DE10338953A1 - Brain stimulation unit for epileptic persons analyses encephalogram response and applies localized stimulation currents as required - Google Patents

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Abstract

A brain stimulation unit analyses (4) the amplitude, signal peak interval, frequency and amplitude range of electroencephalograms (2) and compares (5) them with normal and epileptic patterns (3) to generate (6) localized stimulation currents in sub, supra threshold and direct current shock steps through invasive stimulation electrodes (7). Independent claims are included for an autonomous version of the unit in an implantable housing.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stimulation der Gehirns bei Menschen oder Säugetieren mit einer Neigung zu epileptischen Anfällen, bei der mit einem Elektroencephalographen mit wenigstens einer Elektrode gearbeitet wird, mit dem Signalkurven aufnehmbar sind, die Strömen im Gehirn entsprechen.The The invention relates to a device for stimulating the brain in humans or mammals with a tendency to epileptic seizures when using an electroencephalograph working with at least one electrode, with the signal curves are receivable, the currents in the brain.

Epilepsie manifestiert sich durch Anfälle, bei denen Personen bzw. Säugetiere betroffen sind, die von derartigen Anfällen unter normalen Umweltbedingungen heimgesucht werden. Anfälle und Verhaltensänderungen oder Aktivitäten werden durch abnormale elektrische Entladungen in den Gehirnzellen hervorgebracht. Normalerweise sind im Gehirn Schutzmechanismen vorhanden, die verhindern, dass derartige Anfälle auftreten, so dass das normale Funktionieren des Gehirns und des Organismus gewährleistet ist. Dabei wird andererseits beobachtet, dass Einflüsse, die das zentrale Nervensystem beeinflussen, einschließlich Gehirntraumata vor oder bei der Geburt, Tumore, Schlaganfälle, Infektionen oder genetische Defekte derartige Anfälle hervorrufen können.epilepsy manifests through seizures, in which persons or mammals affected by such seizures under normal environmental conditions be visited. seizures and behavioral changes or activities are produced by abnormal electrical discharges in the brain cells. Usually there are protective mechanisms in the brain that prevent it such seizures occur so that the normal functioning of the brain and the Organism guaranteed is. On the other hand, it is observed that influences that affecting the central nervous system, including brain trauma before or at birth, tumors, strokes, infections or genetic Defective seizures can cause.

Man geht beispielsweise davon aus, dass bei 1% der Bevölkerung der Vereinigten Staaten eine derartige Anfalls anfälligkeit besteht. Diese Anfälle beeinträchtigen die Stellensuche, das Autofahren, die psycho-soziale Einordnung und viele andere Aspekte des menschlichen Lebens.you For example, assume that 1% of the population the United States such seizure susceptibility consists. These seizures affect Job search, driving, psycho-social classification and many other aspects of human life.

Beobachtet werden unter anderem zwei verschiedene Anfallstypen, nämlich generalisierte Anfälle, die von Anfällen ausgelöst werden, die beide Seiten des Gehirns gleichzeitig erfassen, und fokale Anfälle, bei denen die Störungen in einem Bereich des Gehirns beginnen und sich dann gegebenenfalls über andere Bereiche ausbreiten.observed Among other things, two different seizure types, namely generalized seizures, those of seizures triggered which capture both sides of the brain simultaneously, and focal seizures, where the interference begin in one area of the brain and then possibly over others Spread out areas.

Die Medizin unterscheidet darüber hinaus noch weitere Typen und Klassifizierungen (vgl. beispielsweise Pschyrembel, Klinisches Wörterbuch, Artikel „Epilepsie"). Mithilfe von Elektroencephalogrammen können Anfälle und Syndrome im Wesentlichen erkannt werden. Die meisten Patienten mit Epilepsie können durch Medikamente behandelt werden. Es gibt aber auch Patienten, die weiterhin zu Anfällen neigen, obwohl sie medikamentös behandelt werden. Viele von diesen Patienten können die Nebenwirkungen von Medikamenten nicht vertragen, so dass auch hier eine Grenze gesetzt ist.The Medicine makes a difference In addition, other types and classifications (see, for example Pschyrembel, Clinical Dictionary, article "Epilepsy") Using electroencephalograms can seizures and syndromes are essentially recognized. Most patients can with epilepsy be treated by medication. But there are also patients the continue to seizures tend to be medicated though be treated. Many of these patients may experience the side effects of Drugs do not tolerate, so even here set a limit is.

Für die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Stimulation des Gehirns bei Menschen oder Säugetieren mit einer Neigung zu epileptischen Anfällen anzugeben, mit der der Beginn oder das Bevorstehen eines epileptischen Anfalles erkannt und eine Stimulation außerhalb oder additiv zu einer medikamentösen Behandlung ermöglicht wird, die eine bestimmte Gehirnstimulation ermöglicht, die den epileptischen Anfall unterbricht oder ihn nicht zum Ausbruch kommen lässt.

  • 1. Eine solche Vorrichtung umfasst: – einen Elektroencephalographen mit wenigstens einer Elektrode, mit dem Signalkurven aufnehmbar sind, die Strömen im Gehirn entsprechen, – eine elektronisch betriebene Überwachungsvorrichtung zur automatischen Analyse der von dem Elektroencephalographen ankommenden, Gehirnströmen entsprechenden Signalkurven nach üblichen Kriterien, und zwar insbesondere nach Amplitude, Abstand der Signalspitzen, Frequenzzusammensetzung und Amplitudenbreite, sowie mit der Fähigkeit, die Signalkurven mit Kurvenverläufen von Musterkurven zu vergleichen, die Normalzuständen und epileptischen Syndromen entsprechen, – mit einem Schaltkreis, mit dem ein gestufter Stimulationsstrom erzeugbar ist, wenn sich aus der Auswertung der gewonnenen Kurvenverläufe ergibt, dass ein epileptischer Anfall bevorsteht oder eingesetzt hat, – wenigstens eine invasierbare bzw. therapeutische Stimulationselektrode, mit der ein Stimulationsstrom im Gehirngewebe erzeugbar ist.
The object of the invention is to provide a device for stimulating the brain in humans or mammals with a tendency to epileptic seizures, with the beginning or imminence of an epileptic seizure recognized and a stimulation outside or in addition to a drug treatment is enabled which allows a certain brain stimulation that interrupts the epileptic seizure or does not make it break out.
  • 1. Such an apparatus comprises: an electroencephalograph having at least one electrode capable of receiving signal curves corresponding to currents in the brain; an electronically operated monitoring device for automatically analyzing the cerebral currents arriving from the electroencephalograph according to usual criteria; in particular by amplitude, pitch of the signal peaks, frequency composition and amplitude width, as well as the ability to compare the waveforms with waveforms of pattern curves that correspond to normal and epileptic syndromes, - with a circuit capable of producing a stepped stimulation current as shown in Evaluation of the obtained curves shows that an epileptic seizure is imminent or has been used, - at least one invasive or therapeutic stimulation electrode with which a stimulation current can be generated in the brain tissue.

Die Stimulation mit einzelnen Impulsen wurde bereits zur Identifizierung der Epilepsie-Entstehung verwendet und insbesondere mit Regionen verbunden, wo die Anfallsentstehung vermutet wurde (Zeitschriftenartikel: Valentin, A. et al., Responses to single pulse electrical stimulation identify epileptogenesis in the human brain in vivo; BRAIN 2002, 125(8); 1709–1718).The Stimulation with single impulses has already been identified used for epilepsy emergence and especially with regions where the onset of seizure was suspected (journal article: Valentin, A. et al., Responses to single pulse electrical stimulation identify epileptogenesis in the human brain in vivo; BRAIN 2002, 125 (8); 1709 to 1718).

Mit der vorgenannten Vorrichtung soll es aber möglich sein, dass eine Konversion des Gehirngewebes eintritt, so dass ähnlich wie bei sogenannten Tachyarrhythmien eine Art Defibrillation wie bei Cardioverter/Defibrillatoren eintritt. Diese bekannten Vorrichtungen für eine völlig andere Anwendung können programmierbare Stimulationssequenzen enthalten, so dass eine Art Überstimulation der Tachyarrhythmie eintritt und damit die normalen Steuerungsrhythmen wieder einsetzen können.With However, the above device should be possible that a conversion of the brain tissue occurs, so that similar to so-called Tachyarrhythmias are a kind of defibrillation as with cardioverter / defibrillators entry. These known devices for a completely different application can be programmable Contain stimulation sequences, so that some kind of overstimulation Tachyarrhythmia occurs and thus the normal control rhythms can use again.

Da auch im menschlichen Gehirn Ströme mit bestimmten Rhythmen und Frequenzen sowie Amplituden auftreten, wobei die Epilepsie-Anfälle durch signifikante Änderungen dieser Ströme gekennzeichnet sind, kann angenommen werden, dass eine Stimulation des Gehirngewebes zu einer Art Konversion führt.There also in the human brain currents with certain rhythms and frequencies as well as amplitudes occur being the epileptic seizures through significant changes these streams can be assumed that a stimulation of the brain tissue leads to a kind of conversion.

Es sollen verschiedene Stimulationsspannungen bzw. Ströme erzeugt werden, nämlich eine schwache („subthreshold") eine mittlere („suprathreshold") und eine starke („direct current shock delivery") Energieabgabe.There are supposed to be various stimulation chips tions or currents are generated, namely a weak ("subthreshold") a medium ("suprathreshold") and a strong ("direct current shock delivery") energy delivery.

Derartige Stimulationen sind jedoch nicht mit der sogenannten Elektroschocktherapie zu vergleichen, wo wesentlich höhere Strömungen und Spannungen auftreten. Elektroschocktherapie wurde auch bisher nicht regelhaft zur Therapie von Epileptikern angewandt.such However, stimulations are not with so-called electroshock therapy compare where much higher currents and tensions occur. Electro shock therapy has been so far not regularly used for the treatment of epileptics.

Es soll auch möglich sein, dass jede der Stufen des Stimulationsstroms nach entsprechender Analyse des Kurvenverlaufs sukzessiv zu einer anderen Stufe auslösbar ist.It should also be possible be that each of the stages of the stimulation current after appropriate analysis of the curve is successively triggered to another stage.

Insbesondere das Auftreten von sogenannten Spikes in den Kurvenverläufen wird als Indiz für den Beginn eines epileptischen Anfalls gedeutet und führt zur Auslösung eines Stimulationsstroms.Especially the occurrence of so-called spikes in the curves is as an indication of the Beginning of an epileptic seizure interpreted and leads to release a stimulation current.

Weiterhin können verschiedene Typen des epileptischen Anfalls, wie bereits erläutert, auftreten, wobei nur bestimmte Gehirnbereiche oder das gesamte Gehirn betroffen sein können. Durch den Schaltkreis sollen entsprechend invasierbare Elektroden ansteuerbar sein, so dass Stimulationsströme lokalisiert erzeugbar sind.Farther can various types of epileptic seizure, as already explained, occur where only certain areas of the brain or the entire brain may be affected can. The circuit should be correspondingly invasive electrodes be controlled, so that stimulation currents are generated locally.

Die Stromstärke der erzeugbaren Stimulationsströme sollte zwischen 0,1 und 1 mA liegen, wobei je nach Dauer und Fall auch andere Werte eingesetzt werden können. Auch können Stimulationsströme impulsartig über einen Zeitraum von mehreren Sekunden, beispielsweise 200 bis 300 Sekunden lang mit einer Frequenz von 0,7 bis 1,2 Hz erzeugt werden.The amperage the generated stimulation currents should be between 0.1 and 1 mA, depending on duration and case also other values can be used. Also stimulation currents can pulse over a Period of several seconds, for example, 200 to 300 seconds long be generated with a frequency of 0.7 to 1.2 Hz.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt. Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:One embodiment is shown in the drawing. The figures of the drawing show in detail:

1 das Schema einer Vorrichtung; 1 the scheme of a device;

2 die mit der Vorrichtung gegebenen therapeutischen Möglichkeiten. 2 the therapeutic options given with the device.

Mit einer auf Elektroencephalographie beruhenden Überwachung lassen sich epileptische Anfälle, auch der Beginn von solchen Anfällen, unterscheiden von nichtepileptischen Gesundheitsstörungen, wie Synkopen, Parasommien oder Migräne-Anfällen.With electroencephalography-based surveillance can be epileptic seizures, also the beginning of such seizures, different from non-epileptic disorders, such as Syncope, parasomies or migraine attacks.

Eine Vorrichtung, mit der epileptische Anfälle erkannt und die Gehirntätigkeit beim Menschen oder Säugetieren stimuliert werden kann, ist schematisch in der 1 dargestellt.A device capable of detecting epileptic seizures and stimulating brain activity in humans or mammals is shown schematically in US Pat 1 shown.

Innerhalb der Schädelkalotte n der äußeren Hirnhaut oder im Gehirn eines Menschen oder eines Tieres wird eine oder werden mehrere Elektrode(n) 1 befestigt und über Leitungen mit einer EEG-Überwachungsvorrichtung 2 verbunden. Die von den Elektroden aufgenommenen Signalströme ergeben Signalkurven, die wie an sich bekannt, mit einem Monitor oder auf Kurvenpapier sichtbar gemacht werden können. Entsprechend üblicher elektronischer Technik, werden im vorliegenden Beispiel die ankommenden Kurven aufgenommen und abgespeichert.Within the skull cap of the outer meninges or in the brain of a human or an animal, one or more electrodes will be 1 attached and via lines with an EEG monitoring device 2 connected. The signal currents picked up by the electrodes produce signal curves which, as known per se, can be visualized with a monitor or on curve paper. According to conventional electronic technology, the incoming curves are recorded and stored in the present example.

Als Beispiel ist in der 1 eine Kurve, die den Normalzustand des menschlichen Gehirns darstellt, auf der linken Seite gezeichnet, während eine Kurve, die einem generellen Epilepsie-Anfall entspricht, auf der rechten Seite schematisch dargestellt ist.As an example, in the 1 a curve representing the normal state of the human brain is drawn on the left side, while a curve corresponding to a general epilepsy attack is shown schematically on the right side.

In einem Wellenanalysator 4, werden die von dem Elektroencephalographen 2 ankommenden, Gehirnströmen entsprechenden Signalkurven in an sich bekannter Weise analysiert. Als Kriterien dienen beispielsweise die Amplituden, die Abstände der Signalspitzen, die Frequenzzusammensetzungen und die Amplitudenbreiten als zu analysierende Kriterien, die mit Musterwerten oder entsprechenden gespeicherten Musterkurven verglichen werden. Treten, wie bei der rechten Kurve dargestellt, typische Signalspitzen 3 auf, handelt es sich mit großer Sicherheit um den Beginn eines epileptischen Anfalls.In a wave analyzer 4 , are those of the electroencephalograph 2 Incoming, brain waves corresponding signal curves analyzed in a conventional manner. The criteria used are, for example, the amplitudes, the distances of the signal peaks, the frequency compositions and the amplitude widths as criteria to be analyzed, which are compared with pattern values or corresponding stored pattern curves. Occur, as shown in the right curve, typical signal peaks 3 It is most certainly the beginning of an epileptic seizure.

Ein Schaltkreis 5 dient zur Auffindung von Anomalien der Gehirnströme und der Weitergabe entsprechender Steuersignale. Entsprechend einer programmierten Entscheidungsfindung 5 werden im Schaltkreis 6 bestimmte Stimulationsströme erzeugt, die an Stimulationselektroden 7 weitergegeben werden. Diese Stimulationselektroden 7 sind im Gewebe des Gehirns oder an dessen Oberfläche implantiert.A circuit 5 is used to detect anomalies of the brain waves and the transmission of appropriate control signals. According to a programmed decision-making 5 be in the circuit 6 generates certain stimulation currents that are due to stimulation electrodes 7 be passed on. These stimulation electrodes 7 are implanted in the tissue of the brain or on its surface.

Entsprechend der Schaltung der Vorrichtung 6 können abgestufte Stärken von Stiumulationsströmen abgegeben werden, so dass verschiedene Therapie-Schritte unternommen werden können. Je nach Implantationsort der Elektroden können lokale oder generelle Stimulationsströme abgegeben werden.According to the circuit of the device 6 For example, graded strengths of staging currents may be delivered so that various therapeutic steps can be taken. Depending on the implantation location of the electrodes, local or general stimulation currents can be delivered.

Beispielsweise sind, wie aus 2 ersichtlich ist, wenigstens drei Stufen erzeugbar, nämlich eine schwache, („subthreshold"), eine mittlere („suprathreshold") und eine starke („direct current shock delivery").For example, how are out 2 it can be seen, at least three stages can be generated, namely a weak ("subthreshold"), a middle ("suprathreshold") and a strong ("direct current shock delivery").

Die Stromstärken liegen im allgemeinen zwischen 0,1 und 1 mA. Sie können wenige Sekunden im Dauerbetrieb geleistet werden oder aber impulsartig über eine längere Zeit bis zu 300 Sekunden, abgegeben werden. Daneben ist auch eine Prophylaxe mit derartigen Stimulationsströmen möglich.The currents are generally between 0.1 and 1 mA. You can few Seconds are done in continuous operation or impulsively over a longer Time up to 300 seconds to be delivered. There is also one next to it Prophylaxis with such stimulation currents possible.

Die invasiv eingebauten Elektroden 7 werden durch feine Bohrungen durch die Schädeldecke eingebracht. Sie können das Gehirngewebe an verschiedenen Stellen stimulieren, so dass entsprechend den auftretenden Unregelmäßigkeiten die einem epileptischen Anfall entsprechen, Stimulationen an verschiedenen Stellend es Gehirns ausgelöst werden können. Die mit den Elektroden verbundenen elektronischen Schaltkreise können miniaturisiert werden, so dass sie ähnlich wie bei Herzschrittmachern unter der Haut implantiert werden und in ein entsprechend kleines Gehäuse eingebaut sind. Die Daten können gespeichert und falls erforderlich, telemetrisch abgerufen werden. Als Energiequellen eignen sich bekannte langlebige Batterien oder induktiv aufladbare Akkumulatoren. Es können auch experimentelle oder akut klinische Vorrichtungen erstellt werden, bei denen die Einzelteile, außer den Elektroden, außerhalb des Körpers angeordnet sind.The invasively installed electrodes 7 are introduced through fine holes through the skullcap. You can stimulate the brain tissue in different places, so that according to the occurring irregularities that correspond to an epileptic seizure, stimulation can be triggered in different parts of the brain. The electronic circuits connected to the electrodes can be miniaturized so that they are implanted under the skin similar to pacemakers and are installed in a correspondingly small housing. The data can be stored and, if necessary, telemetered. Suitable energy sources are known long-life batteries or inductively rechargeable batteries. Experimental or acute clinical devices may also be constructed in which the individual parts except the electrodes are located outside the body.

Der betroffene Patient kann zusätzlich durch entsprechende Signale, wie beispielsweise akustische Signale, auf eine Alarmsituation hingewiesen werden.Of the affected patient may additionally by appropriate signals, such as acoustic signals, be notified of an alarm situation.

In Abhängigkeit von der vom Arzt zu entscheidenden Therapie bietet damit die Vorrichtung wesentliche Möglichkeiten für die Behandlung von Epileptikern.In dependence from the doctor to decisive therapy thus provides the device essential options for the Treatment of epileptics.

Claims (9)

Vorrichtung zur Stimulation des Gehirns bei Menschen oder Säugetieren mit einer Neigung zu epileptischen Anfällen, umfassend – einen Elektroencephalographen mit wenigstens einer Elektrode, mit dem Signalkurven aufnehmbar sind, die Strömen im Gehirn entsprechen, – eine elektronisch betriebene Überwachungsvorrichtung zur automatischen Analyse der von dem Elektroencephalographen ankommenden, Gehirnströmen entsprechenden Signalkurven nach üblichen Kriterien, und zwar insbesondere nach Amplitude, Abstand der Signalspitzen, Frequenzzusammensetzung und Amplitudenbreite, sowie mit der Fähigkeit, die Signalkurven mit Kurvenverläufen von Musterkurven zu vergleichen, die Normalzuständen und epileptischen Syndromen entsprechen, – mit einem Schaltkreis, mit dem ein gestufter Stimulationsstrom erzeugbar ist, wenn sich aus der Auswertung der gewonnenen Kurvenverläufe ergibt, dass ein epileptischer Anfall bevorsteht oder eingesetzt hat, – wenigstens eine invasierbare Stimulationselektrode, mit der ein Stimulationsstrom im Gehirngewebe erzeugbar ist.Device for stimulating the brain in humans or mammals with a tendency to epileptic seizures, comprising - one Electroencephalographs with at least one electrode, with the Signal curves that correspond to currents in the brain, - an electronic operated monitoring device for automatic analysis of the incoming from the electroencephalograph, brain waves corresponding signal curves according to usual criteria, namely in particular according to amplitude, distance of the signal peaks, frequency composition and amplitude width, as well as having the ability to use the waveforms curves to compare pattern curves, normal and epileptic syndromes correspond, - With a circuit with which a stepped stimulation current can be generated is, if it results from the evaluation of the obtained curves, that an epileptic seizure is imminent or has started - at least an invasible stimulation electrode, with which a stimulation current can be generated in the brain tissue. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Stufen des Stimulationsstroms erzeugbar sind: eine schwache („subthreshold"), eine mittlere („suprathreshold") und eine starke („direct current shock delivery").Device according to claim 1, characterized in that at least three stages of the stimulation current can be generated: a weak ("subthreshold"), a medium ("Suprathreshold") and a strong one ( "Direct current shock delivery "). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Stufen des Stimulationsstroms nach entsprechender Analyse des Kurvenverlaufs sukzessiv zu einer anderen Stufe auslösbar ist.Device according to Claim 1 or 2, characterized that each of the stages of the stimulation current after appropriate Analysis of the curve is successively triggered to another stage. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftreten von charakteristischen Kurvenverläufen als Indiz für den Beginn eines epileptischen Anfalls gedeutet wird und zur Auslösung eines Stimulationsstroms führt.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the occurrence of characteristic curves as Indication for the beginning of an epileptic seizure is interpreted and the triggering of a Stimulation current leads. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend dem Typ des epileptischen Anfalls, der nur bestimmte Gehirnbereiche oder das gesamte Gehirn betreffen kann, durch den Schaltkreis entsprechend invasierbare Elektroden ansteuerbar sind, so dass Stimulationsströme lokalisiert oder generalisiert erzeugbar sind.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that according to the type of epileptic seizure, that affect only certain areas of the brain or the entire brain can, through the circuit correspondingly invasive electrodes are controllable, so that stimulation currents localized or generalized can be generated. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke der erzeugbaren schwachen und mittleren Stimulationsströme zwischen 0,1 und 1 mA liegt, bei starken Stimulationen auch darüber liegt.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the current strength the producible weak and medium stimulation currents between 0.1 and 1 mA, with strong stimulation also above. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stimulationsströme impulsartig über einen Zeitraum von mehreren Sekunden erzeugbar sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the stimulation currents pulse over a Period of several seconds can be generated. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Encephalograph und nachgeschaltete Überwachungsvorrichtung sowie der Schaltkreis zur Erzeugung des Stimulationsstroms als autark betriebene Einheit in einem implantierbaren Gehäuse zusammengefasst sind.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the encephalograph and downstream monitoring device and the circuit for generating the stimulation current as self-sufficient operated unit are combined in an implantable housing. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit oder Teile der Einheit mit einem Sender versehen sind, so dass über einen externen Empfänger Daten abfragbar sind.Device according to claim 8, characterized in that that the unit or parts of the unit provided with a transmitter are so over an external receiver Data can be queried.
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