CN104737015A - 高度精确的呼吸测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对人员进行呼吸测试的系统。所述系统包括传感器单元(5)，所述传感器单元被构造以感测存在于流动通过预定入口区域(4)的空气中的挥发性物质、例如酒精的存在性或浓度，并且产生对应于所述挥发性物质的浓度的信号。分析器(10)测定所述人员的呼吸中的所述挥发性物质的浓度。所述系统包括在与呼吸检测重合的时间点暂时中断所述空气流动的机构(9、10、12、14)。本发明还涉及一种方法，所述方法包括：中断流动通过所述预定区域的空气流动一预定时间段、以及在所述中断期间检测所述挥发性物质的浓度。

Description

高度精确的呼吸测试系统
技术领域
本发明涉及一种用于感测人员呼出呼气中诸如乙醇的物质的存在性/浓度的系统。
背景技术
呼吸酒精浓度(BrAC)与血液酒精浓度(BAC)相关，其近似关系为BrAC[mg/l]＝0.5×BAC[mg/g]。其它物质具有不同的系数。
根据现有技术的受监管式呼吸测试由警察执行，以阻止醉酒驾驶。出于相同的目的，在车辆中使用酒精锁的无监管式测试也越来越多地得到使用。传感器技术包括催化剂半导体、燃料电池和红外光谱法。在市场上可获得的不同装置之间有关精确度、特异性、环境免疫性和响应时间的性能非常多变。用于呼吸测试的装置包括传感器元件，所述传感器元件在通过紧密配合的接口件获取深呼吸之后提供表示BrAC的信号、并且清空气路，出于卫生原因，接口件应当是分离的一次性用件。为了确保正确地测定，受测试的人员需要以几乎最大肺活量释放用力的呼气。尤其是对于肺活量有限的人员而言，这需要大量时间和气力。由于水冷凝，接口件的处理是耗时的并且呈现不期望的错误源。测定的精确性呈现越来越大的挑战，尤其是在测定与法定速度相关时。出于提供证据的目的，高度精确的呼吸分析器是商业可获得的，但是非常昂贵。对于能够以低成本精确和可靠地进行呼吸测试并且使受测试人员所需的气力最小化的量产装置而言具有强大的市场需求。
呼吸分析的基本技术在20世纪的下半叶得以发展。最近，已经注意到发展朝向针对呼吸测试使用更少的突兀机构。Olsson等人(WO98/20346)公开了一种系统方案，在所述系统方案中可以利用水蒸汽作为示踪气体而不使用接口件来执行精确的测量。Lopez(US5,458,853)公开了另一种方法，其使用超声以校正装置和用户嘴之间的距离的相关性。等人(GB 2431470)公开了一种系统方法，其使用二氧化碳(CO2)作为示踪气体，并且与简单算法组合以用于校正稀释的呼吸样本。Lambert等人(2006年4月3日至6日的SAE世界代表大会)公开了另一种方法。车厢内空气被监控，使用酒精吸收材料来累积样本以增强分辨能力。同样，使用CO2作为示踪气体。
发明内容
本发明的目的是增加呼吸测试系统的精确性。本发明基于一些关键元件，组合所述关键元件将提供必需的特征。首先，具有一种传感器单元，所述传感器单元提供了对应于流动通过预定入口区域的空气的酒精浓度的信号，所述入口区域指的是允许空气从入口区域持续流动至传感器单元的一个或多个开口。其次，包含有分析器以用于根据传感器信号测定所述人员的呼吸酒精浓度。第三元件是用于在与检测呼吸样本重合的时间点控制中断空气流动、允许传感器单元在完成测定后的短时间段之后得以净化的机构。在根据本发明的系统的一个实施例中，在系统中还包括用于产生或协助空气流动的机构，例如风扇或泵。在这个实施例中，通过在检测呼吸之后主动关闭风扇来完成空气流动中断，并且在测定之后进行自动净化。在不具有风扇或泵的另一实施例中，借助于瓣阀来实现空气流动中断。当然，这些实施例也可以组合使用。
基本元件的组合功能对于获得所需精确度而言是必须的，也是足够的。本发明的一个改进之处在于通过中断空气流动而将采样空气截留在传感器单元内。因而，将以比其它情况更高的浓度来进行呼吸分析。这也将导致精确度提高。
通过中断空气流动，能够延长测量时间，并且进行信号平均。随后，随机误差减小一因子其中Tav是平均时间，Ts是两个信号样本之间的时间。例如，当Ts＝0.2秒而Tav＝2秒时，精确度将增大 10 = 3.16 .
对于与气流相关的系统误差而言，中断空气流动的优点更为显著，所述系统误差体现为错误读数。空气流动的影响存在作为直接影响，以及经由温度梯度作为间接影响。这些误差将高度取决于所使用的实际构件，并且在低浓度时尤为明显。
在测定呼吸酒精浓度或测量背景浓度期间，空气流动的中断应当仅仅是暂时的。否则，无论系统何时运行，都应当维持通过测量单元的空气流动，以允许持续地监视环境气体浓度的变化。中断还包括将空气流动暂时减少至相当低的程度，而并非必需使空气流动完全停止。
本发明允许在至今尚难以执行测试的各种环境下执行呼吸测试。与利用当前可获得的产品相比，改进的精确性、可用性以及与车辆集成的可能性会是以更大比例地阻止醉酒驾驶的重要步骤。这被认为是降低与酒精相关的交通事故的高死亡率所必需的。其它有希望的应用领域是针对负有关键任务的员工的清醒控制、以及针对到达竞技场的观众的清醒控制。本发明还可以用于各种自测试情况，例如治疗酗酒者。预期的是，不突兀地进行呼吸测试的可行性对于急诊医学中的诊断目的而言变得重要。为此目的，除了乙醇之外，多种挥发性物质也是令人感兴趣的。
为了实现这些目的，本发明在第一方面中提供了如权利要求1中所限定的用于对人员进行呼吸测试的系统。所述系统包括：传感器单元，所述传感器单元被构造以感测存在于流动通过预定入口区域的空气中的挥发性物质的存在性/浓度，并且产生对应于所述挥发性物质的浓度的信号；分析器，所述分析器用于测定所述人员的呼吸中的所述挥发性物质的浓度，该测定是基于对应于挥发性物质浓度的所述信号的；以及用于在与检测呼吸重合的时间点暂时中断所述空气流动的机构。
在第二方面中，本发明提供了一种如权利要求12中所限定的对人员执行呼吸测试的方法。所述方法包括如下步骤：提供一种测试系统，所述测试系统包括传感器，所述传感器被构造以感测存在于所述测试人员的流动通过预定入口区域(4)的呼吸的空气中的挥发性物质的存在性/浓度，并且产生对应于所述挥发性物质的浓度的信号；中断通过所述预定入口区域的空气流动一有限时间段；并且在所述中断期间检测所述挥发性物质的浓度。
附图说明
现在将参考附图在下文中描述本发明，其中：
图1示出了根据一个实施例的系统的示意图。
图2示出了系统功能的流程图。
图3示出了利用根据本发明的系统执行的典型呼吸测试的时间顺序。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的系统1的一个实施例的示意图(未按比例绘制)。
所述系统包括传感器单元5，所述传感器单元包括：形成待分析呼吸气体的通道的隔室C、IR光源6(即IR发射器)、以及能够检测挥发性物质(例如乙醇)的第一传感器8、能够检测例如CO2的第二传感器7、并且合适地包括由发动机驱动的风扇或泵9。
该系统适当地还包括存在性检测器2以用于检测测试人员处于系统附近，并且优选还包括视听单元3，所述视听单元具有显示单元3b和扬声器3a。
该系统还包括分析器10、以及用于针对发动机双向控制电流驱动脉冲的装置14，所述分析器优选包括能够执行信号算法的通用数字微控制器，所述发动机驱动风扇或泵。
测试人员13示出为位于传感器单元5的入口区域4附近，所述传感器单元配置有传感器元件8，所述传感器元件产生对应于流动通过入口区域4的空气的乙醇浓度的信号。流动通过传感器单元5的空气流的产生机构由风扇或泵9提供。入口区域4包括一个或多个开口，通过被风扇9驱动空气可以自由流入所述一个或多个开口。优选地，在入口区域4中包括例如由多孔材料制成的颗粒过滤器。这阻止颗粒和气溶胶污染传感器单元5，而同时不以任何显著程度妨碍空气流动。该系统还具有出口区域12，空气流从所述出口区域返回至环境空气中。在本发明的一个实施例中，出口区域包括在图1中由两个铰接的薄壁所指示的瓣阀，所述瓣阀仅允许空气在一个方向上流动。为了维持打开，必须横跨两个薄壁维持一水平压力梯度(方向参考图1)。如果这种水平压力梯度太小、不存在或反向，则铰接壁将返回至出口区域12闭合的竖直位置。瓣阀的精确闭合点取决于各铰链和各壁的性质，并且可以针对任何特定的需求进行调节。还存在瓣阀的可选方案，诸如电磁控制阀。
当引导人员13从不超过50cm的距离处朝向入口区域4呼出空气时，流动通过传感器单元5的空气将包括环境空气和人员13的呼出空气的混合物。
本系统能够在短时间内与人员13相互作用。为此设备包括视听单元3、以及用于记录在入口区域4附近的位置处人员13的存在性的记录机构2。记录机构2的执行高度取决于实际应用，并且所述记录机构可以包括指示门的开/闭的微型开关、扩音器、照相机、使用超声或红外辐射的非接触式检测器、响应于人员重量的力传感器。所述记录机构可以包括通过声音控制、图像分析、条形码读取或生物统计分析而识别人员的机构。视听单元3优选包括扬声器3a和显示器3b。扬声器3a可以产生人工语音或象征性声迹，显示器3b可以传达文本、图像、图标或其它符号。
视听单元3优选位于入口区域4的紧邻附近，以便将人员13的注意力引导至所述入口区域。在存在性记录时或稍后的时刻，所述视听单元能够要求人员13立即注意。在人员13可能需要指令的情况下，所述视听单元也能够传输指令，甚至传输详细的指令。
由于环境空气和呼出空气之间的混合，传感器元件8产生的信号将减弱对应于呼出气体的稀释度的因子。因此，除了传感器元件8之外，还包括另一个传感器元件7以用于测量示踪气体(例如二氧化碳(CO2)或水蒸气)的浓度。由于在离开气路时示踪气体的浓度近似恒定，因此能够获得进入传感器单元5的空气的合理近似稀释度。除了CO2和H2O之外，示踪信号的另一可选方案是温度。呼出空气在离开嘴或鼻子时温度几乎等于体温，但是在混合后呼出空气的温度将更接近环境温度。
传感器元件7和传感器元件8构成了用于进行红外(IR)透射测定法的测定单元的接收器端。从红外发射器6(优选地黑体辐射元件)出发，宽带红外辐射波束照亮测定单元，并且在多次反射之后最终将到达传感器元件7和传感器元件8。优选地，发射器6调制在处于常规信号的频率带以上的一频率，例如5Hz。传感器元件7和传感器元件8中的每个均包括红外辐射的热电堆检测器，其中带通干扰滤波器调频至待检测物质的吸收峰。传感器元件8包括滤波器，所述滤波器的通带对于乙醇而言处于9.1-9.9μm的间隔内，而在CO2作为示踪气体的情况下，传感器元件7的滤波器的通带处于4.2-4.3μm的间隔内。作为替代性示踪气体的水蒸气在2.5-2.8μm的波长间隔和5.7-6.9μm的波长间隔内具有强吸收性。其它气体和滤波器特征件的组合也是可行的。丙酮、乙醛、甲醇、一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、异戊二烯、氨、硫化氢、甲硫醇、乙酸乙酯、二甲醚、二乙醚、苯、甲苯、甲基乙基酮和甲基异丁基酮是从诊断角度或毒理学角度来看可能让人感兴趣的挥发性物质的实例。
从IR发射器6至检测器7和检测器8的光路可以取决于实际物质的浓度范围和吸收系数。在呼出空气中，CO2具有强吸收性和高浓度，这需要10-25mm的短光路。对于处于法定浓度限度以下的酒精检测而言，可能需要大于0.5m的光路长度。通过多次反射来折叠光路，传感器单元5的长度/宽度/高度仍然可保持小于70/30/15mm。
传感器单元5几乎瞬时地、即在几分之一秒内响应入口区域4处发生的浓度变化。这部分地是由于入口区域4和传感器单元5之间的通常为10-20mm的小距离、通常为20-60ml的小内容积、以及由风扇9产生的通常为100-200ml/秒的空气体积流量、以及由风扇9产生的空气流动速度。这还由于红外发射器的相对快速的调制频率。从传感器元件7和传感器元件8提取的信号信息表示为调制频率的幅度。
为了满足电磁发射和抗扰性的需求，出于保护性目的，根据本发明的系统包括电容电子元件和电感电子元件。此外，传感器元件7和传感器元件8及其相关的模拟输入级优选配置差动前置放大器，以便于抑制常规模式干扰的影响。将来自传感器元件7和传感器元件8的信号发送至分析器10，所述分析器优选包括通用数字微控制器，所述通用数字微控制器能够执行信号算法并且还控制视听单元3、IR发射器6、风扇9。不同格式(包括模拟信号)之间的信号转换可以由微控制器10调控，所述微控制器还能够与外部单元(例如，致动器单元)通信以用于根据呼吸测试的结果采取行动或对抗作用。系统1的电功率可以从电池或外部电源获得。系统1可以设计作为独立的手持单元，或者作为其它属具(例如，车厢或者建筑物入口或车间入口)的一体化部件。优选地，入口区域4包括用于保护传感器单元5的机构，例如在系统1停用时闭合的盖。瓣阀12能够满足这一功能。
优选地，风扇9的移动部件的质量小，通常小于1.5克，以便具有最小的启动和停止时间。风扇9优选还包括不带电刷的直流电动机、以及用于针对电动机双向控制电流驱动脉冲的机构14，利用电磁效应能够在电动机和发电机功能之间转换，在图1中由风扇9和控制电路14之间的双向箭头指示，所述风扇和控制电路可从多个供应商(例如，美国的德州仪器公司)获得。通过这个控制功能，可以非常快速地启动/停止风扇9，并且使所述风扇以不同的速度运行。风扇的反馈回路还可以包括流动传感器以测量实际空气流动。通过控制和驱动电路14可以保持启动时间和停止时间最小化。
在关闭模式中，风扇9呈现显著的流动限制，这将空气有效地截留在传感器单元5内。风扇9的允许空气自由通过的横截面面积通常远小于入口区域4的四分之一。这种限制形成了流动阻力，阻止传感器单元5在测量期间进行不必要的通风。
根据本发明的系统优选限定在将安装于墙上的盒子内，使得记录机构2、视听单元3以及入口区域4位于盒子的一侧，并且由此通过墙中的孔可接近所述记录机构、视听单元以及入口区域。
除了提高精确度以外，空气流动控制机构10、14还可以用于其它目的。所述空气流动控制机构还可以用于在系统的启动期间提高传感器单元5的稳定性，并且使启动时间最小化。另一用途是监视轴承或其它敏感部件的长期退化。
图2示出了根据本发明的系统功能的流程图。通过一些外部控制信号而手动或自动地开启或启动系统。在车辆的情况下，启动信号可以是解锁车门。初始阶段优选包括系统的一些自测试功能，以确保自前次测试发生之后尚未出现功能错误。风扇9自动启动，并且以全速或降低的速度运行，直至所述风扇收到命令以中断空气流动或者以不同的速度运行为止。初始阶段还可以包括预热敏感部件和稳定信号。
当系统准备进行测试时，系统将保持处于待用状态，直至检测到有人员处于预定位置处为止。如前所述，检测可以包括或可以不包括识别人员，并且检测将需要在人员和系统之间进行双向通信。在存在性检测步骤之后或期间，该系统将通过与表示呼吸测试的特定符号或图标相组合的协同的闪光、具有特色的特殊声音而引起人员的注意。
随后，预期的是，有经验的人员引导呼出空气朝向传感器的入口区域，而无经验的人员可能需要或多或少关于如何实行的详细指令。口头提供或者作为文本信息提供的指令的实例有：“深呼吸，弯身，张大嘴，缓慢呼气”。作为替代，由静止图像或移动图像、图形符号或其它机构提供指令。如果在一轮指令之后未满足呼吸检测的标准，则可以以增大的详细程度重复地发布指令。
呼吸检测的标准优选包括如前所述的示踪气体检测。在CO2作为示踪气体的情况下，一个简单的标准是达到例如2500ppm(百万分率)的阈值CO2浓度，该2500ppm的阈值CO2浓度对应于稀释因子为20(肺泡CO2浓度近似为5vol％，或50000ppm)。其它标准可以与CO2信号的时间导数有关。在这种情况下，同时测得的酒精浓度需要乘以20以获得估计的呼吸酒精浓度。呼吸检测的标准还应当包括针对背景CO2浓度的校正，背景CO2浓度在正常环境中通常为400-600ppm。数学表达式或算法通常将足够限定该标准，所述数学表达式或算法使用可设置的参数以适应不同状况之间的变化。可以通过使用标准的微控制器进行实时执行而实施这种算法。
在检测呼吸时，发送命令至风扇9以中断空气流动。随后，传感器单元内的空气将被截留，并且可以在零空气的情况下速度执行长时间的测量，这将基本上消除有关空气流动的误差，并且允许信号平均化，从而致使随机误差(例如，噪音)也减小。这种减少将适于测定物质和示踪物二者。
在本发明的一个实施例中，在不存在风扇或泵9时，没有控制空气流动中断的电控制。在这个实施例中，空气流动由呼气人员驱动，从而横跨瓣阀12的铰接壁形成压力梯度，并且允许空气通过出口区域。当人员呼气减少或停止时，瓣阀将关闭，将呼出空气截留在传感器单元5内。闭合的精确时间取决于瓣阀的铰链和壁的弹性，并且可以调节至与呼吸检测一致，最终可能具有一些延迟。
稀释程度是对于信号质量的测量。高浓度(小的稀释因子)提供了高置信度的测定，然而诸如其它邻近人员的干扰因子的影响将随着稀释度而增大。优选地，基于稀释因子，呼吸测试的结果不仅表示为浓度，而且还涉及估算误差。
在一些应用中，呼吸检测可以越过存在性检测，如在图2中由虚线象征性地简化的“注意”次序和“指令”次序。另一种表达方式是将示踪气体检测包含在“记录机构”中。
基于来自传感器元件7的信号和来自传感器元件8的信号之间的相关性，由另一算法执行BrAC的测定。当传感器单元5接收人员呼出的气体时，两个传感器元件均显示了几乎同时出现的浓度峰。通过将大量测得的酒精浓度乘以它们各自的稀释因子而获得平均BrAC值。通过将信号平均化，减少了噪音和干扰的效应。由于解剖死腔或传感器单元5的设计引起的差异而导致的CO2和酒精信号之间的小时间差也能够考虑在算法中。
通过满足呼吸检测标准而限定的呼吸测试的完成和结果优选例如利用视听单元3与人员进行通信。优选在完成测定之后命令风扇9重启，以便净化传感器单元，所述风扇优选以全速运行以便使系统准备好进行新的呼吸测试之前的时间最小化。重启在有限的时间内进行，例如1-10秒，优选1-5秒。如果不包括风扇或泵9，则在手持的情况下可以通过使系统沿着从右向左的水平方向(参照图1)快速移动而手动地净化系统1，由此横跨瓣阀12形成压力梯度，并且允许新鲜的环境空气进入传感器单元5中。
基本上，相同的流程图适用于不具有风扇或泵的实施例，只不过传感器单元5的净化是手动地进行的。
在图2的流程图中，不包括在终止实际呼吸测试后进行的其它步骤，因为所述其它步骤可能高度依赖于实际应用的呼吸测试。这些其它步骤可以包括基于规则的测定控制动作或者基于测定而进行的对抗作用，例如允许/禁止车辆运行或锁定/解锁门。
图3示出了利用根据本发明的系统执行的典型呼吸测试的时间顺序。从上至下，示出的信号为：“F”表示针对风扇9的控制信号，其中“高”表示“打开”，而“低”表示关闭；“T”表示示踪气体；“A”表示酒精。时间刻度表示有经验的测试人员响应于测试要求的典型顺序，在时间零点时通过朝向入口区域4呼气而递送呼吸样本。在约一秒之后，注意到存在有高于阈值的示踪信号，并且风扇9接收到来自控制电路14的命令以中断空气流动。在短暂延迟之后，示踪气体信道和酒精信道二者的信号达到平稳状态，根据此通过对信号进行平均而形成对稀释度和BrAC的精确测定。在完成测定之后，将重启的新命令发送至风扇9。在对传感器单元5进行通风之后，示踪气体信道和酒精信道二者的信号返回至原始水平。
基本上，相同的时间顺序适用于不具有风扇或泵的实施例，只不过传感器单元5的净化是手动地进行的。

Claims (15)

1.一种用于对人员进行呼吸测试的系统，所述系统包括：
传感器单元(5)，所述传感器单元包括：
第一传感器元件(8)，所述第一传感器元件被构造以检测在流动通过预定入口区域(4)的呼吸的流动空气中存在的挥发性物质的存在性和/或浓度，并且产生对应于所述挥发性物质的浓度的信号；
第二传感器元件(7)，所述第二传感器元件被构造以检测所述流动空气中的示踪气体的存在性；
分析器(10)，所述分析器被构造以测定所述人员的呼吸中的所述挥发性物质的浓度，所述测定是基于对应于挥发性物质的浓度的所述信号的；
用于产生和控制所述空气流动的机构(10、12、14)，所述用于产生和控制所述空气流动的机构包含有风扇或泵(9)，所述用于产生和控制所述空气流动的机构适于在检测到呼吸之后中断所述空气流动，其中，用于呼吸检测的标准包括示踪气体检测。
2.根据权利要求1所述系统，还包括视听单元(3)、以及用于记录在预定入口区域(4)附近的位置处人员(13)的存在性的记录机构(2)。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述用于产生和控制所述空气流动的机构(10、14)被构造以在有限时间段之后重启所述空气流动，所述有限时间段恰当地是1-10秒，更优选是1-5秒。
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，还包括用于执行所述中断的阀(12)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述传感器单元(5)包括基于对例如二氧化碳或水蒸气的示踪物质的测定或温度的测定而进行呼吸检测的机构。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述用于产生和控制所述空气流动的机构(9)包括无电刷的直流电动机、以及用于针对所述无电刷的直流电动机双向控制电流驱动脉冲的机构(14)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述用于产生和控制所述空气流动的机构(9)的自由横截面面积小于所述预定入口区域(4)的四分之一。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述用于产生和控制所述空气流动的机构(9)的移动部件的质量小于1.5克。
9.根据前述权利要求2-8中的任一项所述的系统，还包括控制机构(10、14)，所述控制机构用于控制所述用于产生或辅助所述空气流动的机构，所述用于产生或辅助所述空气流动的机构包括来自实际驱动元件例如无电刷的直流电动机或流动传感器的反馈。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述挥发性物质是丙酮、乙醛、甲醇、乙醇、一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、异戊二烯、氨、硫化氢、甲硫醇、乙酸乙酯、二甲醚、二乙醚、苯、甲苯、甲基乙基酮或甲基异丁基酮或它们的组合。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述预定入口区域(4)和传感器单元(5)之间的距离通常是10-20mm。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述传感器单元的内容积通常是20-60ml。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，风扇(9)所产生的空气体积流量通常是100-200ml/秒。
14.根据前述权利要求2-13中的任一项所述的系统，所述系统被限定在适于安装在墙上的盒子内，使得记录机构(2)、视听单元(3)以及预定入口区域(4)位于盒子的一侧，并且由此可通过墙中的孔而接近所述记录机构、视听单元以及预定入口区域。
15.一种对人员进行呼吸测试的方法，包括如下步骤：
提供根据权利要求1所述的测试系统；
中断通过所述预定入口区域的空气流动一有限时间段；以及
在所述中断期间检测所述挥发性物质的浓度。
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