DE102013006387A1 - Vertebral fusion placeholder - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Wirbelkörperfusions-Platzhalter mit einer Aufnahme für einen Inserter, einer Zahngeometrie zur Verankerung oder Fixierung der Position und Kavitäten zum Durchwachsen für einen neugebildeten Knochen zur Verfügung gestellt. Der Wirbelkörperfusions-Platzhalter weist insbesondere eine aktive Mechatronik in Form eines Piezoaktors auf.A vertebral body fusion placeholder with a receptacle for an inserter, a tooth geometry for anchoring or fixing the position and cavities for growing through for a newly formed bone is provided. The vertebral body fusion placeholder has in particular active mechatronics in the form of a piezo actuator.

Description

Bei vielen degenerativen Wirbelsäulenveränderungen, welche in der Regel in Verbindung mit starken Schmerzen für den Patienten auftreten, wird eine Operation zur Versteifung mindestens zweier Wirbelkörper durchgeführt, wenn eine Physiotherapie oder medikamentöse Behandlung keine Verbesserung oder Stabilisierung des Zustandes ermöglichen. Diese Versteifung, genauer Wirbelkörperverblockung (Spondylodese), ist unter anderem dringend notwendig, wenn eine akute oder fortschreitende Instabilität der Wirbelsäule des Patienten vorliegt. Häufige Indikationen sind Wirbelgleiten (Spondylolisthese), Bandscheibenvorfall (Diskusprolaps), Wachstumsdeformitäten wie Torsion und Verschiebung der Wirbelkörper (Skoliose), Einengung des Wirbelsäulenkanals (Spinal Stenose), versteifende Wirbelentzündung (Morbus Bechterew oder Spondylitis ankylosans), Spaltbildung im Wirbelbogen oder Instabilität nach Traumata wie Frakturen oder Tumorresektionen. Bei der, unter Vollnarkose durchgeführten, Spondylodese gibt es mehrere Techniken bzw. Verfahren, um den Zwischenwirbelraum mittels eines Bandscheibenersatzes, in der Regel eines Platzhalters (Cages) in Kombination mit einer zusätzlichen Versteifung (Schrauben mit Stäben oder einer Platte), wieder herzustellen. Der Cage ist derart gestaltet, dass sich im Laufe der Zeit durch Bildung neuen Knochengewebes seine Ausfräsungen bzw. Hohlräume füllen. Die zuvor entstandene Lücke der defekten Bandscheibe wird somit durch eine Knochenbrücke geschlossen. Neben direkten Komplikationen der Operation bei der nicht nur in Abhängigkeit des Implantat-Typs sondern auch des Zugangs, Rückenmark oder Organe und Gefäße verletzt werden können, kann es zu Problemen bei der Einheilung kommen. Die Bildung der erwünschten Knochenbrücke hängt dabei stark von der allgemeinen gesundheitlichen Situation des Patienten ab (Alter, Diabetes, Raucher, etc.). In einigen Fällen kommt es zu einer sogenannten Non-fusion bei der die Knochenenden nicht zusammenwachsen.In many degenerative spinal changes, which usually occur in conjunction with severe pain for the patient, an operation to stiffen at least two vertebral bodies is performed when a physiotherapy or drug treatment does not allow improvement or stabilization of the condition. This stiffening, or precise spinal fusion (spondylodesis), is urgently needed, among other things, if there is an acute or progressive instability of the patient's spine. Common indications include spondylolisthesis, disk prolapse, growth deformities such as torsion and displacement of the vertebral bodies (scoliosis), narrowing of the spinal canal (spinal stenosis), stiffening spinal inflammation (ankylosing spondylitis or ankylosing spondylitis), clefting in the vertebral arch or instability after trauma such as Fractures or tumor resections. In the case of the spinal fusion performed under general anesthesia, there are several techniques and procedures for restoring the intervertebral space by means of a disc replacement, usually a cages in combination with an additional stiffening (screws with rods or a plate). The cage is designed in such a way that over time its fillings or cavities are filled by the formation of new bone tissue. The previously created gap of the defective disc is thus closed by a bone bridge. In addition to direct complications of the operation, which can be injured not only depending on the type of implant but also the access, spinal cord or organs and vessels, it can lead to problems in the healing process. The formation of the desired bone bridge depends strongly on the general health situation of the patient (age, diabetes, smoker, etc.). In some cases, there is a so-called non-fusion in which the bone ends do not grow together.

Eine Vielzahl an Studien hat gezeigt, dass durch den Einsatz von äußerlich angewandtem Ultraschall das Knochengewebe eine indirekte mechanische Beanspruchung erfährt und diese das Wachstum des Knochengewebes angeregt. Non-fusions können, mit dieser im klinischen Alltag noch nicht verbreiteten Methode, vermieden werden. Vorteilhaft bei dem Einsatz von Ultraschall ist außerdem die Freiheit von Nebenwirkungen.A variety of studies have shown that the use of externally applied ultrasound causes bone tissue to undergo indirect mechanical stress and stimulate bone tissue growth. Non-fusion can be avoided with this method, which is not widely used in everyday clinical practice. Another advantage of using ultrasound is the freedom from side effects.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wirbelkörperfusions-Platzhalter derart weiterzubilden, dass eine bessere Anregung eines Wachstums des Knochengewebes mittel Ultraschall erfolgen kann.It is the object of the invention to further develop a vertebral body fusion spacer in such a way that better excitation of growth of the bone tissue can be achieved by means of ultrasound.

Diese Aufgabe wird durch einen Wirbelkörperfusions-Platzhalter gelöst, wie er im unabhängigen Patentanspruch 1 angegeben ist. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 11 zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.This object is achieved by a vertebral fusion fusion spacer, as indicated in independent claim 1. The dependent claims 2 to 11 show advantageous developments of the present invention.

Ein Wirbelkörperfusions-Platzhalter hat eine Aufnahme für einen Inserter, eine Zahngeometrie zur Verankerung oder Fixierung der Position und Kavitäten zum Durchwachsen für einen neugebildeten Knochen. Erfindungsgemäß weist der Wirbelkörperfusions-Platzhalter weiterhin eine aktive Mechatronik in Form eines Piezoaktors auf.A vertebral body fusion spacer has a receptacle for an inserter, a tooth geometry for anchoring or fixing the position, and interstitial cavities for a newly formed bone. According to the invention, the vertebral body fusion spacer furthermore has an active mechatronics in the form of a piezoactuator.

Vorzugsweise stehen der Platzhalter und der Piezoaktor mit einer Elektronik sowie einer Sende- und Empfangseinheit in Verbindung.Preferably, the placeholder and the piezoelectric actuator with an electronics and a transmitting and receiving unit in connection.

Vorzugsweise ist die Sende- und Empfangseinheit in den Platzhalter integriert. Sie kann aber auch mithilfe eines Kabels subkutan im Körper platziert sein.Preferably, the transmitting and receiving unit is integrated in the placeholder. It can also be placed subcutaneously in the body using a cable.

Vorzugsweise bilden der Platzhalter und der Piezoaktor mit der Elektronik sowie der Sende- und Empfangseinheit eine implantierbare Einheit.Preferably, the placeholder and the piezoelectric actuator with the electronics and the transmitting and receiving unit form an implantable unit.

An dem piezoelektrischen Material des Piezoaktors sind vorzugsweise Elektroden befestigt.Electrodes are preferably attached to the piezoelectric material of the piezoactuator.

An die Elektroden wird zur Erzeugung eines elektrischen Felds vorzugsweise eine Spannung angelegt, so dass der Piezoaktor durch die Längenänderung seines Piezokristalls frequenzabhängig Ultraschallwellen aussendet.A voltage is preferably applied to the electrodes for generating an electric field, so that the piezoelectric actuator emits ultrasonic waves as a function of the frequency due to the change in length of its piezocrystal.

An den Elektroden des Piezoaktors tritt vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Krafteinwirkung eine Spannungsänderung auf, mittels welcher ein Heilungsverlauf bei einer Wirbelkörperfusion messbar ist.A voltage change preferably occurs as a function of a force acting on the electrodes of the piezoactuator, by means of which a healing process during a vertebral body fusion can be measured.

Vorzugsweise versorgt eine zweite nicht implantierte Sende- und Empfangseinheit die Sende- und Empfangseinheit mithilfe von induktiver und/oder kapazitiver elektromagnetischer Felder mit Energie in einer Sonderform von Daten durch die Haut.Preferably, a second non-implanted transmitting and receiving unit supplies the transmitting and receiving unit with energy in a special form of data through the skin by means of inductive and / or capacitive electromagnetic fields.

Vorzugsweise erfolgt eine Übertragung der Daten in beide Richtungen.Preferably, the data is transmitted in both directions.

Vorzugsweise ist die zweite Sende- und Empfangseinheit in oder auf einer Trägerstruktur angeordnet, die von einem Patienten angelegt getragen wird und sich in der Nähe der implantierten Sende- und Empfangseinheit befindet.Preferably, the second transmitting and receiving unit is arranged in or on a support structure which is carried by a patient and is located in the vicinity of the implanted transmitting and receiving unit.

Vorzugsweise weist die Trägerstruktur neben der Sende- und Empfangseinheit folgendes auf: eine Elektronik zur Steuerung und Regelung der Funktionen, eine aufladbare elektrische Energiequelle, wie beispielsweise Akkumulatoren, eine Schnittstelle zu einer elektrotechnischen Hardware in Kombination mit Software zur Programmierung, Auslesung und Speicherung von Quellcodes und Daten, und ein Benutzerinterface in Form von akustischen und optischen Einrichtungen wie Schallquellen und lichtemittierenden Komponenten zur Statusanzeige.Preferably, the support structure next to the transmitting and receiving unit has the following: an electronics for controlling and regulating the Functions, a rechargeable electrical energy source, such as accumulators, an interface to an electrical hardware in combination with software for programming, reading and storing source code and data, and a user interface in the form of acoustic and optical devices such as sound sources and light-emitting components for status display.

Die angegebenen und weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden einem Fachmann auf dem Gebiet aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren klarer werden, wobeiThe stated and other features and details of the invention will become more apparent to those skilled in the art from the following detailed description taken in conjunction with the figures, in which: FIG

1 einen zwischen Wirbelkörpern implantierten Platzhalter oder Cage in Verbindung mit einer aktiven Mechatronik gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; 1 shows a space-holder or cage implanted between vertebral bodies in conjunction with an active mechatronics according to the present invention;

2 eine seitliche und eine vordere Ansicht des Platzhalter oder Cages in Verbindung mit einer aktiven Mechatronik bei einer Ausgabe von Ultraschall gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; 2 shows a side and a front view of the placeholder or cage in connection with an active mechatronics in an output of ultrasound according to the present invention;

3 eine seitliche und eine vordere Ansicht des Platzhalter oder Cages in Verbindung mit einer aktiven Mechatronik bei einer Krafteinwirkung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und 3 shows a side and a front view of the Platzhalter or Cages in connection with an active Mechatronik with a force according to the present invention; and

4 einen Platzhalter oder Cage in Verbindung mit einer aktiven Mechatronik zusammen mit einer Trägerstruktur und einer elektrotechnischen Hardware gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. 4 shows a wildcard or cage in connection with an active mechatronics together with a support structure and an electrical hardware according to the present invention.

Die hier dargestellte Erfindung basiert auf einem Platzhalter (Cage) 2 in Verbindung mit einer aktiven Mechatronik. Der Platzhalter wird dabei wie konventionelle Cages zwischen den Wirbelkörpern 1 implantiert, um die defekte Bandscheibe zu ersetzen. Er verfügt wie die dem im Stand der Technik entsprechenden Cages über eine Aufnahme 4 für einen Inserter (Instrument zum Halten und Einfügen zwischen die Wirbelkörper), einer Zahngeometrie 5 zur Verankerung bzw. Fixierung der Position und Kavitäten 3 zum Durchwachsen für den neugebildeten Knochen. Im Vergleich mit konventionellen Cages verfügt der erfindungsgemäße Platzhalter oder Cage über eine aktive Mechatronik in Form eines Piezoaktors 8 in Verbindung mit elektronischen Komponenten wie Kabeln 6 und einer Empfangs- und Sendeeinheit 7.The invention presented here is based on a placeholder (Cage) 2 in conjunction with an active mechatronics. The placeholder is like conventional cages between the vertebrae 1 implanted to replace the defective disc. He has as the cages in the prior art via a recording 4 for an inserter (instrument for holding and inserting between the vertebral bodies), a tooth geometry 5 for anchoring or fixing the position and cavities 3 to grow through for the newly formed bone. In comparison with conventional cages, the wildcard or cage according to the invention has an active mechatronics in the form of a piezoelectric actuator 8th in conjunction with electronic components such as cables 6 and a receiving and transmitting unit 7 ,

Der eigentliche Piezoaktor 8 kann Ultraschallwellen 9 aussenden, wie es in 2 gezeigt ist, und Druckänderungen bzw. Kräfte 10 in Form von Änderungen im Spannungsverlauf messbar machen, wie es in 3 gezeigt ist. Dies erfolgt gemäß dem Piezoeffekt bzw. dem umgekehrten Piezoeffekt. An dem piezoelektrischen Material werden Elektroden befestigt, so dass durch eine angelegte Spannung ein elektrisches Feld erzeugt wird. In diesem Fall werden frequenzabhängig Ultraschallwellen 9 durch die Längenänderung des Piezokristalls ausgesendet, wie es beim Ultraschallbildgebungsverfahren bekannt ist, und das Knochengewebe bzw. die Wirbelkörper 1 werden zum Wachstum angeregt, um zeitnah eine stabile Knochenbrücke zu bilden. Beim umgekehrten Piezoeffekt tritt eine Spannungsänderung in Abhängigkeit von der Krafteinwirkung 10 an den Elektroden auf, wie es bei einer Kraft-Messsensorik bekannt ist. Diese Spannungsänderung kann genutzt werden, um die Krafteinwirkung zu quantifizieren und Rückschlüsse auf den Heilungsverlauf der neu entstandenen Knochenbrücke zu schließen und so den Körper belastende Röntgen- und Computertomographie-Untersuchungen so weit wie möglich einzuschränken.The actual piezoelectric actuator 8th can ultrasonic waves 9 send out as it is in 2 is shown, and pressure changes or forces 10 in the form of changes in the voltage curve make measurable, as in 3 is shown. This is done according to the piezoelectric effect or the reverse piezoelectric effect. Electrodes are attached to the piezoelectric material so that an electric field is generated by an applied voltage. In this case, frequency-dependent ultrasonic waves 9 emitted by the change in length of the piezoelectric crystal, as is known in the ultrasonic imaging method, and the bone tissue or the vertebral bodies 1 are stimulated to grow in order to form a stable bone bridge in a timely manner. In the case of the reverse piezoelectric effect, a change in voltage occurs as a function of the force effect 10 at the electrodes, as is known in a force-measuring sensor. This voltage change can be used to quantify the force and to draw conclusions about the healing process of the newly formed bone bridge and to limit the body burdening X-ray and computed tomography examinations as far as possible.

Der Cage 2 und der Piezoaktor 8 stehen in Verbindung mit einer Elektronik sowie einer Sende- und Empfangseinheit 7. Diese bilden eine implantierbare Einheit 12, wie es in der 4 zu sehen ist. Die Sende- und Empfangseinheit 7 ist ebenfalls in den Cage 2 integriert oder wird optional mithilfe eines Kabels 6 subkutan an geeigneter Stelle im Körper platziert und mithilfe von induktiver und/oder kapazitiver elektromagnetischer Felder mit Energie in einer Sonderform von Daten 11 durch die Haut durch eine zweite nicht implantierte Sende- und Empfangseinheit 15 versorgt, wie es auch bei Herzschrittmachern und Cochlea-Implantaten der Fall ist. Die Datenübertragung 11 kann dabei in beide Richtungen erfolgen. Die zweite Sende- und Empfangseinheit 15 kann sich in oder auf einer (gürtelähnlichen) Trägerstruktur befinden 13, die von einem Patienten angelegt wird und sich in der Nähe der implantierten Sende- und Empfangseinheit 7 befindet. Die Trägerstruktur beinhaltet neben der Sende- und Empfangseinheit 15 eine Elektronik 16 zur Steuerung und Regelung der Funktionen, eine aufladbare elektrische Energiequelle 17, wie beispielsweise Akkumulatoren, eine Schnittstelle 18 zu einem PC, Handheld Device oder sonstiger elektrotechnischer Hardware in Kombination mit Software zur Programmierung 20, Auslesung und Speicherung von Quellcodes und Daten 19, und ein Benutzerinterface in Form von akustischen und optischen Einrichtungen wie Schallquellen und lichtemittierenden Komponenten zur Statusanzeige 14.The cage 2 and the piezo actuator 8th stand in connection with an electronics as well as a transmitting and receiving unit 7 , These form an implantable unit 12 as it is in the 4 you can see. The transmitting and receiving unit 7 is also in the cage 2 integrated or optional with the help of a cable 6 placed subcutaneously at a suitable location in the body and using inductive and / or capacitive electromagnetic fields with energy in a special form of data 11 through the skin through a second non-implanted transceiver 15 supplied, as is the case with pacemakers and cochlear implants. The data transmission 11 can be done in both directions. The second transmitting and receiving unit 15 may be in or on a (belt-like) support structure 13 which is applied by a patient and located near the implanted transceiver 7 located. The support structure includes besides the transmitting and receiving unit 15 an electronics 16 for controlling and regulating the functions, a rechargeable electrical energy source 17 , such as accumulators, an interface 18 to a PC, Handheld Device or other electrical hardware in combination with software for programming 20 , Readout and storage of source code and data 19 , and a user interface in the form of acoustic and optical devices such as sound sources and light-emitting components for status display 14 ,

Erfindungsgemäß wird also ein Wirbelkörperfusions-Platzhalter zur Verfügung gestellt, in welchen eine aktive Mechatronik in Form eines Piezoaktors eingebaut ist, so dass Ultraschall an dem Ort zur Verfügung gestellt werden kann, an welchem er zum Knochenaufbau nötig ist. Zudem kann auch ein Heilungsprozess gut überwacht werden.According to the invention, therefore, a vertebral body fusion spacer is provided, in which an active mechatronics in the form of a piezoelectric actuator is installed, so that ultrasound can be provided at the location where it is necessary for bone formation. In addition, a healing process can be well monitored.

Claims (11)

Wirbelkörperfusions-Platzhalter (2) mit einer Aufnahme (4) für einen Inserter, einer Zahngeometrie (5) zur Verankerung oder Fixierung der Position und Kavitäten (3) zum Durchwachsen für einen neugebildeten Knochen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelkörperfusions-Platzhalter (2) weiterhin eine aktive Mechatronik in Form eines Piezoaktors (8) aufweist.Vertebral fusion fusion placeholder ( 2 ) with a recording ( 4 ) for an inserter, a tooth geometry ( 5 ) for anchoring or fixing the position and cavities ( 3 ) for growing through a newly formed bone, characterized in that the vertebral fusion primer ( 2 ) an active mechatronics in the form of a piezoelectric actuator ( 8th ) having. Wirbelkörperfusions-Platzhalter nach Anspruch 1, wobei der Platzhalter (2) und der Piezoaktor (8) mit einer Elektronik sowie einer Sende- und Empfangseinheit (7) in Verbindung stehen.The vertebral fusion marker of claim 1, wherein the wildcard ( 2 ) and the piezoelectric actuator ( 8th ) with electronics and a transmitting and receiving unit ( 7 ) keep in touch. Wirbelkörperfusions-Platzhalter nach Anspruch 2, wobei die Sende- und Empfangseinheit (7) ist in den Platzhalter (2) integriert ist oder mithilfe eines Kabels (6) subkutan im Körper platziert ist.Spinal fusion spacer according to claim 2, wherein the transmitting and receiving unit ( 7 ) is in the placeholder ( 2 ) or by using a cable ( 6 ) is placed subcutaneously in the body. Wirbelkörperfusions-Platzhalter nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Platzhalter (2) und der Piezoaktor (8) mit der Elektronik sowie der Sende- und Empfangseinheit (7) eine implantierbare Einheit (12) bilden.The vertebral fusion marker of claim 2 or 3, wherein the wildcard ( 2 ) and the piezoelectric actuator ( 8th ) with the electronics and the transmitting and receiving unit ( 7 ) an implantable unit ( 12 ) form. Wirbelkörperfusions-Platzhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an dem piezoelektrischen Material des Piezoaktors (8) Elektroden befestigt sind.Spinal fusion spacer according to one of the preceding claims, wherein on the piezoelectric material of the piezoelectric actuator ( 8th ) Electrodes are attached. Wirbelkörperfusions-Platzhalter nach Anspruch 5, wobei an die Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Felds eine Spannung angelegt wird, so dass der Piezoaktor (8) durch die Längenänderung seines Piezokristalls frequenzabhängig Ultraschallwellen (9) aussendet.A vertebral fusion fusion spacer according to claim 5, wherein a voltage is applied to the electrodes for generating an electric field, so that the piezoelectric actuator ( 8th ) by the change in length of its piezocrystal frequency-dependent ultrasonic waves ( 9 ). Wirbelkörperfusions-Platzhalter nach Anspruch 5, wobei an den Elektroden des Piezoaktors (8) in Abhängigkeit von einer Krafteinwirkung (10) eine Spannungsänderung auftritt, mittels welcher ein Heilungsverlauf bei einer Wirbelkörperfusion messbar ist.Vertebral fusion fusion spacer according to claim 5, wherein at the electrodes of the piezoelectric actuator ( 8th ) as a function of a force ( 10 ) a voltage change occurs, by means of which a healing process in a vertebral body fusion can be measured. Wirbelkörperfusions-Platzhalter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei eine zweite nicht implantierte Sende- und Empfangseinheit (15) die Sende- und Empfangseinheit (7) mithilfe von induktiver und/oder kapazitiver elektromagnetischer Felder mit Energie in einer Sonderform von Daten (11) durch die Haut versorgt.Vertebral fusion fusion spacer according to one of claims 2 to 7, wherein a second non-implanted transmitting and receiving unit ( 15 ) the transmitting and receiving unit ( 7 ) using inductive and / or capacitive electromagnetic fields with energy in a special form of data ( 11 ) through the skin. Wirbelkörperfusions-Platzhalter nach Anspruch 8, wobei eine Übertragung der Daten (11) in beide Richtungen erfolgt.The vertebral fusion marker as claimed in claim 8, wherein a transmission of the data ( 11 ) in both directions. Wirbelkörperfusions-Platzhalter nach Anspruch 8 oder 9, wobei die zweite Sende- und Empfangseinheit (15) in oder auf einer Trägerstruktur (13) angeordnet ist, die von einem Patienten angelegt getragen wird und sich in der Nähe der implantierten Sende- und Empfangseinheit (7) befindet.Spinal fusion spacer according to claim 8 or 9, wherein the second transmitting and receiving unit ( 15 ) in or on a support structure ( 13 ) carried by a patient and located near the implanted transceiver unit (FIG. 7 ) is located. Wirbelkörperfusions-Platzhalter nach Anspruch 10, wobei die Trägerstruktur (13) neben der Sende- und Empfangseinheit (15) folgendes aufweist: eine Elektronik (16) zur Steuerung und Regelung der Funktionen, eine aufladbare elektrische Energiequelle (17), wie beispielsweise Akkumulatoren, eine Schnittstelle (18) zu einer elektrotechnischen Hardware in Kombination mit Software zur Programmierung (20), Auslesung und Speicherung von Quellcodes und Daten (19), und ein Benutzerinterface in Form von akustischen und optischen Einrichtungen wie Schallquellen und lichtemittierenden Komponenten zur Statusanzeige (14).Spinal fusion spacer according to claim 10, wherein the support structure ( 13 ) next to the transmitting and receiving unit ( 15 ) comprises: an electronics ( 16 ) for controlling and regulating the functions, a rechargeable electrical energy source ( 17 ), such as accumulators, an interface ( 18 ) to an electrical hardware in combination with software for programming ( 20 ), Readout and storage of source code and data ( 19 ) and a user interface in the form of acoustic and optical devices such as sound sources and light-emitting components for status display ( 14 ).
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