CN105943014A - 一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，由PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片、无线通信模块组成。其中PPG传感器用于采集人体脉搏波信号；PPG传感器信号调理电路用于对PPG传感器输出的信号进行调理；LED光源控制电路用于控制PPG传感器中LED光源；SoC芯片用于输出控制信号至LED光源控制电路，并用于对人体脉搏波信号进行处理计算得到心率变异性监测结果或仅用于将人体脉搏波信号转换为数字信号；所述无线通信模块将SoC得到的心率变异性监测结果发送到智能终端，或将SoC得到的人体脉搏波数字信号发送到智能终端由智能终端进行心率变异性分析。本发明具有功耗低、体积小、成本低、量产良率高等优点。

Description

一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备
技术领域
本发明属于穿戴式设备，特别涉及一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备。
背景技术
人体心脏由于交感和副交感神经的交互作用，连续心搏间瞬时心率会产生微小涨落，这种现象称之为心率变异性HRV。研究表明，HRV的变化与心血管疾病之间有着紧密的联系，可以用于心血管疾病的早期预警或者辅助心血管疾病患者康复治疗。同时HRV分析还可用于精神、疲劳状态、睡眠质量等的检测或用于生物识别等领域。
目前主要通过ECG方法获得心电图再分析计算得到心率变异性结果，相关的测量装置或者系统已有报道，例如发明专利CN104161509B、CN100515327、CN100342820C、及CN1263419C。ECG的测量方法较为准确，但检测ECG的穿戴式设备在用户使用上仍存在诸多不便。另一种方法是采用PPG(PhotoPlethysmoGraphy)传感器来检测人体脉搏波信号，再通过计算分析脉搏波信号得到心率变异性，具有使用方便、可实时监测的特点：如石磊等人[1]利用一个红光LED、一个近红外光LED以及光接收单元设计了一个PPG传感器，并通过STM8L101F3P6单片机将脉搏波数据传回PC计算机用于心率变异性分析；石波等人[2]利用NJL5303R PPG传感器(由一个绿光LED和一个光电二级管组成)、Arduino开发板以及PC计算机设计了一套基于脉搏波的脉率变异性分析系统。此外，马俊领等人[3]利用红光LED与光敏三极管构成的PPG传感器测量人体心率和呼吸频率，金凡等人[4]运用相同设计的PPG传感器结合MSP430单片机和安卓手机设计了一种便携式脉搏波监测系统，但均未进行心率变异性监测。综上可见，已有的基于PPG传感器的心率变异性分析系统还存在体积较大、PPG传感器中LED光源设计难以适用于各种环境等问题，同时在性能上仍有不少提升空间，如降低功耗、节省成本、提高量产良率等。
参考文献：
[1]石磊,孙朋,庞宇,罗志勇,王伟,王延项.基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统前端装置设计[J].生物医学工程学杂志,2016,01:14-17。
[2]石波，陈法圣，陈建方，曹阳.脉率变异性分析在穿戴式智能设备中的应用[J].中国医疗器械杂志,2015(2):95-97。
[3]马俊领，王成，李章俊，赵宏垚.基于PPG的心率和呼吸频率的测量研究[J].光学技术,2011,37(3):309-312。
[4]金凡,王成,白丽红,文苗，李章俊.基于Android平台的脉搏波监测系统的研究[J].计算机测量与控制,2014,22(4):994-996。
发明内容
本发明提出了一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，片上系统SoC将微处理器、存储器、A/D转换器、D/A转换器、运算放大器等元件集成在一个芯片上，与采用分立元件组成的心率变异性监测设备相比具有功耗更低、体积更小、集成度更高、成本更低、量产良率更高等优势，并且基于SoC的穿戴式监测设备的离散性更小，获取的数据重复性更高。
本发明技术方案如下：
一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，所述穿戴式心率变异性监测设备包括PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片、无线通信模块，其中：
所述PPG传感器，由多个绿光LED光源和光电二极管组成，或由绿光LED与红光LED的组合光源和光电二极管组成，用于采集人体脉搏波信号；
所述PPG传感器信号调理电路，用于对PPG传感器输出的信号进行调理；
所述LED光源控制电路，用于接收所述SoC芯片输出的控制信号来控制PPG传感器中LED光源的亮度或发光频率或亮度与发光频率；
所述SoC芯片的内部含有D/A转换器、A/D转换器和微处理器，所述D/A转换器用于输出控制信号至LED光源控制电路，所述A/D转换器用于将经PPG传感器信号调理电路处理的人体脉搏波模拟信号转换为数字信号，所述微处理器为ARM或MCU，用于求出脉搏波数字信号相邻P波峰值之间的时间间隔PPT序列并对其进行时域与频域分析得到心率变异性指标及监测结果，或者用于把脉搏波数字信号发送给无线通信模块；
所述无线通信模块将上述SoC芯片获得的心率变异性指标及监测结果或脉搏波数字信号通过无线方式进行发送。发送的无线信号可以被安装有应用程序APP的智能终端或云服务器接收，智能终端或云服务器对用户的健康状况等做出评估或其他处理。
具体的本发明PPG传感器信号调理电路具有以下两种实现形式：
实现形式一、所述PPG传感器信号调理电路包括接地电阻、缓冲放大器、高通滤波电路、低通滤波电路、增益放大电路，其中所述接地电阻用于将PPG传感器输出的电流信号转换为电压信号，缓冲放大器由运算放大器组成，用于阻抗匹配以及提高负载驱动能力；所述高通滤波电路用于滤除脉搏波信号中的基线噪声，由运算放大器、电阻及电容组成或单纯由电阻、电容构成；所述低通滤波电路用于滤除脉搏波信号中的高频噪声，由运算放大器、电阻及电容组成或单纯由电阻、电容构成；所述增益放大电路用于放大脉搏波信号，由运算放大器和电阻组成。。
实现形式二、所述PPG传感器信号调理电路包括动I/V转换电路、放大电路。其中所述I/V转换电路由电阻、电容与运算放大器组成，用于将PPG传感器输出的电流信号转换为电压信号，所述放大电路由电阻与运算放大器组成，用于将上述电压信号放大。
本发明上述实现方式一或二中SoC芯片还包括运算放大器，所述PPG传感器信号调理电路中的运算放大器为所述SoC芯片中的运算放大器。
进一步地，所述SoC芯片和无线通信模块还可由内部自带无线通信单元的SoC芯片代替。
进一步的，上述实现形式中提到的PPG传感器、SoC芯片、PPG传感器信号调理电路、无线通信模块均封装在人体可穿戴物品中。用户可将本发明佩戴在手腕部、手指端部、耳朵下部等。
进一步的，本发明可封装为手环、指环、耳夹等形式，其中部分实现形式，例如手环等，还包括显示模块，用于显示上述由SoC芯片得到的心率变异性指标及监测结果。
进一步的，所述穿戴式心率变异性监测设备还包括安装有应用程序APP的智能终端，用于接收无线通信模块发送过来的脉搏波数字信号，且对其进行分析计算得到心率变异性指标及监测结果，此情况下所述SoC只负责把脉搏波数字信号发送给无线通信模块。
进一步地，本发明所述SoC芯片中的微处理器或者智能终端应用程序APP对上述PPT序列进行分析计算得到的心率变异性指标包括：
(1)、时域分析指标：相邻P波峰值间隔PPT、相邻P波峰值间隔标准差SDNN、相邻P波峰值间隔均方差rMSSD、相邻P波峰值间隔之差大于50ms的个数NN50以及NN50占相邻P波峰值间隔总数的百分数pNN50；
(2)、频域分析指标：频率在0.03-0.04Hz的极低频功率VLF、频率在0.04-0.15Hz的低频功率LF、频率在0.15-0.40Hz的高频功率HF以及低频功率与高频功率的比值LF/HF。
进一步的，本发明可用于心血管疾病早期预警或者辅助心血管疾病患者康复治疗：
1)针对上述的HRV分析指标，判断心血管疾病发生的可能性，并给出预警；
2)本发明可作为辅助心血管疾病患者康复治疗的设备，通过分析各个时间段的HRV指标，实时监测心血管疾病患者情况，有助于康复治疗，同时在病情有进一步恶化的潜在可能时提前预警。
本发明提出的一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，提供了一种方便、随时随地、连续长时间监测心率变异性的解决方案。可以用于心血管疾病早期预警或者辅助心血管疾病患者康复治疗，与临床上根据心电图等专用仪器检测的方案相比，具有功耗低、体积小、成本低、量产良率高等特点。
附图说明
图1为本发明一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备的组成示意图；
图2为本发明一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备实施例1的组成示意图；
图3为本发明一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备实施例2的组成示意图；
图4为本发明一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备实施例3的组成示意图；
图5-a、5-b为本发明一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备实施例4的组成示意图；
图6-a、6-b为本发明一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备实施例5的组成示意图；
图7为本发明中LED光源控制电路的一种实施例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。
如图1所示，一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，包括PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片、无线通信模块，其中：
PPG传感器，由多个绿光LED光源和光电二极管组成，或由绿光LED与红光LED的组合光源和光电二极管组成，用于采集人体脉搏波信号；
PPG传感器信号调理电路，用于对PPG传感器输出的信号进行调理；
LED光源控制电路，用于接收所述SoC芯片输出的控制信号来控制PPG传感器中LED光源的亮度或发光频率或亮度与发光频率；
SoC芯片的内部包括含有D/A转换器、A/D转换器、运算放大器和微处理器，所述D/A转换器用于输出控制信号至LED光源控制电路，所述A/D转换器用于将经PPG传感器信号调理电路处理输出的脉搏波模拟信号转换为数字信号，所述微处理器为ARM或MCU，用于求出脉搏波数字信号相邻P波峰值之间的时间间隔PPT序列并对其进行时域与频域分析得到心率变异性指标及监测结果，或者用于把脉搏波数字信号发送给无线通信模块；
无线通信模块将上述SoC芯片得到的心率变异性指标及监测结果或脉搏波数字信号通过无线方式进行发送。
优选地，本发明中的SoC采用可编程片上系统，如Cypress公司生产的PSoC系列芯片。
实施例1：
如图2所示，其中灰色部分为Soc芯片内部资源，本实施例一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，包括PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片、无线通信模块。本实施例PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片、无线通信模块封装在可穿戴物品中，不限于手环、指环等形式。
进一步的，所述PPG传感器信号调理电路包括接地电阻、缓冲放大器、高通滤波电路、低通滤波电路、增益放大电路，其中所述接地电阻用于将PPG传感器输出的电流信号转换为电压信号，缓冲放大器由运算放大器组成，用于阻抗匹配以及提高负载驱动能力；所述高通滤波电路用于滤除脉搏波信号中的基线噪声，由运算放大器、电阻及电容组成或单纯由电阻、电容构成；所述低通滤波电路用于滤除脉搏波信号中的高频噪声，由运算放大器、电阻及电容组成或单纯由电阻、电容构成；所述增益放大电路用于放大脉搏波信号，由运算放大器和电阻组成。上述运算放大器为SoC芯片中内部自带的运算放大器。
本实施例中所述SoC芯片采用Cypress公司生产的PSoC5芯片，内部带有A/D转换器、D/A转换器、运算放大器、微处理器等，其中微处理器为ARM。其中所述A/D转换器用于将PPG传感器信号调理电路输出的脉搏波模拟信号转变为数字信号，所述D/A转换器用于输出控制信号至LED光源控制电路。
进一步的，所述SoC芯片中微处理器对获得的脉搏波数字信号进行计算得到用户的心率变异性指标及监测结果，无线通信模块将上述SoC芯片获得的心率变异性指标及监测结果或脉搏波数字信号通过无线方式进行发送。发送的的数据可以被安装有应用程序APP的智能终端、或云服务器接收，智能终端或云服务器对用户的健康状况等做出评估或其他处理。
进一步的，上述无线通信模块可以是蓝牙、WIFI、NFC、GPRS或者其他通信方式。
实施例2：
如图3所示，其中灰色部分为Soc芯片内部资源，本实施例一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，包括PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片、无线通信模块。本实施例PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片、无线通信模块均封装在可穿戴物品中，不限于手环、指环等形式。
进一步的，所述PPG传感器信号调理电路包括I/V转换电路、放大电路。其中所述I/V转换电路由电阻、电容与运算放大器组成，用于将PPG传感器输出的电流信号转换为电压信号，所述放大电路由电阻与运算放大器组成，用于将上述电压信号放大，上述运算放大器为SoC芯片中内部自带的运算放大器。
本实施例中所述SoC芯片采用Cypress公司生产的PSoC4100，内部带有A/D转换器、D/A转换器、运算放大器、微处理器，其中微处理器为ARM。
进一步的，所述A/D转换器用于将PPG传感器信号调理电路输出的脉搏波模拟信号转变为数字信号，所述D/A转换器用于输出控制信号至LED光源控制电路。
进一步的，所述微处理器对获得的脉搏波数字信号进行计算得到用户的心率变异性指标及监测结果，无线通信模块将上述SoC芯片获得的心率变异性指标及监测结果或脉搏波数字信号通过无线方式进行发送。发送的数据可以被安装有应用程序APP的智能终端、或云服务器接收，智能终端或云服务器对用户的健康状况等做出评估或其他处理。
进一步的，上述无线通信模块可以是蓝牙、WIFI、NFC、GPRS或者其他的通信方式。
实施例3：
如图4所示，其中灰色部分为Soc芯片内部资源，本实施例一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，包括PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片。本实施例PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片封装在可穿戴物品中，不限于手环、指环等形式。
本实施例中所述SoC采用了Cypress公司生产的PSoC 4XX7_BLE系列芯片，内部带有A/D与D/A转换器、运算放大器、微处理器、蓝牙模块，其中微处理器为ARM。
本实施例中，由于采用的SoC芯片本身带有无线通信模块(蓝牙模块)，因此，在实施例1或者实施例2的基础上，本实施例中不需要再提供外部的无线通信模块，可直接使用SoC内部中的蓝牙模块进行无线通信。同时，该无线通信模块还可以采用其他的蓝牙、WIFI、NFC、GPRS等通信方式，具体由采用的SoC芯片内部资源决定。
实施例4：
如图5-a所示，本实施例一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，与实施例1或者实施例2相同，组成包括PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片、无线通信模块，此外还增加了显示模块。所述显示模块同样封装在穿戴式心率变异性监测设备当中与SoC芯片连接。SoC芯片将心率变异性指标及监测结果输出至显示模块中显示。显示模块可以采用OLED/VFD/LCD/TFT等显示屏。
如图5-b所示，本实施例一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，与实施例3相同，组成包括PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片，此外还增加了显示模块。所述显示模块同样封装在穿戴式心率变异性监测设备当中与SoC芯片连接。SoC芯片将心率变异性结果输出至显示模块中显示。显示模块可以采用OLED/VFD/LCD/TFT等显示屏。
实施例5：
如图6-a所示，本实施例一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，与实施例1或者实施例2相同，组成包括PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片、无线通信模块，此外还增加了智能终端。所述智能终端用于接收本发明穿戴式心率变异性监测设备中SoC芯片通过无线通信模块发送过来的脉搏波数字信号，并对其进行计算分析后将得到的心率变异性指标及监测结果输出在智能终端的显示屏上。
如图6-b所示，本实施例一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，与实施例3相同，组成包括PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片，此外还增加了智能终端。所述智能终端用于接收本发明穿戴式心率变异性监测设备通过SoC芯片内部的无线通信单元发送过来的脉搏波数字信号，并对其进行计算分析后将得到的心率变异性指标及监测结果输出在智能终端的显示屏上。
进一步的智能终端可为安装有应用程序(APP)的智能平板或者手机。
进一步的本发明中LED光源控制电路的一个实施例如图7所示。其中SoC芯片中的微处理器通过控制GPIO口输出高低电平的方式控制LED的导通与关闭调节其发光频率，再通过控制D/A转换器的输出信号来调节LED的发光强度，以实现降低功耗或者提高LED光源的亮度。
容易理解的是，本实施例一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，还包括电源模块，用于为上述其他电路和模块供电，这里不再赘述。
进一步的上述实施例1、2、3、4中SoC芯片中的微处理器或者是实施例5中的智能终端，在得到脉搏波数字信号之后，可以计算分析得到心率变异性指标及监测结果。
在一种实施例中，进一步地，对降噪后的脉搏波信号P波峰值进行提取，并求出相邻P波峰值对应的时间间隔PPT序列。对上述计算得到的PPT序列进行时域与频域分析，得到心率变异性指标：
(1)、时域分析指标：相邻P波峰值间隔PPT、相邻P波峰值间隔标准差SDNN、相邻P波峰值间隔均方差rMSSD、相邻P波峰值间隔之差大于50ms的个数NN50以及NN50占相邻P波峰值间隔总数的百分数pNN50；
(2)、频域分析指标：频率在0.03-0.04Hz的极低频功率VLF、频率在0.04-0.15Hz的低频功率LF、频率在0.15-0.40Hz的高频功率HF以及低频功率与高频功率的比值LF/HF。
进一步的，本发明可用于心血管疾病例如心肌缺血、心率不齐、心室颤动、血管硬化等的预警或者辅助心血管疾病患者康复治疗。
在一种实施例中，本发明用于心肌缺血症状的监测：
进一步的，心肌缺血症状的监测主要包含两方面a.实时心率变异性分析结果分析；b.昼夜心率变异性分析对比。
进一步的，上述心肌缺血症状判断标准如下：
(1)时域分析指标(SDNN、RMSDNN、pNN50)在一段时间内显著降低,其中SDNN、RMSDNN下降30％，pNN50下降50％以上时判断为具有患心肌缺血症的可能；
(2)在频域分析中HF的值显著下降(30％)，且LF/HF明显增大，提示用户有心肌缺血的可能；
(3)夜间睡眠状态下的HRV分析结果与白天活动时的HRV分析结果差异小于10％时，对用户进行心肌缺血预警提示。
进一步的，本发明HRV分析结果还可以用于精神、疲劳及睡眠等的监测以及用于生物识别等领域。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，其特征在于，所述穿戴式心率变异性监测设备包括PPG传感器、PPG传感器信号调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片、无线通信模块，其中：
所述PPG传感器，由多个绿光LED光源和光电二极管组成，或由绿光LED与红光LED的组合光源和光电二极管组成，用于采集人体脉搏波信号；
所述PPG传感器信号调理电路，用于对PPG传感器输出的信号进行调理；
所述LED光源控制电路，用于接收所述SoC芯片输出的控制信号来控制PPG传感器中LED光源的亮度或发光频率或亮度与发光频率；
所述SoC芯片的内部含有D/A转换器、A/D转换器和微处理器，所述D/A转换器用于输出控制信号至LED光源控制电路，所述A/D转换器用于将经PPG传感器信号调理电路处理的人体脉搏波模拟信号转换为数字信号，所述微处理器为ARM或MCU，用于求出脉搏波数字信号相邻P波峰值之间的时间间隔PPT序列，并对其进行时域与频域分析得到心率变异性指标及监测结果，或者用于把脉搏波数字信号发送给无线通信模块；
所述无线通信模块将上述SoC芯片获得的心率变异性指标及监测结果或脉搏波数字信号通过无线方式进行发送。
2.根据权利要求1所述的基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，其特征在于，所述PPG传感器信号调理电路包括接地电阻、缓冲放大器、高通滤波电路、低通滤波电路、增益放大电路，其中所述接地电阻用于将PPG传感器输出的电流信号转换为电压信号，缓冲放大器由运算放大器组成，用于阻抗匹配以及提高负载驱动能力；所述高通滤波电路用于滤除脉搏波信号中的基线噪声，由运算放大器、电阻及电容组成或单纯由电阻、电容构成；所述低通滤波电路用于滤除脉搏波信号中的高频噪声，由运算放大器、电阻及电容组成或单纯由电阻、电容构成；所述增益放大电路用于放大脉搏波信号，由运算放大器和电阻组成。
3.根据权利要求1所述的基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，其特征在于，所述PPG传感器信号调理电路包括I/V转换电路、放大电路，其中所述I/V转换电路由电阻、电容与运算放大器组成，用于将PPG传感器输出的电流信号转换为电压信号，所述放大电路由电阻与运算放大器组成，用于将上述电压信号放大。
4.根据权利要求2或3所述的基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，其特征在于，所述SoC芯片还包括运算放大器，所述PPG传感器信号调理电路中的运算放大器为所述SoC芯片中的运算放大器。
5.根据权利要求1所述的基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，其特征在于，所述SoC芯片和无线通信模块由内部自带无线通信单元的SoC芯片代替。
6.根据权利要求1所述的基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，其特征在于，所述穿戴式心率变异性监测设备还包括显示模块，用于显示所述SoC芯片得到的心率变异性指标及监测结果。
7.根据权利要求1所述的基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，其特征在于，所述穿戴式心率变异性监测设备还包括安装有应用程序APP的智能终端，用于接收无线通信模块发送过来的脉搏波数字信号并对其进行分析计算得到心率变异性指标及监测结果，此情况下所述SoC只负责把脉搏波数字信号发送给无线通信模块。
8.根据权利要求1所述的基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，其特征在于，所述PPG传感器、PPG传感器调理电路、LED光源控制电路、SoC芯片、无线通信模块均封装在人体可穿戴物品中。
9.根据权利要求1所述的基于SoC的穿戴式心率变异性监测设备，其特征在于，所述SoC芯片中的微处理器对PPT序列进行分析计算得到的心率变异性指标包括：
(1)、时域分析指标：相邻P波峰值间隔PPT、相邻P波峰值间隔标准差SDNN、相邻P波峰值间隔均方差rMSSD、相邻P波峰值间隔之差大于50ms的个数NN50以及NN50占相邻P波峰值间隔总数的百分数pNN50；
(2)、频域分析指标：频率在0.03-0.04Hz的极低频功率VLF、频率在0.04-0.15Hz的低频功率LF、频率在0.15-0.40Hz的高频功率HF以及低频功率与高频功率的比值LF/HF。
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