CN111262009A - 一种天线及植入式医疗装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天线及一种借助天线进行无线通信的植入医疗装置，所述医疗设备包含:设备外壳、混合电路、天线以及馈通组件，所述天线设计为立体三维的形状，程度增加了天线的辐射口径，减小了天线的二维面积，通过耦合将导电壳体变为部分辐射部件，提高了能量传输效率和数据的传输距离。

Description

一种天线及植入式医疗装置
技术领域
本发明涉及一种天线，该天线能够被封装于植入式医疗装置，通过馈通组件与植入式医疗装置的混合电路连接，实现植入式医疗装置和体外远程设备的远场通信，适用于医疗器械和临床领域。
背景技术
植入式医疗设备(植入体)普遍存在提供诊断或治疗能力。植入式心脏除颤器(ICD)、植入式心脏监视器(ICM)、植入式心脏起搏器(CardiacPacemaker)、无导线植入心脏起搏器、皮下式植入心脏除颤器(SICD)以及各种组织、器官和神经刺激器或传感器等三类有源植入产品，一般需要医生或专业人员用体外程控仪与植入体刺激器之间实现无线通讯，完成数据传输，植入体软件升级，紧急停止等可能的功能。本发明目的是解决无线通讯的效率和通讯质量，提高无线传输效率，避免出现通讯不畅或失败。
传统的通讯方式通过电感近场耦合的方式，在几厘米的距离下进行无线通讯，这种方式的缺点是：通讯距离太近，使用方式受限且数据率较低，数据率一般在数千或数十千比特。
随着技术的进步，植入体电路与体外程控仪和其他遥控设备的远程通讯变得可能，并且越来越普遍的应用在设备控制，数据传输，和实时监控等方面，植入体与体外设备能够在数米的距离下进行通讯。作为通讯的硬件基础之一，植入式天线被放置在壳体外的连接头内，这样可以保证天线辐射的能量不被金属壳体吸收，并最大限度地被传导出去。
随着电路和结构愈发的集成化和小型化，天线的物理空间受到限制。一般来说，通讯距离与天线的辐射效率/增益，发射端天线的发射功率，接收端天线的灵敏度有关。天线的效率/增益与天线的大小存在正相关。为了最大程度的增加天线效率，增加最大传输距离，设计人员提出了各种方案。例如，修改通讯频率和解码方式，使得在相同硬件条件下系统对信号有更好的敏感度；或者尝试设计方向性更好的天线，以期待在某一方向上达到较好的效率；或者增加匹配网络以达到更小的回波损耗和更好的辐射效率，在特定频率下可以实现更远的传输距离。这些方法通常是不可取的，因为他们要么在实际情况中偏离了植入体在法规中所允许的通讯频段，要么在手术过程中需要额外的要求，要么在变化的环境中很难保持通讯的稳定性，并且增加所需要使用的器件。
一般来说，为了达到较理想的天线效率，天线的总长需要至少四分之一至二分之一个波长。天线长度的减小会降低天线的辐射阻抗，从而使天线和源端的匹配以及和空气阻抗的耦合变得更加困难，从而显著降低天线效率。本示例提出了一种增加天线有效辐射效率的方案，该天线通过在三维空间多次弯折并和壳体进行耦合，以获得更好的辐射能力。
发明内容
本发明公开了一种天线，该天线包括四个部分，第一部分为由U形段和圆弧段间隔而构成的弯折段，相邻两个U形段的U形口方向相反，任意两个相邻U形段所在平面相互垂直，所有圆弧段所在平面相互平行，所述U形段位于两个平面，其中圆弧段所在平面和所述U形段所在的两平面都垂直；第二部分为一个L型段(EF)，所述L形段的两边长度不同且相互垂直，其中L型段的短边与第一部分的圆弧段连接，所述L形段所在平面与所述第一部分中圆弧段所在平面垂直；第三部分为一个圆弧段，将所述第二部分L形段的长边与第四部分连接，其中第三部分弯折段所在的平面与第一部分弯折段所在的平面垂直；第四部分为处于同一平面的一个弯折段，所述第四部分弯折段所在平面与第三部分弯折段所在平面垂直。
所述天线为MICS的微波通讯，工作频率为MICS 402MHz到405MHz。
所述天线为单极天线，无对偶结构，为单馈点结构。
所述天线的弯折段包含垂直Z型、连续多个垂直Z型、水平Z型、连续多个水平Z型、水平梯形、连续多个水平梯形、垂直梯形、连续多个垂直梯形、水平W型、连续多个水平W型、垂直W型、连续多个垂直W型。
所述天线第一部分的圆弧段与第三部分圆弧段所在平面垂直，所述天线第一部分的圆弧段所在平面与第四部分弯折段所在平面平行。
所述天线第一部分所有U形段大小和形状相同，且相邻两个U形段间距相同。
所述天线第一部分所有圆弧段的大小和形状相同，相邻圆弧段的间距相同，所有的圆弧段通过某一U型段进行平移得到。
所述天线弯折段末端通过一圆弧段和一平面段连接而成的整体结构和主体设备连接。
本发明公开了一种可植入医疗装置，该医疗装置由装置外壳、混合电路、天线以及馈通组件四个部分构成，所述天线包括四个部分，第一部分为由U形段和圆弧段间隔而构成的弯折段，相邻两个U形段的U形口方向相反，任意两个相邻U形段所在平面相互垂直，所有圆弧段所在平面相互平行，所述U形段位于两个平面，其中圆弧段所在平面和所述U形段所在的两平面都垂直；第二部分为一个L型段(EF)，所述L形段的两边长度不同且相互垂直，其中L型段的短边与第一部分的圆弧段连接，所述L形段所在平面与所述第一部分中圆弧段所在平面垂直；第三部分为一个圆弧段，将所述第二部分L形段的长边与第四部分连接，其中第三部分弯折段所在的平面与第一部分弯折段所在的平面垂直；第四部分为处于同一平面的一个弯折段，所述第四部分弯折段所在平面与第三部分弯折段所在平面垂直。
所述医疗装置的天线通过馈通组件与所述医疗装置主体连接并被封装于所述馈通组件内。
所述植入医疗装置的辐射部分由天线本体及植入体壳体构成。
所述植入医疗装置包括混合电路模块，所述混合电路模块包括射频天线，射频芯片和相应的软件配置，其中植入体射频部分包含天线调试芯片。
所述医疗装置的天线通过由一圆弧段和一平面段连接而成的整体结构与医疗装置主体连接。
所述医疗装置的边缘线与所述天线第二部分中L形段长边平行。
所述医疗装置的天线在与壳体平行的下方进行最后一次翻折。
本发明公开描述了一种能够通过天线实现和体外远程设备之间信号传输的植入式医疗装置。在一些示例中，该植入式医疗装置能够自动完成对心脏内部的心电信号参数感知的触发，例如，没有从外部源发起的触发输入，例如基于从患者发起的或由医生从外部设备发起的请求，并且至少部分地基于患者的一个或多个生理参数，将感知的生理参数传输给外源性远场设备。
附图说明
图1为植入医疗设备外观结构及其植入心脏内部时各部分组件在心脏中所处相对位置的示意图。
图2为天线的立体结构示意图。
图3为图2所示天线安装到可植入医疗装置ICD的相对位置结构示意图。
图4为从图3中箭头T方向看天线安装到可植入医疗装置ICD的位置结构示意图。
图5为图2所示天线第一部分U形和圆弧段数量减少后的一种结构示意图。
图6为图2所示天线第一部分U形和圆弧段数量增加后的一种结构示意图。
在图2、图5和图6中，通过虚线将天线分为四个部分：第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，图中不同虚线框内的天线表示该天线的不同部分，每个虚线框内括住的部分属于一个共同的部分，不代表平面。
在图3和图4中,虚线代表虚线框所在平面，每四条虚线围成一个虚线框，一个虚线框位于一个平面，图中三个虚线框代表三个虚线框分别所在的三个平面，此三个平面两两垂直。且图3与图4中的各个平面(平面Ⅰ、平面Ⅱ和平面Ⅲ)分别平行。
具体实施方式
本发明图1、图5和图6所示三种结构的天线都包括四个部分。天线结构的区别仅在于第一部分U形段和圆弧段数量的不同。
天线第四部分弯折段的形状除了可以为图2所示的垂直梯形以外，实际操作过程中，该弯折段还可以为垂直Z型、连续多个垂直Z型、水平Z型、连续多个水平Z型、水平梯形、连续多个水平梯形、连续多个垂直梯形、水平W型、连续多个水平W型、垂直W型、连续多个垂直W型中的一种或者几种之间的组合。但需要保证所述各种形状的弯折段与平面Ⅱ相互平行。
本发明的天线为单极天线，无对偶结构，为单馈点结构。单极天线的最大特点是能在很宽的频带上提供令人满意的辐射特性，同时具有结构简单、重量轻、馈电结构简单、便于分析、全向特性好等诸多优点。天线的原材料可以选择铜板，也可以选择镀锡钢板。天线的工作原理为MICS的微波通讯，天线工作的频率为从MICS 402MHz到MICS 405MHz。通过高频率增加天线有效辐射效率，通过在三维空间多次弯折以获得更好的辐射能力。该天线能够被封装于植入式心脏除颤器、植入式心脏监视器、植入式心脏起搏器、无导线植入心脏起搏器、皮下式植入式心脏除颤器以及各种组织、器官和神经刺激器或传感器等植入式医疗装置，其中天线安装到植入式心脏转复除颤器ICD的相对位置结构示意图见图3和图4。
图1为ICD100的外观结构及其植入心脏内部时各部分组件在心脏中所处相对位置的示意图。ICD由装置外壳105、装置外壳中的混合电路、天线以及馈通组件四个部分构成。天线封装于ICD头部结构107的馈通组件内，所述馈通组件内部不仅封装有天线馈通，还封装有导线馈通。导线馈通见图5中ICD头部结构，导线馈通与导线115连接，通过天线将ICD主体电路板与心脏接通对心电信号参数进行感知或通过电击进行治疗。装置外壳内部通常包括电源、电容、混合电路，混合电路的功能通常通过程序编码的方式实现。ICD功能的发挥可以通过两种方式实现，一种为ICD机体内部自动式调控，不需要人为手动触发和控制，能够自动实现。另一种通过外部程控设备190发出通讯信号185实现，ICD的外部程控设备一般为程控仪、患者助手或者其他等能够对其下达指令或者感知其内部信号的器件。ICD和外部程控设备190之间的通讯方式可以是有线通讯、蓝牙、WIFI、LTE或CDMA等无线通讯网络中的一种或者多种。图1所示ICD导线115为单导线，临床使用过程中还可能是双导线、三导线、四导线，导线的基本结构与导线115类似。导线115由线圈118电极120A和电极120B构成，线圈118通过连接器107与ICD主体相连，线圈的功能为：通过放电达到感知或者治疗的目的。电极120A和电极120B对心脏事件的信号参数进行感测，电极120B也叫螺旋头，内部含有螺旋状的线圈。导线上的螺旋电极120A在使用前旋在导线外围的绝缘材料内部，在植入人体心脏内部前可以从导线另一端旋出，使得导线的120A电极端与心脏内部的心肌组织固定。电极导线需要通过绝缘材料硅胶、聚氨酯或环氧树脂等材料进行包覆。
图2为天线的立体结构示意图。为了方便说明和描述，图2从天线一端向另一端按照字母A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N的顺序对天线的部分节点进行标记。天线包含四个部分，第一部分包括字母F到N的部分，为一段由U形段和圆弧段间隔而构成的弯折段，天线第一部分的弯折段除了可以设计为图2所示的4个圆弧段和3个U形段外，还可以设计为其他整数个圆弧段和U形段。天线第一部分中相邻两个U形段的U形口相反，且任意两个相邻的U形段所在平面相互垂直，即IJ所在平面与GH所在平面和KL所在平面都垂直。天线第一部分中所有圆弧段的大小和形状可以相同或不同，即FG、IH、JK和ML的形状大小和长度可以相同，也可以不同。在相同的情况下，第一部分中所有的圆弧段FG、IH、JK和ML都可以看作，平移其中任何一个圆弧段而得到。结合图3或图4中标记的三个平面，能够看到，天线第一部分的所有圆弧段所在平面都与平面Ⅱ平行，所有圆弧段所在平面和U形段所在平面都垂直。第一部分的U形段位于两个平面，两个平面的中任一平面的不同U形段位置不相同。第二部分为一个L型段EF，所述L形段的两边长度不同且相互垂直，其中第二部分的短边与第一部分的圆弧段连接，所述L形段所在平面与第一部分圆弧段所在平面垂直，且L形段所在平面与第一部分中部分U形段位于同一平面；第三部分为一个圆弧段DE，将所述第二部分L形段的长边与第四部分弯折段CD连接，所述第三部分弯折段DE所在平面与第一部分弯折段所在平面垂直；第四部分为处于同一平面的一个弯折段CD，所述弯折段CD所在平面与第三部分弯折段所在平面垂直。
图3为图2所示天线安装到植入式医疗设备ICD上的相对位置结构示意图，图3中虚线标记的三个平面即平面Ⅰ、平面Ⅱ与平面Ⅲ两两垂直。天线第一部分的所有圆弧段所在平面都与平面Ⅱ平行，和第一部分中与第二部分相连的圆弧段直接相连的U形段与平面Ⅰ平行。第二部分L形段与平面Ⅲ平行。第三部分圆弧段DE与平面Ⅰ平行。第三部分圆弧段DE所在平面和第一部分所有圆弧段所在平面都垂直。第四部分弯折段CD所在平面与第一部分圆弧段所在平面都平行。天线通过由一圆弧段DE和一平面段EF连接构成的整体结构与医疗装置主体连接。308为医疗装置的装置外壳，装置外壳内部含有混合电路，完成植入装置对心电参数的感知和通信功能。ICD的头部内封装有馈通组件，所述馈通组件包含天线馈通和导线馈通。天线馈通为连接天线和设备主体的组件。304为位于ICD头部固定导线馈通的固定结构，306为将固定结构304固定到ICD上的固定部位。固定结构304的固定方式包括：机械结构固定、胶水粘接、螺栓连接、焊接、铆接、轴与孔的配合过盈配合、轴与孔的配合过渡配合间隙配合及加键连接再用螺纹压紧等。固定结构304的原材料应该选择具备导电功能的导体材料，将天线302与植入医疗装置内部的电路板进行连接，使天线与装置内部的电路接通，发挥无线通信功能。
图4为从图3中箭头T方向看天线安装到可植入医疗装置ICD的位置结构示意图。天线通过由一圆弧段和一平面段连接构成的整体结构与医疗装置主体连接。416为医疗装置的装置外壳，装置外壳内部含有混合电路，完成植入装置对心电参数的感知和通信功能。ICD的头部内封装有馈通组件，所述馈通组件包含天线馈通和导线馈通。天线馈通为连接天线和设备主体的组件。天线402一端通过天线馈通经部位与设备主体内部电路板连接，接口处通过圆形的隔离片进行封口。406为导线圈，通常一个医疗设备包含1到6根导线线圈，每根导线线圈之间通过绝缘体404将导线线圈分隔开，以防止导线之间连通造成设备短路。导线线圈与医疗装置主体分隔开，可以间隔缠绕在位于ICD头部固定的轴体上，所述轴体通过固定结构408固定到ICD头部，固定结构408与ICD头部通过部位410固定。每根导线线圈406通过导线412与设备主体416内部的混合电路一一连接。通常，所述导线接入混合电路的线圈设计到一个固定的范围区域，这样能将节省空间，在固定空间所有导线进行共同封装，导线与主体设备接口处通过圆形的隔离片进行封口。混合电路位于医疗装置主体头部内，混合电路线圈之间通过硅胶绝缘体404隔开，每两根线圈之间设计一个硅胶绝缘体，以防止导线之间连通造成设备短路。414为地线，将设备内部的电路板接地，形成回路，进行无线信号的传输。ICD和体外程控仪分别有一套硬件配置，包括射频天线，射频芯片和相应的软件配置。
天线通过由一圆弧段BC和一平面段AB连接构成的整体结构与与植入医疗装置内部电路板连接，实现植入式医疗装置和体外远程设备的远场通信。所述天线应该被封装于植入医疗装置内部，因为天线的长度与天线发射和接收信号的灵敏度呈正相关，所以天线长度应该尽可能长，以加强天线的信号传输灵敏度。天线的宽度和厚度可以根据所适用的植入医疗装置进行适当调整。天线宽度和厚度应该根据固定方式进行确定。本发明的天线可以通过将天线主体结构上任何一段或几段进行适当拓宽，并选择适当的方式进行固定。天线常见的固定方式包括：通过打孔进行机械结构固定、胶水粘接、螺栓连接、焊接、铆接，轴与孔的配合过盈配合、轴与孔的配合过渡配合间隙配合及加键连接再用螺纹压紧等。本发明的天线还可以将主体上任意段拓宽，并在拓宽的段面上进行打孔，孔的个数为0到10个，孔大小可以结合具体医疗装置的大小进行调整，天线的孔用于将固定天线固定在ICD头部内。固定方式可以选择通过胶水粘接、螺栓连接、焊接、铆接，轴与孔的配合过盈配合、轴与孔的配合过渡配合间隙配合及加键连接再用螺纹压紧等。
植入式医疗设备(植入体)普遍存在提供诊断或治疗能力。植入式心脏除颤器、植入式心脏监视器、植入式心脏起搏器、无导线植入心脏起搏器、皮下式植入心脏除颤器以及各种组织、器官和神经刺激器或传感器等三类有源植入产品，一般需要医生或专业人员用体外程控仪与植入体刺激器之间实现无线通讯，完成数据传输，植入体软件升级，紧急停止等可能的功能。本实施例以ICD为例，说明天线在植入式医疗装置中的工作方案。
图5为图2所示天线第一部分U形和圆弧段数量减少后的一种结构示意图。将图5天线从一端向另一端按照英文大写字母A到L的顺序对天线的部分节点进行标记。天线包含四个部分，第一部分包括字母F到L的部分，为一段由U形段和圆弧段间隔而构成的弯折段。两个U形段GH和TJ的U形口相反，且U形段GH所在平面和TJ所在平面垂直。结合图3或图4中标记的三个平面，天线第一部分的所有圆弧段所在平面都与平面Ⅱ平行，所有圆弧段所在平面和U形段所在平面都垂直。第一部分的U形段位于两个平面，两个平面的中任一平面的U形段位置不同。第二部分为一个L型段EF，所述L形段的两边长度不同且相互垂直，其中第二部分的短边与第一部分的圆弧段连接，所述L形段所在平面与第一部分圆弧段所在平面垂直，且L形段所在平面与第一部分中部分U形段位于同一平面；第三部分为一个圆弧段DE，将所述第二部分L形段的长边与第四部分弯折段CD连接，所述第三部分弯折段DE所在平面与第一部分弯折段所在平面垂直；第四部分为处于同一平面的一个弯折段CD，所述弯折段CD所在平面与第三部分弯折段所在平面垂直。
图6为图2所示天线第一部分U形和圆弧段数量增加后的一种结构示意图。将图6天线从一端向另一端按照英文大写字母A到L的顺序对天线的部分节点进行标记。天线包含四个部分，第一部分包括字母F到R的部分，为一段由U形段和圆弧段间隔而构成的弯折段。天线第一部分中U形段GH、KL和OP位于同一个平面，TJ和MN位于同一个平面，且U形段GH所在平面和TJ所在平面垂直。天线第一部分中第一部分的U形段位于两个平面，两个平面的中任一平面的U形段位置不同。第一部分的圆弧段所在平面和所有U形段所在平面垂直。第二部分为一个L型段EF，所述L形段的两边长度不同且相互垂直，其中第二部分的短边与第一部分的圆弧段连接，所述L形段所在平面与第一部分圆弧段所在平面垂直，且L形段所在平面与第一部分中部分U形段位于同一平面；第三部分为一个圆弧段DE，将所述第二部分L形段的长边与第四部分弯折段CD连接，所述第三部分弯折段DE所在平面与第一部分弯折段所在平面垂直；第四部分为处于同一平面的一个弯折段CD，所述弯折段CD所在平面与第三部分弯折段所在平面垂直。
本发明公开了一种可应用于植入医疗装置的无线通信的异形天线，本发明将天线设计为立体三维的形状，所述医疗装置的天线在与壳体平行的下方进行最后一次翻折，平行部分能增加天线和壳体之间的电容，可以通过耦合将壳体变为部分辐射部件，最大程度增加了天线的辐射口径，减小了天线二维面积，提高了辐射效率，提高了能量传输效率和数据的传输距离。

Claims (15)

1.一种天线，其特征在于，所述天线包括四个部分，第一部分为由U形段和圆弧段间隔而构成的弯折段，相邻两个U形段的U形口方向相反，任意两个相邻U形段所在平面相互垂直，所有圆弧段所在平面相互平行，所述U形段位于两个平面，其中圆弧段所在平面和所述U形段所在的两平面都垂直；第二部分为一个L型段(EF)，所述L形段的两边长度不同且相互垂直，其中L型段的短边与第一部分的圆弧段连接，所述L形段所在平面与所述第一部分中圆弧段所在平面垂直；第三部分为一个圆弧段，将所述第二部分L形段的长边与第四部分连接，其中第三部分弯折段所在的平面与第一部分弯折段所在的平面垂直；第四部分为处于同一平面的一个弯折段，所述第四部分弯折段所在平面与第三部分弯折段所在平面垂直。
2.如权利要求1所述的一种天线，其特征在于，所述天线为MICS的微波通讯，工作频率为MICS 402MHz到405MHz。
3.如权利要求2所述的一种天线，其特征在于，所述天线为单极天线，无对偶结构，为单馈点结构。
4.如权利要求3所述的一种天线，其特征在于，所述天线的弯折段包含垂直Z型、连续多个垂直Z型、水平Z型、连续多个水平Z型、水平梯形、连续多个水平梯形、垂直梯形、连续多个垂直梯形、水平W型、连续多个水平W型、垂直W型、连续多个垂直W型。
5.如权利要求4所述的一种天线，其特征在于，所述天线第一部分的圆弧段与第三部分圆弧段所在平面垂直，所述天线第一部分的圆弧段所在平面与第四部分弯折段所在平面平行。
6.如权利要求5所述的一种天线，其特征在于，所述天线第一部分所有U形段大小和形状相同，且相邻两个U形段间距相同。
7.如权利要求6所述的一种天线，其特征在于，所述天线第一部分所有圆弧段的大小和形状相同，相邻圆弧段的间距相同，所有的圆弧段通过某一U型段进行平移得到。
8.如权利要求7所述的一种天线，其特征在于，所述天线弯折段末端通过一圆弧段和一平面段连接而成的整体结构和主体设备连接。
9.一种可植入医疗装置，其特征在于，所述医疗装置由装置外壳、混合电路、天线以及馈通组件四个部分构成，所述天线包括四个部分，第一部分为由U形段和圆弧段间隔而构成的弯折段，相邻两个U形段的U形口方向相反，任意两个相邻U形段所在平面相互垂直，所有圆弧段所在平面相互平行，所述U形段位于两个平面，其中圆弧段所在平面和所述U形段所在的两平面都垂直；第二部分为一个L型段(EF)，所述L形段的两边长度不同且相互垂直，其中L型段的短边与第一部分的圆弧段连接，所述L形段所在平面与所述第一部分中圆弧段所在平面垂直；第三部分为一个圆弧段，将所述第二部分L形段的长边与第四部分连接，其中第三部分弯折段所在的平面与第一部分弯折段所在的平面垂直；第四部分为处于同一平面的一个弯折段，所述第四部分弯折段所在平面与第三部分弯折段所在平面垂直。
10.如权利要求9所述的一种可植入医疗装置，其特征在于，所述医疗装置的天线通过馈通组件与所述医疗装置主体连接并被封装于所述馈通组件内。
11.如权利要求10所述的一种可植入医疗装置，其特征在于，所述植入医疗装置的辐射部分由天线本体及植入体壳体构成。
12.如权利要求11所述的一种可植入医疗装置，其特征在于，所述植入医疗装置包括混合电路模块，所述混合电路模块包括射频天线，射频芯片和相应的软件配置，其中植入体射频部分包含天线调试芯片。
13.如权利要求9所述的一种可植入医疗装置，其特征在于，所述医疗装置的天线通过由一圆弧段和一平面段连接而成的整体结构与医疗装置主体连接。
14.如权利要求13所述的一种可植入医疗装置，其特征在于，所述医疗装置的边缘线与所述天线第二部分中L形段长边平行。
15.如权利要求14所述的一种可植入医疗装置，其特征在于，所述医疗装置的天线在与壳体平行的下方进行最后一次翻折。
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