CN113368365A - 脑功能监测的声音振动调控设备、方法、头枕及头戴设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种脑功能监测的声音振动调控设备、方法、头枕及头戴设备，其中调控设备和方法通过信号采集装置获取当前生理信号，由主控装置对当前生理信号进行分析、匹配适合当前状态的刺激模式，并控制声音振动刺激装置输出与刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位，可实时监测生理状态信息，自适应调整刺激模式，结合声音信息和物理振动实现生理‑心理双模态脑调控。安装有上述调控设备的头枕及头戴设备通过实时监测生理状态信息，对生理状态进行适应性调控，有助于放松大脑、缓解疲劳、改善睡眠质量和生活质量。

Description

脑功能监测的声音振动调控设备、方法、头枕及头戴设备
技术领域
本发明涉及健康、医疗、康复技术领域，特别涉及一种脑功能监测的声音振动调控设备、方法、头枕及头戴设备。
背景技术
睡眠障碍危害着近40％的人群，在我国约有5亿人存在睡眠问题，严重影响健康、日常生活质量，并危害工作生产安全。
对于睡眠状态的监测，目前最常用的是临床使用的多导睡眠监测方法，包括脑电图、心电图、心率、呼吸、血氧饱和度、体位等多导生理指标同步监测。临床多导睡眠监测方法由于专业性和设备复杂性的原因，难以实现家用。
对于睡眠状态的调控，目前常采用物理方法进行干预，比如按摩放松以及电刺激和磁刺激。其中，以按摩放松为目的的干预方法效果不明显且个体差异显著；而电刺激、磁刺激的方法效果明显但舒适度较差，且电刺激通常需要导电介质(如水、凝胶等介导)，体验感差且不适用于长时间使用。除此之外，电磁刺激方式容易对进行睡眠监测的脑电图产生电磁干扰，限制了基于大脑功能活动的闭环睡眠调控技术的实现。因此有必要对现有技术予以改进以克服现有技术中的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种脑功能监测的声音振动调控设备、方法、头枕及头戴设备，可实时监测脑活动状态信息，自适应调整刺激模式，结合声音信息和物理振动实现生理-心理双模态脑调控。
为了解决上述技术问题，一方面，本发明提出了：脑功能动态监测的声音振动调控设备，包括一个或多个信号采集装置、一个或多个声音振动刺激装置，以及与所述信号采集装置和声音振动刺激装置相连的主控装置，所述信号采集装置采集生理信号，所述生理信号包括但不限于脑电信号、肌电信号、心电信号、眼电信号、血氧信号、脉搏信号；所述主控装置根据所述生理信号匹配相应的刺激模式，并控制所述声音振动刺激装置输出与所述刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位。
作为优选，所述主控装置包括与所述信号采集装置相连的状态判别模块，所述状态判别模块根据采集的生理信号判别当前生理状态，所述生理状态包括但不限于睡眠状态、身体姿势状态、情绪状态、睁眼闭眼状态、呼吸状态、环境相应状态。
作为优选，所述主控装置还包括与所述状态判别模块相连的控制模块和与所述控制模块相连的媒体模块，所述媒体模块包括多个与所述生理状态相对应的刺激模式，所述刺激模式包括但不限于用于驱动所述声音振动刺激装置的波形及其相关声音信号文件，所述控制模块根据生理状态匹配相对应的波形及其相关声音信号文件。
作为优选，所述声音振动刺激装置包括与所述媒体模块相连的振动器，所述振动器输出与所述刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位。
作为优选，所述振动器的有效频宽为0-20kHz，功率为0-50w。
作为优选，所述主控装置还包括声音处理模块，所述声音处理模块对外部音频文件进行个性化生理状态相关声音信号处理，生成可添加至所述刺激模式中的波形及其相关声音信号文件，所述个性化生理状态相关声音信号处理包括但不限于改变幅度、频率、自适应滤波、自适应建模、生理状态判别与预测。
作为优选，所述声音处理模块包括但不限于信号处理模块、多个基本波形发生模块、多个调制模块以及波形整合模块，所述信号处理模块提取外部音频文件的声音信号的信号特征，并根据所述信号特征设计多个基本波形，所述基本波形发生模块生成所述基本波形，所述调制模块接收对应的基本波形，并根据与刺激模式对应的调制波形将所述基本波形调制成具有特定频率特性、特定幅度波动特性的调制后子波，所述波形整合模块将所有调制后子波整合生成与刺激模式相对应的波形及其相关声音信号文件。
作为优选，所述生理信号采集模块包括但不限于近红外光谱脑成像信号采集器，所述近红外光谱脑成像信号采集器包括光源和光源探测器，所述光源和光源探测器配合采集脑活动动态信号。
另一方面，本发明还提出了一种脑功能动态监测的声音振动调控设备的调控方法，包括：
S1：获取当前生理信号；
S2：分析当前生理信号、判别生理状态、并匹配适合当前状态的刺激模式；
S3：输出与所述刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位。
作为优选，所述步骤S2中刺激模式可独立生成声音信号和/或添加外部音频文件的声音信号，其中添加外部音频文件的声音信号包括：
A：提取外部音频文件的声音信号的信号特征，根据所述信号特征设计多个基本波形；
B：选择和/或生成与刺激模式相对应的调制波形，每个基本波形根据所述调制波形调制成具有特定频率特性、特定幅度波动特性的调制后子波；
C：所有调制后子波整合生成与刺激模式相对应的个性化波形及其相关声音信号文件。
另一方面，本发明还提出了一种头枕，包括上述的脑功能动态监测的声音振动调控设备。
另一方面，本发明还提出了一种头戴设备，包括上述的脑功能动态监测的声音振动调控设备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的脑功能动态监测的声音振动调控设备及调控方法，通过生理信号采集模块获取当前生理信号，实时监测生理状态信息，通过主控装置对当前生理信号进行分析、自适应匹配适合当前状态的刺激模式，通过声音振动刺激装置输出与刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位，实现生理-心理双模态脑调控。
2、在本发明的优选方案中，通过振动器输出与刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位，基于声波机械振动传导声动能的生理调控和以声音为介质的心理调控相结合的双模态脑功能调控方法，干预效果明显、操作更安全、舒适性更强。
3、采用红外光谱脑成像技术获取生理信号中的脑电信号，无需接触、无需电介质，安全可靠，且红外光谱脑成像技术对运动和头动不敏感，可很好的适应在睡眠中对生理状态的动态监测。
4、本发明的头枕和头戴设备，通过实时监测生理状态信息，对生理状态进行适应性调控，有助于放松大脑、缓解疲劳、改善睡眠质量和生活质量。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：
图1是本发明中脑功能动态监测的声音振动调控设备的电路框图；
图2是本发明中红外光谱脑成像信号采集器的结构框图；
图3是本发明中信号采集装置的结构示意图；
图4是本发明中声音处理模块的结构框图；
图5是本发明中脑功能动态监测的声音振动调控设备的调控方法流程图；
图6是本发明中脑功能动态监测的声音振动调控设备的工作流程图；
图7是本发明中声音处理模块的工作流程图。
图中所示：
2、信号采集装置；21、生理信号采集模块；211、红外光谱脑成像信号采集器；2111、光源；2112、光源探测器；22、压力信号采集模块；221、压力传感器；3、声音振动刺激装置；31、振动器；4、主控装置；41、状态判别模块；42、体位判别与校正模块；43、控制模块；44、媒体模块；441、刺激模式；45、电源模块；46、信号处理模块、47、声音处理模块；471、信号处理模块；472、基本波形发生模块；473、调制模块；474、波形整合模块。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，对应于本发明的一种脑功能动态监测的声音振动调控设备，包括一个或多个信号采集装置、一个或多个声音振动刺激装置、以及与信号采集装置2和声音振动刺激装置3相连的主控装置4。主控装置4与信号采集装置2和声音振动刺激装置3之间可以是通信连接，也可以是电连接，所述通信连接可以是有线通信和/或无线通信，无线通信包括但不限于蓝牙通信、WIFI通信及其它无线通信。信号采集装置2获取当前生理信号，所述生理信号可以是通过采集装置直接采集的，也可以是基于视频和/或音频采集后分析出的，所述生理信号包括不限于脑电信号、肌电信号、心电信号、眼电信号、血氧信号、脉搏信号等。由主控装置4对当前生理信号进行分析、匹配适合当前状态的刺激模式，并控制声音振动刺激装置3输出与刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位，包括但不限于耳朵、手、下颌、颅骨等。
如图2所示，在本实施例中信号采集装置2包括生理信号采集模块21，生理信号采集模块21优选采用近红外光谱脑成像信号采集器211，利用血液的主要成分对600-900nm近红外光良好的散射性，监测大脑活动时氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化情况，从而反映脑功能动态活动，具有无需导电介质、安全非侵入、对运动和头动不敏感、不受电磁噪声干扰等优点。如图3所示，近红外光谱脑成像信号采集器211包括光源2111和光源探测器2112，光源2111和光源探测器2112配合采集脑活动动态信号。
主控装置4包括与生理信号采集模块21相连的状态判别模块41、与所述状态判别模块41相连的控制模块43、与控制模块43相连的媒体模块44以及为整个设备供电的电源模块45。
在本实施例中，生理信号采集模块21和状态判别模块41之间设置有信号处理模块46。状态判别模块41通过信号处理模块46接收生理信号采集模块21采集的当前生理信号，并根据采集的当前生理信号判别当前生理状态，所述生理状态包括但不限于睡眠状态、身体姿势状态、情绪状态、睁眼闭眼状态、呼吸状态、环境相应状态等。所述媒体模块44包括多个与所述生理状态相对应的刺激模式441，所述刺激模式441包括但不限于用于驱动所述声音振动刺激装置的波形及其相关声音信号文件，该波形及其相关声音信号文件具有宽频带、高功率(高能量)等特点，可以使振动器31产生声音振动刺激。所述控制模块根据生理状态匹配相对应的波形及其相关声音信号文件。所述波形包括但不限于所述媒体模块内保存的波形、由所述媒体模块根据生理信号自动生成的波形、以及外部添加的波形，与波形相关的声音信号文件包括但不限于声音振动幅度、振动频率、刺激时间长度等。声音振动刺激装置3包括与媒体模块44相连的振动器31，振动器31输出与刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位，以声波机械振动传导声动能的生理调控和以声音为介质的心理调控相结合的双模态脑功能调控方法，具有安全非侵入、无接触等优点。所述振动器31的有效频宽为0-20kHz，功率为0-50w，其可支持输出一个具有宽频带、高能量的振动信号，该振动信号一方面通过空气传输至人耳形成以声音为介质的心理调控；另一方面作用于人体，使人体感受到明显的振感形成以物理振动的动能为载体的生理调控。
为了进一步了解本设备的调控，以睡眠状态作为判别的生理状态为例，进行详细阐述。当判别的生理状态为睡眠状态时，所述睡眠状态包括但不限于入睡阶段、睡眠呼吸暂停阶段、唤醒阶段，媒体模块44包括多个与睡眠状态相对应的刺激模式441。例如当前处于入睡阶段，则匹配刺激模式一，在此模式中，控制模块43会调用刺激模式一中助眠声音振动波形及其相关声音信号文件，进行以机械振动为载体的声动能生理调控和以声音为载体的心理调控，实现生理-心理双模态助眠脑刺激；如当前处于睡眠呼吸暂停阶段(或处于不规则呼吸状态)，则匹配刺激模式二，在此模式中，控制模块43会调用刺激模式二中微弱声音振动波形及其相关声音信号文件，唤醒提示用户改变体位，避免呼吸暂停引发的缺氧等危险；如果处于唤醒阶段，则匹配刺激模式三，在此模式中，控制模块43会调用刺激模式三中唤醒声音振动波形及其相关声音信号文件，播放舒缓闹钟音频，并同时通过机械振动声动能刺激实现大脑活动从深睡状态过渡到浅睡状态，实现逐步唤醒任务，避免用户在快速眼动期苏醒引发的疲劳感。
进一步的，为了提高设备的多样性，用户可根据喜好改变刺激模式中的波形及其相关声音信号文件。主控装置4还设置有声音处理模块47，声音处理模块47对外部音频文件进行个性化生理状态相关声音信号处理，生成可添加至所述刺激模式中的波形及其相关声音信号文件，具有宽频带、高功率(高能量)等特点，与媒体模块44中现有的音频具有相同的特性，可以使振动器31产生声音振动刺激。所述个性化生理状态相关声音信号处理包括但不限于改变幅度、频率、自适应滤波、自适应建模、生理状态判别与预测。如图4所示，声音处理模块47包括但不限于信号处理模块471、多个基本波形发生模块472、多个调制模块473以及波形整合模块474，信号处理模块471提取外部音频文件的声音信号的信号特征，并根据信号特征设计多个基本波形，基本波形发生模块472生成基本波形，调制模块473接收对应的基本波形，并根据与刺激模式对应的调制波形将基本波形调制成具有特定频率特性、特定幅度波动特性的调制后子波，波形整合模块474将所有调制后子波整合生成与刺激模式想对应的波形及其相关声音信号文件。
进一步的，为了提高设备的采集及刺激的准确性，如图3所示，所述信号采集装置2还包括设置在生理信号采集模块21下方的压力信号采集模块22，压力信号采集模块22获取当前头部位置信息，并通过主控装置4控制相应位置的生理信号采集模块21的开启或关闭。压力信号采集模块22包括压力传感器221，压力传感器221采集压力信号，压力信号用于头部体位判别、头部与设备相对位置校正以及生理信号采集模块21的开启或关闭。
主控装置4包括还包括连接在所述压力信号采集模块22和控制模块43之间的体位判别与校正模块42，所述体位判别与校正模块42和状态判别模块41共用一个信号处理模块46。体位判别与校正模块42通过信号处理模块46接收压力信号采集模块22采集的压力信号，并根据压力信号判别头部位置。在实际使用时，头部位置与信号采集装置2的位置会存在偏差，通过多个压力信号采集模块22采集的压力信号，采用多通道空间定位建模方法去综合判断当前头部位置与信号采集装置2和声音振动刺激装置3的对应位置关系，之后可通过多个信号采集装置2采集的生理信号反推所需采集信号位置的生理信号。控制模块43根据压力信号大小判断头部是否存在在对应的压力传感器221附近，并控制对应位置的生理信号采集模块21开启或关闭，确定后续开启的振动器31位置。
整个脑调控过程中，生理信号采集模块21采集的生理信号将实时记录脑调控期间的生理状态的动态活动，通过信号处理与数据分析生成当日生理质量报告，为搭载该设备的生理管理系统平台提供生理信号反馈，能够通过长时间生理质量报告，调整和配置设备参数，实现个性化的生理管理与长期干预。
如图5和图6所示，本实施例还提出了一种脑功能动态监测的声音振动调控设备的调控方法，包括：
S1：获取当前生理信号；
该设备的压力传感器221处于始终开启的状态，并实时采集压力信号，实时判断当前压力信号是否大于阈值，若压力信号小于阈值，则说明此时头部不在该压力传感器附近，相应位置的光源2111和光源探测器2112处于关闭状态；若压力信号大于阈值，则通过多通道空间定位建模方法判别头部位置，并校正当前头部位置与信号采集装置2和声音振动刺激装置3的对应位置关系，开启相应位置的生理信号采集模块21获取当前生理信号；
S2：分析当前生理信号、判别生理状态、并匹配适合当前状态的刺激模式；
其中，刺激模式可独立生成声音信号，通过获取的生理信号与媒体模块内原有的波形结合编码生成新的声音信号；
或添加外部音频文件的声音信号，如图7所示包括：
A：提取外部音频文件的声音信号的信号特征，根据所述信号特征设计多个基本波形；
B：选择和/或生成与刺激模式相对应的调制波形，每个基本波形根据所述调制波形调制成具有特定频率特性、特定幅度波动特性的调制后子波；
C：所有调制后子波整合生成与刺激模式相对应的个性化波形及其相关声音信号文件。
S3：输出与刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位；
匹配刺激模式后，通过振动器31输出相应的音频文件至头部位置及脑功能相关的其他人体部位，实现生理-心理双模态助眠脑刺激。
本发明的脑功能检测的声音振动调控设备可应用场景包括但不限于家用、社区门诊、睡眠中心、办公场所、交通工具(高铁、汽车、飞机)等。
本实施例还提出了一种头枕，包括头枕本体和安装在头枕本体内的脑功能动态监测的声音振动调控设备，当使用者头部枕在头枕上时，生理信号采集模块21采集当前生理信息，由主控装置4对当前生理信号进行分析、匹配适合当前状态的刺激模式，并控制声音振动刺激装置3输出与刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位，在整个使用过程中适应性的调控脑部状态，放松大脑，改善生活。本实施例中的头枕可应用的场景包括但不限于床品用枕头、椅子或按摩椅的靠背及头枕、交通工具中座椅的靠背及头枕等。
本实施例还提出了一种头戴设备，包括设备主体和安装在设备主体上的脑功能动态监测的声音振动调控设备，多个信号采集装置2和声音振动刺激装置3根据调控功能环路节点的位置分布在设备主体上，当使用者佩戴上头戴设备后，声音振动刺激装置3大致位于调控功能环路节点上，生理信号采集模块21采集当前生理信号，由主控装置4对当前生理信号进行分析、匹配适合当前状态的刺激模式，并控制声音振动刺激装置3输出与刺激模式相对应的声音振动复合刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位，在整个过程中适应性的调控脑部状态，放松大脑，改善生活。本实施例中的头戴设备包括但不限于头盔、帽子、十字形发带、一字形发带、井字型发带等。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (12)

1.一种脑功能动态监测的声音振动调控设备，其特征在于，包括一个或多个信号采集装置、一个或多个声音振动刺激装置，以及与所述信号采集装置和声音振动刺激装置相连的主控装置，所述信号采集装置采集生理信号，所述生理信号包括但不限于脑电信号、肌电信号、心电信号、眼电信号、血氧信号、脉搏信号；
所述主控装置根据所述生理信号匹配相应的刺激模式，并控制所述声音振动刺激装置输出与所述刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位。
2.根据权利要求1所述的脑功能动态监测的声音振动调控设备，其特征在于，所述主控装置包括与所述信号采集装置相连的状态判别模块，所述状态判别模块根据采集的生理信号判别当前生理状态，所述生理状态包括但不限于睡眠状态、身体姿势状态、情绪状态、睁眼闭眼状态、呼吸状态、环境相应状态。
3.根据权利要求2所述的脑功能动态监测的声音振动调控设备，其特征在于，所述主控装置还包括与所述状态判别模块相连的控制模块和与所述控制模块相连的媒体模块，所述媒体模块包括多个与所述生理状态相对应的刺激模式，所述刺激模式包括但不限于用于驱动所述声音振动刺激装置的波形及其相关声音信号文件，所述控制模块根据生理状态匹配相对应的波形及其相关声音信号文件。
4.根据权利要求3所述的脑功能动态监测的声音振动调控设备，其特征在于，所述声音振动刺激装置包括与所述媒体模块相连的振动器，所述振动器输出与所述刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位。
5.根据权利要求4所述的脑功能动态监测的声音振动调控设备，其特征在于，所述振动器的有效频宽为0-20kHz，功率为0-50w。
6.根据权利要求3所述的脑功能动态监测的声音振动调控设备，其特征在于，所述主控装置还包括声音处理模块，所述声音处理模块对外部音频文件进行个性化生理状态相关声音信号处理，生成可添加至所述刺激模式中的波形及其相关声音信号文件，所述个性化生理状态相关声音信号处理包括但不限于改变幅度、频率、自适应滤波、自适应建模、生理状态判别与预测。
7.根据权利要求6所述的脑功能动态监测的声音振动调控设备，其特征在于，所述声音处理模块包括但不限于信号处理模块、多个基本波形发生模块、多个调制模块以及波形整合模块，所述信号处理模块提取外部音频文件的声音信号的信号特征，并根据所述信号特征设计多个基本波形，所述基本波形发生模块生成所述基本波形，所述调制模块接收对应的基本波形，并根据与刺激模式对应的调制波形将所述基本波形调制成具有特定频率特性、特定幅度波动特性的调制后子波，所述波形整合模块将所有调制后子波整合生成与刺激模式相对应的波形及其相关声音信号文件。
8.根据权利要求1所述的脑功能动态监测的声音振动调控设备，其特征在于，所述生理信号采集模块包括但不限于近红外光谱脑成像信号采集器，所述近红外光谱脑成像信号采集器包括光源和光源探测器，所述光源和光源探测器配合采集脑活动动态信号。
9.一种根据权利要求1至8任一项所述的脑功能动态监测的声音振动调控设备的调控方法，其特征在于，包括：
S1：获取当前生理信号；
S2：分析当前生理信号、判别生理状态、并匹配适合当前状态的刺激模式；
S3：输出与所述刺激模式相对应的声音振动刺激至头部及脑功能相关的其他人体部位。
10.根据权利要求9所述的调控方法，其特征在于，所述步骤S2中刺激模式可独立生成声音信号和/或添加外部音频文件的声音信号，其中添加外部音频文件的声音信号包括：
A：提取外部音频文件的声音信号的信号特征，根据所述信号特征设计多个基本波形；
B：选择和/或生成与刺激模式相对应的调制波形，每个基本波形根据所述调制波形调制成具有特定频率特性、特定幅度波动特性的调制后子波；
C：所有调制后子波整合生成与刺激模式相对应的个性化波形及其相关声音信号文件。
11.一种头枕，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的脑功能动态监测的声音振动调控设备。
12.一种头戴设备，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的脑功能动态监测的声音振动调控设备。
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