CN114306967A - 高原辅助呼吸装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高原辅助呼吸装置，包括进气管、出气管、呼吸罩、若干驱动和空气转压装置，空气转压装置能将呼吸罩内气体与外界环境隔断，并对罩内气压和气流量调节；空气转压装置替换成气泵和空气排放装置后，气泵用于增压增气、空气排放装置用于减压排气，气泵和空气排放装置组合使罩内与外界隔断；增减罩内气压可通过自动控制器调节，实现吸气时罩内气压高、呼气时罩内气压的空气循环状态；空气排放装置替换成气缸式排气阀后，让罩内气压稳定在设定气压附近，实现罩内气压与体内气压始终相同、为非封闭的流体态，使佩戴者自由呼吸加压空气、克服高原缺氧。

Description

高原辅助呼吸装置

技术领域

本发明涉及一种高原辅助呼吸装置，特别是一种适用于高原地区的高原辅助呼吸装置.

背景技术

在高原地区中，空气中氧气占比与平原相似，但氧气浓度远低于平原.影响人们高原生活、旅行、运动，甚至产生高原反应等疾病。现有技术是吸氧气或吸加压气体。前者制氧工艺耗费较大，不宜长时间普遍使用；后者对着鼻嘴部充气加压，首先容易导致鼻部风干，其次当实际使用过程中，吸气过程中势必造成呼吸罩内产生一定程度压降(气压下降)，充气速率越快、压降越小；充气速率越慢、压降越大.为避免压降过大，需充气速率增加.但气流增加，风干问题更为严重.吸气行为结束后，继续提供气体会使压降消减，导致罩内气体密度大于体内气体密度。部分加压呼吸罩设置了通气阀，用于释放呼气所释放的气体.然而呼吸罩内的气压原就大于环境气压，通气阀未开启，而罩内气压大于体内气压，人体无法有效呼出气体，更难以增加罩内的气压值，设想中呼出气体增加罩内气压实现通气阀打开的预期目标在实践中难以实现。间歇通气阀也难以辨别罩内的呼吸状态，难以实现吸气的时候罩内气压高、到呼气时罩内气压低于体内气压，或实现罩内气压与体内气压始终近乎于相同、罩内为非封闭的流体状态.上述关键性技术问题无法解决，导致加压辅助只能通过鼻部吸气、嘴部呼气，与普通人常态下呼吸习惯不一致；鼻吸嘴呼协调不好时更易造成大脑缺氧，也无法在饮食和无意识的睡眠中使用.故常见的方案仍为使用氧气瓶呼吸.

在使用加压气体过程中常配合使用的普通气囊，难以实现高原地区高于环境气压的气体储存，当气囊内充入加压气体后，气囊马上膨胀变成与外界气压相同的气囊，要增加气囊内气压，加压器需要的功率会显著增加；而且当气囊内气压达到设定气压后，人体从气囊吸气并不会导致像平原地区一样的出现气囊干瘪，普通气囊用于储存加压气体并无明显效果，相反会大幅产生增压能耗.

本发明提供了一种新型的用于高原地区的高原辅助呼吸装置，呼吸罩内气体为定向流动的气体，随着流动气体实现自由呼吸.与原有技术方案相比，具有显著的创造性与实用性.

发明内容

本发明针对高海拔地区大气压力不足造成的环境性缺氧，提出的为克服或减轻高原缺氧的高原辅助呼吸装置，该发明具有能耗低、使用方便的特点。

为达到上述目的，本发明提出的第一种技术方案是：包括进气管、出气管、呼吸罩、若干驱动、空气转压装置，所述呼吸罩与进气管、出气管相连构成气流通道，为减少呼吸罩内外压差产生的作用力，在能保障呼吸的情况下尽量减少呼吸罩内的气流通道与人体接触截面积，可通过将呼吸罩含于嘴中或塞入鼻孔的方式有效减少接触截面积.呼吸罩优选结构为类似鼻氧管的结构，塞入两鼻孔内并通过硅胶与鼻腔内部保持紧密贴合并固定.所述空气转压装置包含换气孔、与进气管相连的输气孔、与出气管相连的排气孔以及一至三组活塞缸体通过驱动运转，所述缸体依次通过换气孔、输气孔、排气孔，以此循环，通过换气孔过程中，缸体内活塞向上往缸顶运动，通过输气孔过程中，缸体内活塞向下运动，通过排气孔过程中，缸体内活塞向上运动至任一设定高度，所述单一缸体不得同时介于换气孔、输气孔、排气孔的两孔间，所述任一活塞的上下总冲程相同，所述换气孔、输气孔、排气孔优选正三角形布局，换气孔与环境相通，输气孔、排气孔不与环境相通。驱动可以采用人力驱动或机械驱动，活塞上下运动、活塞气缸旋转可以单独或联动驱动.当采用人力驱动时，活塞运动、气缸旋转优选采用三组活塞缸体布局、联动驱动的模式，当准备吸气和吸气过程中，正向驱动使气流通道内加压；当准备呼气和呼气过程中，反向驱动使气流通道内气流方向相反、气压下降。当采用多个驱动独立驱动时，缸体活塞在经过换气孔、输气孔、排气孔的活塞冲程均可以单独调整，在通过排气孔过程中，缸体内活塞向上运动所设定高度越高，排气降压效率越高.

本发明提出的第二种技术方案是：将第一种技术方案中的空气转压装置替换成气泵和空气排放装置，所述气泵与进气管连接，气泵通过驱动从环境进气加压后由进气管输送至呼吸罩内，所述空气排放装置包含换气孔、与出气管相连的排气孔以及一至两组活塞缸体，所述活塞通过驱动调节缸体排气、换气空间，缸体通过驱动循环于换气孔、排气孔两孔间，以此调节气流通道内的气压值和气体流动量，所述单一缸体不得同时介于换气孔、排气孔的两孔间，所述活塞缸体可替换成壳体，单纯通过循环频率增减控制排气、换气，所述换气孔与环境相通，排气孔不与环境相通，所述气泵供气量足以满足人体吸气需求。

本发明提出的第三种技术方案是：将第二种技术方案中的空气排放装置替换成气缸式排气阀，所述气缸式排气阀包含气缸、活塞排气阀，所述气缸底部与出气管相连，所述活塞排气阀底部与气缸间含有狭窄的空腔，使活塞排气阀底部与气缸完全无法贴合，气缸上部侧壁设有通气槽，所述通气槽优选下窄上宽结构，所述气缸保持竖直状态放置，优选通过柔性绳悬吊保持竖直状态，所述活塞排气阀的重力与设定气压差下活塞排气阀上下两侧因气压差产生的合力的大小相同、方向相反(尽量降低活塞排气阀与气缸间的摩擦力、本文中均忽略摩擦力影响).在未呼吸的常态功率下，活塞排气阀下沿高于通气槽下沿，通气槽保持排气状态，作为优选，在未呼吸的佩戴状态下，将保持通气槽排气的驱动最低功率设为稳态，驱动功率与活塞排气阀相较稳态下的升降呈反比增减。所述活塞排气阀的质量过大会导致驱动所需功率增大，而活塞排气阀所需质量与气压差、气缸横截面积成正比。故在气压差一定的情况下、在保障能吸气足够、呼气无阻、气压稳压的功能前提下，气缸横截面积宜小不宜大，可选用如0.1平方厘米横截面积的气缸。通过活塞排气阀的调节，稳定气流通道内的气压值，消除佩戴者呼吸气体与流体通道中气体的气压差，实现自由呼吸。

作为第一、第二种技术方案的进一步优化，所述驱动通过自动控制器控制，所述自动控制器包含设于从进气管始至出气管止的气流通道中任一端的气压感应信号器、通过气压感应信号器的气压信号变化触发切换自动控制器的模式，自动控制器包括初始模式、吸气模式、呼气模式三个循环模式.初始模式下，保持气流通道内气压略高、气流量较低，当气压感应信号器的气压信号降至触发初始模式下的转换信号时，初始模式立即转换为吸气模式；吸气模式下，增加气流量并可适当提高气压上限，将吸气而导致的压降予以快速合理消除，但不宜过度提高气流量与气压上限，防止吸气行为未完结而气压上升过快，提早触发模式转换信号.当吸气结束后气压继续上升触发吸气模式下的转换信号，吸气模式立即转换为呼气模式；呼气模式下，气流量与气压均下降，使吸入气体密度大于呼气模式下气流通道内的气体密度，呼气过程会导致气流通道内气压增加，呼气模式接收到气压增加信号后合理延时后立即将呼气模式转变为初始模式，或在气压增加信号消失时将呼气模式立即转变为初始模式，在呼气模式下在合理时间内未接受到气压增加信号，呼气模式立即转变为初始模式.当呼气模式下气压降至环境气压时，立即转为吸气模式.所述气压感应信号器优选设于呼吸罩内。

自动控制器的控制模式也可仅包括吸气模式和呼气模式。循环起点为吸气模式，吸气模式下呼吸罩内保持较高气压和较大气流量，在吸气会导致气压出现下降，吸气结束后，压降快速消除时意味吸气停止，吸气模式自动转换为呼气模式，呼气模式下保持较低气压和较低气流量，在呼气过程中，气压会略有上升，当气压出现上升又回落后，视为呼气行为结束，呼气模式立即转换为吸气模式，或延时自动转换为吸气模式.双模式下，吸气模式若气流量不足，会出现压降明显，有效吸气气压值低的缺点；若气流量过大时，会出现压降不明显，压差难以检测的缺点.故本发明采用初始模式、吸气模式、呼气模式三循环模式，在不同模式下通过气压感应信号器的不同压力信号切换。初始模式下的气压值较大，但气流量较低，该设计可准确分析出吸气动作，压降幅度大，易检测到吸气行为的开始.吸气模式中，设定的稳态气压值虽较高，但因吸气行为导致的体积增大，吸气时不易增加气压，吸气结束后因气流通道体积小，快速增压触发吸气模式转变为呼气模式的信号。信号准确度相较呼气吸气的双模式下更可靠。在初始模式下，可通过设定稳态气压值与实际稳态气压之差，通过程序自动计算出实际佩戴过程中泄露气体常量以减少排气、增加输气的方式消除或减少误差。若系统较长时间位于吸气模式，则可自动关机，更为节能环保.

自动控制器的三个模式的设定气压、触发气压、气体流量、延时长短，可根据佩戴者呼吸的气体体量、呼吸频率、外界环境调节，以满足不同佩戴者不同的使用需要.在第一种技术方案中，当加压辅助呼吸装置仅有单个驱动时，驱动具有正反转能力的情况下，自动控制器通过控制驱动正反转比例、增减循环频率实现气压、气流的控制。在有多个独立驱动时，可通过调节进气量、出气量体积比调节气压值，在保持比例不变的前提下，同比例增减进、出气体量调节气流量.在第二种技术方案中，自动控制器的工作原理相同，通过调节进出气的体积比控制气压值、确定比例下调节进出气流量实现各个模式下不同的设定目标。

在配有自动控制器的高原辅助呼吸装置，可用于佩戴在普通医用口罩上，通过加减压的气压差抵消口罩两侧气体流动阻力，既能让佩戴者顺畅呼吸，又能保障所吸气体透过滤布。

附：《气压信号-控制模式转换表》(关于气压感应信号器的气压信号，即检测到的实际气压，与自动控制器的三个模式下设定气压与模式转变触发气压的关系表格)

气压信号-控制模式转换表

作为进一步优化，所述高原辅助呼吸装置的呼吸罩内设有缓冲过滤网、从进气管始至出气管止的气流通道中任一端设有气压显示仪、泄压阀.缓冲过滤网不仅能过滤杂质，还能在非呼吸时降低内侧(贴近佩戴者侧)气流流速、增加佩戴者使用舒适性；气压感应信号器优先设于缓冲过滤网的内侧，并在内侧可增设气流感应信号器辅助检测呼吸、切换自动控制器呼吸模式；气压显示仪能方便佩戴者在未使用前知晓环境气压，使用过程中知晓气流通道内气压。当气流通道内与外界气压差过大时，如压差大于2atm时，泄压阀开启，防止设备故障而导致佩戴者吸入影响健康的高压气体.

作为另一项优化，所述高原辅助呼吸装置的进气管上设有气缸式储气囊，所述气缸式储气囊包含储气气缸、重力活塞，所述储气气缸两端与重力活塞含有狭窄的空腔，可以通过减少气缸两端横截面或活塞上下两侧内凹以形成狭窄的空腔，所述储气气缸顶部与外界相通、底部孔道与进气管相通，所述储气气缸保持竖直状态，所述平衡压差，是指重力活塞25的重力与重力活塞25因上下两侧气压差而产生的压差合力大小相同、方向相反.例如平衡压差为0.3标准大气压(atm)时，重力活塞的重力与0.3atm气压差对重力活塞产生的作用合力抵消，气缸内压差小于0.3atm，重力活塞下降以减少缸内体积，增加气压，减少缸内气体后气压差仍小于0.3atm，重力活塞降至最低处；当储气气缸与外界气压差大于0.3atm，重力活塞上升，增加缸内体积以减少气压，直至最高处后，气压继续上升，缸内体积也不在变化。作为优选，进气管连接多个平衡压差相同或不同的气缸式储气囊时，平衡压差最大的一个气缸式储气囊缸内活塞冲程内璧上端设有泄压口.平衡压差保持在高原辅助呼吸装置工作产生的实际压差范围内。如第三种技术方案中，气缸式储气囊设定的平衡压差值不大于活塞排气阀排气时的内外气压差值。气缸式储气囊更适宜在大功率空压机使用中作为储气设备时使用、气缸式储气囊可作为多人使用的共同气体来源，并根据使用者各自所处呼吸状态不同增减气体供应量。

附图说明

图1是本发明包含空气转压装置的高原辅助呼吸装置结构示意图.

图2是本发明包含空气排放装置的高原辅助呼吸装置结构示意图.

图3是本发明包含气缸式排气阀的高原辅助呼吸装置结构示意图。

具体实施方式

结合附图1对本发明第一种技术方案包含空气转压装置的高原辅助呼吸装置的一种实施方式详作说明.

如图1所示，本发明高原辅助呼吸装置包括进气管1、出气管2、呼吸罩3、一个人力的驱动4、空气转压装置5、缓冲过滤网20和气缸式储气囊23，所述空气转压装置5包含换气孔6、输气孔7、排气孔8、一组活塞9缸体10，所述气缸式储气囊缸体23包含储气气缸24、重力活塞25，底部孔道26、泄压口27.所述呼吸罩3内设有缓冲过滤网20，呼吸罩3两端分别连接进气管1、出气管2，所述进气管1与输气孔7、气缸式储气囊23连接，所述出气管2与排气孔8连接，所述空气转压装置5的换气孔6、输气孔7、排气孔8呈正三角形布局，活塞9上设有三个直径不一的齿轮、驱动4以上而下设有三个不同朝向、各与活塞9上一个齿轮配套的120°扇形橡胶传送带，扇面分别位于换气孔6、输气孔7、排气孔8正上方，其中输气孔7上方的传送带与驱动轴间通过夹一个齿轮反向，旋转方向与另两个传送带旋转方向相反.驱动轴下方设有一个圆形齿轮，与缸体10外侧齿轮相吻合.人力转动驱动4，气缸10在空气转压装置5内旋转，随着气缸10的旋转，直径不一的齿轮分别与对应的扇形橡胶传送带旋转.图1中为旋转至排气孔8上方，此时换气孔6、输气孔7的上方均密封，并且单缸旋转，三个孔中至少两个同时保持密闭，旋转一周后，活塞25保持高度不变.所述气缸式储气囊缸体23的重力活塞25位于储气气缸24内，储气气缸24两端与重力活塞25含有狭窄的空腔，储气气缸24保持竖直放置状态，所述储气气缸24顶部与外界相通、底部孔道26与进气管1连接，重力活塞25的活塞冲程内璧上端设有泄压口27.图1中在换气孔6、输气孔7上方同理可以各设一组活塞9缸体10增加单次循环的效率，经过孔的上方的过渡部分为密闭构造。

结合附图2对本发明第二种技术方案包含空气排放装置的高原辅助呼吸装置的一种实施方式详作说明。

如图2所示，本发明高原辅助呼吸装置包括进气管1、出气管2、呼吸罩3、三个驱动4、气泵11、空气排放装置12、自动控制器18和泄压阀22，所述空气排放装置12包含换气孔6、排气孔8、一组活塞9缸体10、一个壳体13，所述自动控制器18包含气压感应信号器19，所述呼吸罩3两端分别连接进气管1、出气管2，所述进气管1与气泵11连接，气泵11通过一个驱动4工作，进气管1上设有泄压阀22，所述出气管2与空气排放装置12的排气孔8连接，排气孔8、换气孔6上方的缸体10和壳体13通过一个驱动4旋转交替循环通过，缸体10和壳体13旋转的间隙过程中，排气孔8、换气孔6上方均密闭，所述缸体10内有一个活塞9和一个驱动4，驱动4通过正、反旋转螺旋杆控制活塞9高度，所述三个驱动4均通过自动控制器18调节，自动控制器18包含初始模式、吸气模式、呼气模式三个循环模式，三个模式下的触发模式转变的气压信号不同、自动控制器18通过接收气压感应信号器19的气压信号，接收到触发气压信号时，各自模式下控制调整三个驱动4的运行状态.在初始模式下，设定气压1.2atm、触发气压0.9atm、气体加压8升/分钟，控制气泵11的驱动4功率较低、控制旋转的驱动4功率适中，活塞9高度较低；吸气模式下，设定气压1.4atm、触发气压1.1atm、气体加压25升/分钟，控制气泵11的驱动4功率较高、控制旋转的驱动4功率为零，活塞9高度较低；呼气模式下，设定气压0.8atm、触发气压0.9atm、气体加压15升/分钟，控制气泵11的驱动4功率适中、控制旋转的驱动4功率较高，活塞9高度较高。呼气模式下在接受到触发气压信号时，呼气模式延时1秒转变为初始模式；呼气模式下在1秒内未接受触发气压信号，呼气模式立即转变为初始模式；当呼气模式下气压降至环境气压时，呼气模式立即转为吸气模式.初始模式转为吸气模式无需延时、吸气模式转为呼气模式可加入半秒初始模式过渡.上述参数均可根据佩戴者需求在不危害人体健康的前提下调整.

结合附图3对本发明第三种技术方案包含气缸式排气阀的高原辅助呼吸装置的一种实施方式详作说明。

如图3所示，本发明高原辅助呼吸装置包括进气管1、出气管2、呼吸罩3、一个驱动4、气泵11、气缸式排气阀14、气压显示仪21，所述气缸式排气阀14包括气缸15、活塞排气阀16，所述气缸15上部侧壁设有通气槽17，所述呼吸罩3两端分别连接进气管1、出气管2，出气管2上设有气压显示仪21，所述进气管1与气泵11连接，气泵11通过驱动4工作，出气2与气缸15底部连接，所述气缸15内的活塞排气阀16底部呈略内凹，构成活塞排气阀16与气缸15的狭窄空腔，所述通气槽17呈“V”结构.图3中气缸15通过两根柔性绳悬吊于两侧壁，高原辅助呼吸装置设定的气压差为0.3atm，所选气缸15的横截面为0.1平方厘米，活塞排气阀16的质量为31克。佩戴后，在未呼吸的静态下，活塞排气阀16底部维持在刚越过通气槽17呈“V”底部时的驱动4功率设为稳态运行功率、所选气泵11在稳态功率下压缩气体量为25L/分钟以上，并以稳态的驱动4运行功率、活塞排气阀16高度为基准，驱动4的运行功率与活塞排气阀16在气缸15内的高度呈反比，随活塞排气阀16相较稳态下高度上升而驱动4的运行功率降低、活塞排气阀16下降而驱动4运行功率增加。

以上仅是本发明的三个具体应用示范，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，例如将空气排放装置替换成真空泵、通过活塞排气阀高度变化控制增压机功率，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高原辅助呼吸装置，包括进气管(1)、出气管(2)、呼吸罩(3)、若干驱动(4)，所述呼吸罩(3)与进气管(1)、出气管(2)相连构成气流通道，其特征在于：还包括空气转压装置(5)，所述空气转压装置(5)包含换气孔(6)、与进气管(1)相连的输气孔(7)、与出气管相连的排气孔(8)以及一至三组活塞(9)缸体(10)通过驱动(4)运转，所述缸体(10)依次通过换气孔(6)、输气孔(7)、排气孔(8)，以此循环，通过换气孔(6)过程中，缸体(10)内活塞(9)向上往缸顶运动，通过输气孔(7)过程中，缸体(10)内活塞(9)向下运动，通过排气孔(8)过程中，缸体(10)内活塞(9)向上运动至任一设定高度，所述单一缸体(10)不得同时介于两孔间，活塞(9)上下总冲程相同，所述换气孔(6)与环境相通，输气孔(7)、排气孔(8)不与环境相通。

2.根据权利要求1所述高原辅助呼吸装置，其特征在于：所述空气转压装置(5)替换成气泵(11)和空气排放装置(12)，所述气泵(11)与进气管(1)连接，气泵通过驱动(4)从环境进气加压输送，所述空气排放装置(12)包含换气孔(6)、与出气管相连的排气孔(8)以及一至两组活塞(9)缸体(10)，所述活塞(9)通过驱动(4)调节高度，缸体(10)通过驱动(4)循环于换气孔(6)、排气孔(8)两孔间，所述单一缸体(10)不得同时介于换气孔(6)、排气孔(8)的两孔间，所述活塞(9)缸体(10)可替换成壳体(13)，所述换气孔(6)与环境相通，排气孔(8)不与环境相通。

3.根据权利要求2所述高原辅助呼吸装置，其特征在于：所述空气排放装置(12)替换成气缸式排气阀(14)，所述气缸式排气阀(14)包含气缸(15)、活塞排气阀(16)，所述气缸(15)底部与出气管(2)相连，所述活塞排气阀(16)底部与气缸(15)间含有狭窄空腔，使活塞排气阀(16)底部与气缸(15)完全无法贴合，气缸(15)上部侧壁设有通气槽(17)，所述通气槽(17)优选下窄上宽结构，所述气缸(15)保持竖直状态放置，优选通过柔性绳悬吊保持竖直状态，所述活塞排气阀(16)的重力与设定气压差下活塞排气阀(16)上下两侧因气压差产生的合力大小相同、方向相反，作为优选，在未呼吸的佩戴状态下，将保持通气槽(17)排气的驱动(4)最低功率设为稳态，驱动(4)功率与活塞排气阀(16)相较稳态下的升降呈反比增减。

4.根据权利要求1或2所述高原辅助呼吸装置，其特征在于：所述驱动(4)通过自动控制器(18)控制，所述自动控制器(18)包含设于从进气管(1)始至出气管(2)止的气流通道中任一端的气压感应信号器(19)、所述气压感应信号器(19)的气压信号用于触发切换自动控制器(18)的初始模式、吸气模式、呼气模式三个循环模式。初始模式下，保持气流通道内气压略高、气流量较低，当气压感应信号器(19)的气压信号降至初始模式下转换模式的触发气压值时，初始模式立即转换为吸气模式；吸气模式下，增加气流量并可适当提高气压上限，当吸气结束后气压继续上升触发吸气模式下转换模式的气压信号值时，吸气模式立即转换为呼气模式；呼气模式下，气流量与气压均下降，使吸入体内的气体密度大于呼气模式下气流通道内的气体密度，呼气过程导致气流通道内气压增加达到转换模式的触发气压值时，自动控制器合理延时将呼气模式转变为初始模式，呼气模式下在合理时间内未接受到触发气压信号，呼气模式也立即转变为初始模式，呼气模式下气压降至环境气压时，立即转为吸气模式，所述气压感应信号器(19)优选设于呼吸罩(3)内。

5.据权利要求1至3所述高原辅助呼吸装置，其特征在于：所述呼吸罩(3)内设有缓冲过滤网(20)、气流通道中任一端设有气压显示仪(21)、泄压阀(22)。

6.据权利要求1至3所述高原辅助呼吸装置，其特征在于：所述进气管(1)上设有气缸式储气囊(23)，所述气缸式储气囊(23)包含储气气缸(24)、重力活塞(25)，所述储气气缸(24)两端与重力活塞(25)含有狭窄的空腔，所述储气气缸(24)保持竖直状态，平衡压差下，重力活塞(25)的重力与重力活塞(25)因上下两侧气压差而产生的压差合力大小相同、方向相反，所述储气气缸(24)顶部与外界相通、底部孔道(26)与进气管(1)连接，作为优选，进气管(1)连接一个或多个平衡压差相同或不同的气缸式储气囊(23)时，平衡压差最大的一个气缸式储气囊(23)缸内活塞冲程的内璧上端设有泄压口(27)。

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