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1 Einleitung Operative Eingriffe im Kopf-Hals-Bereich erfordern eingehende Kenntnisse der anatomischen Strukturen. Insbesondere im Schädelbereich treffen funktionell und ästhetisch wichtige Strukturen auf engstem Raum aufeinander. Veränderungen der Anatomie infolge von neoplastischem Wachstum, traumatologisch bedingten Defekten oder Fehlstellungen und bei kraniofazialen Fehlbildungen und Dysgnathien stellen an den Operateur besondere Anforderungen. Neben der nach wie vor unabdingbar wichtigen klinischen Untersuchung können Bildgebende Verfahren Veränderungen der anatomischen Verhältnisse präoperativ aufzeigen. Hierdurch ist es möglich, das Krankheitsbild zu analysieren und operative Eingriffe im Vorfeld zu planen. Zweidimensionale Verfahren wie die konventionelle Röntgendiagnostik sind aufgrund der Überlagerung von Strukturen in ihrer Aussage stark limitiert. Die Einführung der Computertomographie (CT) ermöglichte erstmals ein dreidimensionales Abbild der klinischen Situation. Jüngste Entwicklungen zum Einsatz von Lichtschatteneffekten erzeugen kontrastreiche Pseudo-3D-Modelle des Schädels, welche vor allem in der Traumatologie Anwendung finden. Durch digitale Datenverarbeitung können so aus einem einmal erhobenen Bilddatensatz ohne zusätzliche Strahlenbelastung detaillierte Einblicke in Knochen- und Weichgewebe erzielt werden. Je nach Fragestellung gilt dies ebenso für die Anwendung der Magnetresonanztomographie (MRT). Postoperativ kommen diesen Untersuchungstechniken ebenfalls große Bedeutungen zu. Validierungen des operativen Eingriffs, Planungen adjuvanter Therapieformen und Verlaufskontrollen sind hierdurch objektivierbar und detailgetreu möglich geworden. Gerade aber negative postoperative Überraschungen, hervorgerufen durch vom Behandler intraoperativ falsch beurteilte Situationen zu vermeiden, ist das Ziel und somit die Erklärung für den aufkommenden Wunsch der Operateure nach intraoperativer Bildgebung. Die Intraoperative Anwendung von CT oder MRT ist an einen hohen personellen und apparativen Aufwand gekoppelt. Der klinische Ablauf wird entscheidend behindert und zahlreiche Interventionen sind technisch bedingt nicht durchzuführen. Gerade die Anwendung des intraoperativen CT stellt eine nicht zu vernachlässigende zusätzliche Strahlenbelastung für den Patienten dar, so dass eine Einführung in die operative Routine nicht sinnvoll erscheint. Hier liegt der Vorteil der intraoperativen Navigation. Sie ermöglicht eine intraoperative Korrelation von anatomischem Situs und präoperativ erhobenem Datensatz. Anatomische und pathologische Strukturen lassen sich so lokalisieren, ohne auf subjektive Einschätzungen und Bewertungen der Bilddatensätze angewiesen zu sein. Fügt man der 1

2 präoperativen Analyse noch die Möglichkeit der Planung von Zugangswegen und das Markieren von Tumorbegrenzungen und Sicherheitsabständen hinzu, resultiert eine neue Therapieform, die rechnergestützte (computergestützte, computer-assistierte) Chirurgie. Im Unterschied zu Robotik-Techniken erfolgt der operative Eingriff ohne den Einsatz von Manipulatoren oder halb-/vollautomatischen Schneid-, Fräs- oder Bohrmaschinen. Abb. 1: passives optisches Navigationssystem. Die Infrarotkameras sind mit Infrarotstrahlern kombiniert (a) und detektieren das von den Instrumenten reflektierte Infrarotlicht (b) (Fa Voxim, Chemnitz, Germany). 2

3 Intraoperative Navigation Die intraoperative Navigation ist den Navigationssystemen bei Fahrzeugen vergleichbar. Wird die Position eines PKW durch Satellitenempfänger bestimmt, welche vom Fahrzeug ausgesandte Wellen lokalisieren, so erfolgt bei der intraoperativen Navigation die Positionsbestimmung bei den optischen Systemen durch Infrarotkameras, welche die Lichtwellen der an den Instrumenten angebrachten Leuchtdioden erkennen. Die Straßenkarten entsprechen hierbei den vom Patienten präoperativ angefertigten CT- oder MRT-Datensätzen. Zur Eichung des Systems muss eine Ausgangsposition festgelegt werden, um den virtuellen Patienten auf dem Monitor mit dem echten Patienten auf dem Operationstisch in Deckung zu bringen. Dies erfolgt durch Referenzpunkte, welche eindeutig am Patienten identifizierbar und auch im Datensatz auffindbar sein müssen. Dieser Abgleichvorgang wird Referenzierung genannt. Grundlage hierfür sind mindestens drei nicht koplanare Referenzpunkte, die sowohl in den Bilddaten als auch auf dem Patientenschädel eindeutig identifizierbar sein müssen. Zu Beginn der Operation werden diese Referenzpunkte nacheinander im Situs mit einem Lokalisationssystem, z.b. einem mit LED s (Light Emitting Diode) besetzten Instrument, angetastet und parallel dazu in den Bilddaten digitalisiert, was als Referenzierung bezeichnet wird. Ist die Referenzierung, also die Herstellung des räumlichen Bezuges, abgeschlossen, kann anhand der berechneten Transformation die Position des Instrumentes im Raum in dem 3D-Modell und in Relation zu der geplanten Trajektorie und dem Zielgebiet dargestellt werden. Ein weiteres Problem ist das permanente Registrieren der Patientenposition, da Bewegungen während der Operation nicht zu verhindern oder für den chirurgischen Eingriff sogar notwendig sind. Dies wird durch einen Leuchtdiodenstern erreicht, welcher fest mit dem Patientenkopf verbunden sein muss. In der Regel geschieht dies durch eine Metallklemme mit drei Stahldornen, in die der Patientenkopf eingespannt wird ein Vorgang der routinemäßig bei nahezu allen neurochirurgischen Eingriffen erfolgt. Sind alle Voraussetzungen erfüllt, ist es möglich intraoperativ z.b. mit einem Zeigeinstrument Strukturen anzufahren und die Bewegungen des Instrumentes am Monitor zu verfolgen. Ebenso kann jedes andere starre Operationsinstrument wie zum Beispiel ein Bohrer oder Meisel aber auch ein Endoskop oder der Fokus eines Operationsmikroskops lokalisiert und somit intraoperativ navigiert werden. 3

4 Abb. 2: Darstellung der Transformation zur Positionsberechnung des Instrumentes in Relation zu den Bilddaten (Referenzierung). Der Kopf ist in eine Kopfhalterung eingespannt, an welcher der DRF befestigt ist (Registrierung). Grün eingezeichnet sind die Referenzpunkte, rot die jeweiligen Koordinatensysteme. Mit T 1-4 werden die einzelnen Transformationsschritte bezeichnet. 4

5 Referenzierung und Registrierung Oberflächenabtastung (Surface matching) Surface matching bedeutet die Korrelation von Oberflächen am Patienten mit kongruenten Flächen im Bilddatensatz. Die Genauigkeit hängt vom verwendeten Algorithmus ab und ist bei der Verwendung von Hautoberflächen ebenso unzuverlässig wie die Verwendung von Hautklebemarkern. Korreliert man Knochenoberflächen beim surface matching sind die Resultate zufrieden stellend, jedoch benötigt man große und deutlich gekrümmte Flächen, um entsprechende Genauigkeiten zu erreichen. Das Verfahren kann deshalb nur bei extensiven Zugängen zum Gesichtsschädel (z.b. Coronarschnitt) angewendet werden (Abb. 3). Abb. 3: Surface Matching. Die Referenzierung erfolgt über eine Korrelation von Oberflächenpunkten im Bilddatensatz zu angesteuerten Oberflächenpunkten am Pateienten. 5

6 Einleitung Zahnbogenschienen Dieses nicht-invasive Referenzierungssystem umfasst verschiedene Schienenmodelle. Oberkiefer-Tiefziehschiene Abb. 4: Oberkiefer-Tiefziehschiene Individuell Laborgefertigte Tiefziehschiene für den Oberkiefer mit vier Basis-Komponenten und aufgesteckten CT-Markern für die Referenzierung bei der rahmenlosen Stereotaxie in der Aufsicht. Zur Herstellung wird eine Situationsabformung vom Oberkiefer durchgeführt und daraus ein Gipsmodell hergestellt. Nach Aushärten wird eine 1-2mm dicke Kunststoff-Tiefziehplatte im Vakuumverfahren über das Gipsmodell gezogen. Die Ausarbeitung der Miniplastschiene erfolgt vestibulär und palatinal entlang des Zahnäquators. An die Schienenbasis werden die Basis-Komponenten zur Aufnahme der CT-Marker anpolymerisiert (Abb. 4). Der Einfluss der geometrischen Anordnung der Marker auf die Genauigkeit der Referenzierung übersteigt den Einfluss der Anzahl der Marker bei der Referenzierung. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit der optimierten Anordnung der Referenzmarker in dem Sinne, dass das von den Markern umschlossene Volumen möglichst groß sein soll. Die Erhöhung der intraoperativen Genauigkeit ist hierbei unabhängig von der Referenzierungsmethode. Daher sollte die Ausrichtung der Basisstecker in XYZ-Richtung, d.h. mit maximaler Auslenkung der Vektoren in den drei Raumebenen, erfolgen. Die Verwendung von Navigationsschienen für Kontrolluntersuchungen - manchmal bis zu mehreren Jahren nach der Erstuntersuchung verlangt nach einer guten Langzeitbeständigkeit der Schiene, wie sie durch die Verwendung 6

7 Einleitung von Tiefziehschienen erreicht wird. Dieser Typus wird daher bei allen elektiven Therapien und bei Mehrfachuntersuchungen oder mehrzeitigen Operationsverfahren verwendet (Abb.5). a Abb. 5: nicht-invasive Schienenreferenzierung. Die referenzierungsmarker sind an einer Oberkiefertiefziehschiene befestigt (a). Im Bilddatensatz dient das Markerzentrum als Referenzpunkt (b). b 7

8 Einleitung Oberkiefer-Silikonabformungsschiene Die Grundform der Oberkieferschiene (OKS) wird durch Einmal-Abdrucklöffel verschiedener Größen gestellt. An den Vestibularflächen der Löffel werden die konfektionierten Steckhülsen zur Aufnahme der genormten Navigationsmarker befestigt. Diese präfabrizierte Oberkieferschiene wird zur direkten Herstellung verwendet und mit Silikonabformmaterial beschickt und dem Patientenkiefer angepasst. Ein- und zweiphasige Abformmethoden können verwendet werden (Abb.6). Nach einer Abbindezeit von 2-5 Minuten kann die Schiene aus dem Mund genommen und desinfiziert werden. Der Patient verfolgt das Einpassen der Schiene durch den Behandler im Spiegel und kann danach die Positionierung der Schiene selbständig einüben. Mit dieser Methode können Navigationsschienen ohne Speichelabsaugung oder absolute Trockenlegung von Zahnreihe oder Mundschleimhaut in minutenschnelle hergestellt werden, wodurch Notfallversorgungen selbst von oral intubierten Patienten möglich wird. Ihr Einsatz erfolgt daher in erster Linie bei Posttraumatischen Primärrekonstruktionen und Optikusdekompressionen. Abb. 6: Oberkiefer-Silikonabformungsschiene Die präfabrizierten, konfektionierten Oberkieferschienen werden mit Silikonmasse dem Zahnbogen des Patienten angepasst. 8

9 Mundvorhof-Silikonabformungsschiene 1 Die Grundlage dieses Navigationsschienentypus bildet ein elliptischer, konfektionierter, perforierter Mundvorhofschild aus lichthärtendem Kunststoff (Abb. 7). Die Außenmaße orientieren sich an den Größen der Einmal-Abdrucklöffel. An der vorderen Außenseite wird ein individueller Griff sowie vier Basis-Komponenten zur Aufnahme von Referenzierungsmarkern mit kalthärtendem Kunststoff anpolymerisiert. Die Ausrichtung der Basis-Komponenten erfolgte wie bei der Oberkieferschiene entlang der drei Dimensionen - in der Sagittal-, Frontal-, bzw. Horizontalebene - bei maximaler Differenz der Vektoren in den jeweiligen Raumebenen. Nach Befestigung der CT- oder MRT-Marker wird die Grundform dem Zahnbogen des Patienten angepasst. Totalprothesenträger oder teilprothetisch versorgte Patienten mit minimaler Restbezahnung belassen die eigenen Prothesen zur Bisslagesicherung im Mund. Zahnlosen Patienten oder Patienten, die infolge eines Traumas keinen funktionstüchtigen Zahnersatz besaßen, kann eine modifizierte Mundvorhofschiene mit Aufbissbehelf angepasst werden. Die Aufbissplatte diente der Orientierung bei der Eingliederung der Schiene entlang der atrophierten Kieferkämme und stabilisiert die aufgegebene Silikonabformmasse. Bei Patienten mit nur einseitiger Verankerungsmöglichkeit der Schiene sind Extensionen zur Optimierung der Markerverteilung unbedingt erforderlich. Hier sollte auf die Anwendung der Tiefziehschienen oder Oberkiefer- Silikonabformungsschienen zugunsten der im Ober- und Unterkiefer verankerbaren Mundvorhofschienen verzichtet werden. Abb. 7: Mundvorhof-Silikonabformungsschiene Die präfabrizierten, konfektionierten Mundvorhofschilde werden mit Silikonmasse den Ober- und Unterkiefzahnbögen des Patienten angepasst. V.a. Patienten mit stark limitierter Mundöffnung oder Totalprothesenträger können so nicht-invasiv referenziert werden. 9

10 Bei teilweise bezahnten Patienten werden die zahnlosen Abschnitte partiell mit einem Aufbissbehelf versehen. Bezahnten Patienten, denen z.b. infolge einer reduzierten Mundöffnung keine Oberkieferschiene eingepasst werden kann, wird eine Mundvorhofschiene ohne Aufbissbehelf eingegliedert. Dieser Schienentypus erlaubt durch prä- oder intraoperative Entfernung von überschüssigem Abdruckmaterial im dorsalen Abdruckdrittel (distales Freiende) ebenso die Einlagerung eines Intubationstubus im Rahmen der oralen Intubationsnarkose oder einer orogastralen Ernährungssonde. Invasive Registrierung Abb. 8: Invasive Kopfregistrierung Der an einer Mayfield-Klemme befestigte Referenzierungsstern verfolgt die Bewegungen des Patientenkopfes und des Operationstisches. Die einfachste und hinreichend genaue Methode stellt den Einsatz der in der Neurochirurgie routinemäßig verwendeten metallischen Kopfhaltevorrichtung, der Mayfield-Klemme dar. Mit ihr wird die Position des Patientenkopfes zum Operationstisch fixiert. Infrarot-LED s werden 10

11 zur Registrierung an dieser angebracht und somit sind alle Lageveränderungen detektiert und während der intraoperativen Navigation Bewegungen von Operationstisch und Kopfhalterung registriert (Abb. 8). Nachteilig ist ein mögliches unbemerktes Verrutschen des Kopfes in der Klemme. Es wurden daher Haltevorrichtungen für Infrarot-LED s entwickelt (Nolte et al. 1995, Bettega et al. 1996), welche direkt oder transkutan auf die Knochenoberfläche aufgeschraubt werden können. Invasive Registrierungsmethoden bedingen eine Allgemeinnarkose, was bei Eingriffen in der oralen Implantologie als nachteilig zu bewerten ist. 5.3 Nicht-invasive Registrierung Neben der Funktion der Referenzierung erreicht der bereits erwähnte Gesichtsbogen auch eine nicht-invasive Patientenkopfregistrierung. Durch die Behinderung des Operationszuganges ist der Einsatz auf die Nasennebenhöhlenchirurgie beschränkt. Eine weitere Möglichkeit der nicht-invasiven Registrierung stellt eine Oberkieferschiene mit integriertem Leuchtdiodenstern dar (Caversaccio et al. 1998). Eingriffe an der Schädelbasis und in den Nasennebenhöhlen wurden hierfür beschrieben (Caversaccio et al. 2002). Diese Methode macht intraorale Zugänge unmöglich, welche bei der überwiegenden Zahl der Eingriffe auf mund-, kiefer-, gesichtschirurgischem Gebiet erforderlich sind. Durch Befestigung eines Referenzierungssterns (DRF) an einer Unterkieferzahnbogenschiene können navigationsgestützte Implantatinsertionen am mobilen Unterkiefer in Lokalanästhesie durchgeführt werden (Schramm et al. 1999, Abb. 9). Diese Methode der Registrierung wird auch bei allen kommerziell erhältlichen Implantatnavigationssystemen verwendet. Abb. 9: nicht-invasive Kieferregistrierung Der an einer Zahnbogenschiene befestigte Referenzierungsstern verfolgt die Bewegungen des Kiefers. Navigationsgestützte Implantatinsertionen können so in Lokalanästhesie auch am beweglichen Unterkiefer durchgeführt werden. 11

12 Computerbasierte Planung Computergestützte virtuelle Planungen und Operationssimulationen (CAP) bieten im Gegensatz dazu den Vorteil der Detailtreue ohne Informationsverlust und die Möglichkeit beliebig viele und verschieden geartete Simulationen durchzuführen. Voraussetzung der rechnergestützten Planung mit virtuellen Patientenmodellen (3D-Modellen) ist die präoperative Bildgebung durch CT- oder MRT-Schichtbilder. Der erste Schritt ist die Visualisierung der am Patienten erhobenen Bilddaten, d.h. die Berechnung und Darstellung eines virtuellen 3D-Modells. Dies verbessert die räumliche Orientierung und erleichtert die Diagnostik. Nächster Schritt ist die Analyse am virtuell erstellten Modell. Hierunter fällt z.b. die Erfassung der Ausdehnung eines Defektes durch zwei- und dreidimensionale Vermessungen (Strecken, Winkel, Volumina) jeder beliebigen Schicht. Die oben genannten Schritte ergänzen die durch konventionelle bildgebende Verfahren gewonnenen Informationen und dienen als Grundlage. Die eigentliche Planung am virtuellen Modell beginnt mit der virtuellen Veränderung der gegebenen individuellen Situation (Simulation). Ziel der Operationsplanung ist die Erstellung eines virtuellen Modells, das dem angestrebten Operationsergebnis entspricht. Damit soll die Vorhersagbarkeit im Hinblick auf das gewünschte Operationsziel insbesondere bei komplexen Rekonstruktionen sowie die Sicherheit während des chirurgischen Eingriffes erhöht werden. Als Grundlage für die Planung wird ein aus den CT- oder MRT Schichtbildern berechnetes dreidimensionales Modell verwendet. Beim Einsatz in der Neurochirurgie wird das Zielgebiet, beispielsweise ein Tumor, segmentiert und ein zu dieser Region führender Zugang, die Trajektorie, eingezeichnet (Zamorano et al. 1992). In der kraniofazialen Chirurgie ist mit kommerziell erhältlichen Planungssystemen in erster Linie das Analysieren und Markieren von Strukturen möglich. Tumorbegrenzungen können markiert und das Volumen der Tumormasse bestimmt werden (Abb. 11). Bei Gesichtsschädeldeformitäten oder Defekten ist die metrische Analyse durch Streckenvermessung möglich und durch das Einzeichnen von Hilfslinien können intraoperativ als virtuelle Schablonen dienen (Abb. 12). 12

13 Einleitung Abb. 11: 3D-Visualisierung eines ausgedehnten Meningeomsrezidivs (rot) mit Kompression des N. Optikus Der Sehnerv (blau) und der zur Dekompression zu resezierende Tumorbereich sind im linken Bildausschnitt als Oberflächenmodell getrennt dargestellt. Abb. 12: Computerbasierte Analyse zur Orbitavermessung Die knöchernen Orbitadimensionen (links) sowie die CT-basierte Hertel-Messung (re) sind dargestellt. 13

14 In einfacher Form wurden Softareentwicklungen zur Erstellung, Programmierung und Implementierung eines Spiegelung-Programms zur präoperativen Analyse und virtueller Operationsplanung (Abb. 13) bei rekonstruktiven Eingriffen in die klinische Anwendung integriert (Gellrich et al. 1999a, Schramm et al. 1999b, Thoma 2000). Abb. 13: Computerassistierte Operationssimulation zur Orbitarekonstruktion Nach dreidimensionaler Festlegung der Symmetrieebene (oben links) erfolgt die Markierung des zu ersetzenden Volumens der deformierten Orbita (oben rechts). Nach dreidimensionaler Spiegelung des Volumendatensatzes entseht eine virtuelle Operationsschablone mit idealisierter Rekonstruktion. Der Vergleich von Original- (Unten links) und gespiegeltem Datensatz (unten rechts) ermöglicht die Analyse und Validierung des simulierten Rekonstruktionsergebnisses. Mithilfe der mehrfach einsetzbaren Schienenreferenzierung ist die Übertragung von Tumorbegrenzungen sowohl vom Datensatz der Kernspintomographie auf den CT-Datensatz zur prätherapeutischen Analyse als auch vom prätherapeutischen zu allen weiteren Datensatzerhebungen nach Chemo-,Radio- oder operativer Therapie möglich (Abb. 14). Die Verwendung der Referenzierungsschiene ermöglicht die Datensatzfusion zwischen CT- und MRT, da die verwendeten Marker bei beiden Bildgebenden Verfahren erkennbar sind Schramm et al. 2000c). Dies ist sonst nur unter Verwendung der invasiven Schraubenmarkersysteme möglich, welche aufgrund der langen Behandlungszeiträume jedoch nicht angewendet werden können. Für den klinischen Therapieeinsatz ergeben sich somit folgende Vorteile: 14

15 ! Durch Transformation prätherapeuthischer Daten in posttherapeutische Datensätze wird die Effektivität einer Chemotherapie durch quantitativer Bestimmung und Lokalisation der Tumormasse messbar.! Durch Transformation prätherapeuthischer Daten in posttherapeutische Datensätze kann eine navigationsgestützte Resektion entlang der ursprünglichen Tumorbegrenzungen erfolgen.! Durch Transformation der präoperativen Tumorgrenzen in den postoperativen Datensatz ist eine präzise Rezidivkontrolle möglich und eine gezielte postoperative Ausrichtung der adjuvanten Radiotherapie möglich. CT MRT Abb. 14: Bildfusion von CT- und MRT-Datensatz durch Verwendung von Schienenmarkern Die reproduzierbaren und leicht aufzufindenden Marker der Zahnbogenschiene ermöglichen eine schnelle und präzise Fusion auch von Bilddatensätzen unterschiedlicher Modalität. Die zu korrelierenden Datensätze (CT und MRT) sind im Multiplanarmodus (coronar, sagittal und axial) dargestellt. 15

16 Einleitung Neben der reinen Lokalisation von Strukturen, welche durch Zeigeinstrumente ermöglicht werden, können Endoskope und jedes nicht flexible Operationsinstrument verwendet werden (Abb. 14). Die navigationsgestützte Mikroskopie wird durch laserbasierte Detektion des Fokus erreicht, welcher dann als virtuelle Abbildung im Bilddatensatz des Patienten lokalisierbar ist. Die einzelnen Navigationsschritte unter Benutzung des Pointers, des Endoskops und des Operationsmikroskops sind bei den jeweiligen Operationsmethoden dargestellt. Abb. 14: navigierbare Operationsinstrumente Jedes nicht flexible Instrument (z.b. Winkelbohrer und starre Endoskope) aber auch der Fokus eines Operationsmikroskopes (oben links) können lokalisiert und intraoperativ navigiert werden. Patientenfreundlichkeit Bei der computer-assistierten cranio-maxillofazialen Chirurgie handelt es sich lediglich um additive Maßnahmen zur Verbesserung der Planung und räumlichen Orientierung, d.h. die Patienten werden nach denselben Grundsätzen operiert und behandelt, wie dies auch ohne Verwendung der Navigation der Fall wäre. Für die Anwendung ist lediglich eine CT16

17 Bildgebung in der Spiral-Dünnschicht-Technik oder eine MRT-Aufnahme nötig. Zusätzliche Aufnahmen werden nicht benötigt. Die intraoperative Registrierung stellt keine zusätzliche Belastung des Patienten dar, wenn hierfür ein nicht-invasives Verfahren (Schiene) verwendet wird. Die Information über mögliche Risiken und entsprechende Vorsorgemaßnahmen, Art der Patientenaufklärung und Einholung des Einverständnisses erfolgt unter klinisch üblichen Bedingungen. Die Anwendung der computer-assistierten Chirurgie erhöht die Sicherheit und Genauigkeit des operativen Eingriffs wodurch insgesamt ein besseres Ergebnis zu erwarten ist. 17

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