DE2835331A1 - Endoskop mit elektrischer bilduebertragung - Google Patents

Endoskop mit elektrischer bilduebertragung

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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München YPA 78 P 8908 BRD
Endoskop mit elektrischer Bildübertragung
Die Erfindung betrifft ein Endoskop mit elektrischer Bildübertragung, das aus einem Kopf mit eingebauter Kamera, einem beweglichen Schlauchteil, das einen Schwenkteil und einen passiv biegbaren Teil umfaßt, einem Bedienpult und einem Bildgerät besteht und sich insbesondere für medizinische Zwecke eignet.
Ein Endoskop mit elektrischer Bildübertragung muß insbesondere in der Ausführung für medizinische Zwecke besonderen Anforderungen genügen. Yor allem muß der Kopf, der eine miniaturisierte Fernsehkamera enthält, durch eine geeignete Fernsteuerung zu dem üblicherweise schwer zugänglichen Untersuchungsort hinführbar und dort ausrichtbar sein ohne den Patienten zu verletzen. Ferner muß die Verlustwärme, die die Fernsehkamera im Kopf unvermeidlich erzeugt, so abgeführt werden, daß nirgendwo auf der Oberfläche der Im Patienten befindlichen Teile des Gerätes zu hohe Temperaturen entstehen.
Tp 5 Ler / 7.8.1978
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- & -Q- YPA 73 P 8903 BRD
Bei der Konstruktion eines Fernsehendoskops für z.B. Magen-Darm-Untersuchungen müssen folgende Schwierigkeiten überwunden werden:
Im Kopf des Endoskops entsteht eine Verlustleistung Ton bis ca. 2 VT. Keine Stelle der Oberfläche der im Patienten befindlichen Teile des Endoskops darf jedoch die Körpertemperatur um mehr als 5 K überschreiten. Unter Umständen ist die Grenze von 5 K schon zu hoch.
Ferner ist die Umgebung des Endoskops im Patienten im wesentlichen trocken, d.h. das Endoskop ist nicht in Körperflüssigkeit eingetaucht, die die Wärme aufnehmen und so weit verteilen würde, daß die Schleimhäute nicht unzulässig erwärmt würden. Hinzu kommt, daß der Patient nur manchraal} nicht immer, Schmerzen empfindet, wenn er durch ein zu heißes Endoskop geschädigt wird. Er kann den Arzt daher nicht warnen.
Der Kopf des Endoskops muß die Form eines Kreiszylinders von höchstens ca. 15 mm Durchmesser und höchstens 20 mm Länge aufweisen und auf das Schlauchteil aufsteckbar, in Flüssigkeiten und/oder Gasen voll sterilisierbar und entsprechend dicht sein.
Zusammenfassend ergibt sich, daß sowohl die Wärmeabfuhr aus dem Kopf als auch der mechanische Aufbau des Schlauchteils bei einem Endoskop mit elektrischer Bildübertragung problematisch sind.
Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe in technisch sehr fortschrittlicher Weise lösen läßt, wenn gemäß vorliegender Erfindung der Kopf mit dem beweglichen Schlauchteil des Endoskops steckbar verbunden ist und die Beweglichkeit des Schlauchteils durch ein System von hydraulischen Bowdenzügen bewirkt wird, die sowohl mechanische Kräfte als auch elektrischen Strom
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- TPA 78 P 8908 BRD bzw. elektrische Signale übertragen können und eine Ableitung Ton Verlustwärme gestatten und daß der Übergang Tom Schlauchteil zum Kopf durch eine Überziehdichtung abgedichtet ist. Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Endoskops gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 12 hervor.
In den beiliegenden Abbildungen zeigen in"schematischer Vereinfachung
10
Fig. 1 den generellen Aufbau des Fernsehendoskops,
Fig. 2 die Schema des hydraulischen Mechanismus,
Fig. 3 die erfindungsgemäße Abbildung des Übergangs Tom Schlauch zum Kopf des Endoskops,
Fig. 4 das Ende des Schlauchteils mit Stecker für den Kopf.
Aus Figur 1 geht hervor, daß der als separate Einheit ausgebildete Kopf 1 mit eingebauter, miniaturisierter Fernsehkamera und den Steckern 2 mit dem Buchsenträger 6 des Schlauchteils 3 lösbar verbunden ist. Das Schlauchteil 3 besteht aus dem passiT biegbaren Teil 4 und dem Schwenkteil 5· Eine Dichtung 7 für die Verbindung Tom Kopf zum Schlauchteil ist ihrerseits als elastischer Schlauch ausgebildet. Das Schlauchteil 3 ist mit dem Bediengerät 8 durch das Kupplungsstück 9 lösbar Terbunden. Ein Leitungsbündel 10 verbindet das Bediengerät 8 mit dem Bildgerät 11.
Aus Figur 2, die den schematisierten Längsschnitt durch das Schlauchteil 3 zeigt, geht hervor, daß die Beweglichkeit des Schlauchteils 3 mittels hydraulischer Bowdenzüge bewirkt wird. Von dem Buchsenträger 6 ist
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seine Platte 12 und eine Buchse 13 gezeichnet. Die Buchsen 13 dienen der Übertragung von elektrischem Strom oder elektischen Signalen. Das Schwenkten 5 des Schlauchteils 3 erhält als äußere Wand ein Wellrohr 14, in dessen Wellen 15 mindestens drei auf dem Umfang verteilte, fluchtende Bohrungen 16 Torgesehen sind, durch die Zugkabel 17 geführt sind. Das Zugkabel 17 besteht aus einem mäßig biegsamen, in Längsrichtung nicht dehnbarem Material, z.B. Metalldraht, und wird an der Buchse 13 befestigt. Der biegsame Teil 4 des Schlauchteils 3 ist außen mit einer dünnwandigen Aussenhülle 18 abgeschlossen, die nahtlos in das Wellrohr 14 übergeht. Die Teile 12, 14 und 18 können z.B. aus Polyäthylen hergestellt sein. An der Innenseite der Außenhülle 18 sind Führungsrohre 19 angebracht. Die Führungsrohre 19 können entweder als Schlauch an der Innenseite der Außenhülle 18 des passiv biegbaren Teils 4 befestigt, z.B. geklebt, oder als Kanäle in der dann dickwandigen Außenhülle ausgeführt sein.
Das Zugkabel 17 hat etwas geringeren Außendurchmesser als die lichte Weite des Führungsrohres 19· Das Zugkabel 17 endet in der Nähe des Kupplungsstücks 9 in einem starren Kolben 20. O-Ringe oder ähnliche Dicht- elemente 21 sind fest auf dem Kolben 20 bzw. in der Nähe des Wellrohres 14 auf dem Zugkabel 17 befestigt und gleiten in dem Führungsrohr 19. Der Raum 22 zwischen den Dichtelementen 21 zwischen der Innenwand des Führungsrohres 19 und dem Zugkabel 17 ist mit Hydraulikflüssigkeit, z.B. Wasser, ausgefüllt.
Die Kolben 20 durchdringen das Kupplungsstück 9 und ragen in das Bediengerät 8 hinein. Sie werden durch einen Antrieb im Bediengerät bewegt, der von außen elektrisch oder manuell betätigt wird.
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Die Wellen 15 stehen so eng und die Bohrungen 16 haben einen so geringen Durchmesser, z.B. 10 % mehr als die Zugkabel 17, daß die Zugkabel 17 ohne die Möglichkeit von größeren Bewegungen, bezogen auf den Durchmesser des Wellrohres 14, quer zur Längsachse des Wellrohres 14 geführt werden.
Die beschriebene Anordnung des hydraulischen Bowdenzugs nach Figur 2 überträgt Zug- und Druckkräfte und diesen folgende Bewegungen Tom Kolben 20 auf die Buchsen 13.
Wenn, bezogen auf den Querschnitt des Schlauchteils 3, mindestens drei, besser vier Führungsrohre 19 mit KoI-ben 20, Dichtelementen 21, Zugkabeln 17, Bohrungen 16, in das Schlauchteil 3 zwischen dem Buchsenträger 6 mit den Buchsen 13 und dem Kupplungsstück 9 eingebaut sind, und zwar möglichst gleichmäßig über den Umfang der Außenhülle 18 des Schlauchteils verteilt, gestattet das System eine Schwenkung des Buchsenträgers 6 in der für den Kopf 1 geforderten Weise nur durch Betätigen der Kolben 20 im Kupplungsstück 9-
Figur 3 zeigt die Ausbildung der Abdichtung zwischen Kopf 1 und Schlauch 3 durch die Dichtung 7 im Detail.
Der Kopf 1 trägt auf seinem Umfang eine ringförmige Eintiefung 23, ebenso der Schlauch 3 auf der Außenwand seines passiv biegbaren Teiles 4. Die Dichtung 7 ist als elastischer Schlauch ausgebildet, gegebenenfalls mit verstärkten Enden 24, welche in ungedehntem Zustand einen wesentlich kleineren Umfang haben als die Eintiefungen 23. Die Dichtung 7 ist zwischen ihren Enden etwa gleich lang oder langer als der Abstand der Eintiefungen 23 bei geradem Wellrohr 14. Dio Dichtung 7 wird bei aufgestecktem Kopf 1 so über das Endoskop
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YFA ?8 p gezogen, daß ihre Enden 24 mittels ihrer elastischen Kraft in die Eintiefungen 23 gepreßt werden und dort dicht abschließen.
In einer geänderten Ausführung ist die Dichtung 7 integraler Bestandteil der Außenhülle 18 des Schlauchteils und wird nach Aufstecken des Kopfes 1 auf den Buchsenträger 6 über den Kopf 1 gezogen, bis sich das elastische Ende 24 in die Eintiefung 23 im Kopf 1 legt.
Figur 4 zeigt eine Ausführung, bei der die beschriebenen Vorrichtungen so ausgestattet sind, daß sie zusätzlich elektrischen Strom bzw. elektrische-Signale zum oder vom aufgesteckten Kopf 1 durch das Schlauchteil 3, durch das Kupplungsstück 9 in das Bediengerät 8 leiten und die Verlustwärme aus dem Kopf 1 durch das Schlauchteil 3 abtransportieren. Bei Endoskopen für medizinische Zwecke gelangt sie durch die Außenhülle 18 des Schlauchteils 3 weiter in den Patienten hinein.
Dabei ist die Temperatur der Oberfläche der Außenhülle 18 des Schlauchteils 3 so niedrig, daß bei den zu erwartenden elektrischen Verlustleistungen im Kopf 1 innere Verbrennungen oder Irritationen des Patienten sicher vermieden werden.
Gegenüber der oben beschriebenen Ausführung für die Zugkabel 17 werden Koaxialkabel mit einem Innenleiter 25, einer Isolation 26, einer elektrischen Strom und Wärme leitenden, biegsamen Abschirmung 27, üblicherweise aus Metallgeflecht, und einem isolierenden Mantel 28 verwendet. Die Innenleiter 25 sind mit ihrer Lage entsprechenden Buchsen 13 in dem Buchs ent rä.^er 6 verbunden. Die Abschirmungen 27 der Koaxialkabel stehen mit Wärmobuchsen 29 im Buchsenträger 6, voraugsweise durch Wärmebrücken 30, in Verbindung. Die Wärmebuchsen 29 übernehmen die Verlustwärme aus Würma-
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steckern des Kopfes 1. Die Dichtelemente 21 sind in diesem Fall auf dem Mantel 28 der Koaxialkabel bzw. Kolben 20 befestigt. In Figur 4 ist eine Ausführung gezeichnet, bei der eine'zentrale Wärmebuchse 29 an die Abschirmungen 27 aller Koaxialkabel angeschlossen ist. Andere Ausführungen haben mehrere Wärmebuchsen 29, die jeweils mit verschiedenen Abschirmungen 27 verbunden sind. Die einzelnen Abschirmungen 27 mit ihren zugehörigen Wärmebuchsen 29 können zusätzlich zum Transport von elektrischem Strom bzw. elektrischen Signalen verwendet werden.
Dadurch kann die aus den Wärmebüchsen 29 kommende Verlustwärme des Kopfes 1 ihren Weg aus den Abschirmungen 27 dui^ch den isolierenden Mantel 28, durch, die Hydraulikflüssigkeit im Führungsrohr 19, durch die Wand des-Führungsrohres 19 bzw.- durch die Außenhülle des Schlauchteils 3 nach außen finden. Wegen der grossen Oberfläche der Außenhülle 18 wird die Außentemperatür des Schlauchteils 3 dabei so wenig erhöht, daß bei Endoskopen für medizinische Zwecke die Ableitung der Verlustwärme auf die Schleimhäute des Patienten und von da in dessen Blutkreislauf vertretbar ist.
Eine Ableitung der Verlustwärme in der oben beschriebenen Art ist erforderlich, da alle Kühlungen, bei denen die Verlustwärme des Kopfes 1 durch ein strömendes Medium aus dem Patienten herausgeführt wird, wegen des Platzmangels im Schlauch und wegen der Bedingung, daß der Kopf 1 steckbar mit dem Schlauchteil 3 verbunden sein soll, nicht brauchbar sind. Dies gilt insbesondere für Durchflußkühlungen und Wärmerohre.
Eine Wärmeabgabe direkt an den Patienten durch Strahlung, Übertragung durch die Luft oder Wärmeleitung in die hierzu zu berührenden Schleimhäute ist auch nicht
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VPA 78 P 8908 BRD möglich, da dann die oben genannte Grenze von 5 K Temperaturdifferenz gegen die Körperteiaperatur um Größenordnungen überschritten würde.
Um zu verhindern, daß die im Kopf 1 erzeugte Wärme direkt an den Patienten übergeht, wird im Kopf 1 wärmeerzeugende Elektronik von seiner Außenfläche so gut wie möglich thermisch isoliert. Die einzigen gut die Wärme leitenden Verbindungen führen in einen oder mehrere Stifte am Kopf, die beim Aufstecken des Schlauchteils 3 in die ¥ärmebuchse(n) 29 und/oder die Buchsen 13 gesteckt werden.
Folgendes Beispiel zeigt die Größenordnung der Temperaturabstufungen auf dem Weg der Wärme:
2 W Wärmeleistung, maximal 20 mm Länge des Wärmeweges im
2 Kopf 1, mehrere Wärmeleiter aus Kupfer von zusammen 2mm. •Querschnitt, Temperaturdifferena vcm Anfang der Wärmeleiter bis zu ihrem Ende (= Ende der Stecker am Kopf 1) höchstens 30 K. ·
Für das Beispiel wird weiter der ungünstige, weil zu besonders großen TemperaturSprüngen führende Fall angenominen, daß die Wärme gebündelt aus einem Stift im Kopf in nur eine Wärmebuchse 29 in den Buchsenträger 6 übertragen wird:
Übergangsfläche Stift-Wärmebuchse ca. 100 mm , Spalt zwischen Stift und Wärmebuchse ca. 0,01 mm, mit Fett auszufüllen, 2 W Wärmestrom, ca. 1 K Temperaturdifferenz zwischen Stift und Wärmebuchse 29.
Für das Zahlenbeispiel wird eine weitere Ausgestaltung der Erfindung angenommen. Nach ihr ist auf oder dicht unter der Oberfläche der Außenhülle 18 des Schlauch-
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VPA 78 P 8908 BRD teils 3 ein Wärmeverteiler eingebaut, der aus Bändern oder Drähten besteht. Die Bänder oder Drähte sind, um die Biegsamkeit des Schlauchbereichs 4 nicht zu sehr zu reduzieren, z.B. in Form einer Schraubenlinie um die -Iiängsachse des Schlauches 3 aufgewickelt. Die Drähte können aber auch als Geflecht ausgebildet sein. Die Bänder bzw. Drähte bestehen aus einem die Wärme gut leitenden Material, z.B. Silber, Kupfer oder Aluminium. Am kopfseitigen Ende der Außenhülle 18 des Schlauchteils 3 wird der Wärmeverteiler aus dieser herausgeführt und mit der oder den Wärmebuchsen 29 verbunden.
Die Wärme aus den Wärmebuchsen-29 breitet sich im Wärmeverteiler aus und tritt auf großer Fläche in die umgehende Luft aus, oder sie breitet sich durch Wärmeleitung -in die Umgebung aus, z.B. auf die Schleimhäute des Patienten, wo sie von dessen Blutkreislauf abtransportiert wird. Die Temperatür des Wärmeverteilers wird längs des Schlauches 3 vom Kopf 1 entsprechend abnehmen .
Wenn die Oberflächentemperatur des Wärmeverteilers in der Nähe des Kopfes zu hoch wird, kann er dort mit einein die Wärme relativ schlecht leitenden Material als Wärmewiderstand überdeckt werden. Die technisch einfachste Lösung ist, ihn dort innerhalb der Außenhülle 18 des Schlauchteils 3 verlaufen zu lassen. Folgendes Beispiel enthält die Zahlen für eine solche Ausführung:
Wärmeleitzahl des Wärmeverteilers aus Cu-Legierung ca.
— 1 — 1
300 Wm K . Wärmeleitzahl der Schleimhaut des Pati-
— 1 — 1
ent en ca. 0,2 Wm K . Querschnitt des Wärmeverteiler ca. 10 χ 0,1 mm. Mittlere Dicke der Schleimhaut ca. 1 mm bis zum Blutstrom. Wärmestrom 2 W. Die Tempera-
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turdifferenz zwischen Gerät und Blutkreislauf liegt schon am kopfseitigen Ende des WärmeTerteilers v/es entlieh unter 1 K.
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Claims (12)

  1. VPA 78 P 8903 BRD
    PatentansDrüche
    (λ .J Endoskop mit elektrischer Bildübertragung, bestehend aus einem Kopf mit eingebauter Kamera, einem beweglichen Schlauchteil, das einen Schwenkteil und einen passiv biegbaren Teil umfaßt, einem Bediengerät und einem Bildgerät, dadurch g-ekennzeichnet, daß der Kopf (1) mit dem beweglichen Schlauchteil (3) steckbar verbunden ist und daß die Beweglichkeit des Schlauchteils (3) durch ein System von hydraulischen Bowdenzügeri bewirkt wird, die sowohl mechanische Kräfte als auch elektrischen Strom bzw. elektrische Signale übertragen können und eine Ableitung von Verlustwärme gestatten, und daß der Übergang vom Schlauchteil (3) zum Kopf (1) durch eine Überziehdichtung (7) abgedichtet ist.
  2. 2. Endoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das System der hydraulischen Bowdenzüge einen Schwenkteil (5) bewegt, der als äußere Wand ein Wellrohr (14) enthält, dessen Wellen (15) mindestens drei auf dem Umfang verteilte fluchtende Bohrungen (16) aufweisen, durch die je ein Zugkabel (17) zu je einer Buchse (13) geführt ist, wobei die Bohrungen (16) nur wenig größeren Durchmesser als die Zugkabel (17) besitzen, und die Wellen (15) des Wellrohres (14) so eng stehen, daß die Zugkabel (17) in bezug auf den Durchmesser des Wellrohres (14) keine wesentlichen Bewegungen quer zur Längsachse des WeIlrohres (14) ausführen können.
  3. 3. Endoskop nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Zugkabel (17) im passiv beweglichen Teil (4) des Schlauchteils (3) in Führungsrohren (19) verlaufen, die entweder an dar Innenseite der AuGanhülle (13) des Schlauchte!Is (3)
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    befestigt sind oder als Kanäle in der Außenhülle (18) des Schlauchteils (3) ausgebildet sind, welche einen nur wenig größeren Durchmesser als die Zugkabel (17) aufweisen.
  4. 4. Endoskop nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet', daß die Zugkabel (17) in der Nähe des Kupplungsstücks (9) des Schlauchteils (3) für das Bediengerät (8) bzw. Bildgerät (11) in je einem starren Kolben (20) enden und daß auf diesem Kolben (20) und auf dem Zugkabel (17) Dichtungselemente (21) befestigt sind, welche in den Führungsrohren (19) gleiten können, und daß der durch die Dichtungselemente (21) begrenzte Innenraum (22) der Führungsrohre (19) mit Hydraulikflüssigkeit ausgefüllt ist, wodurch sich Zug- und Druckkräfte und diesen folgende Bewegungen von den Kolben (20) auf die mit den Zugkabeln verbundenen Buchsen (13) übertragen lassen.
  5. 5. Endoskop nach Ansp"ruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Zugkabel als Koaxialkabel ausgebildet sind und aus einem Innenleiter (25), einer Isolierung (26), einer elektrischen Strom und Wärme leitenden biegsamen Abschirmung (27) und einem isolierenden Mantel (28) bestehen, wobei die Innenleiter (25) mit denjenigen Buchsen (13) verbunden sind, die hinsichtlich ihrer Lage im Buchsenträger (6) der Lage der Zugkabel bzw. der Führungsrohre (19) entsprechen.
  6. 6. Endoskop nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschirmung (27) der Koaxialkabel mit mindestens einer Wärmebuchse (29) verbunden ist, wobei die Innenleiter (25) des Koaxialkabels den Transport von elektrischen Signalen bzw. von elektrischem Strom übernehmen, während
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    die Abschirmung (27) für den Transport von elektrischem Strom und von Wärme sorgt.
  7. 7. Endoskop nach Anspruch 1 bis 6, dadurch
    gekennzeichnet, daß die Abschirmungen (27) der Koaxialkabel mit der/den Wärmebuchse(n) (29) durch Wärmebrücken (30) verbunden sind.
  8. 8. Endoskop nach Anspruch 1 bis 7, dadurch
    gekennzeichnet, daß die Teile im Inneren des Kopfes (1), welche die Verlustwärme -erzeugen, von der Außenwand des Kopfes thermisch isoliert sind, und daß eine die Wärme ableitende Verbindung zu den Wärmebuchsen (29) und/oder zu den Buchsen (13) für elektrischen Ström besteht.
  9. 9. Endoskop nach Anspruch 1 -bis 8, d-a durch -gekennz e lehnet , daß die aus den.Wärme-.
    büchsen (-29) in das Schlauchteil (3) gelangende Wärme 20' auf Wärmeverteiler geleitet wird, welche als-Geflecht oder Bänder auf oder direkt unter der Oberfläche der Außenhülle (18) des passiv biegbaren Teils (4) verlaufen.
  10. 10. Endoskop nach Anspruch 1 bis 9, dadurch, gekennzeichnet , daß die Außenhülle (18) in der Nähe des Wellrohres (14) durch Verstärkung ihrer Dicke einen erhöhten Wärmewiderstand aufweist, so daß vom Wärmeverteiler durch die Schlauchwand nach außen gelangende Wärme die Außenseite der Außenhülle (18) nur auf geringfügig erhöhte Temperatur bringen kann.
  11. 11. Endoskop nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Überziehdichtung (7) die Form eines Schlauches aufweist und aus
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    einem elastischen Material besteht, sowie der Umfang ihrer Enden (24) in nicht aufgezogenem Zustand geringer ist als der Umfang der in der Wand des Kopfes (1) und in der Außenhülle (18) vorgesehenen Eintiefungen (23), so daß die Enden (24) der Überziehdichtung (7) in aufgezogenem Zustand in diesen Eintiefungen (23) fest liegen, wobei der gesamte Schwenkteil (5) und die Verbindungsstelle des Kopfes (1) mit dem Schlauchteil (3) bzw. mit dem Buchsenträger (6) nach außen abgedichtet wird.
  12. 12. Endoskop nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Überziehdichtung (7) als ein integraler Bestandteil' der Außenhülle (18) ausgebildet ist und ein elastisches Ende (24) aufweist, das nach dem Aufstecken des Kopfes (1) auf den Buchsenträger (6)-in die ringförmige Eintiefung (23) in "der Wand des Kopfes (1) gezogen wird.
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