CN117598664A - 一种无接触式睡眠监测方法及监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无接触式睡眠监测方法及监测装置，包括：通过毫米波雷达对测试目标发射电磁波信号，采集人体胸腔微动回波，获得中频信号，并对中频信号中的呼吸信号和心跳信号进行信号分离；对呼吸和心跳相位信号进行处理，精确估计呼吸、心跳以及身体微动信息；利用呼吸、心跳及身体微动实时采集到的结果生成变异性数据，并进行特征提取，根据算法得出清醒时长、睡眠时长、体动次数及离床次数；监测过程中毫米波雷达同时对无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度进行检测，出现异常情况时进行红灯示警及蜂鸣器报警；本发明的无接触式睡眠监测方法及监测装置，可以同时进行非接触式生命体征监测和睡眠监测，对睡眠监测有着重大的意义。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波雷达监测技术领域，尤其是涉及一种无接触式睡眠监测方法及监测装置。
背景技术
睡眠的重要性不言而喻，它不仅有助于恢复精力，还是自身免疫调节的重要过程，占据了人生大约30％的时间。在睡眠期间，人体进入静息状态，伴随着生理指标的变化。通过监测和分析睡眠期间的生理参数，可以检测到一些仅在睡眠中显现的疾病症状，如失眠、嗜眠病和呼吸暂停等。睡眠呼吸暂停综合症对睡眠质量的影响最为显著，而且可能对健康造成威胁，如导致冠心病、痴呆症和高血压等。这些疾病不仅心理上给患者带来巨大压力，还对他们的生活造成了很多不便。
因此，睡眠监测变得至关重要，它有助于及时发现和诊断与睡眠有关的疾病。睡眠分期是睡眠监测的重要组成部分，通常通过多导睡眠图记录受试者的生理信息，将其整合成多个信号通道，然后由专家进行人工视觉判断；但是这种接触式检测方法耗时且容易出现误判。除此之外，生理参数监护仪和腕式活动监护仪等仪器，均是通过与人体接触的方式对睡眠状况进行检测，这些仪器需要直接接触人体，不仅电极繁多，价格昂贵，还会对使用者的生理和心理造成压力使其难以入睡。
因此，有必要提供一种新的技术方案以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无接触式睡眠监测方法及监测装置，该方法是一种基于生物雷达技术的非接触式睡眠监测方法，该方法不仅克服了传统的睡眠监测方法的若干缺点，如干扰用户睡眠，监测功能有限；而且还会根据采集到的生理信号进行特征提取建立睡眠分期模型，完成了生理信号从数据采集到信号处理，再到睡眠分期判断的整体化过程，实现了主动健康和睡眠数据化功能，对睡眠监测有着重大的意义。
为达到本发明之目的，采用如下技术方案：
一种无接触式睡眠监测方法，包括如下步骤：
通过毫米波雷达对测试目标发射电磁波信号，采集人体胸腔微动回波，获得中频信号，并对中频信号中的呼吸信号和心跳信号进行信号分离；
对呼吸和心跳相位信号进行处理，精确估计呼吸、心跳以及身体微动信息；
利用呼吸、心跳及身体微动实时采集到的结果生成变异性数据，并进行特征提取，根据算法得出清醒时长、睡眠时长、体动次数及离床次数；
监测过程中毫米波雷达同时对无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度进行检测，出现异常情况时进行红灯示警及蜂鸣器报警。
优选的，所述毫米波雷达通过3发4收的MIMO天线采集人体胸腔微动回波，并通过混频器获得中频信号，利用带通滤波器对呼吸信号、心跳信号进行信号分离。
优选的，所述获得中频信号的计算公式如下：
设毫米波雷达的发射信号为其中At为发射信号幅度，fc为发射信号载频，B为信号带宽，T为脉冲重复周期；
设共有M个静止人体目标(人体静止，但正常呼吸)，第m个目标与毫米波雷达的径向距离为Rm，m＝1,2,...,M,毫米波雷达接收信号可以表示成：
其中τm＝2Rm/c,m＝1,2,...,M；
对接收的回波进行去斜处理，即将接收信号与参考信号相乘，将处理后的回波通过低通滤波器，得到的同相支路的中频信号为：
优选的，所述对呼吸和心跳相位信号进行处理在DSP中进行，处理算法采用快速傅里叶变换、峰间距或互相关算法。
优选的，所述清醒时长、睡眠时长、体动次数及离床次数的算法流程如下：
毫米波雷达监测到人员进入监测区域，并根据距离算法，检测出人员是否躺在监测区域内；
若人员进入监测区域内，且一段时间内人员身体微动幅度高于微动阈值、次数低于设定抖动次数阈值，呼吸及心跳变异情况低于预定睡眠阈值，则认为进入睡眠阶段，开始记录睡眠时长；若不满足预定阈值，则视为清醒阶段；
若人员进入监测区域内一段时间后又监测到人员不在区域内，则视为离床，并记录离床次数；
毫米波雷达监测到人员睡眠，但一段时间后身体微动幅度高于微动阈值，则视为体动，并记录体动次数。
优选的，使用毫米波雷达对无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度进行检测的步骤如下：
毫米波雷达监测区域内人体目标的存在，如果没有检测到任何人体目标，系统触发红灯示警，表明监测区域内没有人，否则发生蓝光，视为有人；
毫米波雷达监测呼吸频率信号的变化，如果检测到呼吸异常，如呼吸频率明显减少或呼吸停止，系统触发红灯示警，且蜂鸣器发出报警声，表示呼吸困难；
毫米波雷达监测心跳频率信号，如果检测到心跳异常，如心率过快、过慢或心跳不规律，系统触发红灯示警，且蜂鸣器发出报警声，表示心率失常；
毫米波雷达监测体动幅度信号，如果检测到异常大幅度的身体运动，系统触发红灯示警，表示大幅度运动干扰。
进一步的，本发明还提供一种无接触式睡眠监装置，包括：
毫米波雷达发射模块：用于向测试目标发射电磁波信号，并采集人体胸腔微动回波；
毫米波雷达接收模块：用于接收人体胸腔微动回波信号，获得中频信号，并对中频信号中的呼吸信号和心跳信号进行信号分离，同时将呼吸信号和心跳信号传输至数据处理模块；
数据处理模块：接收呼吸信号和心跳信号，并对呼吸和心跳相位信号进行处理，精确估计呼吸、心跳以及身体微动信息，并对异常情况进行判别；同时利用呼吸、心跳及身体微动实时采集到的结果生成变异性数据，并进行特征提取，根据算法得出清醒时长、睡眠时长、体动次数及离床次数；
数据检测发送模块：接收呼吸、心跳、身体微动信息和异常情况以及清醒时长、睡眠时长、体动次数和离床次数，并发送至上位机模块；
上位机模块：接收并显示检测人员的呼吸、心跳以及身体微动信息及清醒时长、睡眠时长、体动次数和离床次数，并对异常情况进行报警。
优选的，所述上位机模包括：
报警单元：当出现无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度的异常情况时，进行红灯示警及蜂鸣器报警；
语音播报单元：当出现无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度的异常情况时，进行语音播报；
及，通知单元：当出现无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度的异常情况时，发送警报通知相关人员。
进一步的，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述的方法的步骤。
进一步的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的无接触式睡眠监测方法及监测装置，通过采用毫米波雷达发射调频连续波，并采用特定的算法程序同时进行非接触式生命体征监测和睡眠监测，不仅克服了传统的睡眠监测方法的若干缺点，如干扰用户睡眠，监测功能有限；而且还会根据采集到的生理信号进行特征提取建立睡眠分期模型，完成了生理信号从数据采集到信号处理，再到睡眠分期判断的整体化过程，实现了主动健康和睡眠数据化功能，对睡眠监测有着重大的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明提供的一种无接触式睡眠监测方法及监测装置的系统流程示意图；
图2为本发明提供的一种无接触式睡眠监测方法及监测装置的呼吸心跳信号处理流程图；
图3为本发明提供的一种无接触式睡眠监测方法及监测装置的睡眠监测算法流程图；
图4为本发明提供的一种无接触式睡眠监测方法及监测装置的上位机界面主框架；
图5为本发明提供的一种无接触式睡眠监测方法及监测装置的上位机界面流程图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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保护范围的限制。当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。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。
下面将结合附图对本发明一种无接触式睡眠监测方法及监测装置做出清楚完整的说明。
如图1至图5所示，本发明提供的一种无接触式睡眠监测方法，包括如下步骤：
S1：通过毫米波雷达对测试目标发射电磁波信号，采集人体胸腔微动回波，获得中频信号，并对中频信号中的呼吸信号和心跳信号进行信号分离。
该步骤中，利用毫米波雷达向人体发射FMCW信号，通过3发4收的MIMO天线采集人体胸腔微动回波，并对回波信号进行混频提取中频信号，具体方法为：该雷达系统向人体心脏部位发射线性调频连续波，精确捕获胸腔微动信息；经目标反射后生成一个由接收天线捕获的反射线性调频脉冲，混频器将接受信号与发射信号进行混频生成一个中频信号；具体的，获得中频信号的计算公式如下：
A1：设毫米波雷达的发射信号为其中At为发射信号幅度，fc为发射信号载频，B为信号带宽，T为脉冲重复周期；
A2：设共有M个静止人体目标(人体静止，但正常呼吸)，第m个目标与毫米波雷达的径向距离为Rm，m＝1,2,...,M,毫米波雷达接收信号可以表示成：
其中τm＝2Rm/c,m＝1,2,...,M；
A3：对接收的回波进行去斜处理，即将接收信号与参考信号相乘，将处理后的回波通过低通滤波器，得到的同相支路的中频信号为：
S2：对呼吸和心跳相位信号进行处理，精确估计呼吸、心跳以及身体微动信息。
该步骤中，所述对呼吸和心跳相位信号进行处理在DSP中进行，处理算法采用快速傅里叶变换、峰间距或互相关等算法；通过对呼吸和心跳相位信号进行处理，获得呼吸和心跳频率，以精确估计呼吸和心跳状态；具体如图2所示，该过程的算法流程如下：
A1：对ADC采样的回波数据进行快速傅里叶变换以获取距离门曲线；
A2：通过距离门曲线获知雷达与人体的大致位置关系，确定目标的距离范围，在该范围内搜索最大值，跟踪目标不同时刻对应的距离门；
A3：提取目标距离门处的相位；
A4：对提取的相位进行解缠绕；
A5：对相位信号逐帧作差得到相位差信号；
A6：依据心跳频率的不同，利用带通滤波器滤波将心跳的相位差信号进行滤波分离；
A7：对相位差信号进行运动干扰滤除；
A8：分别采用频域的FFT和时域的峰间距、互相关等算法对心跳的相位差信号进行处理，并取三种算法结果的平均值以获取心跳频率；
A9：重复上述步骤A1～A8，获得呼吸频率等。
S3：利用呼吸、心跳及身体微动实时采集到的结果生成变异性数据，并进行特征提取，根据算法得出清醒时长、睡眠时长、体动次数及离床次数；
具体算法流程如下：
毫米波雷达监测到人员进入监测区域，并根据距离算法，检测出人员是否躺在监测区域内；
若人员进入监测区域内，且一段时间内人员身体微动幅度高于微动阈值、次数低于设定抖动次数阈值，呼吸及心跳变异情况低于预定睡眠阈值，则认为进入睡眠阶段，开始记录睡眠时长；若不满足预定阈值，则视为清醒阶段；在启动设备前，需要进行先期运行阶段，该阶段的持续时间应在3至6天，期间应根据持续监测呼吸和心跳变化的观察结果来设定相应的阈值；
若人员进入监测区域内一段时间后又监测到人员不在区域内，则视为离床，并记录离床次数；
毫米波雷达监测到人员睡眠，但一段时间后身体微动幅度高于微动阈值，则视为体动，并记录体动次数。
S4：监测过程中毫米波雷达同时对无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度进行检测，出现异常情况时进行红灯示警及蜂鸣器报警；
具体的检测步骤如下：
毫米波雷达监测区域内人体目标的存在，如果没有检测到任何人体目标，系统触发红灯示警，表明监测区域内没有人，否则发生蓝光，视为有人；
毫米波雷达监测呼吸频率信号的变化，如果检测到呼吸异常，如呼吸频率明显减少或呼吸停止，系统触发红灯示警，且蜂鸣器发出报警声，表示呼吸困难；
毫米波雷达监测心跳频率信号，如果检测到心跳异常，如心率过快、过慢或心跳不规律，系统触发红灯示警，且蜂鸣器发出报警声，表示心率失常；
毫米波雷达监测体动幅度信号，如果检测到异常大幅度的身体运动，系统触发红灯示警，表示大幅度运动干扰。
此外，在本实施例中，本发明还提供一种无接触式睡眠监装置，包括：
毫米波雷达发射模块：用于向测试目标发射电磁波信号，并采集人体胸腔微动回波；
毫米波雷达接收模块：用于接收人体胸腔微动回波信号，获得中频信号，并对中频信号中的呼吸信号和心跳信号进行信号分离，同时将呼吸信号和心跳信号传输至数据处理模块；
数据处理模块：接收呼吸信号和心跳信号，并对呼吸和心跳相位信号进行处理，精确估计呼吸、心跳以及身体微动信息，并对异常情况进行判别；同时利用呼吸、心跳及身体微动实时采集到的结果生成变异性数据，并进行特征提取，根据算法得出清醒时长、睡眠时长、体动次数及离床次数；将呼吸、心跳以及身体微动信息及清醒时长、睡眠时长、体动次数及离床次数信息发送至
数据检测发送模块：接收呼吸、心跳、身体微动信息和异常情况以及清醒时长、睡眠时长、体动次数和离床次数，并发送至上位机模块；
上位机模块：接收并显示检测人员的呼吸、心跳以及身体微动信息及清醒时长、睡眠时长、体动次数和离床次数，并对异常情况进行报警。
所述上位机模包括：
报警单元：当出现无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度的异常情况时，进行红灯示警及蜂鸣器报警；
语音播报单元：当出现无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度的异常情况时，进行语音播报，发生“用户是否安全”的提示音，当接收到否定答案，系统会向有关人员发出报警提示音；该单元采用双向语音便于实时了解用户状况，确保在用户发生危险时，采取行动；
及，通知单元：当出现无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度的异常情况时，发送警报通知相关人员，以便他们可以在必要时采取适当的措施。这可以包括警报声、电话通知等方式。如果需要，系统允许远程访问监控画面，以便监护人员或安全人员可以远程查看监测区域的情况。
所述上位机模块还包括显示单元，所述显示单元的显示界面主要分为三部分，如图4所示，一是睡眠监测显示部分，包括当前时间，用户清醒时长，睡眠时长，起床、翻身次数以及睡眠统计分析；二个是生命体征显示，包括心跳与呼吸情况，胸腔微动以及人员位置信息；三是警示显示，包括语音控制，指示灯显示以及紧急联系人信息输入模块。
同时在，本实施例中本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述的方法的步骤，并提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的方法的步骤。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述，本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
所述对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
Claims (10)
1.一种无接触式睡眠监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
通过毫米波雷达对测试目标发射电磁波信号，采集人体胸腔微动回波，获得中频信号，并对中频信号中的呼吸信号和心跳信号进行信号分离；
对呼吸和心跳相位信号进行处理，精确估计呼吸、心跳以及身体微动信息；
利用呼吸、心跳及身体微动实时采集到的结果生成变异性数据，并进行特征提取，根据算法得出清醒时长、睡眠时长、体动次数及离床次数；
监测过程中毫米波雷达同时对无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度进行检测，出现异常情况时进行红灯示警及蜂鸣器报警。
2.根据权利要求1所述的一种无接触式睡眠监测方法，其特征在于：所述毫米波雷达通过3发4收的MIMO天线采集人体胸腔微动回波，并通过混频器获得中频信号，利用带通滤波器对呼吸信号、心跳信号进行信号分离。
3.根据权利要求2所述的一种无接触式睡眠监测方法及监测装置，其特征在于：所述获得中频信号的计算公式如下：
设毫米波雷达的发射信号为其中At为发射信号幅度，fc为发射信号载频，B为信号带宽，T为脉冲重复周期；
设共有M个静止人体目标(人体静止，但正常呼吸)，第m个目标与毫米波雷达的径向距离为Rm，m＝1,2,...,M,毫米波雷达接收信号可以表示成：
其中τm＝2Rm/c,m＝1,2,...,M；
对接收的回波进行去斜处理，即将接收信号与参考信号相乘，将处理后的回波通过低通滤波器，得到的同相支路的中频信号为：
4.根据权利要求1所述的一种无接触式睡眠监测方法，其特征在于：所述对呼吸和心跳相位信号进行处理在DSP中进行，处理算法采用快速傅里叶变换、峰间距或互相关算法。
5.根据权利要求1所述的一种无接触式睡眠监测方法，其特征在于：所述清醒时长、睡眠时长、体动次数及离床次数的算法流程如下：
毫米波雷达监测到人员进入监测区域，并根据距离算法，检测出人员是否躺在监测区域内；
若人员进入监测区域内，且一段时间内人员身体微动幅度高于微动阈值、次数低于设定抖动次数阈值，呼吸及心跳变异情况低于预定睡眠阈值，则认为进入睡眠阶段，开始记录睡眠时长；若不满足预定阈值，则视为清醒阶段；
若人员进入监测区域内一段时间后又监测到人员不在区域内，则视为离床，并记录离床次数；
毫米波雷达监测到人员睡眠，但一段时间后身体微动幅度高于微动阈值，则视为体动，并记录体动次数。
6.根据权利要求1所述的一种无接触式睡眠监测方法，其特征在于：使用毫米波雷达对无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度进行检测的步骤如下：
毫米波雷达监测区域内人体目标的存在，如果没有检测到任何人体目标，系统触发红灯示警，表明监测区域内没有人，否则发生蓝光，视为有人；
毫米波雷达监测呼吸频率信号的变化，如果检测到呼吸异常，如呼吸频率明显减少或呼吸停止，系统触发红灯示警，且蜂鸣器发出报警声，表示呼吸困难；
毫米波雷达监测心跳频率信号，如果检测到心跳异常，如心率过快、过慢或心跳不规律，系统触发红灯示警，且蜂鸣器发出报警声，表示心率失常；
毫米波雷达监测体动幅度信号，如果检测到异常大幅度的身体运动，系统触发红灯示警，表示大幅度运动干扰。
7.一种无接触式睡眠监装置，其特征在于：包括：
毫米波雷达发射模块：用于向测试目标发射电磁波信号，并采集人体胸腔微动回波；
毫米波雷达接收模块：用于接收人体胸腔微动回波信号，获得中频信号，并对中频信号中的呼吸信号和心跳信号进行信号分离，同时将呼吸信号和心跳信号传输至数据处理模块；
数据处理模块：接收呼吸信号和心跳信号，并对呼吸和心跳相位信号进行处理，精确估计呼吸、心跳以及身体微动信息，并对异常情况进行判别；同时利用呼吸、心跳及身体微动实时采集到的结果生成变异性数据，并进行特征提取，根据算法得出清醒时长、睡眠时长、体动次数及离床次数；
数据检测发送模块：接收呼吸、心跳、身体微动信息和异常情况以及清醒时长、睡眠时长、体动次数和离床次数，并发送至上位机模块；
上位机模块：接收并显示检测人员的呼吸、心跳以及身体微动信息及清醒时长、睡眠时长、体动次数和离床次数，并对异常情况进行报警。
8.根据权利要求7所述的一种无接触式睡眠监测装置，其特征在于：所述上位机模包括：
报警单元：当出现无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度的异常情况时，进行红灯示警及蜂鸣器报警；
语音播报单元：当出现无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度的异常情况时，进行语音播报；
及，通知单元：当出现无人体目标、呼吸异常、心跳异常和异常大幅度的异常情况时，发送警报通知相关人员。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6中任意一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6中任意一项所述的方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311630645.9A CN117598664A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 一种无接触式睡眠监测方法及监测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311630645.9A CN117598664A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 一种无接触式睡眠监测方法及监测装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family Applications (1)
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| CN202311630645.9A Pending CN117598664A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 一种无接触式睡眠监测方法及监测装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN117598664A (zh) |
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2023
- 2023-11-30 CN CN202311630645.9A patent/CN117598664A/zh active Pending
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