CN109044315A - 一种运动心率检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运动心率检测装置，包括：信号光发射模块，用于发射可被人体血液吸收的信号光；参考光发射模块，用于发射人体血液吸收率低于预设最低阈值的参考光；光电传感模块，用于同步采集并处理信号光发射模块和参考光发射模块反射回来的光信号，获取信号光反射信号和参考光反射信号；信号处理模块，用于根据光电传感模块获取的信号光反射信号和参考光反射信号，滤除运动伪差，获取用户的运动心率。此外，本发明还公开了一种运动心率检测方法。本发明能够有效采集PPG信号，并能够辅助抑制运动伪差，最终实现心率信号的提取。
Description
技术领域
本发明涉及心率检测领域，尤其涉及一种运动心率检测装置及方法。
背景技术
光电容积脉搏波描记法(PPG)常常被用于计算心率，特别是运动心率。
当光照射到皮肤表面以后，一部分光被皮肤和身体吸收，一部分被血液吸收，剩余的被反射回来。其中被血液吸收的部分呈周期性变化，变化周期反映的即是心率。
而运动会带来设备与皮肤的距离以及贴合程度的变化，从而影响反射回来的光强。因此，运动状态下，光电(PPG)信号通常带有很强的运动伪差。运动伪差通常较脉搏波更强，从而淹没了心率信息。
现有的运动心率检测技术中，采用了加速度传感器，用以辅助去除运动伪差。但是加速度与运动伪差之间并非强相关，二者存在很大程度上的不一致性。例如当设备被很好地贴合在皮肤表面并受到较强的束缚时，运动不一定带来相应的运动伪差。又例如，当设备被弹性物质束缚在皮肤表面时，由于弹性物质的应力，设备的运动轨迹和方向可能和人体的运动方向不一致，也可能存在时间上的不同步。这时候，带有加速度传感器的装置并不能很好地去除运动干扰，并正确计算心率值。
另外在设备上，加速度传感器数据通常不止被用于心率计算，还需要被用作计步、运动姿态判定等其他用途，需要的采样率往往与光电传感器不相同，两者的同步性难以保证。
因此，需要一种装置，能够获取直接的运动干扰信息，从而更好地计算运动心率。
发明内容
本发明提供一种运动心率检测装置，用以解决现有技术中运动伪差造成心率信息不准确的技术问题，通过直接获取运动干扰信息，抑制运动伪差，从而获取准确的运动心率。具体的，本发明的技术方法如下：
一方面，本发明公开了一种运动心率检测装置，包括：信号光发射模块，用于发射可被人体血液吸收的信号光；参考光发射模块，用于发射人体血液吸收率低于预设最低阈值的参考光；光电传感模块，用于同步采集并处理所述信号光发射模块和参考光发射模块反射回来的光信号，获取信号光反射信号和参考光反射信号；信号处理模块，用于根据所述光电传感模块获取的信号光反射信号和参考光反射信号，滤除运动伪差，获取用户的运动心率。
优选地，所述信号光发射模块包括：至少一个红外光LED和/或至少一个绿光LED；所述参考光发射模块包括：至少一个红光LED。
优选地，所述光电传感模块包括：控制子模块，用于控制所述信号光发射模块和参考光发射模块的发射；接收子模块，用于同步接收所述信号光发射模块反射回来的信号光和参考光发射模块反射回来的参考光；光电转换子模块，用于将所述反射回来的信号光和参考光转变为相应的电信号，获得信号光反射电信号和参考光反射电信号。
优选地，所述信号处理模块包括：模数转换子模块，用于将所述光电传感器获取的信号光反射电信号和参考光反射电信号进行模数转换，获取信号光反射数字信号和参考光反射数字信号；去干扰子模块，用于在时域上或频域上求取所述信号光反射数字信号与参考光反射数字信号的差来滤除运动伪差，获得脉搏波信号；心率提取子模块，用于从所述脉搏波信号中提取心率信息，获得用户的运动心率。
优选地，所述的运动心率检测装置还包括：显示模块，用于显示所述信号处理模块获取的用户的运动心率；提醒模块，用于当所述信号处理模块获取的用户的运动心率超过预设心率值时，向用户发出提醒信息。
另一方面，本发明还公开了一种运动心率检测方法，包括：向用户身体的同一位置发射可被人体血液吸收的信号光及人体血液吸收率低于预设最低阈值的参考光；同步采集并处理所述信号光和所述参考光反射回来的光信号，获取信号光反射信号和参考光反射信号；根据所述信号光反射信号和参考光反射信号，滤除运动伪差，获取用户的运动心率。
优选地，所述信号光为红外光或者绿光；所述参考光为红光。
优选地，所述同步采集并处理所述信号光和所述参考光反射回来的光信号，获取信号光反射信号和参考光反射信号包括：
同步接收所述信号光反射回来的光信号和所述参考光反射回来的光信号；
将所述信号光反射回来的光信号和所述参考光反射回来的光信号转变为相应的电信号，获得信号光反射电信号和参考光反射电信号。
优选地，所述根据所述信号光反射信号和参考光反射信号，滤除运动伪差，获取用户的运动心率包括：将所述信号光反射电信号和参考光反射电信号进行模数转换，获取信号光反射数字信号和参考光反射数字信号；在时域上或频域上求取所述信号光反射数字信号与参考光反射数字信号的差来滤除运动伪差，获得脉搏波信号；从所述脉搏波信号中提取心率信息，获得用户的运动心率。
优选地，在获取用户的运动心率之后还包括：显示所述用户的运动心率；当获取的用户的运动心率超过预设心率值时，向用户发出提醒信息。
本发明至少具备以下一项有益效果：
(1)本发明中，信号光发射的光信号可以被人体血液吸收，而参考光发射出的光信号则被人体血液吸收很低，因此，将参考光反射回来的信号作为干扰信号，干扰源更直接，与信号光反射回来的信号中的运动伪差有更好的吻合度，比起使用加速度传感器，运动干扰信号的参考信号来得更直接，与信号光中的运动干扰有强相关。通过采集运动时参考光反射回来的信号作为干扰信号，从而抑制运动时的信号光反射回来的信号中的运动伪差，使得能够有效保留脉搏波信号不受影响，提高了运动心率检测的准确率。
(2)参考光的采集机制与信号光完全相同，两者通过相同的装置--光电传感模块控制，同步性能够很好地保证。
(3)在信号处理过程中，参考光反射信号可以使用与信号光反射信号采用相同的办法处理，不需要更复杂的预处理，计算效率提高。且通过将信号光反射信号与参考光反射信号进行相减等处理，获得脉搏波信号，然后对其进行处理提取，从而能够获得较好的运动心率信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明运动心率检测装置实施例的框图；
图2为本发明运动心率检测装置另一实施例的框图；
图3为本发明运动心率检测装置进行心率检测示意图；
图4为本发明运动心率检测装置进行心率检测后的检测结果示意图；
图5为本发明运动心率检测方法的实施例的流程图；
图6为本发明运动心率检测方法的另一实施例的流程图；
图7为本发明运动心率检测方法的另一实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种运动心率检测装置，实施例如图1所示，包括：信号光发射模块10，用于发射可被人体血液吸收的信号光；参考光发射模块20，用于发射人体血液吸收率低于预设最低阈值的参考光；光电传感模块30，用于同步采集并处理所述信号光发射模块10和参考光发射模块20反射回来的光信号，获取信号光反射信号和参考光反射信号；信号处理模块40，用于根据所述光电传感模块30获取的信号光反射信号和参考光反射信号，滤除运动伪差，获取用户的运动心率。
本实施例中，信号光发射模块10发射的信号光可以被人体血液吸收，较佳的，信号光发射模块发射的信号光被人体血液吸收的吸收率高于预设的最高阈值；信号光发射模块发射的信号光反射回来的光信号包含有脉搏波信号，当然，也含有运动伪差等干扰信号；而参考光发射模块20发射的参考光由于被血液吸收的吸收率低于预设的阈值，阈值设置得越低，则说明参考光被血液吸收得很少或者基本上不被人体血液吸收，那么其反射回来的光信号则主要是由运动伪差等组成的干扰信号。同步采集到信号光反射回来的光辛哈和参考光反射回来的光信号后，便可以进行相应的处理，去除运动伪差等干扰信号，从而便于获得准确的运动心率。
较佳的，为了使得信号光反射回来的光信号中包含的干扰信号和参考光发射回来的光信号中的干扰信号基本一致，信号光发射模块10一般与参考光发射模块20设置在一起或者距离非常接近，以便可以使得发射的信号光和参考光照射在用户的同一位置的皮肤上。
本发明装置的另一实施例，如图2所示，在上述实施例的基础上，所述信号光发射模块10包括：至少一个信号光LED，所述信号光LED为红外光LED 11、绿光LED 12之中任意一种或两种的组合。绿光或红外光能被毛细血管中的血液吸收，因此，绿光或者红外观可用做信号光，尤其是绿光被更多地采用，因为血红蛋白对绿光的吸收最强，反映在PPG信号上脉搏波最明显。
较佳的，信号发射模块包括检测转换器、至少一个绿光LED和至少一个红外光LED；将绿光LED和红外光LED组合的方式构成信号光发射模块10。由于绿光作为光源得到的信号更好，信噪比也比其他光源好些，所以一般情况下可以采用绿光为光源，也就是通过绿光LED来发射信号光。但是考虑到皮肤情况的不同(肤色、汗水)，比如高温环境下，或比如用户正在健身房里挥汗如雨时，皮肤表面水分增加，由于更多绿光已经被吸收掉，要检测皮下反射的绿光就比较困难，这时通过检测转换器检测到用户出汗情况或温度高于预设温度时，就转换到启用红外光LED来发射信号光。
较佳的，所述参考光发射模块20包括：至少一个参考光LED，所述参考光LED为红光LED 21。由于参考光(红光)几乎不被血液吸收(血液呈红色主要是由于对红光吸收率很低)，因此参考光(红光)反射回来的光信号反映的更多是运动信息。在这一点上，参考光与信号光有很强的一致性，也就是说信号光反射回来的光信号中除了包含有心率相关信息外也同样包含了运动信息。
上述任一实施例中，如图2所示，所述光电传感模块30包括：控制子模块31，用于控制所述信号光发射模块10和参考光发射模块20的发射；接收子模块32，用于同步接收所述信号光发射模块10反射回来的信号光和参考光发射模块20反射回来的参考光；光电转换子模块33，用于将所述反射回来的信号光和参考光转变为相应的电信号，获得信号光反射电信号和参考光反射电信号。
较佳的，所述信号处理模块40包括：模数转换子模块41，用于将所述光电传感器获取的信号光反射电信号和参考光反射电信号进行模数转换，获取信号光反射数字信号和参考光反射数字信号；去干扰子模块42，用于在时域上或频域上求取所述信号光反射数字信号与参考光反射数字信号的差来滤除运动伪差，获得脉搏波信号；心率提取子模块43，用于从所述脉搏波信号中提取心率信息，获得用户的运动心率。
本实施例中，当需要检测用户的运动心率时，用户戴上本发明的运动心率检测装置运动时，光电传感模块30的控制子模块31接收到检测运动心率的指令后，便会控制信号光发射模块10发射信号光，同时控制参考光发射模块20发射参考光；信号光和参考光发射到用户的同一位置皮肤处，然后再通过光电传感模块30的接收子模块32接收信号光和参考光反射回来的光信号。信号光由于可以被血液吸收，因此，信号光反射回来的光信号包含了脉搏波信号和干扰信号(主要是运动伪差)；而参考光由于被血液吸收的吸收率很低，基本不会被血液吸收，因此，参考光反射回来的光信号主要是干扰信号(主要是运动伪差)。光电传感模块30的光电转换子模块33则将接收子模块32接收到的信号光反射回来的光信号以及参考光反射回来的光信号均转变为相应的电信号，再将转换后的参考光反射电信号和信号光反射电信号传输给信号处理模块40进行相应的处理。
信号处理模块40的模数转换子模块41接收到信号光反射电信号和参考光反射电信号后，对其进行AD转换，将信号光反射电信号转换为信号光反射数字信号和参考光反射数字信号；然后去干扰子模块42则将信号光反射数字信号减去参考光发射数字信号，从而滤除运动伪差，获得较为纯净的脉搏波信号；这一去干扰过程可以在频域上进行，也可以在时域上进行。获得脉搏波信号后，则通过心率提取子模块43从所述脉搏波信号中提取心率信息，获得用户的运动心率。该运动心率由于已去除了运动伪差等干扰因素，因此，更能真实的反映出用户当前的运动心率。
本发明装置的另一实施例，该运动心率检测装置包括一个或多个信号光LED(可用绿光LED，也可以用红外光LED替代)、一个或多个参考光LED(红光LED)、一个或多个光电传感器、与光电传感器数量配套的模拟前端以及一个处理数据的处理器。具体的，本实例所述运动心率检测装置被配置为一路信号光LED(绿光或红外光)、一路参考光LED(红光)、一路光电传感器(PD)、一个模拟前端及一个数据处理器。信号光、参考光及光电传感器均可根据需要增加。本实施例的运动心率检测装置检测运动心率的示意图如图3所示。
信号光LED与参考光LED被要求距离接近，使得两者放出的光照射在同一块皮肤上。由于参考光(红光)几乎不被血液吸收(血液呈红色主要是由于对红光吸收率很低)，因此参考光(红光)反映的更多是运动信息。在这一点上，参考光与信号光有很强的一致性。
光电传感器也需要离信号光LED与参考光LED较为接近，以便能同时接受到两者的反射光。光电传感器的控制时序需要被配置为在极短时间内分别点亮信号光LED与参考光LED并分别采集数据，以保证数据同步性。光电传感器接收到信号光和参考光反射回来的光信号后便将其进行光电转换，变成相应的电信号。
模拟前端接收到光电传感器传输的信号光和参考光反射的电信号后，进行模数转换，获得相应的数字信号。
然后模拟前端将反射回来的信号光和参考光两路电信号传输至数据处理器，通过将反射回来的信号光LED与参考光LED求差的方法，能够从信号光通道的数据中去除运动伪差，从而获得运动状态下的心率。这样的处理可以在时域上进行，也可以在频域上进行。
图4为信号光反射回来的信号与参考光反射回来的信号相减效果的示意图，从图4中可以看出，反射回来的信号光和参考光之间有一定差异，但是在大趋势和一些局部的运动伪差非常相似。两者相减后形成的信号可以看出明显的脉搏波，可用于心率信息的提取。
本发明装置的另一实施例，在上述任一实施例的基础上，如图2所示，所述的运动心率检测装置还包括：显示模块50，用于显示所述信号处理模块40获取的用户的运动心率；提醒模块60，用于当所述信号处理模块40获取的用户的运动心率超过预设心率值时，向用户发出提醒信息。
显示模块将用户的运动心率进行实时显示，便于用户及时了解当前的心率状态。此外，提醒模块则会随时监控用户的运动心率，一旦用户的运动心率超出预设的阈值，则会发出提醒警报，便于提醒用户减缓运动量，谨防运动量过大引起身体不适。提醒模块的设置使得运动心率检测装置更为贴心智能，提高了用户的体验度。较佳的，提醒模块还可以用于监测到用户心率异常的情况下向预设的移动终端发送异常提醒，便于在心率异常突发状况下，及时通知用户的亲友，便于及时知晓并进行相应的救助措施。
基于相同的技术构思，本发明还公开了一种运动心率检测方法，本发明的运动心率检测装置可以采用本发明的运动心率检测方法来检测用户的运动心率，具体的，本发明的运动心率检测方法实施例如图5所示，包括：
S101向用户身体的同一位置发射可被人体血液吸收的信号光及人体血液吸收率低于预设最低阈值的参考光；
S102同步采集并处理所述信号光和所述参考光反射回来的光信号，获取信号光反射信号和参考光反射信号；
S103根据所述信号光反射信号和参考光反射信号，滤除运动伪差，获取用户的运动心率。
本实施例中，信号光由于可以被人体血液吸收，因此，其反射回来的信号光反射信号包含了用于提取心率信息的脉搏波信号，当然也包含有干扰信号(人体运动状态下主要干扰信号为运动伪差)；而参考光，由于其被血液吸收的吸收率低于预设最低阈值，一般阈值设置的合理，比较小的话，那么，参考光也就是采用被血液吸收率低或基本不被血液吸收的光，由于参考光被血液吸收得很少，那么其反射回来的反射参考光信号更多反应的是干扰信号，而人运动情况下，其实主要反应的就是运动伪差，在采集到信号光反射信号和参考光反射信号后只需做相应处理，便可滤除掉运动伪差，从而获得较为准确的运动心率。本方案实施简单，可操作性强，成本低而准确率高，易于实现。
较佳的，上述实施例中的所述信号光为红外光或者绿光；所述参考光为红光。
绿光或红外光能被毛细血管中的血液吸收，因此可以作为信号光，其反射回来的光信号中包含了脉搏信号。较佳的，通过对用户出汗量或温度的检测，自行切换绿光或者红外光作为信号光。具体的，一般情况下可以采用绿光为光源，也就是通过绿光LED来发射信号光。但是考虑到皮肤情况的不同，比如高温环境下，或比如用户正在健身房里挥汗如雨时，皮肤表面水分增加，由于更多绿光已经被吸收掉，要检测皮下反射的绿光就比较困难，这时通过检测到用户出汗量超过预设量值或温度高于预设温度时，就转换到采用红外光作为信号光。根据用户皮肤情况的不同自行选取合适的信号光，从而提高了心率检测的准确率。
参考光一般选用血液对其吸收较少的光作为参考光。血液呈红色，一般对红光的吸收率较低，因此可以选用红光作为参考光，这样接收到的红外反射回来的光信号反映更多的是运动信息等干扰信息。
本发明方法的另一实施例，如图6所示，包括：
S201向用户身体的同一位置发射可被人体血液吸收的信号光及人体血液吸收率低于预设最低阈值的参考光；
S202同步接收所述信号光反射回来的光信号和所述参考光反射回来的光信号；
S203将所述信号光反射回来的光信号和所述参考光反射回来的光信号转变为相应的电信号，获得信号光反射电信号和参考光反射电信号；
S204将所述信号光反射电信号和参考光反射电信号进行模数转换，获取信号光反射数字信号和参考光反射数字信号；
S205在时域上或频域上求取所述信号光反射数字信号与参考光反射数字信号的差来滤除运动伪差，获得脉搏波信号；
S206从所述脉搏波信号中提取心率信息，获得用户的运动心率。
本实施例中，同步接收到信号光发射光和参考光反射光后，需要对其进行光电转换处理，转变为相应的电信号，然后再进行模数转换，转变为相应的数字信号，最后在时域或者频域上通过求取信号光反射数字信号和参考光反射数字信号的差来滤除运动伪差，获得脉搏波信号，从而从所述脉搏波信号中提取心率信息，获得用户的运动心率。
本发明方法的另一实施例，在上述任一实施例的基础上，增加输出显示和提醒步骤，具体的，如图7所示，包括：
S301向用户身体的同一位置发射可被人体血液吸收的信号光及人体血液吸收率低于预设最低阈值的参考光；
S302同步采集并处理所述信号光和所述参考光反射回来的光信号，获取信号光反射信号和参考光反射信号；
S303根据所述信号光反射信号和参考光反射信号，滤除运动伪差，获取用户的运动心率
S304显示所述用户的运动心率；
S305当获取的用户的运动心率超过预设心率值时，向用户发出提醒信息。
本实施例获取到用户的运动心率之后，还会将用户的运动心率进行实时显示，便于用户及时了解当前的心率状态。此外，还会随时监控用户的运动心率，一旦用户的运动心率超出预设的阈值，则会发出提醒警报，便于提醒用户减缓运动量，谨防运动量过大引起身体不适。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种运动心率检测装置，其特征在于，包括：
信号光发射模块，用于发射可被人体血液吸收的信号光；
参考光发射模块，用于发射人体血液吸收率低于预设最低阈值的参考光；
光电传感模块，用于同步采集并处理所述信号光发射模块和参考光发射模块反射回来的光信号，获取信号光反射信号和参考光反射信号；
信号处理模块，用于根据所述光电传感模块获取的信号光反射信号和参考光反射信号，滤除运动伪差，获取用户的运动心率。
2.根据权利要求1所述的一种运动心率检测装置，其特征在于，
所述信号光发射模块包括：至少一个红外光LED和/或至少一个绿光LED；
所述参考光发射模块包括：至少一个红光LED。
3.根据权利要求1所述的一种运动心率检测装置，其特征在于，所述光电传感模块包括：
控制子模块，用于控制所述信号光发射模块和参考光发射模块的发射；
接收子模块，用于同步接收所述信号光发射模块反射回来的信号光和参考光发射模块反射回来的参考光；
光电转换子模块，用于将所述反射回来的信号光和参考光转变为相应的电信号，获得信号光反射电信号和参考光反射电信号。
4.根据权利要求3所述的一种运动心率检测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括：
模数转换子模块，用于将所述光电传感器获取的信号光反射电信号和参考光反射电信号进行模数转换，获取信号光反射数字信号和参考光反射数字信号；
去干扰子模块，用于在时域上或频域上求取所述信号光反射数字信号与参考光反射数字信号的差来滤除运动伪差，获得脉搏波信号；
心率提取子模块，用于从所述脉搏波信号中提取心率信息，获得用户的运动心率。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种运动心率检测装置，其特征在于，还包括：
显示模块，用于显示所述信号处理模块获取的用户的运动心率；
提醒模块，用于当所述信号处理模块获取的用户的运动心率超过预设心率值时，向用户发出提醒信息。
6.一种运动心率检测方法，其特征在于，包括：
向用户身体的同一位置发射可被人体血液吸收的信号光及人体血液吸收率低于预设最低阈值的参考光；
同步采集并处理所述信号光和所述参考光反射回来的光信号，获取信号光反射信号和参考光反射信号；
根据所述信号光反射信号和参考光反射信号，滤除运动伪差，获取用户的运动心率。
7.根据权利要求6所述的一种运动心率检测方法，其特征在于，所述信号光为红外光或者绿光；所述参考光为红光。
8.根据权利要求6所述的一种运动心率检测方法，其特征在于，所述同步采集并处理所述信号光和所述参考光反射回来的光信号，获取信号光反射信号和参考光反射信号包括：
同步接收所述信号光反射回来的光信号和所述参考光反射回来的光信号；
将所述信号光反射回来的光信号和所述参考光反射回来的光信号转变为相应的电信号，获得信号光反射电信号和参考光反射电信号。
9.根据权利要求8所述的一种运动心率检测方法，其特征在于，所述根据所述信号光反射信号和参考光反射信号，滤除运动伪差，获取用户的运动心率包括：
将所述信号光反射电信号和参考光反射电信号进行模数转换，获取信号光反射数字信号和参考光反射数字信号；
在时域上或频域上求取所述信号光反射数字信号与参考光反射数字信号的差来滤除运动伪差，获得脉搏波信号；
从所述脉搏波信号中提取心率信息，获得用户的运动心率。
10.根据权利要求6-9任一项所述的一种运动心率检测方法，其特征在于，在获取用户的运动心率之后还包括：
显示所述用户的运动心率；
当获取的用户的运动心率超过预设心率值时，向用户发出提醒信息。
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- 2018-07-05 CN CN201810730046.7A patent/CN109044315A/zh active Pending
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