Summary
이 기사에서는 개인의 하반신 생체 역학을 측정하는 데 사용할 수있는 최신 기술 중 두 가지에 대한 포괄적 인 실험 방법론을 소개합니다.
Abstract
생체 역학 분석 기술은 인간의 움직임의 연구에 유용합니다. 이 연구의 목적은 상업적으로 이용 가능한 시스템을 사용하여 건강한 참가자의 하반신 생체 역학 평가를 위한 기술을 소개하는 것이었습니다. 걸음걸이 분석 및 근력 테스트 시스템을 위한 별도의 프로토콜이 도입되었습니다. 걸음걸이 평가의 정확성을 극대화하려면 마커 배치및 자가 주행 러닝머신 적응 시간에 주의를 기울여야 합니다. 유사 하 게, 참가자 위치, 연습 재판, 그리고 구두 격려 근육 강도 테스트에 세 가지 중요 한 단계. 현재 의증거는 이 문서에 설명된 방법론이 더 낮은 사지 생체 역학의 평가를 위해 효과적일 지도 모른다는 것을 건의합니다.
Introduction
생체 역학의 분야는 주로 응력, 변형, 하중 및 생물학적 시스템의 움직임 - 고체 및 유체 모두의 연구를 포함한다. 그것은 또한 구조, 크기, 모양 및 신체의 움직임에 기계적 효과의 모델링을 포함한다1. 몇 년 동안,이 분야의 발전은 정상 및 병리학 적 걸음걸이, 신경 근육 제어의 역학, 성장과 형태2의역학에 대한 우리의 이해를 향상시켰다.
이 문서의 주요 목적은 개인의 낮은 사지 생체 역학을 측정하기 위해 사용할 수있는 최신 기술의 두 가지에 대한 포괄적 인 방법론을 제시하는 것입니다. 걸음걸이 분석 시스템은 Sloot et al3에의해 설명된 바와 같이, SP 알고리즘을 통합하여 러닝머신의 속도를 조절하는 증강 현실 환경과 결합된 자가 이동(SP) 러닝머신을 사용하여 보행 생체역학을 측정및 정량화한다. 근력 테스트 장비는 상지 재활을 위한 평가 및 치료 도구로 사용된다4. 이 장치는 동위 원소 및 동위 원소 모드에서 다양한 운동 또는 작업 시뮬레이션 작업의 다양한 생리학적 패턴을 객관적으로 평가할 수 있습니다. 현재 상지 강도 측정5에 대한5 금본위제로 인식되고 있으나, 특히 하반신과 관련된 증거는 불분명하다. 이 백서는 하부 말단에 대한 걸음걸이 및 등각 투영 강도의 평가를 완료하기 위한 상세한 프로토콜을 설명합니다.
생체 역학 분석 내에서 기능 적 성능 평가 (예 : 보행 분석)와 근육 성능의 특정 테스트를 결합하는 것이 유용합니다. 이것은 증가 된 근육 강도가 기능적 성능을 향상시킨다고 가정 할 수 있지만, 이것은 항상명백한6이 아닐 수도 있기 때문입니다. 이러한 접근법을 평가하기 위해 재활 프로토콜 및 연구 전략의 개선된 미래 설계에 이러한 이해가 필요합니다.
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Protocol
보고된 방법은 본머스 대학 연구 윤리 위원회 (참조 15005)에서 윤리적 인 승인을받은 연구에서 따랐다.
1. 참가자
- 연구에 참여하는 건강한 성인(23~63세, 평균 ±S.D.; 42.0±13.4, 체질량 70.4±15.3 kg, 신장 175.5±9.8 cm; 15남성, 15명의 암컷)을 모집한다. 이 연구를 위해 30명의 참가자가 모집되었습니다.
- 참가자의 현기증, 균형 문제 또는 걷기 어려움의 자기 보고 된 역사가 없는지 확인 합니다.
- 참가자는 균형 이나 보행에 영향을 미치는 어떤 알려진된 신경 근육 부상 또는 조건에서 고통 을 하지 않았는지 확인.
2. 걸음걸이 분석을 위한 설치 및 절차
- 이중 벨트 힘 플레이트 계측 러닝머신, 10카메라 모션 캡처 시스템 및 광학 흐름을 제공하는 가상 환경으로 구성된 걸음걸이 분석시스템(그림 1)을사용합니다.
- 참가자가 사이클링 반바지 나 레깅스와 같은 매우 단단한 비 반사 의류를 입고 있는지 확인하십시오.
- 양면 점착 테이프를 사용하여 25개의 패시브 반사 마커를 부착하고 도 2에 상세히 설명된 바와 같이 인체 모델(HBM)7의 하체 구성에 따라 배치한다. Figure 2 이 문서의 정보는 HBM 참조 매뉴얼8에서가져온 것입니다.
- HBM6에필요한 무릎과 발목 너비를 측정하려면 관절 눈금자를 사용합니다.
- 오버헤드 프레임에 고정된 안전 하네스에 참가자를 고정합니다.
- 데이터베이스에서 새 세션을 시작하고 활성 상태(강조 표시)되어 있는지 확인합니다.
- 제목 탭을 사용하여 스켈레톤 표시 버튼에서 새 참가자를 만듭니다.
- 'LowerLimb HBM_N2.vst' 파일을 검색한 다음 참가자의 이름을 입력합니다. 새 참가자가 주제 창에 나타납니다.
- 도구 창으로 이동하여 제목 준비 탭을 엽니다.
- 하드웨어 탭을 통해 포스 플레이트를 0 레벨로 설정합니다.
- 러닝머신 중간에 준비하여 ROM 평가판 참가자를 준비합니다.
- 참가자가 스스로 진행되는 러닝머신에 익숙해질 수 있도록 세션9,10의시작 부분에서 5분 동안9편안한 속도로 걷도록 요청합니다.
- 적응에 따라 지체 시간없이 참가자에게 최소 5 분10,11동안 걷도록 요청하십시오.
- 참가자가 녹음 타이밍을 눈멀게 해야 합니다.
- 러닝머신을 시작하고 기록 시작 버튼12를클릭하여 데이터 기록을 시작해야 합니다. 이것은 통합 소프트웨어(재료 표)로수행 할 수 있습니다.
- 원하는 양의 데이터를 수집한 후 레코딩을 중지합니다. 25 사이클의 세 세트를 수집하는 것이 좋습니다.
- 처리소프트웨어(재료 표)를열고 데이터의 고주파 노이즈를 제거하고, 6Hz의 컷오프 주파수를 가진 2차 버터워스 필터와 같은 마커 데이터에 로우 패스 필터를 선택한다.
- 파일로이동한 다음 내보내기를 선택하여 .csv로 저장합니다.
- 수직 힘 데이터에서 개별 보폭을 결정하고 발 마커를 사용하여 걸음걸이 이벤트13을확인합니다.
- Matlab R2017a(보조파일)에서운동학, 운동 및 공간 시간데이터와 같은 걸음걸이 매개변수를 분석합니다.
3. 근육 강도 검사를 위한 설치 및 절차
- 근력 테스트 장비(multimodal 동력계)(그림3)를사용하여 참가자의 근육 강도를 최대 자발적 등각감소(MVIC)14에기초하여 측정합니다.
- 도구/패드 번호 701을 동력계 운동 헤드에 부착합니다.
- 테스트 참가자의 오른쪽과 왼쪽 무릎 등각 투영 근육 강도.
- 등받이가 있는 의자에 앉은 자세로 참가자를 테스트합니다.
- 위/아래 스위치를 사용하여 동력계 축을 무릎 관절의 해부학 축회전에 맞춥습니다. 도구의 패드를 경골의 정강이 아래쪽에 중앙에 놓습니다.
- 무릎을 90 ° 굴곡으로 유지하고, 엉덩이를 중립 회전 및 납치, 발바닥 굴곡으로 유지하십시오.
- 참가자의 손을 복부에 놓고 벨크로 스트랩으로 의자에 트렁크, 엉덩이 및 허벅지 중간을 안정시힙습니다.
- 참가자가 테스트 기동에 익숙해지도록 연습 시험을 실행합니다.
- 참가자에게 무릎을 펴도록 지시하고(패드에 위쪽으로 압력을 가)한 다음 플렉스(패드에 아래쪽으로 압력을 가)하여 3s로 이동 명령에 최대 수축을 발휘하도록 지시합니다.
- 강도 테스트 중에 구두 프롬프트와 격려(위쪽으로 밀어넣기,아래쪽으로 "당겨")를 제공합니다.
- 참가자가 비정상적인 통증이나 불편함을 느끼면 즉시 시험을 중단할 수 있음을 알고 있는지 확인하십시오.
- 참가자들이 2분 동안 휴식을 취하도록 합니다.
- 3.1 - 3.12 단계를 반복하고 왼쪽 다리와 오른쪽 다리에 대해 세 번 반복하고 뉴턴 (N)에 데이터를 기록합니다.
- 모든 데이터를 저장하고 분석을 위한 보고서로 내보냅니다.
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Representative Results
공간-시간적, 운동학 및 운동 걸음걸이 매개변수의 평균 및 표준 편차는 표 2에구비되어 있다. 모든 30명의 참가자에 대한 MVIC 데이터는 표 3에요약되어 있습니다. 보행 매개변수의 그래픽 표현을 보여주는 한 참가자의 왼쪽 및 오른쪽에 대한 일반적인 데이터 세트는 각각 그림 4 및 그림 5에제공됩니다.
제시된 데이터는 모든 참가자에 걸쳐 얻은 결과를 나타내며, 보행 및 등각 강도 테스트15에대해 얻은 교과서 참조 결과와 일치합니다.
그림 1: 걸음걸이 분석 시스템. GRAIL 시스템은 걸음걸이 파라미터를 측정하는 데 사용됩니다. 이 시스템은 분할 벨트 계측 러닝머신, 160° 반원통형 프로젝션 스크린, 힘 센서, 비디오 카메라 및 광학 적외선 시스템으로 구성됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 인체 모델(HBM)에 사용되는 마커 다이어그램. 이 그림은 HBM 하체 모델의 모든 마커의 정확한 배치를 보여줍니다. 특별한주의는 녹색으로 인쇄 된 마커의 배치에 지불해야한다 (표 1의굵은 글씨); 이들은 생체 역학 골격을 정의하기 위하여 초기화 도중 이용됩니다. 이 그림은 HBM 참조 매뉴얼8에서조정됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 참가자의 낮은 사지 근력을 측정하는 데 사용되는 근력 테스트 장비(멀티모달 동력계). 이 시스템은 최대 자발적 등각 감소 (MVIC)에 따라 참가자의 근육 강도를 측정하는 데 사용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 4: 제안된 기술을 사용하여 걸음걸이 평가의 오프라인 분석으로부터 생성된 샘플 보고서. 한 참가자의 왼쪽에 대한 공간 시간 적 데이터 및 운동 및 운동 보행 주기. 각 선은 하나의 걸음걸이 주기를 나타냅니다. Y축은 운동 플롯의 각도로 조인트 각도를 나타내고 운동 플롯의 킬로그램당 뉴턴 미터의 조인트 모멘트입니다. 빨간색 선은 왼쪽 보행 매개변수를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 5: 제안된 기술을 사용하여 걸음걸이 평가의 오프라인 분석으로부터 생성된 샘플 보고서. 한 참가자의 오른쪽에 대한 공간 시간 데이터 및 운동 및 운동 보행 주기. 각 선은 하나의 걸음걸이 주기를 나타냅니다. Y축은 운동 플롯의 조인트 각도와 운동 플롯의 킬로그램당 뉴턴 미터의 조인트 모멘트를 나타냅니다. 녹색 선은 오른쪽 보행 매개변수를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 레이블 | 해부학 적 위치 | 설명 |
| T10 | T10 | 10번째 흉부 척추 |
| 사크 (SACR) | 천골 뼈 | 천골에 |
| 본당 | 배꼽 | 배꼽에 |
| 자이프 (자이프) | 시포이드 프로세스 | 흉골의 시피오드 프로체스 |
| 스트른 (것)과 함께 | 흉 골 | 흉골의 경정 노치에 |
| 라시스 (동음이의) | 골반 뼈 왼쪽 앞 | 왼쪽 전방 우수한 장골 척추 |
| 라시스 (동안) | 골반 뼈 오른쪽 앞 | 오른쪽 전방 우수한 장골 척추 |
| LPSIS | 골반 뼈 왼쪽 뒤로 | 왼쪽 후방 우수한 장골 척추 |
| RPSIS | 골반 뼈 오른쪽 뒤 | 오른쪽 후방 우수한 장골 척추 |
| LG트로 | 대퇴골의 왼쪽 큰 트로챈터 | 왼쪽 큰 트로챈터의 중앙에 |
| FLTHI (주)(주) | 왼쪽 허벅지 | 1/3에 LG트로와 LLEK 사이의 라인에 |
| LLEK (주) | 무릎의 왼쪽 측면 에피슨딜 | 조인트 축의 측면 |
| 라티 (의)는 라티 | 경골의 왼쪽 앞쪽 | LLEK와 LLM 사이의 라인에 2/3에 |
| Llm | 발목의 좌측 측면 말레올러스 | 왼쪽 측면 말레올루스의 중심 |
| LHEE | 왼쪽 발 뒤꿈치 | 발가락과 같은 높이의 발뒤꿈치의 중심 |
| LTOE | 왼쪽 발가락 | 큰 발가락의 끝 |
| LMT5 | 왼쪽 5번째 메타 타르살 | 관절 선 미드풋/발가락에 있는 5번째 메타 타르살 뼈의 카푸트 |
| RGTRO | 대퇴골의 오른쪽 큰 트로챈터 | 오른쪽 큰 trochanter의 중심에 |
| FRTHI | 오른쪽 허벅지 | RGTRO와 RLEK 사이의 라인에 2/3에 |
| RLEK | 무릎의 오른쪽 측면 에피온딜 | 조인트 축의 측면 |
| RATI (주) | 경골의 오른쪽 전방 | RLEK와 RLM 사이의 라인에 1/3에 |
| Rlm | 발목의 오른쪽 측면 말레올러스 | 오른쪽 측면 말레올루스의 중심 |
| RHEE | 오른쪽 발 뒤꿈치 | 발가락과 같은 높이의 발뒤꿈치의 중심 |
| RTOE | 오른쪽 발가락 | 큰 발가락의 끝 |
| RMT5 | 오른쪽 5번째 메타 타르살 | 관절 선 미드풋/발가락에 있는 5번째 메타 타르살 뼈의 카푸트 |
표 1: 인체 모델(HBM)에 사용되는 마커. 이 표는 HBM 하체 모델의 모든 마커의 정확한 배치를 보여 주며 있습니다. 특별한주의는 굵게 작성 된 마커의 배치에 지불해야한다; 이들은 생체 역학 골격을 정의하기 위하여 초기화 도중 이용됩니다. 이 표는 HBM 참조 설명서8에서조정됩니다.
| 변수 이름 | 측면 | 의미 | 표준 편차 |
| 공간적 시간적 | |||
| 보행 속도(m/s) | 1.37 | 0.22 | |
| 스텝 길이(m) | 왼쪽 | 0.72 | 0.07 |
| 오른쪽 | 0.73 | 0.07 | |
| 보폭(들) | 왼쪽 | 1.07 | 0.10 |
| 오른쪽 | 1.07 | 0.10 | |
| 스탠스 타임(들) | 왼쪽 | 0.70 | 0.08 |
| 오른쪽 | 0.70 | 0.08 | |
| 스윙 타임 (들) | 왼쪽 | 0.37 | 0.03 |
| 오른쪽 | 0.37 | 0.03 | |
| 운동학 | |||
| 힙 플렉스 (디그) | 왼쪽 | 30.05 | 9.08 |
| 오른쪽 | 29.92 | 8.79 | |
| 엉덩이 내외 (deg) | 왼쪽 | -13.26 | 7.75 |
| 오른쪽 | -13.36 | 7.68 | |
| 엉덩이 압드 (데그) | 왼쪽 | -7.27 | 3.00 |
| 오른쪽 | -7.72 | 3.17 | |
| 엉덩이 추가 (deg) | 왼쪽 | 8.66 | 4.22 |
| 오른쪽 | 7.81 | 3.72 | |
| 힙 인트 로트 (디그) | 왼쪽 | 5.38 | 6.95 |
| 오른쪽 | 6.82 | 6.42 | |
| 엉덩이 내재 부패 (deg) | 왼쪽 | -9.04 | 7.03 |
| 오른쪽 | -5.77 | 5.97 | |
| 무릎 플렉스 (데그) | 왼쪽 | 67.46 | 5.16 |
| 오른쪽 | 68.47 | 4.75 | |
| 무릎 내외 (deg) | 왼쪽 | -0.43 | 2.26 |
| 오른쪽 | -0.29 | 2.01 | |
| 발목 플렉스 (데그) | 왼쪽 | -17.20 | 6.94 |
| 오른쪽 | -14.91 | 6.47 | |
| 발목 내구 (deg) | 왼쪽 | 18.13 | 5.92 |
| 오른쪽 | 19.36 | 6.54 | |
| 운동 | |||
| 피크 힙 내선 (Nm / kg) | 왼쪽 | 0.82 | 0.21 |
| 오른쪽 | 0.80 | 0.24 | |
| 피크 힙 압드 (Nm / kg) | 왼쪽 | 0.91 | 0.15 |
| 오른쪽 | 0.92 | 0.11 | |
| 피크 힙 인트 로트 (Nm/ kg) | 왼쪽 | 0.26 | 0.13 |
| 오른쪽 | 0.26 | 0.14 | |
| 피크 무릎 내선 (Nm / kg) | 왼쪽 | 0.38 | 0.06 |
| 오른쪽 | 0.39 | 0.06 | |
| 피크 앵클 플렉스 (Nm/ kg) | 왼쪽 | 1.85 | 0.21 |
| 오른쪽 | 1.86 | 0.22 |
표 2: 30명의 참가자에 대한 공간-시간적, 운동학, 운동걸음걸이 매개변수의 평균 및 표준 편차. 걸음걸이 매개변수는 왼쪽과 오른쪽에 대해 별도로 보고됩니다.
| 변수 이름 | 측면 | 의미 | 표준 편차 |
| 무릎 내외 | 왼쪽 | 527.17 | 136.42 |
| 오른쪽 | 550.60 | 132.55 | |
| 무릎 플렉스 | 왼쪽 | 191.60 | 38.53 |
| 오른쪽 | 203.87 | 47.67 |
표 3: 30명의 참가자를 위한 근력 시험 장비를 사용하여 무릎 관절에 대한 최대 자발적 등각 부추(MVIC)의 평균 및 표준 편차.
보충 파일 1: Matlab 코딩 파일입니다. 이 파일을 보려면 여기를 클릭하십시오 (다운로드 오른쪽 버튼을 클릭하십시오).
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Discussion
이 연구의 기여는 이전에 함께 설명되지 않은 결합 된 보행 분석 및 근육 강도 테스트를위한 기술을 하나의 프로토콜 내에서 정확하고 포괄적으로 설명하는 것입니다.
걸음걸이 분석에 대한 정확한 결과를 얻기 위해 1) 마커 배치 및 2) 적응 시간이라는 두 가지 영역이 있습니다. 측정된 데이터의 정확도는 사용된 모델의 정확도에 크게 좌우됩니다. 정확도에 영향을 미치는 다른 주요 요인으로는 기본 골격 구조에 대한 표면적인 피부 변형으로 인한 잘못된 마커 이동 및 추적시스템(16)의분해등이 있다. 그림 2는 HBM 하체 모델에서 모든 마커의 정확한 배치를 보여줍니다. 녹색으로 인쇄 된 마커의 배치에 특별한주의를 기울여야합니다. 이들은 생체 역학 골격을 정의하기 위하여 초기화 도중 이용됩니다. 참가자들은 SP 러닝머신 걷기17,,18에적응하기 위해 적어도 5 분 동안 걸어가도록 요청받았습니다. SP 모드는 참가자들이 보다 자연스러운 보폭 가변성을 허용하기 위해 선택되었습니다3. 그러나, 연구는 SP 보행 및 걸음 걸이 장애벨트3의가속 또는 감속을 통해 발생할 수 있는 동안 보행 속도가 더 다양하다는 것을 보여주었습니다. 이 효과를 최소화하기 위해 다른 연구13,,19에따라, 우리는 적어도 5 분19 순응을 허용해야하는 것이 좋습니다.
근육 테스트 장비를 사용하여 참가자의 근육 강도를 측정하기 위해 1) 동력계 축과 무릎 관절의 정렬, 2) 연습 시험 및 3) 구두 격려의 세 가지 중요한 단계가 있습니다. 회전계와 무릎 관절 축 사이의 부적절한 정렬은 정확한 등척성평가(20)를혼동하는 요인을 야기할 수 있다. 연구 전반에 걸쳐, 모든 참가자는 참여하기 전에 시스템에 대한 정확한 지시를 받았다. 그러나, 연습 예심 및 구두 격려는MVIC14에크게 영향을 미칠 수 있는 2개의 요인입니다. 강도 테스트를 받은 개인의 대부분은 매우 제한 또는 강도 테스트 기동을 수행에 경험이 없습니다. 강도 테스트는 일반적으로 신뢰할 수있는 것으로 나타났다21,그러나 초보 참가자의 강도 점수는 그들이 더 편안하고 테스트 및 시스템(22)에익숙해로 후속 테스트에서 개선 될 가능성이 있음을 보여 주었다. 운동 테스트 중 구두 격려는 최대 힘23,힘 발달23,근육 활성화24,근육 지구력25,힘26,최대 산소 소비27,고갈시간 27,,28을향상시키는 것으로 나타났습니다. 따라서 이 단계를 채택하는 것이 좋습니다.
전반적으로 여기에 제시된 데이터는 다른 장비에서 얻은 보행 및 등각 강도 테스트에 대한 교과서 참조 결과를 대표합니다. 따라서,이 문서에 설명 된 방법론은 건강한 개인의 보행 및 근력평가에 효과적인 것으로 간주 될 수 있음을 제안합니다. 추가 연구는 임상 응용 에 사용되기 전에 이러한 시스템의 신뢰성을 평가해야합니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없다.
Acknowledgments
우리는 MATLAB 데이터 처리에 대한 그의 조언에 대한 박사 조나단 윌리엄스 감사드립니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 701 Small lever | Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE) | Not Available - Online link provided in description | The unique attachment designed for the Primus RS to measure Knee Extension/Flexion - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-small-lever |
| D-Flow Software - Vresion 3.26 | Motekforce Link | Not Available - Online link provided in description | Software used to control GRAIL system - https://summitmedsci.co.uk/products/motek-dflow-hbm-software/ |
| Gait Offline Analysis (GOAT) - Version 2.3 | Motekforce Link | Not Available - Online link provided in description | Software used for the analysis of the gait parameters - https://www.motekmedical.com/product/grail/ |
| Gait Real-time Analysis Interactive Lab (GRAIL) | Motekforce Link | Not Available - Online link provided in description | GRAIL system measures and quantifies gait biomechanics by using a virtual reality based self-paced (SP) treadmill - https://www.motekmedical.com/product/grail/ |
| Leg Pad for 701 | Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE) | Not Available - Online link provided in description | The unique attachment designed for the Primus RS to measure Knee Extension/Flexion - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-802-leg-pad |
| Positioning Chair | Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE) | Not Available - Online link provided in description | Participant Positioning Chair is designed for assessment and treatment of the lower exteremeties. The chair is designed for multiple positions. https://www.btetech.com/product/primus/ |
| Primus RS | Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE) | Not Available - Online link provided in description | Primus RS equipment captures and reports real time objective data in Isotonic, Isometric, and Isokinetic resistance modes - https://www.btetech.com/wp-content/uploads/BTE-Rehabilitation-Equipment-PrimusRS-Brochure-1.pdf |
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