DE2139878C3 - Hip joint prosthesis for implantation in the human body - Google Patents

Hip joint prosthesis for implantation in the human body

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Description

Die Erfindung geht aus von einer Hüftgelenkendoprothese, bestehend aus einer Gelenkpfanne und einem Schaft, der einen als Kolbenpumpe wirkenden zylindrischen Zapfen trägt, auf dem ein kugelförmiger Gelenkkopf mit einer den Zapfen aufnehmenden Ausnehmung verschiebbar aufgesetzt ist und bei dem der Gelenkkopf einen in die Ausnehmung für den Zapfen führenden Schmierkanal aufweist, der das durch die Bewegung des Zapfens in der Ausnehmung des Gelenkkopfes gebildete Pumpvolumen mit dem Zwischenraum zwischen den Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf verbindet.The invention is based on a hip joint prosthesis, consisting of a joint socket and a shaft, which has a cylindrical piston pump Pin carries, on which a spherical joint head with a pin receiving Recess is slidably placed and in which the joint head is inserted into the recess for the Has pin leading lubrication channel, the through the movement of the pin in the recess of the Joint head formed pump volume with the space between the sliding surfaces of the joint socket and swivel head connects.

Eine derartige Hüftgelenkendoprothese ist aus der Schweizerischen Patentschrift 4 90 077 bekannt, bei der versucht wurde, die Lebensdauer eines solchen Gelenks durch eine »Schmierung« der beweglichen Teile />i erhöhen. Dies ist jedoch bei dieser Konstruktion der Prothese nicht in erforderlichem Maße möglich, weil weder in dem hierfür vorgeschlagenen Schmicrkanal Doch in zum Zweck der Schmierung vorgesehenen Spielräumen zwischen Kopf und Pfanne in irgendeiner Phase des Bewegungsablaufs ausreichende Mengen an Gelenkflüssigkeit angesammelt werden können, da der als »Kolbenpumpe« gedachte zylindrische Zapfen nicht wirksam werden kann. Somit wird der an den noch nicht artikulierenden Flächen etwa adhäsiv vorhandene Flüssigkeitsfilm zu Beginn der Belaslungsphasc beim Aufgleiten oder/und Abrollen der Flächen gegencinan der von diesen verdrängt, so daß es nicht zum Aufbau einer tragenden Flüssigkeitsschicht kommt.Such a hip joint endoprosthesis is from Swiss patent 4 90 077 known in which an attempt was made to extend the service life of such a joint by »lubrication« of the moving parts /> i raise. However, this is the case with this construction Prosthesis not possible to the required extent because neither in the Schmicrkanal proposed for this However, in any clearance between the head and the pan provided for the purpose of lubrication Phase of the movement sequence, sufficient amounts of synovial fluid can be accumulated since the Cylindrical journals imagined as "piston pumps" cannot be effective. Thus, the one is not yet articulating surfaces have an adhesive film of liquid at the beginning of the exposure phase Sliding and / or rolling of the surfaces gegencinan the displaced by these, so that it does not build up a load-bearing liquid layer comes.

Die Gründe für die mangelhafte Pumpwirkung sind in folgenden physikalisch und anatomisch bedingten Umständen zu sehen:The reasons for the inadequate pumping effect are physically and anatomically conditioned as follows Circumstances to see:

Zum einen enthält die genannte Konstruktion kein Element, welches eine Rückstellkraft des Kolbens erzeugen könnte. Daher wird keine Axialbewegung des Zapfens in der Ausnehmung des Gelenkkopfes erzeugtOn the one hand, the construction mentioned does not contain any element that would exert a restoring force on the piston could generate. Therefore, no axial movement of the pin is generated in the recess of the joint head

ίο und somit auch keine Gelenkflüssigkeit in ein etwa vorgeformtes Pumpvolumen gefördert Sollte dennoch in seltenen, anatomisch eigentümlich gelagerten Fällen in der Entlastungsphase des Beines eine geringförmige Axialverschiebung des zylindrischen Zapfens in distaler Richtung erfolgen und somit durch einen Schmierkanal eine minimale Flüssigkeitsmenge angesaugt werden, so wird durch eben diesen Kanal die Flüssigkeit während der Belastungsphase wieder in die Gelenkkapsel zurückgeführt, wodurch allenfalls eng benachbarte Teile der Oberfläche des Zapfens benetzt werden können, so daß in diesem Falle die Gelenkfiüssigkeii im sieten Wechsel Entlastung — Belastung nur im Schmierkanal und Pumpvolumen oszilliert.ίο and therefore no synovial fluid in any way preformed pump volume should be promoted in rare, anatomically peculiar cases In the relief phase of the leg, a slight axial displacement of the cylindrical pin in the distal direction Direction take place and thus a minimal amount of liquid is sucked in through a lubrication channel, so The fluid is returned to the joint capsule through this channel during the stress phase returned, whereby at most closely adjacent parts of the surface of the pin can be wetted, so that in this case the articular fluids drop Alternating unloading - loading only oscillates in the lubrication channel and pump volume.

Keinesfalls kann die Flüssigkeit zwischen die Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf gepumpt werden, da es hierzu einer Ventilwirkung bedarf und außerdem gemäß dem hydraulischen Grundgesetz das Flächenverhältnis der Stirnfläche des Zapfens bzw. des Pumpvolumens zu der freien Fläche des Gelenkkop-Under no circumstances can the liquid be pumped between the sliding surfaces of the joint socket and the joint head as this requires a valve action and also in accordance with the basic hydraulic law the area ratio of the end face of the journal or the pump volume to the free area of the joint head

X) fes an der Austrittsöffnung kleiner als »eins« sein muß. Durch bei ausreichend kleinem Spiel zwischen Zapfen und Ausnehmung durch diesen erzeugte Kompression der Flüssigkeit wird ein gleichgroßer Druck im Pumpvolumen und in dem zu den Gleitfläche X) fes at the outlet opening must be less than "one". If the clearance between the pin and the recess is sufficiently small, the compression of the liquid produced by the latter results in an equally high pressure in the pump volume and in that of the sliding surface

}5 führenden Schmierkanal hervorgerufen. Da nun bei Beginn des Belastungsvorganges aufgrund der vorhandenen Kongruenz der Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf diese formschlüssig aneinander anliegen, verschließt die Gleitfläche der Gelenkpfanne die} 5 leading lubrication channel caused. Since now at Beginning of the loading process due to the existing congruence of the sliding surfaces of the joint socket and swivel head, these lie against each other in a form-fitting manner, closes the sliding surface of the joint socket

■Ό Öffnung des Schmierkanals des Gelenkkopfes. Es kann daher keine Flüssigkeit aus dem Pumpvolumen zwischen die Gleitflächen gefördert werden, da die infolge des geringen Öffnungsquerschnitts des Schm,erkanals zwischen den beiden Gleitflächen herrschende Kraft geringer ist. als ne bei gleichem Druck auf die Stirnfläche des Zapfens wirkende Kraft. Somit kann keine Trennung der Gleitflachen erfolgen.■ Ό Opening of the lubrication channel of the joint head. It can therefore no liquid is conveyed from the pump volume between the sliding surfaces, as the result The force prevailing between the two sliding surfaces of the small opening cross-section of the Schm, erkanal is less. than ne with the same pressure on the Front surface of the pin acting force. This means that the sliding surfaces cannot be separated.

Diese Konstruktion kann auch keine wirksame Stoßdämpfung ausüben, da die Gleitflächen auch in der sogenannten »F.ntlasuingsphase« nicht voneinander getrennt werden, um sich bei wiedereinsetzender Behstung unter elastischer oder/und hydraulischer Fnergieabsorption wieder einander anzunähern.This construction cannot be effective either Exercise shock absorption as the sliding surfaces are also in the so-called »F.ntlasuingsphase« cannot be separated from each other in order to re-establish themselves To approach each other again with elastic and / or hydraulic energy absorption.

Der Erfindung hegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung der Stoßabsorption und der Schmierung der Gleitflächen zwischen Gelenkpfanne und Gelenkkopf durch Einspritzen von in der F.ntlastungsphasc angesaugter Gelenkflüssigkeit jeweils zu Beginn und während der Belastungsphase zu erzielen.The invention therefore has the object of providing a Improvement of the shock absorption and the lubrication of the sliding surfaces between the joint socket and the joint head by injecting synovial fluid sucked in during the relaxation phase at the beginning and in each case to be achieved during the exertion phase.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Gelenkkopf eine im Zenit seiner Oberfläche liegende Abplattung aufweist, deren Fläche größer ist als die Stirnfläche des Zapfens, daß der Gelenkkopf einen Saugkanal aufweist, der das Pumpvolumen mit der vonThis object is achieved in that the The articular head has a flattening located at the zenith of its surface, the area of which is larger than that End face of the pin that the joint head has a suction channel that the pump volume with that of

h5 der Gelenkpfanne nicht umfaßten Außenfläche des Gelenkkopfes verbindet, und daß im Saugkanal ein Ventil angeordnet ist. h5 of the joint socket does not connect the outer surface of the joint head, and that a valve is arranged in the suction channel.

Damit werden die Vorteile erreicht, daß zu BeginnThis achieves the advantages that at the beginning

eines jeden Belastungszyklus der Hüftgelenkendoprothese eine ausreichende Menge an Gelenkflüssigkeit im Pumpvolumen zur Verfugung steht und daß diese im weiteren Verlauf der Bewegung des Zapfens infolge der Ventilwirkung in den Schmierkanal gepreßt und von dort aufgrund der Abplattung an der Gleitfläche des Gelenkkopfes in den Zwischenraum der Gleitflächen gespritzt wird. Bei diesem Vorgang heben sich die Gleitflächen voi Gelenkpfanne und Gelenkkopf voneinander ab, wobei der solchermaßen zwischen diesen ι ο Flächen entstehende tragende Flüssigkeitsfilm die Festkörperreibung zwischen den Flächen aufhebt und damit eine optimale Schmierwirkung erzeugt.a sufficient amount of synovial fluid in the Pump volume is available and that this in the further course of the movement of the pin as a result of the Valve effect pressed into the lubrication channel and from there due to the flattening on the sliding surface of the Rod end is injected into the space between the sliding surfaces. During this process, the Sliding surfaces from the joint socket and joint head from one another from, the supporting liquid film thus created between these ι ο surfaces the Removes solid friction between the surfaces and thus creates an optimal lubricating effect.

In Weiterbildung der Erfindung weist der Gelenkkopf und der Lagerzapfen ein Spiel von mindestens 0,015 mm ι■> auf. Hierdurch wird durch die rückgestaute Gelenkflüssigkeit in der Druckphase die Innenfläche der Ausnehmung und die Lauffläche des Zapfens gleichzeitig geschmiert, die die Einspritzwirkung nicht wesentlich beeinträchtigt, und eine erhebliche Leichtgängigkeit erreicht.In a further development of the invention, the joint head and the bearing pin has a play of at least 0.015 mm ι ■> on. As a result, the back-up synovial fluid in the pressure phase causes the inner surface of the The recess and the running surface of the pin are lubricated at the same time, which does not significantly affect the injection efficiency impaired, and a considerable ease of movement achieved.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der E:,'indung ist /wischen dem Gelenkkopf und der Stirnfläche des Zapfens ein Federelement angeordnet. Damit wird eine erhebliche elastische Stoßabsorption erreicht, die gleichfalls eine erhöhte Lebensdauer der Hüftgelenkendoprothese erwarten läßt.According to another development of the E: 'indung a spring element is arranged between the joint head and the end face of the pin. This becomes a considerable elastic shock absorption is achieved, which also increases the service life of the hip joint endoprosthesis can be expected.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausbildung einer Hohlkehle an der von der Gelenkpfanne nicht umfaßten Außenfläche des Gelenkkopfes, von der der Saugkanal zum Pumpvolumen führt. Hiermit wird erreicht, daß im Falle einer zeitweilig möglicherweise auftretenden teilweisen Anlagerung der sekundären Gelenkkapsel aus einem freien Sektor derselben Flüssigkeit Zugang zum Saugkanal findet. J5Another embodiment of the invention is the formation of a groove on that of the joint socket not included outer surface of the joint head, from which the suction channel leads to the pump volume. Herewith is achieved that in the event of a temporary possibly Occurring partial accumulation of the secondary joint capsule from a free sector of the same Liquid finds access to the suction channel. J5

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigtThe invention is explained in detail with reference to the drawings. It shows

F 1 jt. 1 die Hauptteile der erfindungsgemäCen Hüftgelenkendoprothese: den stielförmigen Schaft (2), der im Oberschenkelknochen befestigt wird mit seinem kolbenartigen Zapfen (1), und der Zapfenstirnfläche (F I).F 1 jt. 1 the main parts of the hip joint endoprosthesis according to the invention: the stem-shaped shaft (2), which is fastened in the thigh bone with its piston-like pin (1), and the pin face (F I).

Weiter zeigt Fig. 1 den Gelenkkopf (4) mit seinem zylindrischen Halsteil (11), dem Schmierkanal (6), der die Ausnehmung (3) des Gelenkkopfes mit der Abplattung (F2) der Gleitfläche (14) des Kopfes (4) verbindet, der Ansaugöffnung (9') für die Gelenk/lüssigkeit, dem Federelement (8). der Hohlkehle (15) und der Schnitth nie (10) der Durchdringung von sphärischem Kopf (4) Und zylindrischem Halsteil(11).1 shows the joint head (4) with its cylindrical neck part (11), the lubrication channel (6), which connects the recess (3) of the joint head with the flattening (F2) of the sliding surface (14) of the head (4), the suction opening (9 ') for the joint / fluid, the spring element (8). the groove (15) and the cut (10) of the penetration of the spherical head (4) and the cylindrical neck part (11).

Die mit Verstärkungs- ut.d Befestigungsrippen sowie bolzcnartigen Vorsprüngen, die gleichfalls der Verankerung im Beckinknochen dienen, versehene Gelenkpfanne (5) weist an der Innenseite eine Gleitfläche (7) auf. die der beweglichen Lagerung des Kugelkopfes (4) dient.The with reinforcement ut.d fastening ribs as well Bolt-like projections, which also serve for anchoring in the pelvic bone, provided joint socket (5) has a sliding surface (7) on the inside. which is used to move the ball head (4).

F i g. 2 zeigt die aus ihren Einzelelementen (2), (4) und (5) zusammengesetzte Hüftgelenkendoprothese in einer beispielsweisen Verankerung im Beckenknochen (19) lind im Oberschenkelknochen (19') in vergrößertem Maßstab. (18) und (18') stellen schematisch die mn knochenzement ausgefüllten Zonen dar (G) ist die durch das Körpergewicht und die jeweilige Bewegungsphase gegebene Last, (C) die Reaktionskraft, die vom Fußboden über den Oberschenkelknochen (19') in das Gelenk eingeleitet wird. Der Zapfen (1) bzw. der Schaft (2) ist in seiner oberen Endstellung (B) bzw. (B') gezeigt, d. h. am Ende eines Hubes von (A)nach (B)bzw. von (A') nach (B'), also zum Zeitpunkt der Beendigung einer Lastphase des Bewegungablaufs. In diesem Zustand ist das im Beispiel als Kugelventil ausgebildete Ventil (17) geschlossen und das Federelement (8) wird durch die Last (G) bzw. durch die Reaktionskraft (G') vorgespannt. Das Pumpvolumen der Ausnehmung (3) hat sich um den Kolbenhub A-B verringert und die inkompressible Gelenkflüssigkeit ist durch den SchmierkanalF i g. 2 shows the hip joint endoprosthesis composed of its individual elements (2), (4) and (5), for example anchoring in the pelvic bone (19) and in the thigh bone (19 ') on an enlarged scale. (18) and (18 ') schematically represent the zones filled with bone cement (G) is the load given by the body weight and the respective movement phase, (C) is the reaction force from the floor via the thigh bone (19') into the joint is initiated. The pin (1) or the shaft (2) is shown in its upper end position (B) or (B ') , ie at the end of a stroke from (A) to (B) or. from (A ') to (B'), i.e. at the end of a load phase of the movement sequence. In this state, the valve (17), designed as a ball valve in the example, is closed and the spring element (8) is pretensioned by the load (G) or by the reaction force (G '). The pump volume of the recess (3) has decreased by the piston stroke AB and the incompressible synovial fluid is through the lubrication channel

(6) in das durch die Abplattung F2 der Kopfgleitfläche (14) und die Gleitfläche (7) der Gelenkpfanne (5) gebildete Volumen (V) geströmt. Hier übt die unter Druck stehende Flüssigkeit auf die Abplattung (F 2) des Gelenkkopfes (4) nach dem hydraulischen Prinzip eine Kraft K 2 auf diesen aus, die größer ist als die von der Zapfenstirnfläche (Ft) erzeugte in r .;htung auf die Pfanne wirkende Kraft K 1.(6) flowed into the volume (V) formed by the flattening F2 of the head sliding surface (14) and the sliding surface (7) of the joint socket (5). Here, the pressurized fluid exerts on the flattening (F 2) of the joint head (4) on the hydraulic principle, a force K 2 o f this, which is greater than that of the pin end face (Ft) generated in r; Pla on. the force acting on the socket K 1.

Infolgedessen wird der Gelenkkopf (4) gegen die Spannung des Federelementes (8) von der GleitflächeAs a result, the joint head (4) is against the tension of the spring element (8) from the sliding surface

(7) der Gelenkpfanne abgehoben und die Flü.sigKeit strömt up'er hohem Druck allseitig in den so gebildeten Zwischenraum (16) zwischen der Gleitfläche (7) der Pfanne (5) und der Gleitfläche (14) des Gelenkkopfes (4) und fließt von hier entlang der Gleitfläche des Gelenkkopfes in den Außenraum, d. h. π die Gelenkkapsel ab. Im anschließenden Entlastungsvorgang bewegt sich der Zapfen (1) um den Hub von (B)nach (A) und mit ihm der im Oberschenkelknochen verankerte Schaft (2) von (B') nach (A') unter der elastischen Kraft des Federelements (8) in axialer Richtung von der Gelenkpfanne weg. Im Pumpvolumen (3) entsteht folgerichtig cn Unterdruck. Da der Zwischenraum (16) zwischen den Gelenkflächen nun geschlossen ist, öffnet das Ventil (17). Der jetzt an der Ansaugöffnung (9') auftretende Unterdruck saugt in der Gelenkkapsel bei (C) befindliche Gelenkflüssigkeit in den Saugkanal (9). Falls Jie bei (C) vorhandene Flüssigkeit nicht ausreicht, sorgt die Hohlkehle (15) am halsseitigen Ende des Gelenkkopfes (4) für einen Zufluß aus von (C) weiter entfernt liegenden Bereichen der Kapsel. Die Flüssigkeit strömt infolge des Unterdruckes durch den Saugkanal (9) in das Pumpvolumen (3), wo es für den nächsten Einspritzvorgang zur Verfügung steht, der durth die Aufwärtsbewegung des Zapfens (1) von (A) nach (B)in der gezeichneten Weise eingeleitet wird. Der Hub des Zapfens (1) ist in Grenzen abhängig von der Beschaffenheit des gesamten Gelenkbereiches und beträgt etwa 4 mm. Infolge Spiels von 0.015 mm zwischen Zapfen (1) und Gelenkkopf (4) wird während der erläuterten Funktion eine relative Leichtgängigkeit erreicht und gleichzeitig die Gleitflächen von Zapfen (I) und Pumpvolumen (3) durch die rückgestaute Flüssigkeit in der Druckphase und durch angesaugte Flüssigkeit in der Entlastungsphase selbständig geschmiert, ohne jedot ,1 den erläuterten Einspritzvorgang wesentlich zu beeinträchtigen(7) of the socket and the liquid flows under high pressure on all sides into the space (16) thus formed between the sliding surface (7) of the socket (5) and the sliding surface (14) of the joint head (4) and flows from here along the sliding surface of the joint head into the outer space, ie π down the joint capsule. In the subsequent relief process, the pin (1) moves by the stroke from (B) to (A) and with it the shaft (2) anchored in the thigh bone from (B ') to (A') under the elastic force of the spring element (8 ) away from the socket in the axial direction. Consequently, cn negative pressure arises in the pump volume (3). Since the space (16) between the joint surfaces is now closed, the valve (17) opens. The negative pressure now occurring at the suction opening (9 ') sucks the synovial fluid located in the joint capsule at (C) into the suction channel (9). If the liquid present at (C) is insufficient, the groove (15) at the neck end of the joint head (4) ensures an inflow from areas of the capsule that are further away from (C). As a result of the negative pressure, the liquid flows through the suction channel (9) into the pump volume (3), where it is available for the next injection process, which is caused by the upward movement of the pin (1) from (A) to (B) as shown is initiated. The stroke of the pin (1) depends within limits on the nature of the entire joint area and is approximately 4 mm. As a result of the clearance of 0.015 mm between the pin (1) and the joint head (4), a relative ease of movement is achieved during the function explained and at the same time the sliding surfaces of the pin (I) and pump volume (3) through the backed up liquid in the pressure phase and through the liquid sucked in self-lubricated during the unloading phase without significantly affecting the injection process explained

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Hüftgelenkendoprothese, bestehend aus einer Gelenkpfanne und einem Schaft, der einen als Kolbenpumpe wirkenden zylindrischen Zapfen trägt, auf dem ein kugelförmiger Gelenkkopf mit einer den Zapfen aufnehmenden Ausnehmung verschiebbar aufgesetzt ist und daß der Gelenkkopf einen in die Ausnehmung für den Zapfen führenden Schmierkanal aufweist, der das durch die Bewegung des Zapfens in der Ausnehmung des Gelenkkopfes gebildete Pumpvolumen mit dem Zwischenraum zwischen den Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkkopf (4) eine im Zenit seiner Oberfläche liegende Abplattung (F2) aufweist, deren Fläche größer ist als die Stirnfläche (F 1) des Zapfens (1), daß der Gelenkkopf einen Saugkanal (9) aufweist, der das Pumpvolumen (3) mit der von dei Gelenkpfanne (5) nicht umfaßten Außenfläche des Gelenkkcpfes (4) verbindet, und daß im Saugkanal (9) ein Ventil (17) angeordnet ist.1. Hip joint endoprosthesis, consisting of a joint socket and a shaft which carries a cylindrical pin acting as a piston pump, on which a spherical joint head with a recess receiving the pin is slidably placed and that the joint head has a lubrication channel leading into the recess for the pin, which connects the pump volume formed by the movement of the pin in the recess of the joint head with the space between the sliding surfaces of the joint socket and joint head, characterized in that the joint head (4) has a flattening (F2) at the zenith of its surface, the area of which is larger is as the end face (F 1) of the pin (1) that the joint head has a suction channel (9) which connects the pump volume (3) with the outer surface of the joint head (4) not encompassed by the joint socket (5), and that a valve (17) is arranged in the suction channel (9). 2. Hüftgelenkendoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkkopf (4) und der Zapfen (1) ein radiales Spiel von mindestens 0,015 mm aufweisen.2. Hip joint endoprosthesis according to claim 1, characterized in that the joint head (4) and the pin (1) has a radial play of at least 0.015 mm. 3. Hüftgelenkendoprothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gelenkkopf (4) und der Stirnflache (F\) des Zapfens (1) ein Federelement (8) angeordnet ist.3. Hip joint endoprosthesis according to claim 1 or 2, characterized in that a spring element (8) is arranged between the joint head (4) and the end face (F \) of the pin (1). 4. Hüftgel· nkendoprothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkkopf (4; an der von der Gelenkpfanne (5) nicht umfußten Außenfläche mit einer Hohlkehle (15) versehen ist, von der der Saugkanal (9) zum Pumpvolumen (3) führt.4. Hip joint endoprosthesis according to one of the preceding claims, characterized in that that the joint head (4; on the outer surface not surrounded by the joint socket (5) with a groove (15) is provided, of which the Suction channel (9) leads to the pump volume (3).
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