FR3051661A1 - DEVICE FOR ANKLE PROSTHESIS CONTROLLED BY A MOTORIZED KNEE PROSTHESIS SENSITIVE TO THE PESANTOR - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une prothèse articulée de cheville contrôlée par une prothèse de genou sensible à la pesanteur. Elle permet à un patient amputé trans-fémoral la réalisation de différents mouvements : la marche, la montée d'un escalier, se lever d'une chaise. La rotation de la cheville est obtenue dans une direction par la traction d'un ressort, et dans l'autre direction par l'appui du sujet sur son talon, sans que la rotation de la cheville ne soit mue par un moteur. Un dispositif de freinage contrôlé par le calculateur du genou prothèse maintient la cheville dans sa position en dehors des mouvements de rotation. L'invention, en permettant de conserver un appui au sol sur la plante du pied réduit le couple nécessaire à la motorisation de la prothèse de genou et diminue la pressurisation de l'emboîture moignon- prothèse par rapport aux solutions de chevilles rigides.An articulated ankle prosthesis controlled by a knee prosthesis sensitive to gravity. It allows a trans-femoral amputee patient the realization of different movements: walking, climbing a staircase, getting up from a chair. The rotation of the ankle is obtained in one direction by the pull of a spring, and in the other direction by the support of the subject on his heel, without the rotation of the ankle is moved by a motor. A braking device controlled by the prosthetic knee calculator keeps the ankle in its position outside the rotational movements. The invention, by allowing to maintain a ground support on the sole of the foot reduces the torque required for the motorization of the knee prosthesis and decreases the pressurization of the socket stump-prosthesis compared to the solutions of rigid dowels.
Description
La présente invention concerne une prothèse de cheville articulée pour amputé transfémoral, contrôlée par une prothèse de genou motorisée (3) sensible à l'accélération de la pesanteur (4). Sa principale caractéristique est l'utilisation exclusive du poids du sujet pour la rotation de l'articulation sans recours au couple fourni par un moteur.The present invention relates to an articulated ankle prosthesis for transfemoral amputee, controlled by a motorized knee prosthesis (3) responsive to the acceleration of gravity (4). Its main characteristic is the exclusive use of the weight of the subject for rotation of the joint without recourse to the torque provided by an engine.
Quand elles sont associées à des prothèses de genou pour amputés trans-fémoraux, les prothèses de cheville ne sont traditionnellement pas articulées. Elles sont réalisées par un dispositif fixe, le pied prothèse (8) étant maintenu perpendiculairement au tibia prothèse (5) de manière rigide ou légèrement élastique. L'absence de flexion de la cheville lors d'une recherche d'appui du sujet vers l'avant pour se lever d'une chaise ou pour gravir une marche d'escalier - a pour première conséquence, de déplacer le contact au sol et donc l'appui du sujet, vers la pointe du pied, en augmentant la distance au centre de gravité et le couple mécanique musculaire du moignon-fémur (1) - a pour deuxième conséquence d'augmenter le couple nécessaire au niveau du genou prothèse (3), - et a pour troisième conséquence de soumettre la jonction entre l'emboîture (2) et le moignon (1) à un couple de torsion élevé pouvant entraîner la pressurisation de l'emboîture (2) qui est normalement maintenue par dépression atmosphérique (13).When combined with knee prostheses for trans-femoral amputees, ankle prostheses are not traditionally articulated. They are made by a fixed device, the prosthesis foot (8) being held perpendicularly to the tibia prosthesis (5) rigidly or slightly elastically. The absence of bending of the ankle during a search for support of the subject forwards to get up from a chair or to climb a stair step - has the first consequence, to move the contact on the ground and therefore the support of the subject, towards the tip of the foot, by increasing the distance to the center of gravity and the muscular mechanical torque of the femoral stump (1) - has the second consequence of increasing the necessary torque in the knee prosthesis ( 3), - and has the third consequence of subjecting the junction between the socket (2) and the stump (1) to a high torque that can cause the pressurization of the socket (2) which is normally maintained by atmospheric depression (13).
La rotation du pied prothèse selon l’invention remédie à ces inconvénients en rétablissant le point d'appui naturel au niveau de la plante du pied. Le rapprochement du point d'appui au sol avec le centre de gravité du sujet, a pour premier effet de réduire le couple musculaire du moignon (1) et celui du genou prothèse (3). En diminuant l'angle du moignon avec la verticale (4), il a pour deuxième effet de contrarier la pressurisation de l'emboîture (2) par la réduction du couple de torsion, mais aussi par l'augmentation de la composante du poids du sujet en pression dans l'emboîture (2). D'autres modèles de prothèses de cheville sont articulés et utilisent la force d'un moteur pour le mouvement de rotation de la cheville, mais ils sont plus particulièrement destinés à des amputés trans-tibiaux. Réahsés en asservissant le moteur de la cheville à des jauges de contrainte mesurant la pression au sol, ils génèrent un couple de rotation, sans utiliser comme la présente invention, le couple résultant du poids du sujet en appui sur le sol. De plus, compte tenu de la masse importante de leur moteur, en relation avec la puissance nécessaire au mouvement d'une cheville, ils ne peuvent être utilisés pour des amputations trans-fémorales car leur masse perturbe excessivement le fonctionnement de la prothèse de genou de l'amputé trans-fémoral en augmentant le moment d'inertie autour de l'axe de rotation du genou prothèse. L’invention permet de remédier à ce dernier inconvénient en supprimant le poids de la motorisation dans une solution technique beaucoup plus légère. Au lieu de créer un couple au niveau de la cheville avec un moteur, l'invention contrôle exclusivement l'exercice du couple résultant du poids du sujet sur son talon ou sur l'avant du pied, au moyen d'un dispositif de freinage (10). L'algorithme du calculateur de la cheville, en exploitant la référence de verticalité (4) et les angles du moignon et du tibia transmis par le genou prothèse (3), identifie la position du pied et libère le dispositif de freinage au moment où le couple du poids se trouve dans un sens favorable au mouvement. A l'inverse, l'articulation est bloquée par le frein quand le couple s'applique dans un sens défavorable au mouvement.The rotation of the prosthesis foot according to the invention overcomes these disadvantages by restoring the natural fulcrum at the level of the sole of the foot. The approach of the point of support to the ground with the center of gravity of the subject has the first effect of reducing the muscular torque of the stump (1) and that of the knee prosthesis (3). By decreasing the angle of the stump with the vertical (4), it has the second effect to thwart the pressurization of the socket (2) by the reduction of the torsional torque, but also by the increase of the component of the weight of the subject under pressure in the socket (2). Other models of ankle prostheses are articulated and use the force of a motor for the rotational movement of the ankle, but they are more particularly intended for trans-tibial amputees. Rehashed by controlling the motor of the ankle to strain gauges measuring the ground pressure, they generate a torque, without using as the present invention, the resulting torque of the weight of the subject resting on the ground. In addition, given the large mass of their motor, in relation to the power required for the movement of an ankle, they can not be used for trans-femoral amputations because their mass disrupts excessively the operation of the knee prosthesis. the trans-femoral amputee by increasing the moment of inertia around the axis of rotation of the knee prosthesis. The invention overcomes this last drawback by removing the weight of the engine in a much lighter technical solution. Instead of creating a torque at the ankle with a motor, the invention exclusively controls the exercise of the torque resulting from the weight of the subject on his heel or on the front of the foot, by means of a braking device ( 10). The algorithm of the ankle calculator, using the reference verticality (4) and the angles of the stump and tibia transmitted by the knee prosthesis (3), identifies the position of the foot and releases the braking device when the couple of weight is in a direction favorable to the movement. Conversely, the joint is blocked by the brake when the torque is applied in a direction unfavorable to the movement.
En appelant Cm le couple du poids du sujet et Crot le couple nécessaire au mouvement, l'algorithme réalise la fonction suivante : si ( Cm * Crot ) > 0 le frein est relâché si ( Cm * Crot ) < 0 le frein est misBy calling Cm the pair of the weight of the subject and Crot the necessary torque for movement, the algorithm performs the following function: if (Cm * Crot)> 0 the brake is released if (Cm * Crot) <0 the brake is set
Les dessins annexés illustrent le dispositif de cheville objet de l’invention.The accompanying drawings illustrate the anchor device object of the invention.
La figure 1 montre le dispositif d'ensemble.Figure 1 shows the overall device.
La libération du dispositif de freinage par l'algorithme du calculateur, autorise le mouvement du pied vers la butée haute (figure 2), quand le corps, se trouve en appui sur l'avant du pied prothèse, et vers la butée basse (figure 3), quand le corps rejoint la station droite après la phase de redressement.The release of the braking device by the algorithm of the computer, authorizes the movement of the foot towards the upper stop (FIG. 2), when the body is resting on the front of the prosthesis foot, and towards the lower stop (FIG. 3), when the body joins the right station after the recovery phase.
La figure 4 illustre dans le cas du mouvement de se lever d'une chaise vers la station debout, la génération d'un couple favorable et son exploitation par l'algorithme du dispositif pour libérer le freinage.FIG. 4 illustrates, in the case of the movement of getting up from a chair towards the standing station, the generation of a favorable torque and its exploitation by the algorithm of the device to release the braking.
Dans la phase A, le poids du sujet, appliqué en son centre de gravité G, induit un couple Cm qui maintient la cheville sur la butée haute.In phase A, the weight of the subject, applied in its center of gravity G, induces a torque Cm which maintains the ankle on the upper stop.
Dans la phase B, le poids du sujet, appliqué en son centre de gravité G, induit un couple Cm favorable à la rotation de la cheville vers la station droite. L'algorithme libère le frein et simultanément, la rotation de la cheville, sous l'effet du couple du poids, accompagne l'élévation du sujet.In phase B, the weight of the subject, applied in its center of gravity G, induces a torque Cm favorable to the rotation of the ankle towards the right station. The algorithm releases the brake and simultaneously, the rotation of the ankle, under the effect of the torque of the weight, accompanies the elevation of the subject.
Dans la phase C, le sujet se trouve en station droite, l'articulation a rejoint la butée basse et le frein est serré à nouveau. Durant tout le mouvement, la rigidité de la liaison fémur (1) tibia (5) est assurée par le moteur du genou prothèse (3)In phase C, the subject is in the right station, the joint has reached the lower stop and the brake is tightened again. During the entire movement, the stiffness of the femur (1) tibia (5) is ensured by the prosthesis knee motor (3)
Le sujet conserve à tout moment son équilibre puisque la résultante du poids se trouve toujours sur la base de sustentation du pied, et il maîtrise l'effort de rotation de la cheville par l'intensité de l'appui sur son talon.. La génération du couple favorable de la cheville est contrôlée par le sens naturel de l'équilibre du sujet au moyen de la position générale du corps ( position des bras, de la ligne d'épaule et de la tête ). L'invention exclut par conséquent la réalisation de mouvements qui nécessitent une force autonome d'impulsion fournie par la cheville, comme la course ou le saut, mais ces deux mouvements ne sont pas utiles au domaine pratique de l'invention, limitée aux mouvements élémentaires usuels : la marche, se lever d'une chaise vers la station droite, ou gravir et descendre des escaliers. Ces mouvements du domaine d'application présentent tous la caractéristique d'offrir des couples mécaniques exploitables par l'algorithme pour la rotation de la cheville. L'invention comporte en première caractéristique un dispositif mécanique de rotation à deux positions, haute (7) et basse (6), de la cheville, associé à un frein (10) commandé par un calculateur (3) identifiant la position absolue du pied au moyen de la référence de verticalité (4) fournie par la prothèse de genou (3) via une liaison électrique de données (12). Le mouvement vers la position haute (7) est obtenu au moyen d'un ressort de rappel (9) et celui vers la position basse au moyen du couple d'appui du sujet sur le talon. La position basse a pour effet de remettre le ressort en tension. Qu'elle soit issue du couple d'appui ou bien de l'énergie stockée dans le ressort, la rotation résulte du seul effet du poids du sujet.The subject retains his equilibrium at all times since the resultant weight is always on the base of the foot support, and he controls the effort of rotation of the ankle by the intensity of the support on his heel. The favorable torque of the ankle is controlled by the natural sense of the subject's balance by means of the general position of the body (position of the arms, the shoulder line and the head). The invention therefore excludes the making of movements that require an autonomous force of impulse provided by the ankle, such as stroke or jump, but these two movements are not useful in the practical field of the invention, limited to elementary movements Usuals: walking, getting up from a chair to the right station, or climbing up and down stairs. These movements of the field of application all have the characteristic of offering mechanical couples exploitable by the algorithm for the rotation of the ankle. The invention comprises as a first feature a mechanical device for rotating two positions, high (7) and low (6), of the ankle, associated with a brake (10) controlled by a computer (3) identifying the absolute position of the foot by means of the vertical reference (4) provided by the knee prosthesis (3) via an electrical data link (12). The movement towards the high position (7) is obtained by means of a return spring (9) and that towards the low position by means of the support torque of the subject on the heel. The low position has the effect of resetting the spring tension. Whether it comes from the support torque or from the energy stored in the spring, the rotation results solely from the weight of the subject.
Le dé-serrage du frein (10) commandé par la prothèse du genou (3) au moyen du signal électrique, autorise le passage d'une position à une autre de la cheville. Chacune des deux positions est munie d'une butée mécanique déterminant la position du pied, qui est maintenue après la rotation par le serrage du frein (10) . Ainsi, en station debout la cheville est normalement bloquée par le frein.The release of the brake (10) controlled by the knee prosthesis (3) by means of the electrical signal, allows the passage from one position to another of the ankle. Each of the two positions is provided with a mechanical stop determining the position of the foot, which is maintained after rotation by the clamping of the brake (10). Thus, while standing the ankle is normally blocked by the brake.
En mode freiné, si le sujet exerce volontairement ou involontairement un appui sur la pointe du pied qui dépasse le couple normal de freinage, un mouvement s'effectue d'une butée vers l'autre par glissement des pièces de contact du frein (10), mords ou patins.In braked mode, if the subject voluntarily or involuntarily exerts a pressure on the tip of the foot which exceeds the normal braking torque, a movement is effected from one stop to the other by sliding of the brake contact parts (10). , bites or skates.
Selon des modes particuliers de réalisation, le ressort de rappel et le dispositif de freinage peuvent être réalisés par des systèmes mécanique, pneumatique, hydraulique ou électrique. L'état dans l'une au l'autre des deux positions haute et basse est identifié par le calculateur du genou au moyen d'un capteur de position .According to particular embodiments, the return spring and the braking device can be made by mechanical, pneumatic, hydraulic or electrical systems. The state in each of the two high and low positions is identified by the knee calculator by means of a position sensor.
Lors de la marche, quand le pied se trouve en suspension sur l'arrière du corps, la libération du dispositif de freinage par l'algorithme du calculateur (11), autorise le mouvement du pied vers la position haute sous l'effet du rappel du ressort (9).Quand le pied se trouve sur l'avant du corps, à la suite d'une autre consigne de dé-serrage du frein donnée par le calculateur (11), l'appui sur le talon provoque le retour vers la position basse (6) et la remise en tension du ressort (9). Le dispositif permet ainsi le passage du pied par la position verticale en évitant le frottement de l'avant du pied avec le sol tel qu'il se produit normalement sans compensation du bassin avec ime prothèse de cheville rigide. Quand le pied est revenu à la position basse (6), perpendiculaire au tibia (5), le frein (10) est à nouveau serré permettant de solliciter l'appui sur l'avant du pied tel qu'il est nécessaire dans ime marche normale.When walking, when the foot is suspended on the back of the body, the release of the braking device by the algorithm of the computer (11), allows the movement of the foot to the high position under the effect of the recall spring (9) .When the foot is on the front of the body, following another set of de-tightening of the brake given by the computer (11), pressing on the heel causes the return to the low position (6) and the resetting of the spring (9). The device thus allows the foot to pass through the vertical position by avoiding the friction of the forefoot with the ground as it normally occurs without compensation of the pelvis with a rigid ankle prosthesis. When the foot is returned to the lower position (6), perpendicular to the tibia (5), the brake (10) is again tightened to solicit the support on the forefoot as it is necessary in a walk normal.
Dans un mouvement différent de la marche, pour monter une marche d’escalier par exemple ou se lever d'une chaise, la consigne de libération du frein est donnée quand le sujet recherche un appui sur l'avant, autorisant la cheville à se plier sur la butée haute. La consigne de libération est à nouveau donnée pour rejoindre la station droite sur la butée basse.In a different movement of walking, for example to climb a stair step or to get up from a chair, the brake release instruction is given when the subject is looking for support on the front, allowing the ankle to bend on the high stop. The release instruction is again given to reach the right station on the low stop.
Ce mode d'appui procuré par la cheville permet au sujet de poser son pied à plat sur la marche, et évite l'inconvénient, comme avec un dispositif traditionnel rigide, de l'appui sur la pointe du pied qui crée un couple arrière de basculement du corps, couple qui doit être compensé par un effort vers l'avant au moyen d'une forte traction des bras sur la rampe de l'escalier. Au niveau des membres inférieurs, l'angle du fémur avec la verticale ^ant réduit, et la distance au point d'appui au sol état plus courte, le couple nécessaire au mouvement se trouve réduit tant au niveau du moteur de la prothèse que des muscles résiduels fémoraux.This mode of support provided by the ankle allows the subject to put his foot flat on the step, and avoids the inconvenience, as with a traditional rigid device, the support on the tip of the foot that creates a rear pair of tilting of the body, which must be compensated by a forward effort by means of a strong pull of the arms on the ramp of the staircase. At the level of the lower limbs, the angle of the femur with the vertical reduced, and the distance to the point of support ground shorter state, the torque required for movement is reduced both at the motor of the prosthesis and the residual femoral muscles.
La position de la butée haute est caractérisée par un angle proche de dix-sept degrés par ri^)port à la verticale assurant un transfert de 4 pour cent du poids du sujet dans la liaison moignon emboîture afin d'éviter la pressurisation de la liaison.The position of the top stop is characterized by an angle close to seventeen degrees per vertical port providing a 4 percent transfer of the weight of the subject in the socket stub connection to avoid pressurization of the link. .
La position de la butée basse est caractérisée par un angle proche de zéro degré par rapport à la verticale et réglée pour une sensation d'équilibre neutre du sujet en station debout, la verticalité du sujet étant mesurée par le calculateur.The position of the bottom stop is characterized by an angle close to zero degrees from the vertical and set for a neutral equilibrium sensation of the subject standing, the verticality of the subject being measured by the computer.
Le dispositif de freinage est caractérisé en station debout et droite, par un couple de maintien sans glissement de rotation des mords du frein permettant un écart de sept degré vers l'avant par rapport à la verticale dans une recherche normale d'équilibre, et par un glissement de rotation des mords du frein au delà de cette valeur vers la butée haute.The braking device is characterized in upright and upright position, by a holding torque without sliding of the braking edge allowing a difference of seven degrees forward with respect to the vertical in a normal search of equilibrium, and by a slip of rotation of the brake lobes beyond this value to the upper stop.
En référence à la Figure 1, l’invention peut être réalisée au moyen de pièces articulées sur un arbre de rotation, munies d’un frein à mords ou à patin (10) actionné par un dispositif électrique de puissance piloté par le calculateur (11) à partir d'une référence de donnée de verticalité communiquée par le calculateur prothèse via une liaison de données (12).With reference to FIG. 1, the invention can be realized by means of articulated parts on a rotation shaft, equipped with a brake with bites or with a shoe (10) actuated by an electric power device controlled by the computer (11). ) from a reference of verticality data communicated by the prosthesis calculator via a data link (12).
Un contacteur ou une cellule photoélectrique ou un capteur à effet hall, communique l'information de l'une ou l'autre des deux positions au calculateur (11) afin de vérifier la bonne exécution de la rotation à la suite de la libération du frein (10).A contactor or a photoelectric cell or a hall effect sensor communicates the information of one or the other of the two positions to the computer (11) in order to verify the correct execution of the rotation following the release of the brake (10).
Le réglage angulaire des butées peut être réalisé au moyen d'un jeu de cales métalliques amovibles maintenues par des vis.The angular adjustment of the stops can be achieved by means of a set of removable metal wedges held by screws.
Le dispositif de cheville selon l'invention est particulièrement destiné aux amputés âgés ou aux doubles amputés qui ne peuvent être équipés de prothèses traditionnelles.The ankle device according to the invention is particularly intended for elderly amputees or double amputees who can not be equipped with traditional prostheses.
Dispositif de cheville pour amputé trans-fémoral contrôlé par une prothèse (3) de genou caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de rotation à deux positions, haute et basse, limité par des butées (6X?)Ankle device for trans-femoral amputee controlled by a knee prosthesis (3) characterized in that it comprises a two-position high and low rotation device, limited by stops (6X?)
Dispositif de cheville selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de freinage (10) comprend des mors configurés pour exercer un couple de maintien sans glissement de rotation de la cheville pour une déviation du sujet par rapport à la verticale en station debout inférieure à sept degrés vers l'avant et pour un glissement de rotation au delà de cette valeur.Ankle device according to claim 1 characterized in that the braking device (10) comprises jaws configured to exert a holding torque without slipping rotation of the ankle for a deflection of the subject relative to the upright standing below seven degrees forward and for a rotation slip beyond this value.
Dispositif de cheville selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de rotation comprend un ressort (9) de rappel du mécanisme vers la position haute (7) et que le retour vers la position basse (6), qui met le ressort en tension, est obtenu sans autre moyen que le couple mécanique créé par l'appui du sujet sur son talon.Ankle device according to claim 1 characterized in that the rotation device comprises a spring (9) for returning the mechanism to the up position (7) and that the return to the lower position (6), which puts the spring in tension , is obtained without other means than the mechanical torque created by the support of the subject on his heel.
Dispositif de cheville selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de rotation comprend une butée haute (7) placée à un angle proche de dix-sept degrés par rapport à la verticale permettant un transfert de quatre pour cent du poids du sujet dans la liaison moignon (1) emboîture (2) contrariant la pressurisation de cette liaison (13), et par une butée basse (6) placée à un angle proche de zéro pour permettre la station droite en équilibre.Ankle device according to Claim 1, characterized in that the rotation device comprises an upper stop (7) placed at an angle close to seventeen degrees with respect to the vertical allowing a transfer of four per cent of the weight of the subject into the stub (1) socket (2) counteracting the pressurization of this link (13), and by a low stop (6) placed at an angle close to zero to allow the right station in equilibrium.
Dispositif de cheville selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le dispositif de rotation comprend un capteur qui identifie l'une ou l'autre des deux positions du mécanisme de rotation, lesdites positions étant transmises par un signal électrique au calculateur.Ankle device according to claims 3 and 4, characterized in that the rotation device comprises a sensor which identifies one or the other of the two positions of the rotation mechanism, said positions being transmitted by an electrical signal to the computer.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1600886A FR3051661A1 (en) | 2016-05-31 | 2016-05-31 | DEVICE FOR ANKLE PROSTHESIS CONTROLLED BY A MOTORIZED KNEE PROSTHESIS SENSITIVE TO THE PESANTOR |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| FR1600886A FR3051661A1 (en) | 2016-05-31 | 2016-05-31 | DEVICE FOR ANKLE PROSTHESIS CONTROLLED BY A MOTORIZED KNEE PROSTHESIS SENSITIVE TO THE PESANTOR |
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| Publication Number | Publication Date |
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| FR3051661A1 true FR3051661A1 (en) | 2017-12-01 |
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ID=56990474
Family Applications (1)
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| FR1600886A Withdrawn FR3051661A1 (en) | 2016-05-31 | 2016-05-31 | DEVICE FOR ANKLE PROSTHESIS CONTROLLED BY A MOTORIZED KNEE PROSTHESIS SENSITIVE TO THE PESANTOR |
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- 2016-05-31 FR FR1600886A patent/FR3051661A1/en not_active Withdrawn
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