Evaluierung zweier Rotationshelmtechnologien zur Verringerung der Spitzenrotationsbeschleunigung bei Fahrradhelmen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 7735 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Das Risiko eines Hirntraumas wurde mit der Rotationskinematik in Verbindung gebracht, was zur Entwicklung von Helmen mit verschiedenen Rotationsmanagementtechnologien führte. Der Zweck dieser Arbeit bestand darin, ein rotationsspezifisches Testprotokoll zu verwenden, um die Wirksamkeit zweier dieser Technologien zu bewerten. Um die Leistung jeder Technologie zu beurteilen, wurde die dynamische Reaktion des Kopfes gemessen. In diese Studie wurden drei Fahrradhelme mit identischer Konstruktion einbezogen. Getestet wurden ein Helm ohne Rotationstechnologie, eine etablierte, kommerzielle Technologie und eine neuartige Helmrotationstechnologie, die von den Autoren entworfen und zusammengebaut wurde. Mithilfe eines Falltests auf einen 45°-Amboss wurde die Fähigkeit jedes Helms gemessen, die dynamische Reaktion der Kopfform bei einer Reihe von Stößen zu bewältigen. Die Ergebnisse zeigten, dass beide Rotationshelmtechnologien zu einer geringeren maximalen Rotationsbeschleunigung und geringeren Gehirnbelastung führten, jede Technologie jedoch je nach Aufprallbedingung einzigartige Leistungsmerkmale aufwies.

Das Gesundheitssystem in den Vereinigten Staaten benötigt jährlich zwei Milliarden Dollar für die Behandlung und Behandlung von Kopfverletzungen in der Allgemeinbevölkerung1,2. Mit 30 bis 40 % der Krankenhauseinweisungen bei Kindern und Jugendlichen3 ist eine Gehirnerschütterung die häufigste Ursache für Kopfverletzungen bei Kindern beim Radfahren. Sportbedingte Gehirnerschütterungen wurden im Allgemeinen als „stille Epidemie“ beschrieben, wobei die Prävalenz und Auswirkungen dieser Verletzungen nicht vollständig beschrieben wurden1,2,3,4,5. Helmtechnologien wurden entwickelt, um das Risiko von Kopfverletzungen, einschließlich Gehirnerschütterungen durch Kopfstöße beim Sport, zu minimieren5,6,7,8. Obwohl sie sich bei der Reduzierung von Kopfverletzungen beim Radfahren als nützlich erwiesen haben, wird der mit einer Gehirnerschütterung verbundene Verletzungsmechanismus in den aktuellen Helmtestprotokollen nicht vollständig berücksichtigt9,10,11,12. Rotationskinematik, die die Kopfdynamik bei Stößen beschreibt, wurde mit diffusen Hirnverletzungen einschließlich Gehirnerschütterung in Verbindung gebracht9,10,11,13,14,15,16,17. Die Wirksamkeit von Sporthelmen bei der Bewältigung von Kopfverletzungen erfordert jedoch typischerweise die Messung der linearen Beschleunigung mithilfe eines vertikalen Falltests auf einen flachen Amboss18. Post et al.19 und Rowson et al.20 berichteten über einen schwachen Zusammenhang zwischen Spitzenrotations- und Linearbeschleunigungen bei Kopfaufprallen. Obwohl mehrere Testmethoden eingesetzt wurden, enthält bisher kein Teststandard für Fahrradhelme ein Rotationsleistungskriterium10,12,14,21,22,23,24,25,26,27. Ein vorgeschlagenes Protokoll für einen Aufpralltest mit hoher Reibung wurde verwendet, um die Fähigkeit eines Helms zu messen, die Rotationsbeschleunigung zu bewältigen. Es umfasste einen frei fallenden Helmkopf in Form eines abgewinkelten Schlagambosses, der mit Schleifpapier mit hoher Reibung ausgestattet war.

Fahrradhelmhersteller verstärkten das Interesse an der Integration wirksamer Rotationsmanagementtechnologien in Fahrradhelme, nachdem berichtet wurde, dass Rotationsaufpralleigenschaften wichtige Prädiktoren für das Risiko von Gehirnerschütterungsverletzungen sind6,10,11,12.

Der Zweck dieser Studie bestand darin, die Fähigkeit von zwei Rotationshelmtechnologien zu bewerten, die an derselben Marke und demselben Modell eines Fahrradhelms angebracht sind, um Aufpralltraumata mithilfe eines Aufpralltestprotokolls mit hoher Reibung zu bewältigen.

In diese Studie wurden drei identische mittelgroße Fahrradhelme einbezogen: ein im Handel erhältlicher Fahrradhelm ohne Rotationstechnologie, ein im Handel erhältlicher Fahrradhelm mit reibungsarmer Rotationstechnologieschicht (MIPS, Multi-Directional Impact Protection System, Schweden) und ein im Handel erhältlicher Verfügbarer Fahrradhelm mit einer neuartigen Rotationstechnologie bestehend aus flüssigkeitsgefüllten Blasen (Abb. 1). Alle drei Helme bestanden aus einer Polycarbonat-Mikroschale, einem Innenfutter aus expandiertem Polystyrol, Koroyd®-Einsätzen, Passformpolstern und einem Kinnriemen. Die Stichprobengröße umfasste vier Helme für jeden Helmtyp, also insgesamt zwölf Helme.

Getestete Fahrradhelme, Standardhelm (oben), Technologie Nr. 1 (MIPS) (Mitte) und Technologie Nr. 2 (unten).

Eine Reihe von Rotationsminderungstechnologien wurden auf den Markt gebracht, darunter Wavecell, eine Copolymerstruktur, SPIN, ein Schaumgelmaterial, Leatt 360°-Turbine, 6D ODS-Aufhängungstechnologie und Atomic AMID mit einem Kompressions-Scher-Material. Zu den in dieser Forschung verwendeten Technologien gehörten das branchenführende multidirektionale Aufprallschutzsystem, das MIPS-System und eine neuartige flüssigkeitsgefüllte Blasentechnologie. Bei diesem Forschungshelm handelte es sich bei Helm 1 (Standard Liner) um einen handelsüblichen Standardhelm ohne Rotationsmanagementtechnologie. Helm 2, identifiziert als Technologie Nr. 1, war ein im Handel erhältlicher Fahrradhelm mit einem Rotationsbeschleunigungsmanagementsystem (Multi-Directional Impact Protection System, MIPS), und Helm 3, identifiziert als Technologie Nr. 2, hatte den Passformschaum, der drei thermoplastische Urethanblasen (TPU) ersetzte Enthält eine niedrigviskose Flüssigkeit, die so angeordnet ist, dass zwischen dem Kopf und dem Liner eine geringe Reibungsreaktion entsteht28,29. Jede Blase bestand aus einer TPU 85-Kunststofffolie, die 3 ml farbloses Mineralöl enthielt, mit einem Gesamtdurchmesser von 65 mm und einer Dicke von 3 mm. Die Dicke (3 mm) war die gleiche wie beim Ersatzschaum, um eine ordnungsgemäße Passform zu gewährleisten. Die Helme mit Rotationstechnologie erhöhten die Helmmasse leicht (25–45 g)30. Abgesehen von den Rotationstechnologien waren alle drei Helme baugleich (Abb. 1).

Ein von Cadex Impact Inc. (St. Jean-sur-Richelieu, Quebec, Kanada) hergestelltes Monorail-Drop-Rig-System, wie in Abb. 2 dargestellt, wurde zum Aufprall auf die Helme verwendet. Dieses Gerät wurde in Verbindung mit einer Hybrid III-Kopfform verwendet, um einen freien Tropfen durchzuführen. Der Heiligenschein stützt die behelmte Kopfform und verläuft um den Amboss herum, um einen präzisen Aufprall auf die Position der Kopfform zu ermöglichen, ohne dass die bewegliche Vorrichtung oder der Amboss Störungen verursachen. Ein einstellbares Lasergeschwindigkeitsmessgerät wurde verwendet, um die Geschwindigkeit der Kopfform unmittelbar vor dem Aufprall zu ermitteln. Während mehrere Testmethoden zur Verfügung stehen, die Halsformen verwenden, wurde für diese Untersuchung ein Freifallsystem gewählt, um sicherzustellen, dass die Auswirkung der Halsform auf die Kopfformreaktion minimiert wurde30,31,32,33. Die Kopfform Hybrid III wurde verwendet, um die gängigste 3-2-2-2-Beschleunigungsanordnung34,35 zu integrieren.

Drop-Rig, Halo und 45°-Amboss mit angebrachtem Schleifpapier.

Eine 50.-Perzentil-Hybrid-III-Kopfform wurde auf der Einschienen-Abwurfanlage platziert, die mit einem Freifall-Halo ausgestattet war, Abb. 2. Die Hybrid-III-Kopfform war mit neun einachsigen Endevco-Beschleunigungsmessern in einer 3-2-2-2-Anordnung ausgestattet, die bei sammelte 20.000 Hz. Das 3-2-2-2-Array basierte auf der Forschung von Padgaonkar et al.35 zur Erfassung sowohl Rotations- als auch Linearbeschleunigungen. Die Beschleunigungsmesser waren mit einem DTS TDAS-Control-Steuermodul (DTS, San Juan Capistrano, Kalifornien, USA) verbunden, das in Aufprallsimulationen verwendet wurde. Die Signale wurden mit einem CFC 1000-Filter gemäß SAE J211-Konvention verarbeitet.

Der Helm wurde mit dem Haltegurt an der Kopfform befestigt und überprüft, um sicherzustellen, dass er an den gleichen Orientierungspunkten auf der Kopfform ausgerichtet war. Die behelmte Kopfform wurde auf einen Heiligenschein gelegt, der an einer Einschienenbahn befestigt war, und auf einen um 45° abgewinkelten Amboss fallen gelassen, wobei auf die Oberfläche Schleifpapierkleber der Körnung 80 aufgetragen wurde9,36,37. Die Aufprallgeschwindigkeit wurde auf 6,5 m pro Sekunde (SD ± 0,2) eingestellt. Die Aufprallorte umfassten vorne (Rot-Y-Achse), seitlich (Rot-X-Achse), Scheitel (Rot-Y-Achse) und hinten (Rot-Y-Achse) und wurden relativ zum abgewinkelten Impaktor definiert (Abb. 3).

Platzierung der Kopfform zum Auftreffen auf den Amboss im vorderen, hinteren (hinteren), seitlichen und Scheitelbereich.

Um die maximale Hauptdehnung (MPS) für Stöße mit Fahrradhelmen zu erhalten, wurden die linearen und rotatorischen Belastungskurven für jeden Aufprall als Eingaben in das University College Dublin Brain Trauma Model (UCDBTM)38,39 verwendet. Das Modell wurde mithilfe von Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) eines männlichen menschlichen Kadavers entwickelt, um die Kopfgeometrie des UCDBTM40 zu entwickeln. Das dreidimensionale Finite-Elemente-Modell umfasste Kopfhaut, Schädel, Pia, Falx, Tentorium, Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit (CSF), graue und weiße Substanz, Kleinhirn und Hirnstamm, dargestellt durch etwa 26.000 hexaedrische Elemente40. Das Gehirngewebe wurde als scherviskoelastisch charakterisiert, wobei sein Gehirnverhalten durch ein lineares viskoelastisches Modell dargestellt wurde. Die kompressive Natur des Hirngewebes wurde als elastisch definiert. Die Schercharakteristik des viskoelastischen Gehirns wurde durch die Gleichung dargestellt. (1), wobei G1 als Langzeit-Schermodul definiert ist, G0 als Kurzzeit-Schermodul und b als Abklingfaktor40:

Die Validierung des UCDBTM wurde anhand von Druckreaktionen von Leichen und Gehirnbewegungsforschung durchgeführt38,40 Hardy et al.39. Es wurden auch Vergleiche der intrakraniellen Druckreaktion des Modells mit Experimenten von Nahum et al.41 durchgeführt, bei denen Stöße sowohl mit Rotations- als auch mit linearen Beschleunigungskomponenten durchgeführt wurden. Es wurde auch festgestellt, dass die intrakranielle Druckreaktion des Modells hinsichtlich der allgemeinen Form und Dauer gut mit den Leichendruckreaktionen von Hardy et al.38 übereinstimmt (Horgan und Gilchrist40). Es wurde festgestellt, dass die Gehirnbewegungsspuren des Modells den von Trosseille42 durchgeführten Untersuchungen ähneln. Eine weitere Untersuchung des Modells wurde anhand von Rekonstruktionen realer Hirnverletzungsvorfälle durchgeführt, bei denen im Vergleich zur Literatur eine gute Übereinstimmung hinsichtlich der Größenordnung der Hirnbelastungen und -belastungen festgestellt wurde . Die Spitzenbelastungswerte für die weiße und graue Substanz werden als maximale Hauptwerte für weiße und graue Substanz angegeben. Es ist zu beachten, dass die maximalen Hauptdehnungswerte in dieser Arbeit als Maß für ein Hirntrauma berücksichtigt werden und nicht das Ausmaß der Hirnverletzung darstellen. Aus diesem Grund wurden Dehnungswerte nicht in die statistische Analyse einbezogen.

Eine Reihe von ANOVAs mit wiederholten Messungen verglich die resultierende Spitzenlinear- und Rotationsbeschleunigung für jeden Helmtyp. Für jeden der betroffenen Standorte wurde eine ANOVA durchgeführt, wobei die Auswirkungen jeder Helmtechnologiestrategie mit dem Ausgangswert verglichen und jede Helmtechnologie verglichen wurde. Paarweise Vergleiche (α = 0,05) wurden für jede Metrik, maximale lineare Beschleunigung und Rotationsbeschleunigung durchgeführt.

Für die Variablen der dynamischen Reaktion (Spitzenlinear- und Rotationsbeschleunigung) wurde eine statistische Analyse durchgeführt. Die maximale Hauptbelastung für graue und weiße Substanz wurde nur zu Referenzzwecken in die Ergebnisse einbezogen. Für den Frontaufprallort ergaben paarweise Vergleiche der maximalen linearen Beschleunigung keine signifikanten Unterschiede zwischen der Standardauskleidung und Technologie Nr. 1 (p = 0,230) sowie Technologie Nr. 1 und Technologie Nr. 2 (p = 0,159). Es gab jedoch eine deutliche Verringerung der linearen Spitzenbeschleunigung zwischen dem Standardliner und Technologie Nr. 2 (p = 0,026). Bei der maximalen Rotationsbeschleunigung gab es signifikante Unterschiede zwischen dem Standardhelm und der Technologie Nr. 1 (p = 0,006), dem Standardhelm und der Technologie Nr. 2 (p = 0,000) sowie zwischen der Technologie Nr. 1 und der Technologie Nr. 2 (p = 0,000). (Tabelle 1; Abb. 4).

Balkendiagramm, das die Ergebnisse der maximalen linearen Beschleunigung in g für den Aufprallort und den Helmtyp anzeigt.

Für den Ort des Seitenaufpralls ergaben paarweise Vergleiche der maximalen resultierenden linearen Beschleunigungsreaktionen keine Signifikanz zwischen der Standardauskleidung und Technologie Nr. 1 (p = 0,078) (Abb. 5). Es gab signifikante Unterschiede zwischen dem Standardliner und Technologie Nr. 2 (p = 0,001) sowie zwischen Technologie Nr. 1 und Technologie Nr. 2 (p = 0,010). Bei der maximalen Rotationsbeschleunigung ergaben paarweise Vergleiche, dass sich alle drei Helmtypen deutlich voneinander unterschieden; der Standardliner im Vergleich zu Technologie Nr. 1 (p = 0,002), der Standardliner im Vergleich zu Technologie Nr. 2 (p = 0,000) (Tabelle 2).

Balkendiagramm, das die Ergebnisse der Spitzenrotationsbeschleunigung im Bogenmaß pro Quadratsekunde (Rad/s2) für Aufprallorte und Helmtyp anzeigt.

Für den Scheitelaufprallort ergaben paarweise Vergleiche keine Signifikanz für die maximale lineare Beschleunigung zwischen der Standardauskleidung und Technologie Nr. 1 (p = 0,344) oder zwischen den Technologien Nr. 1 und Nr. 2 (p = 0,778). Es gab einen signifikanten Unterschied zwischen dem Standardliner und Technologie Nr. 2 (p = 0,034). Für die maximale Rotationsbeschleunigung ergaben paarweise Vergleiche keinen signifikanten Unterschied zwischen der Standardauskleidung und Technologie Nr. 1 (p = 0,344) und den Technologien Nr. 1 und Nr. 2 (p = 0,778), jedoch gab es einen signifikanten Unterschied zwischen der Standardauskleidung und Technologie Nr. 2 (p = 0,778). ) (Tabelle 3; Abb. 5).

Für die hintere Position ergaben paarweise Vergleiche der maximalen Linear- und Rotationsbeschleunigungen zwischen den Helmtypen keine signifikanten Unterschiede (Tabelle 4; Abb. 4 und 5).

Das in dieser Untersuchung verwendete Testprotokoll identifizierte Unterschiede zwischen der Kapazität der drei getesteten Helme bei der Bewältigung der Spitzenlinear- und Rotationsbeschleunigung (Tabellen 1, 2, 3, 4). Die reibungsarme Schicht in Technologie Nr. 1 (MIPS) und die mit Flüssigkeit gefüllten Blasen in Technologie Nr. 2 reduzierten die Spitzenlinear- und Rotationsbeschleunigungen. Während beide Technologien die herkömmliche Helmtechnologie Nr. 2 durchweg übertrafen, war sie effektiver bei der Bewältigung sowohl linearer als auch rotatorischer Beschleunigungen bei Front- und Seitenaufprallen. Während Technologie Nr. 2 die Linear- und Rotationsbeschleunigung an der Einschlagstelle der Krone deutlich verringerte, erbrachte Technologie Nr. 1 keine so gute Leistung (Abb. 5). Unterschiede in den beiden Technologiestrukturen trugen wahrscheinlich zu den unterschiedlichen Fähigkeiten der beiden Technologien bei der Bewältigung von Linear- und Rotationsbeschleunigungen für die vier Aufprallstellen bei. Beide Technologien verringerten die Spitzenlinear- und Rotationsbeschleunigungen an der Heckaufprallstelle, allerdings war dies statistisch nicht signifikant. Dieses Ergebnis war nicht unerwartet, da beide Rotationstechnologien die Stelle des Heckaufpralls nicht vollständig abdeckten. Außerdem gab es eine ausgeprägte Geometrie an der Stelle des Heckaufpralls, was die Varianz in den Messungen erhöhte und somit die Wahrscheinlichkeit einer statistischen Signifikanz verringerte. Der Standard-Fahrradhelm bewältigte die dynamische Reaktion bei Stößen nicht so effektiv wie die beiden Helme mit Rotationstechnologie. Die beiden Rotationstechnologien führten im Vergleich aller Aufprallbedingungen auch zu einer geringeren Belastung sowohl der grauen als auch der weißen Substanz (12,70–27,16 %). Die Ergebnisse zeigten, dass die beiden Rotationstechnologien in dieser Studie unter den getesteten Bedingungen die maximale lineare und Rotationsbeschleunigung wirksam verringerten (Abb. 5). Obwohl kein Versuch unternommen wurde, die Rotationstechnologien für bestimmte Aufprallbedingungen, einschließlich Aufprallort und -richtung, zu optimieren, stützen diese Ergebnisse die Annahme, dass eine bestimmte Technologie möglicherweise effektiver bei der Steuerung der Rotationsbeschleunigung unter bestimmten Aufprallbedingungen ist. Bei weiteren Untersuchungen sollte die Möglichkeit in Betracht gezogen werden, die Leistung des Helms durch stoßzustandsspezifische Technologie zu optimieren. Der verbesserte Schutz, den die Rotationstechnologie in dieser Forschung bietet, unterstreicht die Bedeutung der Einbeziehung von Rotationstestprotokollen in die Helmzertifizierungsstandards.

Wie bei allen Laboruntersuchungen, an denen keine menschlichen Teilnehmer beteiligt sind, müssen bei der Anwendung und Interpretation dieser Ergebnisse die Einschränkungen der zur Messung des Aufpralltraumas verwendeten Instrumente berücksichtigt werden. Die in diesem Test verwendeten Stöße umfassten keinen speziellen Test zur Erzeugung einer Beschleunigung um die Z-Achse. Der Zusammenhang zwischen der Beschleunigung in dieser Achse und dem Risiko eines Hirntraumas spricht dafür, in künftigen Forschungen einen Einfluss zur Erzeugung einer Beschleunigung in der Z-Achse hinzuzufügen. Diese Forschung umfasste zwei einzigartige Technologien als Beispiele für Rotationsmanagementtechnologien und kann nicht als repräsentativ für andere Rotationstechnologien angesehen werden. Die Schalengeometrie dieses Helms gilt als aerodynamisch; daher ist die Form nicht rund. Diese Schlussfolgerungen gelten speziell für getestete Fahrradhelme und können bei anderen Helmen anders ausfallen. Der Umfang der Forschung beschränkte sich auf Kopftrauma beim Radfahren43,44,45,46. Schließlich war das Aufprallprotokoll eine Modifikation bestehender Methoden, die von der europäischen Testmethode für Rotationsstöße Halldin et al.30,36,43 vorgeschlagen wurden.

Der Zweck dieser Arbeit bestand darin, die Wirksamkeit eines rotationsspezifischen Testprotokolls bei der Bewertung zweier Technologien zu bewerten, die darauf abzielen, Rotationsbeschleunigungen bei Kopfaufprallen in Fahrradhelmen zu verringern. Die Ergebnisse zeigten, dass der rotationsspezifische Test bei beiden Rotationstechnologien im Vergleich zum herkömmlichen Helm eine signifikante Reduzierung der Spitzenrotationsbeschleunigung zeigte. Technologie Nr. 1 führte zu einer erheblichen Reduzierung der Rotationsbeschleunigung an den Front- und Seitenaufprallstellen, während Technologie Nr. 2 zu einer signifikanten Reduzierung der Rotationsbeschleunigung an den Front-, Seiten- und Scheitelaufprallstellen führte. Jede Technologie zeigte je nach Aufprallbedingung einzigartige Leistungsmerkmale. Diese Forschung unterstützt die Verwendung von Helmrotationstestprotokollen zur Bewertung der Helmkapazität bei der Bewältigung des Risikos eines Kopftraumas.

Rohe und verarbeitete physikalische und rechnerische Daten aller Variablen werden derzeit an der Universität von Ottawa, Kanada, gespeichert. Es ist auf Anfrage erhältlich und ist auch in „ergänzenden Dateien“ verfügbar.

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Referenzen herunterladen

Abteilung für Kinesiologie, University of Waterloo, 200 University Avenue West, Waterloo, ON, N2L 3G1, Kanada

Thomas Hoshizaki

Abteilung für Humankinetik, Universität Ottawa, Ottawa, Kanada

Andrew M. Post & T. Blaine Hoshizaki

School of Kinesiology, Lakehead University, Thunder Bay, Kanada

Thomas Hoshizaki, Carlos E. Zerpa und Elizabeth Legace

Fakultät für Maschinenbau und Werkstofftechnik, University College Dublin, Dublin, Republik Irland

Andrew M. Post und Michael D. Gilchrist

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TH konzipierte die Studie, sammelte die Daten, analysierte und verfasste das Manuskript. AP half bei der Datenanalyse und Interpretation. EL vorbereitete Abb. 1, 2, 3. MG hat das FE-Modell entwickelt. TBH hat das Manuskript konzipiert und auch geschrieben. CZ unterstützte bei der Konzeptualisierung. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Thomas Hoshizaki.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hoshizaki, T., Post, AM, Zerpa, CE et al. Evaluierung von zwei Rotationshelmtechnologien zur Verringerung der Spitzenrotationsbeschleunigung bei Fahrradhelmen. Sci Rep 12, 7735 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11559-0

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Eingegangen: 12. Januar 2022

Angenommen: 26. April 2022

Veröffentlicht: 11. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11559-0

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Annalen der biomedizinischen Technik (2023)

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