CN111093486B - 生物特征检测方法、生物特征检测装置和电子装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种生物特征检测装置(103)、生物特征检测方法和电子装置。所述生物特征检测方法用来在脉冲重复周期(TPF)中,控制光源(108)向待检测对象(101)进行N次发光操作;每进行一次所述发光操作,控制光电转换器(110)相对应地进行至少2次采样操作,使在所述脉冲重复周期中,至少进行2N次所述采样操作;以及依据所述至少2N次所述采样操作采集的电信号处理得到所述待检测对象的生物特征,其中N为大于1的整数。
Description
技术领域
本申请涉及生物特征检测,尤其涉及一种应用于光电容积描记(Photoplethysmogram,PPG)生物特征检测方法、生物特征检测装置和电子装置。
背景技术
PPG系统在人体血压、血流、血氧、脑氧、肌氧、血糖、微循环外周血管脉率、呼吸率和呼吸容量等的无创检测中都有很好的应用前景。而PPG前端处理模块是这些穿戴式无创检测仪器的重要组成部分。因为受测皮肤一般为手指或手腕,PPG前端处理模块可能会接受到较大的环境光噪声,此噪声主要来自与阳光或室内日光灯,造成量测误差增加。
有鉴于此,有必要提高生物特征检测的准确度。
发明内容
本申请的目的之一在于公开一种生物特征检测方法、生物特征检测装置和电子装置来解决上述问题。
本申请的一实施例公开了一种生物特征检测方法,包括:在脉冲重复周期中,控制光源向待检测对象进行N次发光操作;每进行一次所述发光操作,控制光电转换器相对应地进行至少2次采样操作,使在所述脉冲重复周期中,至少进行2N次所述采样操作;以及依据所述至少2N次所述采样操作采集的电信号处理得到所述待检测对象的生物特征,其中N为大于1的整数。
本申请的另一实施例公开了一种生物特征检测装置,包括:控制器,包括:光源控制模块,用于在脉冲重复周期中,控制光源向待检测对象进行N次发光操作;光电转换器控制模块,用于每进行一次所述发光操作,相对应地进行至少2次采样操作,使在所述脉冲重复周期中,至少进行2N次所述采样操作;以及信号处理模块,用于依据所述至少2N次所述采样操作采集的电信号处理得到所述待检测对象的生物特征,其中N为大于1的整数。
本申请的另一实施例公开了一种电子装置,包括上述的生物特征检测装置;所述光电转换器;以及所述光源。
本申请的生物特征检测方法、生物特征检测装置和电子装置能够在相同采样间隔时间下,提高环境光抑制比,进而提高生物特征检测的准确度。
附图说明
图1是本申请的生物特征检测装置的实施例的功能方框示意图。
图2为本申请的生物特征检测装置的一般操作的示意图。
图3为本申请的生物特征检测装置的操作的第一实施例的示意图。
图4为本申请的生物特征检测装置的操作的第二实施例的示意图。
图5为包括本申请的生物特征检测装置应用在电子装置的实施例的示意图。
具体实施方式
在利用光电容积描记(Photoplethysmogram,PPG)法量测脉搏周期或心血氧时,会利用光线照射皮肤以侦测真皮与皮下组织血液灌注的容积变化量,当血液灌注的容积发生变化时,对光的吸收量也发生变化,便可从量测到的反射光强弱得知皮下血液容积描记图,以反应出心率与心血氧状态。
图1是本申请的生物特征检测装置的实施例的功能方框示意图。图1的生物特征检测装置103、光源108和光电转换器110构成了PPG系统100。生物特征检测装置103用来在特定环境下控制光源108与光电转换器110,以感测待检测对象101的生物特征,如生物的血压、血流、血氧、脑氧、肌氧、血糖、微循环外周血管脉率、呼吸率和呼吸容量等。在某些实施例中,光电转换器110用于将感测到的光线转为电信号以进行采样操作SP,光源108用来进行发光操作EP。举例来说,光电转换器110可以是光电二极管,光源108可以是LED,但本申请不以此限。
生物特征检测装置103包括驱动模块102、接收模块104与控制器106,控制器104包括光源控制模块1062、光电转换器控制模块1064以及信号处理模块1066。驱动模块102耦接于光源控制模块1062和光源108之间;接收模块104耦接于信号处理模块1066和光电转换器1101之间。当进行发光操作EP时,驱动模块102控制光源108产生入射光EL至待检测对象101并造成带有生物信息的反射光RL。当进行采样操作SP时,接收模块104控制光电转换器110传感进入光电转换器110的接收光以产生电流至接收模块104,光电转换器110接收到的所述接收光即包括带有生物信息的反射光RL,然而,若PPG系统100和待检测对象101之间具有空隙,会造成漏光并使光电转换器110接收到的所述接收光便还包括环境光AL。
控制器106的光源控制模块1062用来通过驱动模块102控制光源108进行发光操作EP;控制器106的光电转换器控制模块1064用来通过接收模块104控制光电转换器110进行采样操作SP。控制器106的信号处理模块1066用于根据采样操作SP采集的电信号处理得到待检测对象101的生物特征。
驱动模块102包括光源驱动器112,用来驱动光源108,举例来说,若光源108为LED,则光源驱动器112为LED驱动器。接收模块104包括电流电压转换器,用来将光电转换器110输出的电流转换为电压。在某些施例中,控制器106是以数字电路实现,则驱动模块102可另包括数字模拟转换器116耦接于光源驱动器112和光源控制模块1062之间;接收模块104可另包括模拟数字转换器118耦接于电流电压转换器114和信号处理模块1066之间。
对于心率或心血氧量测而言,待检测对象101一般为手指或手腕,测试系统会有较大的漏光,也就是光电转换器110会接受到较大的环境光AL,若不能有效地消除环境光AL,会造成量测误差上升。一般作法如图2所示,控制器106控制光源108每进行一次发光操作EP,光电转换器110会相对应地进行两次采样操作SP1和SP2,且发光操作EP和采样操作SP1和SP2为周期性地进行,具有周期TPF,例如周期TPF为40豪秒(即25Hz的频率)。
在发光操作EP进行时,光源108被点亮以造成发光时段,此时进行采样操作SP1,使采样操作SP1的采样时段至少部分重叠于发光操作EP的发光时段,以对反射光RL和环境光AL同时进行采样,在某些实施例中,发光操作EP的开始时间会稍早于采样操作SP1的开始时间,以确保光源108已稳定;而发光操作EP的结束时间,即关闭光源108的时间,可和采样操作SP1的结束时间相同。采样操作SP1的采样结果D1会在采样操作SP1结束后得到,并由模拟数字转换器118输出至控制器106。
接着,采样操作SP2会在光源108被关闭之后进行,换句话说,采样操作SP2的采样时段不重叠于发光操作EP的发光时段,如此一来,便可单纯地对环境光AL进行采样。此处在每一周期TPF,只对环境光AL进行采样一次,称做一阶操作。采样操作SP1和采样操作SP2的采样间隔时间为TINT,且采样操作SP1和SP2的采样时段的时间长度皆相同。采样操作SP2的采样结果D2会在采样操作SP2结束后得到,并由模拟数字转换器118输出至控制器106。控制器106将采样操作SP1和SP2的结果相减产生生物特征采样结果DR。而下一周期TPF,PPG系统100会重复发光操作EP、采样操作SP1和SP2。应注意的是,控制器106在采样操作SP1和SP2结束后皆会重置光电转换器110,以避免采样操作SP1和SP2的结果互相干扰。
环境光AL主要包含阳光(频率是直流)或室内日光灯(频率是50Hz/60Hz),因此环境光AL的频率fAL为低频信号。图2的方式所得到的环境光抑制比为:
环境光抑制比=1/(2sin(π*fAL*TINT))
环境光抑制比越大,表示PPG系统100对环境光AL的抑制能力越好。因此,采样间隔时间为TINT越小,环境光抑制比越大,但采样间隔时间越小,表示采样操作SP1和SP2的采样时段的时间长度越短,会造成采样噪声越大,形成两难的局面。在高精确度心率与心血氧量测应用中,采样时段的时间长度需求约为80微秒以上,对应的环境光抑制比为30dB以下,但在此应用所需要的环境光抑制比为50dB以上。因此,本申请提出以下的实施例来改善上述问题,简单来说,控制器106控制光源108每进行一次发光操作EP,光电转换器110相对应地进行三次以上采样操作SP1、SP2、SP3、…,即在每一周期TPF,对环境光AL进行采样两次以上,即二阶操作或更高阶操作。其细节将说明于后。
图3为本申请的生物特征检测装置的操作的第一实施例的示意图。图3和图2相同的是,每一脉冲重复周期TPF的长度不变,但在图3中,控制器106的光源控制模块1062通过驱动模块102控制光源108在每一脉冲重复周期TPF中,将发光操作EP分为N次进行(此实施例中N为2,但本申请中,N为大于1的整数即可),即发光操作EP1~EPN,使发光操作EP1~EPN的发光时段的时间长度的总和约等于发光操作EP的发光时段的时间长度,且发光操作EP1~EPN中的每一个的发光时段的时间长度均相同。更详细地说,由于每次发光操作EP、EP1~EPN启动时,都需要有一小段光源稳定时间,因此,发光操作EP、EP1~EPN的发光时段分别扣除所述光源稳定时间后,才是有效发光时段。也就是说,发光操作EP1~EPN的有效发光时段的时间长度的总和等于发光操作EP的有效发光时段的时间长度,且发光操作EP的有效发光时段为发光操作EP1~EPN中的每一个的有效发光时段的两倍长。
当光源108进行发光操作EP1~EPN时,针对每一次发光操作,控制器106的光电转换器控制模块1064都会控制光电转换器110相对应地进行2次采样操作,因此在每一脉冲重复周期TPF中,会进行2N次采样操作SP1~SP2N,且每次采样操作的采样时段的时间长度缩短为1/N。应注意的是,本实施例中,针对每一次发光操作,控制器106的光电转换器控制模块1064都会控制光电转换器110相对应地进行2次采样操作,但本申请中,针对每一次发光操作,控制器106的光电转换器控制模块1064控制光电转换器110相对应地进行2次以上的采样操作亦可,例如3次,即在每一脉冲重复周期TPF中,共会进行3N次以上的采样操作,每次采样操作的采样时段的时间长度仍缩短为1/N。
在图2中N为2的情况下,针对发光操作EP1进行采样操作SP1和SP2,以及针对发光操作EP2进行采样操作SP3和SP4,并依据采样操作SP1~SP4的结果产生生物特征采样结果DR。由于降低了每次发光操作EP的发光时段的时间长度,图3的采样操作SP1~SP4的采样时段的时间长度相较于图2的采样操作SP1和SP2也跟著降低,具体来说,采样操作SP1~SP4的采样时段的时间长度均相同,采样操作SP1~SP4的采样时段的时间长度的总和等于图2的采样操作SP1~SP2的采样时段的时间长度的总和,且图2的采样操作SP1或SP2的采样时段的时间长度为采样操作SP1、SP2、SP3或SP4的采样时段的时间长度的两倍长。
在每一脉冲重复周期TPF中,N次发光操作EP1~EPN之间具有相同的第一时间间隔,且N次发光操作EP1~EPN总共仅占每一脉冲重复周期TPF的部分时间,每一脉冲重复周期TPF中的第N次所述发光操作(即EPN)与其紧接的下一脉冲重复周期TPF中的第一次发光操作(即EP1)之间具有第二时间间隔,且所述第二时间间隔大于所述第一时间间隔。一般来说,每一脉冲重复周期TPF的长度为豪秒等级,而N次发光操作EP1~EPN共耗时几百微秒,所述第一时间间隔为微秒等级,因此发光操作EP1~EPN会在例如每一脉冲重复周期TPF的前段执行完毕,并等待下一脉冲重复周期TPF开始才会再进行发光操作EP1~EPN,且所述第二时间间隔为豪秒等级,造成所述第二时间间隔大于所述第一时间间隔。
类似地,在每一脉冲重复周期TPF中,2N次采样操作SP1~SP2N之间具有相同的第三时间间隔,且2N次采样操作SP1~SP2N总共仅占每一脉冲重复周期TPF的部分时间,每一脉冲重复周期TPF中的第2N次所述采样操作(即SP2N)与其紧接的下一脉冲重复周期TPF中的第一次采样操作(即SP1)之间具有第四时间间隔,且所述第四时间间隔大于所述第三时间间隔。一般来说,每一脉冲重复周期TPF的长度为豪秒等级,而2N次采样操作SP1~SP2N共耗时为几百微秒,所述第三时间间隔为微秒等级,因此采样操作SP1~SP2N会在例如每一脉冲重复周期TPF的前段执行完毕,并等待下一脉冲重复周期TPF开始才会再进行采样操作SP1~SP2N,且所述第四时间间隔为豪秒等级,造成所述第四时间间隔大于所述第三时间间隔。
如前所述,由于环境光抑制比为1/(2sin(π*fAL*TINT)),因此在每次采样操作的采样时段的时间长度缩短为1/N的情况下,采样间隔时间TINT也会缩小,如此便可使环境光抑制比增加,此外在每一脉冲重复周期TPF中,即是每次采样操作的采样时段的时间长度缩短为1/N,然而次数却从一次变成N次,故采样时段的时间长度的总和上保持不变,换句话说,采样噪声也保持不变。这样一来,本申请可达到在不影响采样噪声的情况下,提升环境光抑制比,解决了上述环境光抑制比和采样噪声互相两难的局面。
图3的实施例中,在发光操作EP1开始进行时,光源108被点亮以造成发光时段,此时进行采样操作SP1,使采样操作SP1的采样时段至少部分重叠于发光操作EP1的发光时段,以对反射光RL和环境光AL同时进行采样,在某些实施例中,发光操作EP1的开始时间会稍早于采样操作SP1的开始时间,以确保光源108已稳定,即所述光源稳定时间;而发光操作EP1的结束时间,即关闭光源108的时间,可和采样操作SP1的结束时间相同。采样操作SP1的采样结果D1会在采样操作SP1结束后得到,并由模拟数字转换器118输出至控制器106。
接着,采样操作SP2会在光源108被关闭之后进行,换句话说,采样操作SP2的采样时段不重叠于发光操作EP1的发光时段,以单纯地对环境光AL进行采样。采样操作SP2的采样结果D2会在采样操作SP2结束后得到,并由模拟数字转换器118输出至控制器106。
在每一脉冲重复周期TPF中,上述操作会重复N次,产生采样结果D1~D2N,控制器106的信号处理模块1066依据采样操作SP1~SP2N的采样结果D1~D2N产生生物特征采样结果DR。具体来说,生物特征采样结果DR为
{(D1-D2)+…+(D2N-1-D2N)}/N=
{(D1+D3+…+D2N-1)-(D2+D4+…+D2N)}/N,即
(N次对反射光RL和环境光AL同时进行采样的采样操作的结果总和-N次仅对环境光AL进行采样的采样操作的结果总和)/N。
在图3的实施例中,生物特征采样结果DR为{(D1+D3)-(D2+D4)}/2。
应注意的是,控制器106的光电转换器控制模块1064在采样操作SP1~SP2N结束后皆会重置光电转换器110,以避免采样操作SP1~SP2N的结果互相干扰。和图2的方式相比,在采样噪声不变的情况下,本申请的PPG系统100具有较高的环境光抑制比,例如在高精确度心率与心血氧量测应用中,对应的环境光抑制比可从30dB提升至42dB。而每一脉冲重复周期TPF的发光时段的时间长度仅增加约20%。因此可以在不增加太多功耗,且不牺牲采样噪声的情况下,提升环境光抑制比。
图4为本申请的生物特征检测装置的操作的第二实施例的示意图。图4的实施例中,采样操作SP1会在光源108被点亮之前进行,换句话说,采样操作SP1的采样时段不重叠于发光操作EP1的发光时段,以单纯地对环境光AL进行采样。采样操作SP1的采样结果D1会在采样操作SP1结束后得到,并由模拟数字转换器118输出至控制器106。
接着,在发光操作EP1开始进行时,光源108被点亮以造成发光时段,此时进行采样操作SP2,使采样操作SP2的采样时段至少部分重叠于发光操作EP1的发光时段,以对反射光RL和环境光AL同时进行采样,在某些实施例中,发光操作EP1的开始时间会稍早于采样操作SP2的开始时间,以确保光源108已稳定,即所述光源稳定时间;而发光操作EP1的结束时间,即关闭光源108的时间,可和采样操作SP2的结束时间相同。采样操作SP2的采样结果D2会在采样操作SP2结束后得到,并由模拟数字转换器118输出至控制器106。
在每一脉冲重复周期TPF中,上述操作会重复N次(图4中N为2),产生采样结果D1~D2N,控制器106的信号处理模块1066依据采样操作SP1~SP2N的采样结果D1~D2N产生生物特征采样结果DR。具体来说,生物特征采样结果DR为
{(D2-D1)+…+(D2N-D2N-1)}/N=
{(D2+D4+…+D2N)-(D1+D3+…+D2N-1)}/N,即
(N次对反射光RL和环境光AL同时进行采样的采样操作的结果总和-N次仅对环境光AL进行采样的采样操作的结果总和)/N。
在图4的实施例中,生物特征采样结果DR为{(D1+D3)-(D2+D4)}/2。
本申请的生物特征检测装置103可以用芯片实现,该芯片可以是不同工艺实现的半导体芯片,且光电转换器110和光源108皆设置于生物特征检测装置所在的芯片之外。但本申请不以此限,在某些实施例中,光电转换器110及/或光源108亦可设置于生物特征检测装置所在的芯片中。
图5为包括本申请的生物特征检测装置用在电子装置50的实施例的示意图。参照图5,电子装置50包括PPG系统100,PPG系统100包括生物特征检测装置103、光源108和光电转换器110。电子装置50可为穿戴式电子装置,例如手表、项鍊或其他任何智能穿戴设备。电子装置50亦可为手持式电子装置,例如智能型手机、个人数字助理、手持式计算机系统或平板计算机等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,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。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种生物特征检测方法,包括:
在脉冲重复周期中,控制光源向待检测对象进行N次发光操作;
每进行一次所述发光操作,控制光电转换器相对应地进行至少2次采样操作,使在所述脉冲重复周期中,至少进行2N次所述采样操作;以及
依据所述至少2N次所述采样操作采集的电信号处理得到所述待检测对象的生物特征,其中N为大于1的整数;
其中在所述脉冲重复周期中,N次所述发光操作中相邻的发光操作之间均具有相同的第一时间间隔;
其中N次所述发光操作总共仅占所述脉冲重复周期的部分时间,且连续的两个所述脉冲重复周期中,前一所述脉冲重复周期的最后一次所述发光操作与后一所述脉冲重复周期的第一次所述发光操作之间具有第二时间间隔,且所述第二时间间隔大于所述第一时间间隔;
其中在所述脉冲重复周期中,至少2N次所述采样操作之间均具有相同的第三时间间隔;以及
其中至少2N次所述采样操作总共仅占所述脉冲重复周期的部分时间,且连续的两个所述脉冲重复周期中,前一所述脉冲重复周期的最后一次所述采样操作与后一所述脉冲重复周期的第一次所述采样操作之间具有第四时间间隔,且所述第四时间间隔大于所述第三时间间隔。
2.如权利要求1所述的生物特征检测方法,另包括:
重复所述脉冲重复周期以周期性地得到所述待检测对象的生物特征。
3.如权利要求1所述的生物特征检测方法,其中在所述脉冲重复周期中,每一所述发光操作的发光时段的时间长度均相同,每一所述采样操作的采样时段的时间长度均相同。
4.如权利要求2所述的生物特征检测方法,其中每进行一次所述发光操作,对应地进行的至少2次所述采样操作的其中一次采样操作为第一采样操作,所述第一采样操作的采样时段至少部分重叠于所述发光操作的发光时段,在所述脉冲重复周期中,共有N次所述第一采样操作。
5.如权利要求4所述的生物特征检测方法,其中每进行一次所述发光操作,对应地进行的至少2次所述采样操作中,所述第一采样操作以外的至少1次所述采样操作为第二采样操作,所述至少1次第二采样操作的采样时段皆不重叠于所述发光操作的发光时段。
6.如权利要求5所述的生物特征检测方法,其中每进行一次所述发光操作,控制光电转换器相对应地进行至少2次采样操作包括:
每进行一次所述发光操作,控制光电转换器相对应地进行1次所述第一采样操作以及1次所述第二采样操作,使在所述脉冲重复周期中,所述光电转换器控制模块共进行N次所述第一采样操作以及N次所述第二采样操作;以及
依据所述至少2N次所述采样操作采集的所述电信号处理得到所述待检测对象的所述生物特征为:
(N次所述第一采样操作的结果总和-N次所述第二采样操作的结果总和)/N。
7.一种生物特征检测装置,包括:
控制器,包括:
光源控制模块,用于在脉冲重复周期中,控制光源向待检测对象进行N次发光操作;
光电转换器控制模块,用于每进行一次所述发光操作,相对应地进行至少2次采样操作,使在所述脉冲重复周期中,至少进行2N次所述采样操作;以及
信号处理模块,用于依据所述至少2N次所述采样操作采集的电信号处理得到所述待检测对象的生物特征,其中N为大于1的整数;
其中在所述脉冲重复周期中,所述光源控制模块控制N次所述发光操作中相邻的发光操作之间均具有相同的第一时间间隔;
其中所述光源控制模块控制N次所述发光操作总共仅占所述脉冲重复周期的部分时间,且连续的两个所述脉冲重复周期中,前一所述脉冲重复周期的最后一所述发光操作与后一所述脉冲重复周期的第一次所述发光操作之间具有第二时间间隔,且所述第二时间间隔大于所述第一时间间隔;
其中在所述脉冲重复周期中,所述光电转换器控制模块控制至少2N次所述采样操作之间均具有相同的第三时间间隔;以及
其中所述光电转换器控制模块控制至少2N次所述采样操作总共仅占所述脉冲重复周期的部分时间,且连续的两个所述脉冲重复周期中,前一所述脉冲重复周期的最后一次所述采样操作与后一所述脉冲重复周期的第一次所述采样操作之间具有第四时间间隔,且所述第四时间间隔大于所述第三时间间隔。
8.如权利要求7所述的生物特征检测装置,其中所述控制器重复所述脉冲重复周期以周期性地得到所述待检测对象的生物特征。
9.如权利要求7所述的生物特征检测装置,其中在所述脉冲重复周期中,所述光源控制模块控制每一所述发光操作的发光时段的时间长度均相同,所述光电转换器控制模块控制每一所述采样操作的采样时段的时间长度均相同。
10.如权利要求8所述的生物特征检测装置,其中每进行一次所述发光操作,对应地进行的至少2次所述采样操作的其中一次采样操作为第一采样操作,所述光电转换器控制模块控制所述第一采样操作的采样时段至少部分重叠于所述发光操作的发光时段,在所述脉冲重复周期中,共有N次所述第一采样操作。
11.如权利要求10所述的生物特征检测装置,其中每进行一次所述发光操作,对应地进行的至少2次所述采样操作中,所述第一采样操作以外的至少1次所述采样操作为第二采样操作,所述光电转换器控制模块控制所述至少1次第二采样操作的采样时段皆不重叠于所述发光操作的发光时段。
12.如权利要求11所述的生物特征检测装置,其中每进行一次所述发光操作,所述光电转换器控制模块相对应地进行1次所述第一采样操作以及1次所述第二采样操作,使在所述脉冲重复周期中,所述光电转换器控制模块共进行N次所述第一采样操作以及N次所述第二采样操作;以及所述信号处理模块依据所述2N次所述采样操作采集的所述电信号处理得到所述待检测对象的生物特征为:
(N次所述第一采样操作的结果总和-N次所述第二采样操作的结果总和)/N。
13.如权利要求7所述的生物特征检测装置,另包括驱动模块,耦接于所述光源控制模块和所述光源之间,其中所述驱动模块包括:
光源驱动器,用来驱动所述光源;以及
数字模拟转换器,耦接于所述光源驱动器和所述光源控制模块之间。
14.如权利要求7所述的生物特征检测装置,另包括接收模块,耦接于所述信号处理模块和所述光电转换器控制模块之间,其中所述接收模块包括:
电流电压转换器,用来将所述电信号由电流形式转换为电压形式;以及
模拟数字转换器,耦接于所述电流电压转换器和所述光电转换器控制模块之间。
15.一种电子装置,包括:
如权利要求7-14中任一项所述的生物特征检测装置;
所述光电转换器控制模块;以及
所述光源。
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