserbündel übertragen. t'rfindungsgemäß wird nun ein solches
zur Bildübertragung dienendes kohärentes {ilasfaserbündel - weiterhin a 5 Bildbündel
bezeichnet - zusammen mit dem F.nergiebündelf verwendet. Hierbei ist es allerdings
notwendig das Bild der
uperationsstelle auf der Eingangsfläche des
Bildbündels atzubilden. ;in Ausführungsbeispiel hierfür zeigt Bild 4. J)ort ist
der liängsschnitt durch das Ende eines beweglichen Laserskalpells dargestellt. In
der Mitte liegt das Bildbündei. Vor dessen sunde befindet sich die Einse, mit der
das ild der Bi;ennebene auf die Eingangsebene des Bildbündels abgebildet wird.
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Um schädliche Reflexionen zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die massive
Glaslinse so lang zu machen, daß das Bild des Brennflecks direkt auf der ebenen
Rückseite der LinSe abgebildet wird, die direkt unter Verwendung eines optischen
Kitts mit der ebenfalls ebenen Eintrittsfläche des aus möglichst dünnen Glasfasern
bestehenden (kohärenten) Bildbündels verkittet ist. Das Bildbündel ist konzentrisch
von einem Beleuchtungsbündel umgeben, dem Glasfaserbündel, durch das das sichtbare
Licht an die Operationsstelle herangeführt wird. Beide Bündel werden konzentrisch
von einem Energiebündel umgeben, durch das die intensive Laserstrahlung geführt
und durch die kugelkalottenförmig geschliffene Austrittsfläche zu einem brennfleck
fokussiert wird.
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win wichtiges Problem bei der Anwendung des Lasers.ialpeiis in engen
Körperhöhlen ist die Kühlung des r,nerbiebündels. In einem 1 in langem Glasfaserbündel
werden etwa 2u - r«á c;o< der hindurchgeschickten Lichtmenge absorbiert. Hierdurch
erwtrmt sich das Glasfaserbündel. um eine Gefährdung der patienten zu vermeiden
muß es gekühlt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Anordnung zeigt Bild 5 im Längsschnitt
(Bild 5a) und im Querschnitt (Bild 5b). 1 ist
das Energiebündel,
2 ist die Abbildungslinse und 3 das kohärente) Bildübertragungsbundel zur Beobachtung
der Operationsstelle. l)as nergiebündel 1 wird von zwei konzentrischen biegsamen
schläuchen 4 und 5 umgeben zwischen denen das kühlmedium zu- und abströmen kann.
Als Abstandshalter zwischen dem Energiebündel und dem inneren Schlauch dienen hier
vier Eichtbündel 6 die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Dieser erste,
innere schlauch ist an der Eichtaustrittsstelle über das Ende der Glasfasern hinaus
Verlängert und nach innen gebogen, damit das austretende Eicht zum brennfleck und
dessen Umgebung reflektiert wird. Durch die öffnung zwischen diesem Schlauch und
den ijichtbündeln wird Kühlgas, z . B. Luft, zur Operationsstelle geblasen. Dieses
gasförmige Kühlmedium dient weiter dazu Xörperhöhlen, in denen man operieren will,
aufzublasen und !erbrennungsgase und dämpfe, die die Beobachtung erschweren und
die Linse beschlagen können, wegzublasen. In dem zwischenraum zwischen Schlauch
4 und äußerem Schlauch 5 wird das kühlgas wieder abgeführt. Als Abstandshalter zwischen
diesen Schläuchen 4 und 5 kann mau Stahldrähte benutzen, die dazu dienen, ähnlich
wie bügel, das Ende des Laserskalpells zu bewegen.
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Arbeitet man mit Impulslasern, was wegen der besseren sosierbarkeit
der Energie sehr zweckmäßig ist, so kann es vorkommen, dali beim Abschießen des
lasers eine so große Energie an der Operationsstelle absorbiert wird, daß Gewebe-
oder Flüssigkeitsteile gegen die Linse geschleudert werden, so dald die Sicht behindert
wird. Um das zu verhindern ist es zweckmäßig, eine kleine Klappe aus Metall vorzusehen,
die während des Laserblitzes vr die binse geschwenkt wird und danach wieder weggeschwenkt
werden kann, um die Beobachtung zu ermöglichen
Die Betätigung dieser
Klappe kann ebenfalls mit Stahldrähten geschehen, die in den Kühlkanälen geführt
werden.
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Eine weitere Möglichkeit, die linse und auch die Austritteflache der
Glasfaserbündel immer wieder sauber zu machen ist; diese Flächen mit einem dünnen
Wasserstrahl abzuopritzen, der durch eine Kapillare (8) zugcfLihrt wird.
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Da man, um den patienten nicht zu gefährden, den Gasdruck in der Körperhöhle
genau kontrollieren muß, ist hier eine -apillare 7 in das Glasfaserbündel oder einen
Kühlkanal eingelegt, die am Operationsende offen ist- und am anderen nde ein Druckmeßgerät
oder ein Druckregelgerät hat.
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Bei Anwendung höherer Strahl energie kann es bei Gaskühlung schwierig
werden die im Glasfaserbündel absorbierte nergie wegzuführeri. Dagegen ist die Kühlung
mit einer E@ liissigkeit, vorzugsweise mit Wasser, wegen der relativ zu Gasen hohen
spezifischen lärme viel wirkungsvoller. kühlung mit ilüssigkeit ermöglicht die Anwendung
viel höherer Strahlenenorgien pro Querschnittseinheit, so daß man ein dünneres Glasfaserbündel
verwenden kann als bei Gaskühlung. Bei Kühlung mit Flüssigkeit ist es zweckmäßig
einem geschlossenen Kühlkreilauf zu verwenden, der vorzugsweise mit reinem Wasser
gefüllt ist, das umgepumpt wird und über einen ,:ctrmeaustaltscher gekühlt wird.
dadurch wird verhütet, daß die engen Kühlkapillaren durch Fremdkörper verstopft
werden. Trotz der Flüssigkeitskühlung ist es zweckmäßig, auch einen Gasumlauf und
eine Uruckmeßkapillare vorzusehen, um Verbrennungsgase abzuführen und in der Körperhöhle
einen bestimmten Gasdruck aufrecht zu halten.
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Natürlich kann auch hier eine bewegliche Klappe oder eine
Spritzdüse
zum Reinhalten der minse vorgesehen sein.
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In den Bildern 6a und 6b ist ein weiteres husführungsteisniel gezeichnet,
das im wesentlichen mit Flüssigkeitskühlung arbeitet. Bild 6a zeigt den Längsschnitt,
Bild 6b den Querschnitt des Kopfes des maserskalpells. Teil 1 ist das Energiebündel,
das aus Glasfasern 1c von etwa 0,25 mm Durchmesser besteht.
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uie sind am tnde mit niedrigscliinelzendem Glas ib verschmolzen.
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Die Austrittsfläche 1d ist zu einer Kugelkalotte von H. = 7 mm Radius
geschliffen. Um das iusammenschmelzen zu erleichtern ist es zweckmäßig das Glasfaserbündel
mit einem an den Ausdehnungskoeffizienten des Glases angepaßten Kovar - Ring 1a
zu umgeben.
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In das Energiebündel wird an seinem Anfang auch das Beleuchtungslicht
eingespiegelt und zwar so, daß die Beleuchtungsstrahlen möglichst nicht parallel
zur Glasfaserachse eintreten, damit das am Kopf des Laserskalpells austretende sichtbare
Licht möglichst diffus ist.
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Mit 2 ist die Linse bezeichnet, die das zild des Brennflecks - der
Operationsstelle - auf der ebenen Rückseite 2a der Linse abbildet. ihre Länge beträgt
bei einem Krümmungsradius der Linsenvorderseite von r = 2 mm und einem Biechungsindex
des Glases n = 1,8 etwa 6,5 mm. An die ebene Bildfläche 2a ist das Bildbündel 3,
das aus sehr feinen Glasfasern besteht, so angekittet, daß ein guter optischer Xontakt
besteht.
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In den Zwischenräumen 12 zwischen den Kühlkapillaren können noch Kapillaren
13 zum Abspritzen der minse oder zum Messen des drucks untergebracht werden. @s
ist zweckmäßig den Kapialaren in ihrer Längsrichtung eine mäanderartige rorm zu
geben,
damit das Laserskalpell beweglich bleibt. zusätzlich dienen die Zwischenräume 12
zum Zu- und Abführen von o gasen, die durch Bohrungen 14 durch den wing 9 in den
Operationsraum hinein und herausströmen können.
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Der- Ring 9 ist mit einem elastischen schlauch 15 verburlden, der
das Laserskalpell mit allen eingelagerten Teilen bis zu seinem Anfang außerhalb
der Körperhöhle dicht umschließt.