CN113990164A - 一种心室腔模拟装置及其使用方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于临床医疗领域，具体涉及一种心室腔模拟装置及其使用方法与应用。所述心室腔模拟装置，包括基座、仿生心室和动力单元，仿生心室和动力单元均设置在基座上；所述仿生心室，内部设置有柔性密封的双心室囊，模拟左右心室；所述动力单元，用于提供使双心室囊收缩的动力，模拟心室腔的搏动；所述基座，用于连接仿生心室和动力单元；基座内设置有连接动力单元和仿生心室的流道，流道内放置有工作液体，工作液体作为介质来实现动力单元推动心室囊收缩。该装置能将直线电机的刚性往复运动转换生成心室囊的柔性收缩运动，进而更好的拟合心跳周期内压力变化曲线，能够更准确、真实的模拟出心室腔在搏动过程中出口压力和入口压力的变化曲线。

Description

一种心室腔模拟装置及其使用方法与应用

技术领域

本发明属于临床医疗领域，具体涉及一种心室腔模拟装置及其使用方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

体外循环模拟平台是血液模拟循环系统研究领域的一个重要分支，对发展全人工心脏(TAH)、心室辅助装置(VAD)起到非常重要的作用，心脏泵血过程中的血流动力学参数如血流量和血压等可以被实时测量和观察。心室模拟装置是体外脉动模拟循环系统的重要组成部分，改变心室模拟装置的心率、心排量、血管外周阻力等参数，可以获取多种生理或病理状态下的血流动力学环境。

心室模拟中，如何准确模拟出心脏腔室在心跳周期形成中的收缩搏动状态，得出准确的压力曲线已成为该领域重大难题之一。目前，应用较多的是使用直线电机推动工作液体来直接模拟心室腔的搏动。该模拟方法有着一定的优势，如造价较低，动作和动作控制较为简单等；但直线电机作为一种简单机械运动，再精密的行程控制都无法得到柔性腔室收缩所产生的精确的压力变化曲线。

为了满足循环模拟平台在研发和使用过程中对心室腔模型的设计需求，为全人工心脏(TAH)或心室辅助装置(VAD)的测试提供真实、准确、稳定可靠的模拟环境；为学界研究和实验提供更加先进的模拟设备，为循环系统相关医疗产品的检测提供环境，急需一种能够适用于循环模拟平台的、能够更准确、更真实地模拟出心室腔收缩所带来的压力和流量变化曲线的心室腔模拟装置。

发明内容

针对现有的心室腔模拟装置的不足，本发明旨在针对目标使用环境下普通直线电机采取刚性运动的方式所造成的压力曲线过于机械、与平台兼容性过低、收缩动作中的细节控制能力不足的问题，设计一种适用于循环模拟平台的心室腔模拟装置。该装置能针对循环模拟平台的需求，将直线电机的刚性往复运动转换生成心室囊的柔性收缩运动，进而更好的拟合心跳周期内压力变化曲线，能够更准确、真实的模拟出心室腔在搏动过程中出口压力和入口压力的变化曲线。

为实现上述发明目的，本发明具体公开了下述技术方案：

本发明第一方面提出一种心室腔模拟装置，该装置包括基座、仿生心室和动力单元，仿生心室和动力单元均设置在基座上；

所述仿生心室，内部设置有柔性密封的双心室囊，模拟左右心室；

所述动力单元，用于提供使双心室囊收缩的动力，模拟心室腔的搏动。

所述基座，用于连接仿生心室和动力单元；基座内设置有连接动力单元和仿生心室的流道，流道内放置有工作液体，工作液体作为介质来实现动力单元推动心室囊收缩。

本发明第二方面提供上述心室腔模拟装置的使用方法，具体为：

打开电机，推动流道中的工作液体向仿生心室流动，通过对电机频率和动作的精密控制，挤压心室囊，使心室囊收缩，模拟心室腔的搏动。

本发明第三方面提供一种上述心室腔模拟装置在测试全人工心脏(TAH)或心室辅助装置(VAD)中的应用。

本发明的一个或多个实施方式至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的心室腔模拟装置，采用仿生设计的思路设计全新的模拟器结构，能够模拟心室腔在搏动状态中真实的收缩和旋转动作；

(2)本发明提供的心室腔模拟装置，与传统的心室模拟装置设计相比，将直线电机的刚性力通过液体压力传导至弹性心室囊模型，挤压心室囊内液体并转化为柔性力，能够更准确、真实的模拟出心室腔在搏动过程中出口压力和入口压力的变化曲线；

(3)本发明提供的心室腔模拟装置，为双心室模拟装置，能够通过电磁阀控制两侧心室的工作，使循环模拟平台更具有真实的模拟环境，增强模拟的灵活性和有效性；

(4)本发明所提供的心室腔模拟装置，能够不受工作液体的变化的影响，持续稳定的提供较长期的模拟环境，能根据环路的需求作出调整，其结构能精确适用于循环模拟平台。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例1所述心室腔模拟装置示意图；

图2为实施例1所述心室腔模拟装置具体结构示意图；

图3为实施例1所述心室腔模拟装置基座示意图；

图4为实施例1所述心室腔模拟装置电磁阀示意图；

图5为实施例1所述心室腔模拟装置膜片座示意图；

图6为实施例1所述心室腔模拟装置膜片支撑示意图；

图7为实施例1所述心室腔模拟装置膜片箍示意图；

图8为实施例1所述心室腔模拟装置电机底座示意图；

图9为实施例1所述心室腔模拟装置电机示意图；

图10为实施例1所述心室腔模拟装置电机中心轴示意图；

图11为实施例1所述心室腔模拟装置电机防尘外壳示意图；

图12为实施例1所述心室腔模拟装置膜片示意图；

图13为实施例1所述心室腔模拟装置心室囊示意图；

图14为实施例1所述心室腔模拟装置心室外壁示意图；

图15为实施例1所述心室腔模拟装置心室囊隔板示意图；

图16为实施例1所述心室腔模拟装置心室囊连接管示意图；

图17为实施例1所述心室腔模拟装置循环模拟平台管路示意图；

图18为实施例1所述心室腔模拟装置瓣膜夹片示意图；

图19为实施例1所述心室腔模拟装置外观示意图；

其中：

1-基座部分、2-动力装置、3-仿生心室装置。

11-底座、12-电磁阀。

111-流道电机端入口、112-膜片装配位置、113-流道心室端出口、114-心室外壁装配位置、115-压力传感器、116-VAD并联入口Ⅱ、121-电磁阀头122-电磁阀线路。

21-膜片座、22-膜片支撑、23-膜片箍、24-电机底座、25-电机、26-电机中心轴、27-电机防尘外壳、28-膜片。

211-膜片箍装配位置、221-电机中心轴孔A、231-膜片箍装配位置、232-电机中心轴孔B、241-电机中心轴孔C、242-电机安装位置、261-与电机装配位置、262-电机中心轴、271-电机防尘外壳顶、272-电机防尘外壳侧壁的电机线路出口、281-膜片边缘。

31-心室囊、32-心室外壁、33-心室囊隔板、34-心室囊连接管、35-循环模拟平台管路、36-瓣膜夹片。

311-连接管连接处、312-支撑杆、313-VAD并联入口Ⅰ、321-压力传感器、322-瓣膜夹片装配位置、323-心室外壁密封顶、361-瓣膜装配位置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中一般使用直线电机推动工作液体来直接模拟心室腔的搏动，但普通直线电机采取刚性运动的方式会造成的压力曲线过于机械、与平台兼容性过低、收缩动作中的细节控制能力不足。

为了解决上述问题，本发明第一方面提出一种心室腔模拟装置，该装置包括基座、仿生心室和动力单元，仿生心室和动力单元均设置在基座上；

所述仿生心室，内部设置有柔性密封的双心室囊，模拟左右心室；

所述动力单元，用于提供使双心室囊收缩的动力，模拟心室腔的搏动。

所述基座，用于连接仿生心室和动力单元；基座内设置有连接动力单元和仿生心室的流道，流道内放置有工作液体，工作液体作为介质来实现动力单元推动心室囊收缩。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述双心室囊之间设置有隔板，通过隔板将仿生心室分隔成各自独立的双心室腔；隔板通过螺钉固定在基座上。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述仿生心室为箱体结构，箱体上部为心室外壁密封顶，所述心室囊通过心室囊连接管与心室外壁密封顶相连。

进一步的，所述心室外壁密封顶上设有开孔，心室囊连接管通过开孔装配于心室外壁密封顶，所述开孔内装配有瓣膜夹片，瓣膜夹片内夹装有用于循环模拟平台的瓣膜；所述开孔与循环模拟平台管路相连通，通过管路与循环模拟平台的其他模块相连。

进一步的，心室囊31底部设置有三个支撑杆，三个支撑杆间头尾旋转交叉与隔板相连接；在受力时能够使柔性心室囊实现微小的旋转动作。

在本发明的一个或多个实施方式中，心室囊中填充有另一工作液体，能够在受到挤压时将该工作液体挤出到循环模拟平台管路中，精确模拟泵血动作；

进一步的，所述心室囊为柔性材料制成，具有一定的形变能力，在使用过程中有简单几何形态、三维扫描重建仿生形态等，应用于不同的模拟需求条件。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述动力单元包括电机，电机安装于电机底座上；

优选的，所述电机包括电机中心轴，电机中心轴上端连接有定位板，电机中心轴与定位板能够构成简易活塞装置；

在本发明的一个或多个实施方式中，所述流道在电机单元侧为单一入口，即流道电机端入口，而在仿生心室侧为分流后的两个出口，即流道心室端出口；

为了避免电机与流道内工作液体接触，所述流道电机端入口处设置有密封组件，所述密封组件包括：膜片、膜片座、膜片箍和膜片支撑，所述膜片座固定于基座上，形成一个完整的电机入口流道，膜片箍和膜片座中间夹装膜片边缘，形成一个完全密封的流道；膜片支撑位于膜片的上方，在膜片与膜片箍之间。

进一步的，电机底座通过螺钉固定于膜片箍上，电机中心轴穿过电机底座、膜片箍插接在设置于膜片上的膜片支撑上，组成完整的电机直线往复机构，当电机中心轴在电机套筒内向下移动时，推动膜片伸长，推动工作流体向仿生心室内运动，使心室囊收缩。

进一步的，所述基座内包含控制流道的电磁阀，电磁阀能够控制工作液体选择性从一个或两个流道心室端出口流出；所述电磁阀及其控制线路装配于底座管路分流的远端支，对另一流出道进行控制。另外，基座上设置有电磁阀控制连接孔。

在本发明的一个或多个实施方式中，心室囊底部包含VAD并联入口Ⅰ，仿生心室下方的基座侧面设有VAD并联入口Ⅱ，使用时打开VAD并联入口Ⅱ和VAD并联入口Ⅰ。

进一步的，所述电机外围罩有电机防尘外壳，在心室模拟器工作或静置时保护电机和使用者安全，在组装和调整时可轻松取下。

进一步的，该装置设有电机控制系统，能够根据模拟需求，通过对电机的控制完成对压力曲线的调整。

此外，本发明设置多个压力传感器，目的在于能够及时传输并记录压力变动得到的曲线，具体为：在流道路径中、心室外壁密封顶上均设置有压力传感器，所述双心室腔上设有压力传感器连接孔，所述基座上设置有压力传感器连接孔。

本发明第二方面提供上述心室腔模拟装置的使用方法，具体为：

打开电机，推动流道中的工作液体向仿生心室流动，通过对电机频率和动作的精密控制，挤压心室囊，使心室囊收缩，模拟心室腔的搏动。

更具体地，

打开电机，推动流道中的工作液体向仿生心室流动，所述工作液体在进入双心室腔前，先经过电磁阀分流，造成一定的流量变化、压力变化和时间差，通过对电机频率和形成以及动作的精密控制，挤压心室囊进行收缩，使心室囊中的另一工作液体能够顺利通过瓣膜装置单向排出，流入循环模拟平台管路，精确模拟左右心室的泵血动作。

或，当模拟需求仅为单心室简易环路时，同样通过对电磁阀的调整可以达到单侧不工作状态；流道内的工作液体受到电机推力后均匀分散该力并作用于单心室囊外壁，心室囊发生收缩，由于支撑杆的牵引，故在设定好的唯一运动方向上发生少许侧旋，不仅完成对心室囊收缩动作的模拟，同时完成少许侧旋动作的模拟，使循环模拟平台管路内的工作液体能够模拟心室搏动，完成刚性力到柔性力的转换，从而完成泵血。

本发明第三方面提供一种上述心室腔模拟装置在测试心室辅助装置(VAD)中的应用，具体应用方法为：

将心室辅助泵入口流道穿过基座上的VAD并联入口Ⅱ与心室囊在底部的VAD并联入口Ⅰ连接，出口流道与循环模拟平台管路或心室模拟器对应管路连接。

实施例1

如图1-19所示，本实施例提供一种心室腔模拟装置，包括基座1、动力单元2、仿生心室装3，所述动力单元2和仿生心室3两部分分别组装完全后密封装配于基座1之上。

所述仿生心室3为箱体结构，通过隔板33分隔成各自独立的双心室腔；箱体上部为心室外壁密封顶323，心室囊31通过心室囊连接管34与心室外壁密封顶323相连接，所述心室外壁密封323上设有开孔，心室囊连接管通过开孔装配于心室外壁密封顶323，所述开孔内装配有瓣膜夹片36，瓣膜夹片36内夹装有适用于循环模拟平台的瓣膜；所述开孔与循环模拟平台管路35相连通，通过管路与循环模拟平台的其他模块相连；心室囊31底部设置有三个支撑杆312，三个支撑杆间头尾旋转交叉与隔板33相连接，并保持其运动范围不受阻力，在受力时能够使柔性心室囊31实现微小的旋转动作。心室外壁密封顶323上设置有压力传感器321。

所述心室囊31包括三种形态，图中未标出，分别为球囊形态、简易几何形态和经反向工程扫描并3D打印的与人的心室腔相同的仿生形态，用于不同精度的研究实验中；所述心室囊下的支撑杆312共有三只，头尾旋转交叉、长度不等、固定于心室囊隔板上，支撑心室囊在收缩时能且只能向预设方向发生少许侧旋，从而能够模拟自然心脏收缩时向心尖侧的旋转并收缩动作。

所述基座1，其整体为亚克力加工件，流道在电机侧为单一入口，流道电机端入口111，而在心室腔侧为分流后的两个出口，流道心室端出口113，在流道路径中设置有压力传感器115；所述基座1内包含底座11和控制流道的电磁阀12，电磁阀12能够控制工作液体选择性从一个或两个流道心室端出口113流出；所述电磁阀12及其控制线路装配于底座11管路分流的远端支，对另一流出道进行控制。

所述流道电机端入口111处设置有密封组件，所述密封组件包括：膜片28、膜片座21、膜片箍23和膜片支撑22，所述膜片座21固定于基座1上，形成一个完整的电机入口流道，膜片箍23和膜片座21中间夹装膜片边缘，形成一个完全密封的流道；膜片支撑22位于膜片28的上方，位于膜片28与膜片箍23之间。

所述动力单元2，包括音圈电机，电机安装于电机底座24上；所述电机包括电机套筒和设置在套筒中心的电机中心轴262，电机中心轴262上端连接有定位板，电机中心轴262与定位板能够一起在电机套筒内上下移动；电机底座24通过螺钉固定于膜片箍23上，电机中心轴262通过241、232、221所示的电机中心轴孔穿过电机底座24、膜片箍23插接在设置于膜片上的膜片支撑22上，组成完整的电机直线往复机构，当电机中心轴262在电机套筒内向下移动时，推动膜片28伸长，推动工作流体向仿生心室3内运动，使心室囊31收缩。

所述心室囊31底部包含VAD并联入口Ⅰ313，仿生心室装置3下方侧面的基座上设有VAD并联入口Ⅱ116，使用时打开VAD并联入口116和313。

所述底座11、电机防尘外壳27、心室外壁32、心室囊隔板33、心室囊连接管34、循环模拟平台管路35、瓣膜夹片36均为透明亚克力材质；所述膜片座21、膜片支撑22、膜片箍23、电机底座24均为尼龙材质通过3D打印得到；所述心室囊31为所需型号软质硅胶通过对真实心室腔的扫描重建和3D打印得到。

实施例2

本实施例提供一种实施例1中所述心室腔模拟装置的使用方法，具体为：

打开电机，推动流道中的工作液体向仿生心室3流动，所述工作液体在进入双心室腔前，先经过电磁阀12分流，造成一定的流量变化、压力变化和时间差，通过对电机频率和形成以及动作的精密控制，挤压心室囊31进行收缩，使心室囊31中的另一工作液体能够顺利通过瓣膜装置单向排出，流入循环模拟平台管路35，精确模拟左右心室的泵血动作。

实施例3

本实施例提供一种实施例1中所述心室腔模拟装置的使用方法，具体为：

当模拟需求仅为单心室简易环路时，同样通过对电磁阀12的调整可以达到单侧不工作状态；流道内的工作液体受到电机推力后均匀分散该力并作用于单心室囊外壁，心室囊31发生收缩，由于支撑杆312的牵引，故在设定好的唯一运动方向上发生少许侧旋，不仅完成对心室囊31收缩动作的模拟，同时完成少许侧旋动作的模拟，使流道内的工作液体能够模拟心室搏动，完成刚性力到柔性力的转换，从而完成泵血。

实施例4

本实施例提供一种心室腔模拟装置在测试心室辅助装置(VAD)中的应用，具体应用方法为：

将心室辅助泵入口流道穿过基座上的VAD并联入口Ⅱ116与心室囊在底部的VAD并联入口Ⅰ313连接，出口流道与循环模拟平台管路35或心室模拟器对应管路连接，按照实施例2或3中的方式运行，进行VAD装置的测试，

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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种心室腔模拟装置，其特征在于：包括基座、仿生心室和动力单元，仿生心室和动力单元均设置在基座上；

所述仿生心室，内部设置有柔性密封的双心室囊，模拟左右心室；

所述动力单元，用于提供使双心室囊收缩的动力，模拟心室腔的搏动；

所述基座，用于连接仿生心室和动力单元；基座内设置有连接动力单元和仿生心室的流道，流道内放置有工作液体，工作液体作为介质来实现动力单元推动心室囊收缩。

2.如权利要求1所述的心室腔模拟装置，其特征在于：所述双心室囊之间设置有隔板，通过隔板将仿生心室分隔成各自独立的双心室腔；隔板通过螺钉固定在基座上；

进一步的，所述仿生心室为箱体结构，箱体上部为心室外壁密封顶，所述心室囊通过心室囊连接管与心室外壁密封顶相连；

进一步的，所述心室外壁密封顶上设有开孔，心室囊连接管通过开孔装配于心室外壁密封顶，所述开孔内配有瓣膜夹片，瓣膜夹片内夹装有适用于循环模拟平台的瓣膜；所述开孔与循环模拟平台管路相连通，通过管路与循环模拟平台的其他模块相连；

进一步的，心室囊底部设置有三个支撑杆，三个支撑杆间头尾旋转交叉与隔板相连接；在受力时能够使柔性心室囊实现微小的旋转动作。

3.如权利要求2所述的心室腔模拟装置，其特征在于：心室囊中填充另一工作液体，能够在受到挤压时将该工作液体挤出到循环模拟平台管路中，精确模拟泵血动作；

进一步的，所述心室囊为柔性材料制成，具有一定的形变能力，在使用过程中有简单几何形态、三维扫描重建仿生形态等，应用于不同的模拟需求条件。

4.如权利要求1所述的心室腔模拟装置，其特征在于：所述动力单元包括电机，电机安装于电机底座上；

优选的，所述电机包括电机中心轴，电机中心轴上端连接有定位板，电机中心轴与定位板能够构成简易活塞装置。

5.如权利要求4所述的心室腔模拟装置，其特征在于：所述流道在电机单元侧为单一入口，即流道电机端入口，而在仿生心室侧为分流后的两个出口，即流道心室端出口；

所述流道电机端入口处设置有密封组件，所述密封组件包括：膜片、膜片座、膜片箍和膜片支撑，所述膜片座固定于基座上，形成一个完整的电机入口流道，膜片箍和膜片座中间夹装膜片边缘，形成一个完全密封的流道；膜片支撑位于膜片的上方，在膜片与膜片箍之间；

进一步的，电机底座通过螺钉固定于膜片箍上，电机中心轴穿过电机底座、膜片箍插接在设置于膜片上的膜片支撑上，组成完整的电机直线往复机构，当电机中心轴在电机套筒内向下移动时，推动膜片伸长，推动工作流体向仿生心室内运动，使心室囊收缩。

6.如权利要求5所述的心室腔模拟装置，其特征在于：所述基座内包含控制流道的电磁阀，电磁阀能够控制工作液体选择性从一个或两个流道心室端出口流出；所述电磁阀及其控制线路装配于底座管路分流的远端支，对另一流出道进行控制；

或，心室囊底部包含VAD并联入口Ⅰ，仿生心室下方的基座侧面设有VAD并联入口Ⅱ，使用时打开VAD并联入口Ⅱ和VAD并联入口Ⅰ。

7.权利要求1-6任一项所述的心室腔模拟装置的使用方法，其特征在于：

打开电机，推动流道中的工作液体向仿生心室流动，通过对电机频率和动作的精密控制，挤压心室囊，使心室囊收缩，模拟心室腔的搏动。

8.如权利要求7所述的使用方法，其特征在于：

打开电机，推动流道中的工作液体向仿生心室流动，所述工作液体在进入双心室腔前，先经过电磁阀分流，造成一定的流量变化、压力变化和时间差，通过对电机频率和形成以及动作的精密控制，挤压心室囊进行收缩，使心室囊中的另一工作液体能够顺利通过瓣膜装置单向排出，流入循环模拟平台的管路，精确模拟左右心室的泵血动作。

9.如权利要求8所述的使用方法，其特征在于：

当模拟需求仅为单心室简易环路时，同样通过对电磁阀的调整可以达到单侧不工作状态；流道内的工作液体受到电机推力后均匀分散该力并作用于单心室囊外壁，心室囊发生收缩，由于支撑杆的牵引，故在设定好的唯一运动方向上发生少许侧旋，不仅完成对心室囊收缩动作的模拟，同时完成少许侧旋动作的模拟，使流道内的工作液体能够模拟心室搏动，完成刚性力到柔性力的转换，从而完成泵血。

10.权利要求1-6任一项所述的心室腔模拟装置在测试全人工心脏或心室辅助装置中的应用，其特征在于：具体应用方法为：

将心室辅助泵入口流道穿过基座上的VAD并联入口Ⅱ与心室囊在底部的VAD并联入口Ⅰ连接，出口流道与循环模拟平台管路或心室模拟器对应管路连接。

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