WO1999042702A1 - Antriebsmotor für chirurgische geräte - Google Patents

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Gerd Zinn
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    • F05C2225/00Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
    • F05C2225/12Polyetheretherketones, e.g. PEEK

Definitions

  • the invention relates to a drive motor for surgical devices, for example for tooth handpieces, for bone drills or bone milling.
  • fluid-operated geared motors are much more suitable for use in surgical devices.
  • These motors are of a very simple design, they only include intermeshing gears in a housing that surrounds the gears in a sealing manner, as well as a pressurized fluid supply and a pressurized fluid discharge, no further moving parts are necessary, in particular no slats that can be moved in the radial direction, as in a slat motor.
  • This very simplified structure makes it possible to generate very high speeds and thereby achieve powers that are required for use in a surgical motor, for example powers in the order of magnitude of 70 watts when using conventional pressures, which are for example in the range between 4 and Can be 10 bar.
  • powers in the order of magnitude of 70 watts when using conventional pressures, which are for example in the range between 4 and Can be 10 bar.
  • the driving fluid can be a gas, for example compressed air or nitrogen.
  • the gear wheels of the gear motor consist of a self-lubricating material, in particular of polyoxymethylene (POM) or polyether ether ketone (PEEK).
  • POM polyoxymethylene
  • PEEK polyether ether ketone
  • the diameter of the individual gear wheels is less than 40 mm.
  • the diameter-width ratio of the gears can be between 0.5 and 2.
  • the number of teeth on the gears should be at least 8.
  • gear module is between 0.5 and 1.5.
  • the result is a very compact structural unit which, when used in surgical devices, requires little space and, moreover, does not disadvantageously change the weight ratios of such a device. This is particularly important in the case of hand-held devices; the surgeon can work with such hand-held devices for a long time without fatigue.
  • bearing shaft of the gear can be used directly as the drive shaft of the tool.
  • a particularly favorable construction of a surgical device is obtained when the housing of the gear motor can be pushed into a handpiece of the surgical device in the direction of the bearing shafts of the gear wheels and can be detachably fixed therein.
  • the device can then be dismantled in a simple manner; it suffices to pull the motor out of the handpiece so that the handpiece can then be cleaned and sterilized in a conventional manner.
  • Figure 1 is a sectional view through a gear motor for use in a surgical device
  • Figure 2 is a sectional view taken along line 2-2 in
  • Figure 3 is a longitudinal sectional view of a surgical device with an inserted gear motor.
  • the gear motor 1 shown schematically in FIGS. 1 and 2 comprises a closed housing 2, which is formed from a ring 3 and two flat end plates 4, 5 placed on the end face thereof. Between the two end plates 4, 5 are parallel to each other - 5 -
  • gearwheels extend over the entire width of the inner space 6 and they mesh with one another on their outer circumference.
  • the shape of the interior 6 is chosen so that the inner wall 11 of the ring 3 on the top and on the bottom of the interior 6, i.e. facing away from the point of engagement of the two gears 9, 10, on the outer circumference of the gears 9, 10 to form a very small gap.
  • an inlet 12 opens into the interior 6 in the gusset between the two intermeshing gears 9, 10, on the opposite side of the interior 6 an outlet (not shown in the drawing) emerges from the interior 6.
  • the part of the interior 6 connected to the inlet 12 is largely sealed off from the part of the interior 6 connected to the outlet in that the two toothed wheels 9, 10 are moved past the inner wall 11 to form a very small gap, and are also sufficient they laterally approach the flat end plates 4, 5 to a very slight gap, and finally they lie closely together with their tooth flanks in the engagement area.
  • the compressed air entering through the inlet which, for example, has a pressure of 6 bar, thus hits the tooth flanks of the two gear wheels 9, 10 in the gusset adjacent to the engagement area of the gear wheels 9, 10 and thereby exerts torques on the two gear wheels.
  • the effective areas are different - 6 -
  • the gears 9, 10, which could also be referred to as toothed rollers, preferably have an outer diameter of less than 40 mm.
  • the diameter-width ratio of the gear D / B is preferably between 0.5 and 2, the number of teeth is at least 8.
  • the module of the gear is between 0.5 and 1.5.
  • the gears can be straight or helical, it is advantageous if the gears 9, 10 are made of a self-lubricating material, for example polyoxymethylene (POM) or polyether retherketone (PEEK).
  • POM polyoxymethylene
  • PEEK polyether retherketone
  • a gear motor as shown schematically in Figures 1 and 2 is shown in a housing 13 of a surgical device, in the illustrated embodiment of this surgical device, only the housing 13 of a handpiece is shown, without supply parts and without tools.
  • gel bearings 14, 15 is mounted, one of which is arranged in one end plate 4 and the other in a connecting part 16 directly adjoining the end plate 5.
  • the other bearing shaft 8 is also mounted in the connecting part 16 by means of a ball bearing 17, but it extends through the end plate 4 of the gear motor 1 into a cylindrical extension 18 of the housing 13 of the handpiece and is supported there by means of a ball bearing 19, which in some Distance from the gear motor 1 is arranged.
  • the bearing shaft 8 is surrounded by a sleeve 20 which is sealed by means of an annular seal 21 with respect to a sleeve-shaped insert 22 in the cylindrical extension 18.
  • the free end of the bearing shaft 8 carries a coupling 23, to which a tool can be attached in a manner which is not apparent from the drawing and is known per se, for example via a chuck.
  • This tool can be a milling cutter, a drill or a similar rotating tool.
  • the gear motor 1 together with the bearing shaft 8 and the parts surrounding it, ie ball bearing 19, sleeve 20, seal 21 and insert 22, can be pulled out of the open end of the housing 13 to the rear. This is possible if a plate-shaped closure part 24 is screwed out of the open end of the housing 13. - 8th -
  • the gear motor 1 can be reinserted into the housing 13 in the same way.
  • the ball bearing 19 rests on an annular shoulder 25 in the cylindrical extension 18, possibly via an elastically compressible spring ring 26.
  • the tension in the direction the annular shoulder 25 is produced by the closure part 24, which abuts the connection part 16 at the rear end and, when screwed into the housing 13, advances the gear motor 1 in the longitudinal direction of the housing 13.
  • a central compressed air line 27 and exhaust air lines 28 are arranged in the closure part 24.
  • the compressed air line is connected to the inlet 12 in a manner not shown in the drawing, the exhaust air lines 28 in the connecting part 16 communicate with the outlet of the interior 6 in a manner not shown in the drawing.
  • the gear motor 1 can thus be made very compact as an independent unit, so that it is easily possible to remove it from the surgical device, for example for cleaning and sterilization purposes. It is also readily possible to replace this motor with another motor with different operating data if different operating parameters are desired for other purposes.
  • the two gears 9 and 10 are rotatably supported in the housing 2 by bearing shafts 7 and 8, the bearing shafts 7, 8 in turn being connected to the gears 9 and 10 in a rotationally fixed manner.

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Abstract

Um bei einem Antriebsmotor für chirurgische Zwecke eine hohe Drehzahl erreichen zu können, ohne diesen Motor übermässig warten zu müssen, wird vorgeschlagen, dass er ein druckfluidbetriebener Zahnradmotor mit in einem Gehäuse abgedichtet miteinander kämmenden Zahnrädern mit einer Drehzahl zwischen 40.000 und 150.000 pro Minute ist.

Description

Antriebsmotor für chirurgische Geräte
Die Erfindung betrifft einen Antriebsmotor für chirurgische Geräte, beispielsweise für Zahnhandstücke, für Knochenbohrer oder Knochenfräsen.
Bei derartigen chirurgischen Geräten ist es notwendig, die rotierenden Werkzeuge mit hoher Drehzahl anzutreiben, der Antrieb soll nach Möglichkeit mit den in einem Krankenhaus zur Verfügung stehenden Energieträgern erfolgen, beispielsweise mit Druckluft.
Bei bekannten chirurgischen Geräten werden beispielsweise druckluftbetriebene Turbinenmotoren oder Lamellenmotoren eingesetzt, diese haben jedoch den Nachteil, daß sie relativ verschleißanfällig sind und intensive gepflegt werden müssen, beispielsweise durch sorgfältige Schmierung .
Es ist Aufgabe der Erfindung, speziell für die Verwendung in chirurgischen Geräten einen geeigneten Antriebsmotor vorzuschlagen, mit dem Werkzeuge mit hohen Drehzahlen angetrieben werden können, wobei der Motor auch ohne intensive Wartung zuverlässig arbeitet.
Diese Aufgabe wird bei einem Antriebsmotor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß er ein fluidbetriebener Zahnradmotor mit in einem Gehäuse abgedichtet miteinander kämmenden Zahnrädern mit - 2 -
einer Drehzahl zwischen 40.000 und 150.000 pro Minute ist.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß im Gegensatz zu fluidbetriebenen Turbinenmotoren oder Lamellenmotoren fluidbetriebene Zahnradmotoren für den Einsatz in chirurgischen Geräten wesentlich besser geeignet sind. Diese Motoren sind sehr einfach aufgebaut, sie umfassen lediglich miteinander kämmende Zahnräder in einem Gehäuse, das die Zahnräder allseitig abdichtend umschließt, sowie eine Druckfluidzufuhr und eine Druckfluidabfuhr, weitere bewegte Teile sind nicht notwendig, insbesondere keine in radiale Richtung verschiebbare Lamellen wie bei einem Lamellenmotor. Dieser sehr vereinfachte Aufbau ermöglicht es, sehr hohe Drehzahlen zu erzeugen und dabei Leistungen zu erreichen, die für den Einsatz in einem Chirurgiemotor benötigt werden, beispielsweise Leistungen in der Größenordnung von 70 Watt aufwärts bei der Verwendung herkömmlicher Drücke, die beispielsweise im Bereich zwischen 4 und 10 bar liegen können. Bei dieser neuen Konstruktion sind kaum aufeinander reibende Teile vorhanden, so daß dadurch die Notwendigkeit der Schmierung herabgesetzt wird, der Motor kann trotz der hohen Drehzahlen weitgehend wartungsfrei betrieben werden.
Das antreibende Fluid kann ein Gas sein, beispielsweise Druckluft oder Stickstoff.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Zahnräder des Zahnradmotors aus einem selbstschmierenden Werkstoff bestehen, insbesondere aus Polyoxymethylen (POM) oder Polyetheretherketon (PEEK). Diese selbstschmierenden - 3 -
Werkstoffe erlauben einen besonders lang andauernden Betrieb ohne zusätzliche Wartungsarbeiten, außerdem hat es sich herausgestellt, daß die Geräuschentwicklung bei Verwendung derartiger Materialien relativ niedrig ist, so daß auch die Auspuffgeräusche des aus dem Gerät austretenden Druckfluids in tolerierbaren Grenzen bleiben.
Es ist vorteilhaft, wenn der Durchmesser der einzelnen Zahnräder unter 40 mm liegt.
Das Durchmesser-Breitenverhältnis der Zahnräder kann zwischen 0,5 und 2 liegen.
Die Zähnezahl der Zahnräder sollte mindestens 8 betragen.
Es ist günstig, wenn das Modul der Zahnräder zwischen 0.5 und 1.5 liegt.
Es ergibt sich dabei eine sehr kompakte Baueinheit, die beim Einsatz in chirurgischen Geräten einen geringen Platzbedarf zeigt und die außerdem die Gewichtsverhältnisse eines solchen Gerätes nicht nachteilig verändert. Dies ist insbesondere bei Handgeräten von Bedeutung, der Chirurg kann mit derartigen Handgeräten ohne Ermüdung lange Zeit arbeiten.
Günstig ist es, wenn eine Lagerwelle eines der Zahnräder des Zahnradmotors aus dem Gehäuse des Zahnradmotors abgedichtet herausgeführt ist und ohne Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes mit einem rotierenden Werkzeug gekuppelt ist. Auch dadurch wird der bauliche Aufwand erheblich eingeschränkt, Getriebe werden ganz - 4 -
vermieden, und die Lagerwelle des Zahnrades kann direkt als Antriebswelle des Werkzeuges Verwendung finden.
Ein besonders günstiger Aufbau eines chirurgischen Gerätes ergibt sich dann, wenn das Gehäuse des Zahnradmotors in Richtung der Lagerwellen der Zahnräder in ein Handstück des chirurgischen Gerätes einschiebbar ist und in diesem lösbar festlegbar ist. Das Gerät kann dann in einfacher Weise zerlegt werden, es genügt dazu, den Motor aus dem Handstück herauszuziehen, so daß das Handstück dann in herkömmlicher Weise gereinigt und sterilisiert werden kann.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
Figur 1 : eine Schnittansicht durch einen Zahnradmotor zur Verwendung in einem chirurgischen Gerät;
Figur 2: eine Schnittansicht längs Linie 2-2 in
Figur 1 und
Figur 3 : eine Längsschnittansicht eines chirurgischen Gerätes mit einem eingesetzten Zahnradmotor.
Der in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellte Zahnradmotor 1 umfaßt ein geschlossenes Gehäuse 2, welches aus einem Ring 3 und zwei stirnseitig an diesen angelegten, ebenen Endplatten 4, 5 gebildet wird. Zwischen den beiden Endplatten 4, 5 sind parallel zueinan- - 5 -
der zwei den Innenraum 6 des Gehäuses 2 durchsetzende Lagerwellen 7, 8 drehbar gelagert, die jeweils ein drehfest mit ihnen verbundenes Zahnrad 9 bzw. 10 tragen. Beide Zahnräder erstrecken sich über die gesamte Breite des Innenraumes 6, und sie kämmen an ihrem Aus- senumfang miteinander. Die Form des Innenraumes 6 ist so gewählt, daß die Innenwand 11 des Ringes 3 an der Oberseite und an der Unterseite des Innenraumes 6, also von der Eingriffsstelle der beiden Zahnräder 9, 10 abgewandt, am Außenumfang der Zahnräder 9, 10 unter Ausbildung eines sehr geringen Spaltes anliegen.
An einer Seite mündet in den Innenraum 6 im Zwickel zwischen den beiden miteinander kämmenden Zahnrädern 9 , 10 ein Einlaß 12, auf der gegenüberliegenden Seite des Innenraumes 6 tritt ein in der Zeichnung nicht dargestellter Auslaß aus dem Innenraum 6 aus.
Der mit dem Einlaß 12 verbundene Teil des Innenraumes 6 ist gegenüber dem mit dem Auslaß verbundenen Teil des Innenraumes 6 dadurch weitgehend abgedichtet, daß die beiden Zahnräder 9, 10 im Bereich der Innenwand 11 unter Ausbildung eines sehr kleinen Spaltes an dieser vorbeibewegt werden, außerdem reichen sie seitlich bis auf einen ganz geringen Spalt an die ebenen Endplatten 4, 5 heran, und schließlich liegen sie im Eingriffsbereich mit ihren Zahnflanken dicht aneinander an. Die durch den Einlaß eintretende Druckluft, die beispielsweise einen Druck von 6 bar aufweist, trifft somit in dem dem Eingriffsbereich der Zahnräder 9, 10 benachbarten Zwickel auf die Zahnflanken der beiden Zahnräder 9, 10 und übt dadurch Drehmomente auf die beiden Zahnräder aus. Die wirksamen Flächen sind dabei für verschiedene - 6 -
Drehrichtungen unterschiedlich, da in einer Drehrichtung jeweils eine volle Flanke jedes Zahnrades beaufschlagt wird, in der anderen Drehrichtung im Eingriffsbereich der Zahnflanken jeweils nur eine Zahnflankenfläche. Demzufolge drehen sich die Zahnräder 9, 10 durch die Beaufschlagung mit Druckluft gegensinnig in Richtung der in Figur 1 angegebenen Pfeile. Die Druckluft wird im Raum zwischen den Zahnflanken mitgenommen und gelangt nach Entspannung durch den Auslaß in die Umgebung.
Die Zahnräder 9, 10, die man auch als Zahnwalzen bezeichnen könnte, haben vorzugsweise einen Außendurchmesser unter 40 mm. Das Durchmesser-Breitenverhältnis des Zahnrades D/B liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 2, die Zähnezahl beträgt mindestens 8. Das Modul der Zahnräder liegt zwischen 0.5 und 1.5.
Die Zahnräder können gerade verzahnt oder schräg verzahnt sein, günstig ist es, wenn die Zahnräder 9, 10 aus einem selbstschmierenden Material bestehen, beispielsweise aus Polyoxymethylen (POM) oder Polyethe- retherketon ( PEEK) .
In Figur 3 ist ein Zahnradmotor, wie er in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt ist, in einem Gehäuse 13 eines chirurgischen Gerätes dargestellt, im dargestellten Ausführungsbeispiel ist von diesem chirurgischen Gerät lediglich das Gehäuse 13 eines Handstückes dargestellt, ohne Versorgungsteile und ohne Werkzeug.
In diesem Ausführungsbeispiel ist zu erkennen, daß in dem Zahnradmotor 1 eine Lagerwelle 7 beidseitig in Ku- - 7 -
gellagern 14, 15 gelagert ist, von denen eines in der einen Endplatte 4 und das andere in einem unmittelbar an die Endplatte 5 anschließenden Anschlußteil 16 angeordnet ist.
Die andere Lagerwelle 8 ist ebenfalls im Anschlußteil 16 mittels eines Kugellagers 17 gelagert, sie erstreckt sich jedoch durch die Endplatte 4 des Zahnradmotors 1 hindurch in eine zylindrische Verlängerung 18 des Gehäuses 13 des Handstückes hinein und ist dort mittels eines Kugellagers 19 gelagert, welches in einiger Entfernung vom Zahnradmotor 1 angeordnet ist. Im Bereich zwischen der Endplatte 4 und dem Kugellager 19 ist die Lagerwelle 8 von einer Hülse 20 umgeben, die mittels einer Ringdichtung 21 gegenüber einem hülsenförmigen Einsatz 22 in der zylindrischen Verlängerung 18 abgedichtet ist.
Das freie Ende der Lagerwelle 8 trägt eine Kupplung 23, an die in aus der Zeichnung nicht ersichtlicher und an sich bekannter Weise ein Werkzeug angesetzt werden kann, beispielsweise über ein Spannfutter. Dieses Werkzeug kann ein Fräser, ein Bohrer oder ein ähnliches rotierendes Werkzeug sein.
Der Zahnradmotor 1 kann zusammen mit der Lagerwelle 8 und den diese umgebenden Teilen, also Kugellager 19, Hülse 20, Dichtung 21 und Einsatz 22, nach hinten aus dem offenen Ende des Gehäuses 13 herausgezogen werden. Dies ist dann möglich, wenn ein plattenförmiges Verschlußteil 24 aus dem offenen Ende des Gehäuses 13 herausgeschraubt wird. - 8 -
Umgekehrt läßt sich der Zahnradmotor 1 in der gleichen Weise wieder in das Gehäuse 13 einsetzen, beim Einschieben legt sich das Kugellager 19 an eine Ringschulter 25 in der zylindrischen Verlängerung 18 an, und zwar gegebenenfalls über einen elastisch zusammendrückbaren Federring 26. Die Spannung in Richtung auf die Ringschulter 25 wird durch das Verschlußteil 24 erzeugt, das am hinteren Ende an dem Anschlußteil 16 anliegt und beim Einschrauben in das Gehäuse 13 den Zahnradmotor 1 in Längsrichtung des Gehäuses 13 vorschiebt.
In dem Verschlußteil 24 sind eine zentrale Druckluftleitung 27 und Abluftleitungen 28 angeordnet. Die Druckluftleitung steht in aus der Zeichnung nicht ersichtlicher Weise mit dem Einlaß 12 in Verbindung, die Abluftleitungen 28 im Anschlußteil 16 kommunizieren in aus der Zeichnung nicht ersichtlicher Weise mit dem Auslaß des Innenraumes 6.
Der Zahnradmotor 1 kann also als selbständige Baueinheit sehr kompakt ausgebildet sein, so daß es in einfacher Weise möglich ist, ihn aus dem chirurgischen Gerät zu entfernen, beispielsweise zu Reinigungs- und Sterilisationszwecken. Es ist auch ohne weiteres möglich, diesen Motor durch einen anderen Motor mit anderen Betriebsdaten zu ersetzen, wenn für andere Einsatzzwecke verschiedene Betriebsparameter erwünscht sind.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel eines Zahnradmotores sind die beiden Zahnräder 9 und 10 durch Lagerwellen 7 und 8 drehbar im Gehäuse 2 gelagert, wobei die Lagerwellen 7, 8 ihrerseits drehfest mit den Zahnrädern 9 und 10 verbunden sind. - 9 -
Bei einer abgewandelten Ausführungsform wäre es auch möglich, nur die Lagerwelle 8 in dieser Weise drehbar zu lagern und drehfest mit dem zugehörigen Zahnrad 10 zu verbinden. Das andere Zahnrad 9 könnte frei drehbar auf der Lagerwelle 7 gelagert sein, die dann ihrerseits als feste Achse unverdrehbar im Gehäuse 2 gelagert wäre.

Claims

- 10 -
P A T E N T A N S P R Ü C H E
Antriebsmotor für chirurgische Geräte, dadurch gekennzeichnet, daß er ein fluidbetriebener Zahnradmotor ( 1 ) mit in einem Gehäuse ( 2 ) abgedichtet miteinander kämmenden Zahnrädern (9, 10) mit einer Drehzahl zwischen 40.000 und 150.000 pro Minute ist.
2. Antriebsmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß er bei einem Druck des antreibenden Fluids zwischen 4 und 10 bar betreibbar ist.
3. Antriebsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das antreibende Fluid ein Gas ist.
4. Antriebsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das antreibende Fluid Druckluft oder Stickstoff ist.
5. Antriebsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder (9, 10) des Zahnradmotors (1) aus einem selbstschmierenden Werkstoff bestehen. - 11 -
Antriebsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder (9, 10) des Zahnradmotors ( 1 ) aus Polyoxymethylen ( POM) bestehen.
7. Antriebsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder (9, 10) des Zahnradmotors ( 1 ) aus Polyetheretherketon ( PEEK ) bestehen.
8. Antriebsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außen- durchmesser der Zahnräder (9, 10) unter 40 mm liegt.
9. Antriebsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmesser-Breitenverhältnis der Zahnräder (9, 10) zwischen 0,5 und 2 liegt.
10. Antriebsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähnezahl der Zahnräder (9, 10) mindestens 8 beträgt.
11. Antriebsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul der Zahnräder (9, 10) zwischen 0.5 und 1.5 liegt. - 12 -
12. Antriebsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lagerwelle (8) eines der Zahnräder (10) des Zahnradmotors ( 1 ) aus dem Gehäuse ( 2 ) des Zahnradmotors (1) abgedichtet herausgeführt ist und ohne Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes mit einem rotierenden Werkzeug gekuppelt ist.
13. Antriebsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ( 2 ) des Zahnradmotors ( 1 ) in Richtung der Lagerwellen (7, 8) der Zahnräder (9 bzw. 10) in ein Handstück ( 13 ) des chirurgischen Gerätes einschiebbar und in diesem lösbar festlegbar ist .
PCT/EP1998/000918 1998-02-18 1998-02-18 Antriebsmotor für chirurgische geräte Ceased WO1999042702A1 (de)

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