CN105853223B - 基于宏微驱动和药液精确控制的自动配药装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于宏微驱动和药液精确控制的自动配药装置，属于医疗器械领域。宏微驱动注射器运动单元与光栅尺直线位移传感器形成闭环反馈控制，精确控制注射器注入药袋的位置与注射器注入西林瓶的位置，其中伺服电机经过蜗轮蜗杆减速带动转动块实现注射器90°翻转的动作；机械手抓取西林瓶运动单元也利用宏微结合双重驱动控制丝杠运动将西林瓶从传送带托盘上准确抓取到指定位置的弹簧杯中，并配有消毒喷头给西林瓶口消毒。西林瓶震荡单元在药物注入西林瓶后由电机带动进行特定幅度特定频率的震荡，使药物充分溶解。实现了快速精准的配药，充分利用药物，避免浪费，且可以减轻护士压力，减少配药差错，具有重要的现实意义和实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别涉及输液配药器械领域，尤指一种基于宏微驱动和药液精确控制的自动配药装置。
背景技术
目前中国大部分医院输液配药都采用护士手工操作，即用手把持注射器从药袋中抽吸药液，再注射到装有药粉的西林瓶中。这样不仅费时费力，还容易出现错误。而且我国护理人员短缺，工作压力大，人工配制静脉输液是护士每天的重要工作，也是病人住院治疗重要方法，及时准确给药是病人评价护理与医疗工作重要部分。
国内关于医用机器人配药自动化设备，如深圳市某科技有限公司目前报道已研发出输液配药自动化仪器，其具有西林瓶类和安瓿类药共同配制的特点，只用于瓶装输液的配制，但尚未投放于市场。采用机器人为操作手一台机器只能一瓶一瓶配制药液，而不能多瓶同时配制。在国外，IntelliFilli.v.最早出现于2002年，是世界上最早用于静脉药物配制的机器人系统，该系统综合使用条形码扫描、视觉系统和称量系统保证药品配制的关键步骤和最后药品配制的准确性，减少配药过程的差错。系统工作流程借鉴了工业生产中的流水线生产模式，系统设计成盘式结构，药品和注射器从进入系统开始沿着流水线移动完成相应的操作。IntelliFilli.v的不足之处在于，首先系统设计复杂，机构之间配合难度大，增加了控制的难度，不便于维护。其次只能配制小体积的药物，最终药品只能存于注射器中，不能配制袋装药物。目前已经投入使用的全自动配液设备有：意大利healthrobotics公司研制的一套用于危害药品配置的Cytocare自动配液机器人和一套配制无毒药物的机器人I.V.STATION，加拿大Intelligent hospital systems 公司研制的一套配制有毒药物的机器人RIVA，这两家公司的产品已经成功用于医院临床治疗。此外，还有用于全静脉营养液（TPN）配置的EM2400自动配液设备；用于配置抗生素或其他药品的IV Station等。引进国外相对成熟的技术存在诸多弊端，一方面价格昂贵成本高，另一方面，国外的药品标准与国内通用的药品标准存在较大差异。此外，设备故障处理等后期维护保障费用也非常大。亟待改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于宏微驱动和药液精确控制的自动配药装置，解决了现有技术存在的上述问题。宏微驱动注射器运动单元利用宏微结合双重驱动直线电机，伺服电机结合压电驱动器的宏微结合的方式与光栅尺直线位移传感器形成闭环反馈控制，精确控制注射器注入药袋的位置与注射器注入西林瓶的位置，其中伺服电机经过蜗轮蜗杆减速带动转动块实现注射器90°翻转的动作；机械手抓取西林瓶运动单元也利用宏微结合双重驱动控制丝杠运动将西林瓶从传送带托盘上准确抓取到指定位置的弹簧杯中，并配有消毒喷头给西林瓶口消毒。西林瓶震荡单元在药物注入西林瓶后由电机带动进行特定幅度特定频率的震荡，使药物充分溶解。三个单元按一定顺序先后工作，完成将输液袋中的药液和西林瓶中的药粉结合到一起的目的。基于宏微结合双重驱动方式，该装置实现了快速精准的配药，充分利用药物，避免浪费，且可以减轻护士压力，减少配药差错，具有重要的现实意义和实用价值。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于宏微驱动和药液精确控制的自动配药装置，包括注射器运动单元、机械手抓取西林瓶运动单元、西林瓶震荡单元，所述注射器运动单元的上、下底板3、4固定连接在架体5上，所述机械手抓取西林瓶运动单元通过导轨23连接在架体5的上方，所述西林瓶震荡单元通过水平轴45与架体5连接。
所述的注射器运动单元是：上底板3、下底板4的两端分别固定连接在架体5上，注射器1固定在上底板3上，注射器1的针头前端与输液袋2对齐，且前端装有力传感器12，丝杠Ⅰ13固定在上底板3上，并嵌于注射器1的活塞杆伸入的槽中，带动活塞杆前后移动；所述丝杠Ⅰ13下方有螺母构成丝杠螺母副，所述丝杠螺母副由伺服电机Ⅰ7驱动，伺服电机Ⅰ7通过电机托架固定在上底板3侧方，上底板3上设有光栅尺位移传感器Ⅰ9，上底板3下方有光栅尺位移传感器Ⅱ11；丝杠Ⅱ14固定在下底板4上，并通过螺母固定于上底板下方，下底板4侧方有宏微结合双重驱动电机Ⅰ8，宏微结合双重驱动电机Ⅰ8与丝杠Ⅱ14连接，下底板4一端设有蜗轮蜗杆16，由伺服电机Ⅱ15驱动，另一端固定连接编码器10。
所述的机械手抓取西林瓶运动单元是：吊架31两边和中间下方分别有导轨23和直线轴承30，配有水平方向的丝杠Ⅲ29，宏微结合双重驱动电机Ⅱ27固定在吊架31的中间部分，导轨23固定在架体5上；吊架31中部有一孔，与螺母26配合，丝杠Ⅳ28竖直放置，与固定在吊架31下方的吊架底板6上的步进电机32连接，步进电机32旁连接有减速器Ⅰ24；电磁夹爪22固定于吊架底板6侧面，电磁夹爪上的夹爪33上方设有消毒喷嘴，由固定于吊架底板6上方的消毒液泵25供给消毒液。
所述的西林瓶震荡单元是：水平轴45通过其端部的轴承座35与架体5连接，水平轴45的一端设有编码器36，编码器36的轴上套有挡板34，承载西林瓶37的可旋转支架39连接在水平轴45上，可旋转支架39的西林瓶固定板上设有弹簧杯38；水平轴45的另一端套有卡簧40，联轴器41连接在伺服电机Ⅲ44上，伺服电机Ⅲ44旁连接有减速器43，伺服电机Ⅲ44放置在电机支架42上。
所述的弹簧杯由弹簧杯杯身17、片式弹簧18、弹簧杯挡板19、弹簧圈20及底盖21组成，所述弹簧杯杯身17与底盖21固定连接，弹簧杯挡板19固定连接在弹簧杯的中部，弹簧圈20设置在弹簧杯内部，位于弹簧杯挡板19和底盖21之间，片式弹簧18设置在弹簧杯杯身17上部。
本发明的有益效果在于：本发明整体采用模块化的结构，适应临床不同数量药物的需求。宏微结合的双重驱动方式提供了一种极其精确的定位，实现了高精度的自动配药装置。可以在配药需求不同的医院中代替护士完成配药的工作，减轻了护士的工作压力。模块化的装置可以随时调整工作量，避免了机器工作的浪费或需大量配药时工位的不足。而且这种方式比人工操作更精准，更安全，精准的定位使药物利用充分，避免了浪费，而且避免了人工操作所出现的错误。具有重要的现实意义和实用价值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的注射器运动单元结构示意图；
图3为本发明的弹簧杯结构示意图；
图4为本发明的机械手抓取西林瓶运动单元结构示意图；
图5为本发明的电磁夹爪结构示意图；
图6为本发明的西林瓶震荡单元结构示意图。
图中：1、注射器；2、输液袋；3、上底板；4、下底板；5、架体；6、吊架底板；7、伺服电机Ⅰ；8、宏微结合双重驱动电机Ⅰ；9、光栅尺位移传感器Ⅰ；10、编码器Ⅰ；11、光栅尺位移传感器Ⅱ；12、力传感器；13、丝杠Ⅰ；14、丝杠Ⅱ；15、伺服电机Ⅱ；16、蜗轮蜗杆；17、弹簧杯杯身；18、片式弹簧；19、弹簧杯挡板；20、弹簧圈；21、底盖；22、电磁夹爪；23、导轨；24、减速器Ⅰ；25、消毒液泵；26、螺母；27、宏微结合双重驱动电机Ⅱ；28、丝杠Ⅳ；29、丝杠Ⅲ；30、直线轴承；31、吊架；32、步进电机；33、夹爪；34、挡板；35、轴承座；36、编码器Ⅱ；37、西林瓶；38、弹簧杯；39、可旋转支架；40、卡簧；41、联轴器；42、电机支架；43、减速器Ⅱ；44、伺服电机Ⅲ；45、水平轴。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1所示，本发明的基于宏微驱动和药液精确控制的自动配药装置，包括注射器运动单元、机械手抓取西林瓶运动单元、西林瓶震荡单元，所述注射器运动单元的上、下底板3、4固定连接在架体5上，所述机械手抓取西林瓶运动单元通过导轨23连接在架体5的上方，所述西林瓶震荡单元通过水平轴45与架体5连接。
参见图2所示，本发明所述的注射器运动单元是：上底板3、下底板4的两端分别固定连接在架体5上，注射器1固定在上底板3上，注射器1的针头前端与输液袋2对齐，且前端装有力传感器12，丝杠Ⅰ13固定在上底板3上，并嵌于注射器1的活塞杆伸入的槽中，带动活塞杆前后移动；所述丝杠Ⅰ13下方有螺母构成丝杠螺母副，所述丝杠螺母副由伺服电机Ⅰ7驱动，伺服电机Ⅰ7通过电机托架固定在上底板3侧方，上底板3上设有光栅尺位移传感器Ⅰ9，上底板3下方有光栅尺位移传感器Ⅱ11；丝杠Ⅱ14固定在下底板4上，并通过螺母固定于上底板下方，下底板4侧方有宏微结合双重驱动电机Ⅰ8，宏微结合双重驱动电机Ⅰ8与丝杠Ⅱ14连接，下底板4一端设有蜗轮蜗杆16，由伺服电机Ⅱ15驱动，另一端固定连接编码器10。
参见图4及图5所示，所述的机械手抓取西林瓶运动单元是：吊架31两边和中间下方分别有导轨23和直线轴承30，配有水平方向的丝杠Ⅲ29，宏微结合双重驱动电机Ⅱ27固定在吊架31的中间部分，导轨23固定在架体5上；吊架31中部有一孔，与螺母26配合，丝杠Ⅳ28竖直放置，与固定在吊架31下方的吊架底板6上的步进电机32连接，步进电机32旁连接有减速器Ⅰ24；电磁夹爪22固定于吊架底板6侧面，电磁夹爪上的夹爪33上方设有消毒喷嘴，由固定于吊架底板6上方的消毒液泵25供给消毒液。
参见图6所示，所述的西林瓶震荡单元是：水平轴45通过其端部的轴承座35与架体5连接，水平轴45的一端设有编码器36，编码器36的轴上套有挡板34，承载西林瓶37的可旋转支架39连接在水平轴45上，可旋转支架39的西林瓶固定板上设有弹簧杯38；水平轴45的另一端套有卡簧40，联轴器41连接在伺服电机Ⅲ44上，伺服电机Ⅲ44旁连接有减速器43，伺服电机Ⅲ44放置在电机支架42上。
参见图3所示，所述的弹簧杯由弹簧杯杯身17、片式弹簧18、弹簧杯挡板19、弹簧圈20及底盖21组成，所述弹簧杯杯身17与底盖21固定连接，弹簧杯挡板19固定连接在弹簧杯的中部，弹簧圈20设置在弹簧杯内部，位于弹簧杯挡板19和底盖21之间，片式弹簧18设置在弹簧杯杯身17上部。
本发明整体采用模块化思维、注射器运动单元采和机械手抓取西林瓶运动单元用伺服电机和压电驱动器耦合而成的宏微结合双重驱动电机驱动实现宏微结合的进给方式，并配置有分辨率为0.1μm的光栅尺直线位移传感器采用闭环控制方法控制针头和机械手的精密进给、注射器运动单元针管串联结构中配有压电式力传感器来检测针头是否顺利进入药袋或西林瓶中、机械手抓取西林瓶运动单元采用电磁钳位机构，给电磁夹爪通电和断电，便可实现西林瓶的抓取和放开。
整体采用模块化思维，可根据病患数量、药物的种类和数量来实现拼接组合。几个模块串联，可任意选择接入系统的模块数量。未被选择的模块自动断开，脱离系统。被选入的模块则由系统控制由电机驱动进行工作。进入系统的模块和未进入系统的模块互不干涉。进入系统的模块相互串联，所有动作同步进行，确保配药的准确度和精度。这种模块化的组装方式可以随时调整整个自动配药装置的配药数量，对不同需求具有柔性和灵活性，既可用于小型医院的配药，也可用于大型医院或者药厂的大批量配药。
宏微结合双重驱动与闭环控制系统，采用宏微结合双重驱动电机，伺服电机与压电驱动器耦合的宏微结合双重驱动，从而实现精密的给药控制。宏动部分由伺服电机控制，由丝杠导轨传动，完成大行程要求的位移量，分辨率为0.1μm的光栅尺直线传感器测量位移误差，将位移信号转换成电信号，反馈给双重驱动的微动部分，微动部分由压电驱动器控制，压电驱动器根据光栅尺所检测的位移误差进行补偿，这样形成了闭环控制系统，提高整个系统的定位精度。即可以精确控制注射器前部针头与药口和西林瓶口的相对位置，确保注射器可以准确地进行注药与抽药，定量的针头进入距离可以确保药物最大量地被抽出与注入，以免造成浪费。机械手抓取西林瓶到弹簧杯中时，吊架需前后移动，也需上下移动来带动电磁夹爪向西林瓶移动以及向弹簧杯的移动，此过程需精确控制，以免扰乱系统工作。机械手行程较大，由丝杠间隙等造成的误差较大，宏微结合双重驱动电机与分辨率为0.1μm的光栅尺直线传感器构成的闭环控制系统可以进行误差补偿，先控制电磁夹爪中心线与西林瓶中心线的水平距离与垂直距离，西林瓶被夹紧后，再控制西林瓶中心线与弹簧杯中心线相对位置最终两中心线重合，机械手可以准确地夹取西林瓶，西林瓶在宏微双重驱动闭环控制系统的控制下也可以准确地落入弹簧杯中。
注射器运动单元针管串联结构中配有的压电膜片式力的传感器，此传感器可将针头前部与药袋口和西林瓶口挤压所受的力的大小转换成电信号，反馈到系统中后系统可自动判断此力的大小是否不小于可使针头顺利进入药袋口和西林瓶口的最小受力，若力的大小足够，系统工作将继续进行，若力不够大，则表明针头前端没有克服药袋或西林瓶口的阻力顺利进入，系统将发出警报，工作人员则对针头部位及时做出调整。压电膜片式力的传感器相应频带宽，灵敏度高，适用于动态力的感应与测量。
机械手抓取西林瓶运动单元采用电磁钳位机构。电磁夹爪通电后可完成加持西林瓶的动作，电磁夹爪可根据西林瓶容量自动调整夹持宽度，确保西林瓶在转移过程中不会脱落。双重驱动控制器控制机械手到达预定位置时，电磁夹爪自动断电，断电后电磁夹爪间间夹持宽度增大，西林瓶脱落，西林瓶固定于弹簧杯之中。电磁夹爪的通断电是通过系统根据双重驱动电机的所驱动的位移量自动控制。
实施例：
有十个注射器模块的仪器设备占地面积约为2.8m×2.0m，高度约为2.5m。工位工作人员将输液袋2安放到空的托盘上。安放时，只需将输液袋上用于配药的短圆柱部分按到托盘上的夹子里，输液袋的短圆柱部分将夹子里凸起的滑块压下去，夹子就自动闭合，将输液袋夹紧。工作人员再根据所需西林瓶37名称及数量，将西林瓶放置到托盘上，为适应西林瓶不同的规格，托盘上开有阶梯型的凹坑，直径最小的西林瓶放置到最下面，直径最大的西林瓶放置到最上面。托盘两边有键槽，配药工位导轨两侧有长键，键与键槽之间有间隙。为保证注射器精确对准输液袋，托盘必须有准确的定位，导轨两侧的键已经进入托盘上的键槽，此时导轨下面的电磁铁动作，将托盘顶起，托盘的键槽压紧到导轨的键上，托盘上下位置确定，同样道理，导轨侧面的电磁铁动作，将托盘压紧到导轨的里侧，托盘左右位置确定。托盘位置确定后，注射器由宏微结合双重驱动电机Ⅰ8驱动动作抽取输液袋里的液体，在驱动过程中，光栅尺位移传感器Ⅰ9将位移信号转换成电信号，此光栅尺位移传感器的分辨率可达0.1。微观部分由压电驱动器进行及时调整，所形成的闭环控制系统保证针头与输液袋间精确的相对位移量。注射器针头上还配有压电压式力传感器12，将力的信号转化为电信号传入系统当中，系统判断此力的大小是否足够，如果没有达到针头进入药袋瓶口的最小值，系统将自动发出警报。以免扰乱设备的正常工作。于此同时西林瓶被电磁夹爪22抓取放置到摇瓶器上，宏微结合双重驱动电机Ⅱ27工作，通过联轴器连接丝杠带动支撑架水平沿导轨23移动至托盘上方合适位置由闭环控制系统调整后停止。步进电机32工作，通过减速器Ⅰ24及联轴器，带动丝杠Ⅲ29转动，丝杠带动吊架31沿竖直方向相对支撑架移动，吊架上钢柱支撑架通过直线轴承连接，保证吊架移动过程中摩擦小精度高。当安装在吊架上的电磁夹爪移动至水平方向与西林瓶齐高位置后停止。宏微结合双重驱动电机Ⅱ27工作，精确控制支撑架产生水平运动至目标西林瓶37置于电磁夹爪对中位置后停止。电磁夹爪通电工作，夹持西林瓶。步进电机32工作，吊架31上升至上极限位置后停止，宏微结合双重驱动电机Ⅱ27工作将支撑架拖动至上方后停止，此时消毒液泵25工作，消毒液通过管道及固定在吊架3上的喷头喷出，对瓶口进行消毒。经消毒过程后通过步进电机和宏微结合双重驱动电机Ⅱ27依次工作将西林瓶37置于西林瓶振荡器合适位置中，并松开电磁夹爪22，后机械手机构上升待命。这过程是由宏微结合双重驱动电机Ⅱ27与光栅尺直线位移传感器构成的闭环控制系统进行精确地控制，都是由伺服电机与压电驱动器结合控制丝杠的旋转，丝杠螺母副将旋转运动转化成直线运动，再结合光栅尺位移传感器形成闭环控制系统，注射器1与机械手将进行精准的运动。注射器1工作，由伺服电机Ⅰ7经过蜗轮蜗杆16减速带动转动块实现90°翻转。注射器1用同样的方式将液体注入到西林瓶37后，电机带动摇瓶器使西林瓶37进行振荡，摇瓶器的工作原理是伺服电机电机Ⅲ44带动可旋转支架39旋转，旋至挡板34位置时，带动由卡簧40固定的挡板一起旋转，挡板上开有导向孔，可以使西林瓶37准确对中并固定，挡板34的作用是当旋转支架39向下时，固定西林瓶，不使西林瓶脱落。可旋转支架39带动挡板旋转180°时，西林瓶垂直向下。此时，可进行抽取或注入药物的工作。注入药物后，由伺服电机Ⅲ44电机带动可旋转支架39和挡板34进行幅度为40mm的震荡，震荡频率为3次/秒。完成摇匀和抽取药物的步骤后，旋转支架39恢复初始状态，由电磁夹爪22抓取西林瓶，进行后续处理。注射器1再将西林瓶37里的液体吸出，再进行90︒翻转，将药物注射回输液袋2里，配药完成。最后将将托盘上的夹子打开，可将输液袋卸下进行临床应用。十个注射器模块可完成120-180袋/小时的配药量。配药准确率大于98%，粉剂配药溶解率为100%。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于宏微驱动和药液精确控制的自动配药装置，其特征在于：包括注射器运动单元、机械手抓取西林瓶运动单元、西林瓶震荡单元，所述注射器运动单元的上、下底板（3、4）固定连接在架体（5）上，所述机械手抓取西林瓶运动单元通过导轨（23）连接在架体（5）的上方，所述西林瓶震荡单元通过水平轴（45）与架体（5）连接；
所述的注射器运动单元是：上底板（3）、下底板（4）的两端分别固定连接在架体（5）上，注射器（1）固定在上底板（3）上，注射器（1）的针头前端与输液袋（2）对齐，且前端装有力传感器（12），丝杠Ⅰ（13）固定在上底板（3）上，并嵌于注射器（1）的活塞杆伸入的槽中，带动活塞杆前后移动；所述丝杠Ⅰ（13）下方有螺母构成丝杠螺母副，所述丝杠螺母副由伺服电机Ⅰ（7）驱动，伺服电机Ⅰ（7）通过电机托架固定在上底板（3）侧方，上底板（3）上设有光栅尺位移传感器Ⅰ（9），上底板（3）下方有光栅尺位移传感器Ⅱ（11）；丝杠Ⅱ（14）固定在下底板（4）上，并通过螺母固定于上底板下方，下底板（4）侧方有宏微结合双重驱动电机Ⅰ（8），宏微结合双重驱动电机Ⅰ（8）与丝杠Ⅱ（14）连接，下底板（4）一端设有蜗轮蜗杆（16），由伺服电机Ⅱ（15）驱动，另一端固定连接编码器Ⅰ（10）；
所述的机械手抓取西林瓶运动单元是：吊架（31）两边下方分别有导轨（23）和直线轴承（30），中间下方配有水平方向的丝杠Ⅲ（29），宏微结合双重驱动电机Ⅱ（27）固定在吊架（31）的中间部分，导轨（23）固定在架体（5）上；吊架（31）中部有一孔，与螺母（26）配合，丝杠Ⅳ（28）竖直放置，与吊架（31）下方的固定在吊架底板（6）上的步进电机（32）连接，步进电机（32）旁连接有减速器Ⅰ（24）；电磁夹爪（22）固定于吊架底板（6）侧面，电磁夹爪上的夹爪（33）上方设有消毒喷嘴，由固定于吊架底板（6）上方的消毒液泵（25）供给消毒液。
2.根据权利要求1所述的基于宏微驱动和药液精确控制的自动配药装置，其特征在于：所述的西林瓶震荡单元是：水平轴（45）通过其端部的轴承座（35）与架体（5）连接，水平轴（45）的一端设有编码器Ⅱ（36），编码器Ⅱ（36）的轴上套有挡板（34），承载西林瓶（37）的可旋转支架（39）连接在水平轴（45）上，可旋转支架（39）的西林瓶固定板上设有弹簧杯（38）；水平轴（45）的另一端套有卡簧（40），联轴器（41）连接在伺服电机Ⅲ（44）上，伺服电机Ⅲ（44）旁连接有减速器（43），伺服电机Ⅲ（44）放置在电机支架（42）上。
3.根据权利要求2所述的基于宏微驱动和药液精确控制的自动配药装置，其特征在于：所述的弹簧杯（38）由弹簧杯杯身（17）、片式弹簧（18）、弹簧杯挡板（19）、弹簧圈（20）及底盖（21）组成，所述弹簧杯杯身（17）与底盖（21）固定连接，弹簧杯挡板（19）固定连接在弹簧杯的中部，弹簧圈（20）设置在弹簧杯内部，位于弹簧杯挡板（19）和底盖（21）之间，片式弹簧（18）设置在弹簧杯杯身（17）上部。
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