CN112450907A - 柯式音血压测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柯式音血压测量方法及装置,包括:同步采集柯式音信号、环境声音、运动信号及袖带压力信号;对柯式音信号、环境声音、运动信号及袖带压力信号进行预处理;对预处理后的柯式音信号进行归一化处理,得到归一化柯式音信号;基于小波基对归一化柯式音信号进行N层小波变换,得到N层细节小波系数,其中,N>1;基于均方根值和阈值得到第N层小波系数的峰值;以采样时间为基准,将第N层小波系数的峰值与袖带压力信号进行对应处理,得到收缩压和舒张压。本发明能够实现环境自适应噪声去除和受试者运动伪差自适应抑制功能,基于小波分析简单实现血压检测。
Description
技术领域
本发明涉及血压测量方法和医疗设备领域,特别涉及一种柯式音血压测量方法及装置。
背景技术
在无创血压测量中,柯式音听诊法(Korotkoff,1905)是世界医学唯一公认的血压计量、测量“金标准”——用袖带绑扎上臂并加压,将肱动脉血管压瘪后再减压;随着袖带压力的降低,从事先放置于袖带内的听诊器中可听到血流重新冲开血管时发出的声音;相应的,“第一声”对应的袖带压力记为收缩压,“最末一声”对应的袖带压力记为舒张压,其中,袖带压力值通常由水银血压计或气压表测量得到。
传统听诊法测血压具有:
①操作过程复杂,需要将听音、看表、放气三者实时同步;
②操作人员易受到自身状态,如视力、听力、精力等干扰;
③操作人员易受到测量现场环境影响,如噪声等;
④操作人员的专业水平也是重要的考察点。
为了提高柯式音听诊法电子血压计的稳定性,众多学者提出了示波法与柯式音法结合的测量方法。此方法通常是将示波法测量结果作为参考,给出收缩压、舒张压的大致范围,再通过柯式音法找到收缩压、舒张压的出现位置,进而确定血压值。这种技术试图通过示波法的稳定性,提高柯式音法测量结果稳定性;但是,此法并没有克服示波法在准确性方面的缺陷。此外,俞梦孙院士科研团队用柯式音延时特性(人体生理固有特征)评价柯式音听诊法电子血压计测量准确性,但是,此法对心动周期起点位置获取的准确性要求较高,在实际测量过程中易受到干扰。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出一种柯式音血压测量方法,能够实现环境自适应噪声去除和受试者运动伪差自适应抑制功能,基于小波分析简单实现血压检测。
本发明还提出一种柯式音血压测量装置。
根据本发明的第一方面实施例的一种柯式音血压测量方法,包括:S100、同步采集柯式音信号、环境声音、运动信号及袖带压力信号;S200、对所述柯式音信号、所述环境声音、所述运动信号及所述袖带压力信号进行预处理,得到预处理后的柯式音信号;S300、对所述预处理后的柯式音信号进行归一化处理,得到归一化柯式音信号;S400、基于小波基对所述归一化柯式音信号进行N层小波变换,得到N层细节小波系数,其中,N>1;S500、基于均方根值和阈值得到第N层小波系数的峰值;S600、以采样时间为基准,将所述第N层小波系数的峰值与所述袖带压力信号进行对应处理,得到收缩压和舒张压。
根据本发明的一些实施例,所述步骤S200包括:S210、基于带通滤波器和第一陷波滤波器处理所述柯式音信号;S220、基于第二陷波滤波器和第三陷波滤波器处理所述环境声音和运动信号;S230、基于第一自适应滤波器和第二自适应滤波器得到去除环境干扰和运动干扰的柯式音信号。
根据本发明的一些实施例,所述步骤S230包括:S231、将经过所述步骤S210处理的所述柯式音信号和经过所述步骤S220处理的环境声音信号通过所述第一自适应滤波器,得到去除环境干扰的柯式音信号;S232、将所述去除环境干扰的柯式音信号与经过所述步骤S220处理的运动信号通过所述第二自适应滤波器,得到去除运动干扰的柯式音信号。
根据本发明的一些实施例,所述步骤S600包括:按照时间顺序,第一个细节小波系数峰值对应的袖带压力值记为收缩压,最末一个细节小波系数峰值对应的袖带压力值记为舒张压。
根据本发明的第二方面实施例的一种柯式音血压测量装置,包括:压力生成模块、采集模块、血压判别模块、显示模块以及与所述压力生成模块、采集模块、血压判别模块和显示模块连接的主控制模块;所述采集模块包括柯式音采集模块、环境声音采集模块、运动信号采集模块以及袖带压力采集模块;所述采集模块,用于对柯式音信号、环境声音、运动信号及袖带压力信号进行同步采集和预处理,得到预处理后的柯式音信号;所述血压判别模块,用于对所述预处理后的柯式音信号进行归一化处理、小波变换处理、峰值检测以及峰值与压力值对应处理,得到收缩压和舒张压。
根据本发明的一些实施例,所述柯式音采集模块包括第一PVDF压电薄膜和第一预处理电路;所述第一预处理电路包括带通滤波器和第一陷波滤波器。
根据本发明的一些实施例,所述环境声音采集模块包括第二PVDF压电薄膜和第二陷波滤波器;所述运动信号采集模块包括三轴加速度传感器和第三陷波滤波器。
根据本发明的一些实施例,所述第一预处理电路还包括第一自适应滤波器和第二自适应滤波器;所述第一自适应滤波器,用于对通过所述第一陷波滤波器的柯式音信号和通过所述第二陷波滤波器的环境声音信号进行自适应滤波处理;所述第二自适应滤波器,用于对通过所述第三陷波滤波器的运动信号和通过所述第一自适应滤波器的柯式音信号进行自适应滤波处理。
根据本发明的一些实施例,所述血压判别模块包括:归一化处理模块,用于对所述预处理后的柯式音信号进行归一化处理,得到归一化柯式音信号;小波变换模块,用于基于小波基对所述归一化柯式音信号进行N层小波变换,得到N层细节小波系数,其中,N>1;峰值检测模块,用于基于均方根值和阈值得到第N层小波系数的峰值;标定血压值模块,用于以采样时间为基准,将所述第N层小波系数的峰值与所述袖带压力信号进行对应处理,得到收缩压和舒张压。
根据本发明的一些实施例,所述袖带压力采集模块包括气体压力传感器和模拟信号调理电路。
本发明实施例至少具有如下有益效果:本发明通过去除环境噪声降低对测量环境的要求(要求尽量安静),通过运动信号的采集和处理减少了受试者运动对测量结果的影响,并且通过将柯式音信号的多层细节小波系数峰值特征与柯式音出现、消失位置的对应关系为血压判别依据,使得血压测量方法简单易实现。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为本发明实施例的方法的流程图。
图2为本发明实施例的预处理方法的流程图。
图3为本发明实施例的自适应滤波处理的流程图。
图4为本发明实施例的装置的结构框图。
图5为本发明实施例的柯式音采集模块的结构框图。
图6为本发明实施例的第一预处理电路的结构框图。
图7为本发明实施例的环境声音采集模块的结构框图。
图8为本发明实施例的运动信号采集模块的结构框图。
图9为本发明另一实施例的第一预处理电路的结构框图。
图10为本发明实施例的袖带压力采集模块的结构框图。
图11为本发明实施例的血压判别模块的模块结构框图。
图12为本发明另一实施例的装置的结构框图。
图13为本发明实施例的实现血压测量的方法示意图。
图14为本发明实施例的上臂肱动脉柯式音信号图。
图15为本发明实施例的小波细节系数(小波sym4,第5层)示意图。
图16为本发明实施例的收缩压位置示意图。
图17为本发明实施例的舒张压位置示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,若干的含义是一个或者多个,多个的含义是两个及两个以上,大于、小于、超过等理解为不包括本数,以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中,除非另有明确的限定,设置、安装、连接等词语应做广义理解,所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
血压准确测量是当下高血压防控工作的重要一环,是提升高血压管理水平的重要手段。高血压管理,可有效遏制高血压及其他心血管疾病的高发态势,降低高血压患者产生严重并发症的风险。在高血压管理中,无创血压测量方案因对受试者影响小,操作便捷,被广泛采用,相关设备方面尤以示波法电子血压计为主。
示波法在测量原理上存在缺陷,它非直接测量血压,而是基于人群血压统计结果来推算血压。柯式音听诊法(Korotkoff,1905),因其测量原理可以真实反映人体血压的变化,所以,自提出以来逐渐被世界医学界认可,成为目前唯一被公认的无创血压计量、测量“金标准”。目前,柯式音听诊法在测量过程中对医师专业水平(需受专业训练)、测量环境(要求尽量安静)存在严重依赖,这些都成为制约其发展的重要原因。
为了克服传统听诊法在使用上的诸多限制与不便,本发明设计了一款柯式音听诊法电子血压计,它包含环境自适应噪声祛除、受试者运动伪差自适应抑制功能。同时,还提出了一种基于小波分析的血压测量算法。本发明实现测量过程可观测、测量数据可追溯、测量结果可拓展应用,测量过程对操作人员的医学专业素养要求不高,便于医院(含医学院教学)及家庭使用。
本发明实施例的血压测量装置采用常见的上臂式单袖带设计思路,其测量过程为快速充气、匀速慢放气,并在放气过程中确定柯式音出现、消失时刻对应的压力值,依次为收缩压、舒张压。测量过程中,袖带加压充气过程5-10s内完成,袖带泄压放气过程60s内完成;线性放气,放气速度为2-3mmHg/秒(国际通行做法);当测到舒张压时,开启快速放气模式,直到袖带压力降至0mmHg。
参照图4,本发明实施例的装置主要包括采集模块(包括柯式音采集模块、环境声音采集模块、运动信号采集模块、袖带压力采集模块)、压力生成模块、设备主控制模块(含数据存储)、显示模块以及血压判别模块(采用FPGA或DSP处理模块)。此外,该装置还包括外设接口模块、设备开关及按键控制模块、电源模块、袖带、橡胶管等。
参照图5,本发明实施例的柯式音采集模块包括PVDF压电薄膜和第一预处理电路(模拟信号预处理电路)。
进一步参照图6,第一预处理电路包括带通滤波器(1-500Hz)和第一陷波滤波器(50Hz)。
参照图7,环境声音采集模块包括第二PVDF压电薄膜和第二预处理电路。其中,第二预处理电路包括50Hz的第二陷波滤波器。
参照图8,运动信号采集模块包括三轴加速度传感器和第三预处理电路。其中,第三预处理电路包括50Hz的第三陷波滤波器。
进一步参照图9,第一预处理电路还包括第一自适应滤波器和第二自适应滤波器。其中,第一自适应滤波器连接环境声音采集模块,将经过环境声音采集模块处理的环境声音信号和经过第一陷波滤波器处理的柯式音信号通过第一自适应滤波器,得到去除环境干扰的柯式音信号。第二自适应滤波器连接运动信号采集模块,将经过运动信号采集模块处理的运动信号和经过第一自适应滤波器处理的柯式音信号通过第二自适应滤波器,得到去除运动干扰的柯式音信号。
参照图10,袖带压力采集模块包括气体压力传感器和模拟信号调理电路。
参照图11,血压判别模块包括:归一化处理模块,用于对预处理后的柯式音信号进行归一化处理,得到归一化柯式音信号;小波变换模块,用于基于小波基对归一化柯式音信号进行N层小波变换,得到N层细节小波系数,其中,N>1;峰值检测模块,用于基于均方根值和阈值得到第N层小波系数的峰值;标定血压值模块,用于以采样时间为基准,将第N层小波系数的峰值与袖带压力信号进行对应处理,得到收缩压和舒张压。
参照图12,在一些实施例中,柯式音采集模块所含压电薄膜传感器的频率响应为1-1000Hz;环境声音采集模块的响应频率同样为1-1000Hz(在实际情况中,柯式音传感器与环境声音传感器的取材及其特性参数需保持一致);运动信号采集模块通过三轴加速度传感器采集受试者在血压测量过程中的运动姿态;袖带压力采集模块完成快速充气、匀速慢放气过程中的袖带内压力值测量;压力生成模块包含充气泵、泄气阀,均由相应驱动电路控制,实现充、放气过程;设备主控制模块采用16位或32位微控制器,实现多路信号同步采集、显示控制、电源控制、数据传输、设备开关机控制等功能;血压判别模块采用FPGA或DSP处理器,实现高速数值运算,完成血压判别功能;显示模块采用OLED或LCD显示屏,实现动态测量波形显示,测量数据回溯显示,以及血压测量结果(含收缩压、舒张压、平均压、呼吸率、脉率)显示;外设接口模块支持无线(如蓝牙、WIFI、蜂窝移动通信等)或有线(USB等)数据传输方式;电源模块支持锂电池或220V市电供电方式。
参照图1,本发明实施例的血压测量方法包括以下步骤:
S100、同步采集柯式音信号、环境声音、运动信号及袖带压力信号;
S200、对柯式音信号、环境声音、运动信号及袖带压力信号进行预处理,得到预处理后的柯式音信号;
S300、对预处理后的柯式音信号进行归一化处理,得到归一化柯式音信号;
S400、基于小波基对归一化柯式音信号进行N层小波变换,得到N层细节小波系数,其中,N>1;
S500、基于均方根值和阈值得到第N层小波系数的峰值;
S600、以采样时间为基准,将第N层小波系数的峰值与袖带压力信号进行对应处理,得到收缩压和舒张压。
进一步参照图2,在一些实施例中,步骤S200包括以下步骤:
S210、基于带通滤波器和第一陷波滤波器处理柯式音信号,以去除工频干扰及高频干扰,保留原始柯式音信号信息;
S220、基于第二陷波滤波器和第三陷波滤波器处理环境声音和运动信号,以去除工频干扰;
S230、基于第一自适应滤波器和第二自适应滤波器得到去除环境干扰和运动干扰的柯式音信号。
进一步参照图3,在一些实施例中,步骤S230包括以下步骤:
S231、将经过步骤S210处理的柯式音信号和经过步骤S220处理的环境声音信号通过第一自适应滤波器,得到去除环境干扰的柯式音信号;
S232、将去除环境干扰的柯式音信号与经过步骤S220处理的运动信号通过第二自适应滤波器,得到去除运动干扰的柯式音信号。
在一些实施例中,步骤S230包括以下步骤:
S233、将经过步骤S210处理的柯式音信号和经过步骤S220处理的运动信号通过第一自适应滤波器,得到去除运动干扰的柯式音信号;
S234、将去除运动干扰的柯式音信号与经过步骤S220处理的环境声音信号通过第二自适应滤波器,得到去除环境干扰的柯式音信号。
在一些实施例中,步骤S600包括:按照时间顺序,第一个细节小波系数峰值对应的袖带压力值记为收缩压,最末一个细节小波系数峰值对应的袖带压力值记为舒张压。
参照图13,在一些实施例中,血压测量方法包括以下步骤:
步骤一,同步采集柯式音、环境声音、运动信号、袖带压力信号;其中,采集到的柯式音信号的示意图如图14所示;
步骤二,将步骤一采集到的柯式音信号通过带通滤波器(1-500Hz)、陷波滤波器(50Hz),去除工频干扰及高频干扰,保留原始柯式音信号信息;将环境声音、运动信号通过陷波滤波器(50Hz),去除工频干扰;
步骤三,将步骤二得到的柯式音信号与步骤二祛除50Hz工频干扰后的环境声音信号,通过自适应滤波器,得到去除环境干扰的柯式音信号;
步骤四,将步骤三得到的柯式音信号与步骤二去除50Hz工频干扰后的运动信号,通过自适应滤波器,得到去除运动干扰的柯式音信号;
步骤五,将步骤四得到的柯式音信号进行归一化处理(以信号幅值最大值为基准),获得归一化柯式音信号;
步骤六,取适宜的小波基,将步骤五得到的归一化柯式音信号整体进行5层(一般的,5-6层)小波变换,得到细节小波系数;其中,该步骤得到的小波细节系数示意图如图15所示;
步骤七,应用均方根值与阈值结合的峰值检测方法,确定第5层细节小波系数的峰值;
步骤八,以采样时间为基准,将第5层细节小波系数的峰值与步骤一采集的袖带压力信号对应起来;按时间顺序,第一个细节小波系数峰值对应的袖带压力值,即为收缩压,最末一个细节小波系数峰值对应的袖带压力值,即为舒张压。其中,得到的收缩压位置如图16所示,舒张压位置如图17所示。
现有柯式音听诊法电子血压计,或以示波法为参考,或以心动周期起点为参考,来确定收缩压、舒张压,并评估其测量结果的准确性。本发明实施例的柯式音血压测量方法仅以柯式音信号的多层细节小波系数峰值特征与柯式音出现、消失位置的对应关系为血压判别依据,简单易实现。
尽管本文描述了具体实施方案,但是本领域中的普通技术人员将认识到,许多其它修改或另选的实施方案同样处于本公开的范围内。例如,结合特定设备或组件描述的功能和/或处理能力中的任一项可以由任何其它设备或部件来执行。另外,虽然已根据本公开的实施方案描述了各种例示性具体实施和架构,但是本领域中的普通技术人员将认识到,对本文所述的例示性具体实施和架构的许多其它修改也处于本公开的范围内。
上文参考根据示例性实施方案所述的系统、方法、系统和/或计算机程序产品的框图和流程图描述了本公开的某些方面。应当理解,框图和流程图中的一个或多个块以及框图和流程图中的块的组合可分别通过执行计算机可执行程序指令来实现。同样,根据一些实施方案,框图和流程图中的一些块可能无需按示出的顺序执行,或者可以无需全部执行。另外,超出框图和流程图中的块所示的那些部件和/或操作以外的附加部件和/或操作可存在于某些实施方案中。
因此,框图和流程图中的块支持用于执行指定功能的装置的组合、用于执行指定功能的元件或步骤的组合以及用于执行指定功能的程序指令装置。还应当理解,框图和流程图中的每个块以及框图和流程图中的块的组合可以由执行特定功能、元件或步骤的专用硬件计算机系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。
本文所述的程序模块、应用程序等可包括一个或多个软件组件,包括例如软件对象、方法、数据结构等。每个此类软件组件可包括计算机可执行指令,所述计算机可执行指令响应于执行而使本文所述的功能的至少一部分(例如,本文所述的例示性方法的一种或多种操作)被执行。
软件组件可以用各种编程语言中的任一种来编码。一种例示性编程语言可以为低级编程语言,诸如与特定硬件体系结构和/或操作系统平台相关联的汇编语言。包括汇编语言指令的软件组件可能需要在由硬件架构和/或平台执行之前由汇编程序转换为可执行的机器代码。另一种示例性编程语言可以为更高级的编程语言,其可以跨多种架构移植。包括更高级编程语言的软件组件在执行之前可能需要由解释器或编译器转换为中间表示。编程语言的其它示例包括但不限于宏语言、外壳或命令语言、作业控制语言、脚本语言、数据库查询或搜索语言、或报告编写语言。在一个或多个示例性实施方案中,包含上述编程语言示例中的一者的指令的软件组件可直接由操作系统或其它软件组件执行,而无需首先转换成另一种形式。
软件组件可存储为文件或其它数据存储构造。具有相似类型或相关功能的软件组件可一起存储在诸如特定的目录、文件夹或库中。软件组件可为静态的(例如,预设的或固定的)或动态的(例如,在执行时创建或修改的)。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明,但是本发明不限于上述实施例,在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种柯式音血压测量方法,其特征在于,包括:
S100、同步采集柯式音信号、环境声音、运动信号及袖带压力信号;
S200、对所述柯式音信号、所述环境声音、所述运动信号及所述袖带压力信号进行预处理,得到预处理后的柯式音信号;
S300、对所述预处理后的柯式音信号进行归一化处理,得到归一化柯式音信号;
S400、基于小波基对所述归一化柯式音信号进行N层小波变换,得到N层细节小波系数,其中,N>1;
S500、基于均方根值和阈值得到第N层小波系数的峰值;
S600、以采样时间为基准,将所述第N层小波系数的峰值与所述袖带压力信号进行对应处理,得到收缩压和舒张压。
2.根据权利要求1所述的柯式音血压测量方法,其特征在于,所述步骤S200包括:
S210、基于带通滤波器和第一陷波滤波器处理所述柯式音信号;
S220、基于第二陷波滤波器和第三陷波滤波器处理所述环境声音和运动信号;
S230、基于第一自适应滤波器和第二自适应滤波器得到去除环境干扰和运动干扰的柯式音信号。
3.根据权利要求2所述的柯式音血压测量方法,其特征在于,所述步骤S230包括:
S231、将经过所述步骤S210处理的所述柯式音信号和经过所述步骤S220处理的环境声音信号通过所述第一自适应滤波器,得到去除环境干扰的柯式音信号;
S232、将所述去除环境干扰的柯式音信号与经过所述步骤S220处理的运动信号通过所述第二自适应滤波器,得到去除运动干扰的柯式音信号。
4.根据权利要求1所述的柯式音血压测量方法,其特征在于,所述步骤S600包括:
按照时间顺序,第一个细节小波系数峰值对应的袖带压力值记为收缩压,最末一个细节小波系数峰值对应的袖带压力值记为舒张压。
5.一种实现如权利要求1至4中任一项所述的方法的柯式音血压测量装置,其特征在于,包括:
压力生成模块、采集模块、血压判别模块、显示模块以及
与所述压力生成模块、采集模块、血压判别模块和显示模块连接的主控制模块;
所述采集模块包括柯式音采集模块、环境声音采集模块、运动信号采集模块以及袖带压力采集模块;
所述采集模块,用于对柯式音信号、环境声音、运动信号及袖带压力信号进行同步采集和预处理,得到预处理后的柯式音信号;
所述血压判别模块,用于对所述预处理后的柯式音信号进行归一化处理、小波变换处理、峰值检测以及峰值与压力值对应处理,得到收缩压和舒张压。
6.根据权利要求5所述的柯式音血压测量装置,其特征在于,所述柯式音采集模块包括第一PVDF压电薄膜和第一预处理电路;
所述第一预处理电路包括带通滤波器和第一陷波滤波器。
7.根据权利要求6所述的柯式音血压测量装置,其特征在于,所述环境声音采集模块包括第二PVDF压电薄膜和第二陷波滤波器;所述运动信号采集模块包括三轴加速度传感器和第三陷波滤波器。
8.根据权利要求7所述的柯式音血压测量装置,其特征在于,所述第一预处理电路还包括第一自适应滤波器和第二自适应滤波器;
所述第一自适应滤波器,用于对通过所述第一陷波滤波器的柯式音信号和通过所述第二陷波滤波器的环境声音信号进行自适应滤波处理;
所述第二自适应滤波器,用于对通过所述第三陷波滤波器的运动信号和通过所述第一自适应滤波器的柯式音信号进行自适应滤波处理。
9.根据权利要求5所述的柯式音血压测量装置,其特征在于,所述血压判别模块包括:
归一化处理模块,用于对所述预处理后的柯式音信号进行归一化处理,得到归一化柯式音信号;
小波变换模块,用于基于小波基对所述归一化柯式音信号进行N层小波变换,得到N层细节小波系数,其中,N>1;
峰值检测模块,用于基于均方根值和阈值得到第N层小波系数的峰值;
标定血压值模块,用于以采样时间为基准,将所述第N层小波系数的峰值与所述袖带压力信号进行对应处理,得到收缩压和舒张压。
10.根据权利要求5所述的柯式音血压测量装置,其特征在于,所述袖带压力采集模块包括气体压力传感器和模拟信号调理电路。
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