EP0914058A1 - Electromyography biofeedback device for relaxation training - Google Patents

Electromyography biofeedback device for relaxation training

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Publication number
EP0914058A1
EP0914058A1 EP98928132A EP98928132A EP0914058A1 EP 0914058 A1 EP0914058 A1 EP 0914058A1 EP 98928132 A EP98928132 A EP 98928132A EP 98928132 A EP98928132 A EP 98928132A EP 0914058 A1 EP0914058 A1 EP 0914058A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
emg
biofeedback device
frequency
signal
signals
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98928132A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander Sokolnitzky
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0914058A1 publication Critical patent/EP0914058A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48—Other medical applications
    • A61B5/486—Bio-feedback
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/389—Electromyography [EMG]

Definitions

  • the invention relates to an electromyography biofeedback device for relaxation training according to the preamble of claim 1.
  • biofeedback device biological body signals from the body of a test person are recorded with suitable sensors, electrodes or other suitable methods, processed in a device and reported back to the test person in a suitable manner as feedback information (feedback).
  • Electromyography (EMG) biofeedback devices are among the most common biofeedback arrangements. The purpose of these EMG biofeedback devices is either to learn or relearn muscle activities or to learn to relax muscles.
  • the device according to the registration is optimized for relaxation training.
  • the field of application of relaxation training according to the EMG biofeedback method basically coincides with that of autogenic training (AT) or with other relaxation techniques.
  • either an optical or an acoustic signal can be used as feedback information.
  • an acoustic signal is preferred as feedback information.
  • the change in the tone frequency serves as a relative yardstick for a change in the state of relaxation: if the EMG level drops with increasing relaxation, the frequency of the acoustic feedback signal drops. Conversely, when the EMG level increases, the frequency of the feedback signal also increases. If the EMG level remains unchanged, the feedback frequency remains unchanged.
  • Relaxation training is effective when the frequency of the feedback signal reacts strongly to a given change in the EMG level, because it can detect small changes in the EMG level.
  • the frequency of the feedback signal must be limited towards the higher range because a high-frequency feedback signal runs counter to effective relaxation.
  • the frequency range is determined by the behavior of the human ear. The effective frequency range for the feedback signal is therefore relatively small.
  • EMG levels usually occur during relaxation training. As a result, the frequency range of the feedback signal is exceeded or undershot.
  • An adaptation to the existing EMG level is usually accomplished by adjusting the sensitivity (the amplification factor) of the EMG biofeedback device accordingly.
  • the adjustment of the reinforcement is called “shaping procedure" in English.
  • Biofeedback devices with a “shaping procedure” enable very effective relaxation training, but they have the disadvantage in clinical use that the constant presence of a therapist is required to adjust the sensitivity control according to the course of the training. Adjusting the sensitivity controller also represents a disturbance in the course of the training.
  • a device for biofeedback training is known from DE 41 39 241 C2, in which the patient can carry out therapy locally, independently of the doctor, in that a patient device programmable by the doctor can be connected to a doctor or diagnostic device.
  • An acoustic signal generator emits an acoustic signal with increasing or decreasing frequency proportional to the measured values (actual values) as well as further signals which prompt the patient to maintain the desired value when a certain desired value is reached.
  • the acoustic feedback information does not consist of a single feedback signal, but is composed of a number of several overlapping feedback signals, suitable feedback information is available for relaxation training for the entire useful range of the EMG biofeedback device.
  • the individual feedback signals are based on a common frequency of a voltage-to-frequency converter (VCO), which is controlled by the derived and processed EMG signal.
  • VCO voltage-to-frequency converter
  • the frequency spacing of the feedback signals is fixed and results in a harmonic sound in the sense of harmony. If the EMG level is changed, the basic frequency and consequently all feedback signals are changed by the same factor. The harmony is thus preserved.
  • one of the feedback signals may exceed or fall short of the optimal hearing range, but a different feedback signal enters the hearing range due to the frequency cascading process .
  • the transition from one feedback signal to the other is smooth.
  • the overlap of the individual feedback signals is sufficiently designed so that the transitions are hardly or not at all perceptible to the test person.
  • the feedback signals have a triangular shape, which is obtained from the square frequencies by integration. Their amplitude is therefore strongly frequency-dependent. To avoid overdriving at low frequencies, the audio frequency is switched off automatically below a set frequency.
  • the VCO is slightly frequency modulated.
  • a large area of application for EMG biofeedback devices is muscular tension in the neck and shoulder area, caused e.g. from VDU work, from stress or from a cervical spine (cervical spine) syndrome, also known as whiplash.
  • the frontalis lead derives the electrical activity of the striated skeletal muscles of a large part of the head area, the muscles of the neck and shoulders are only recorded to a small extent with this lead.
  • the therapist will instruct the subject to focus his awareness on his problem areas (e.g. neck and shoulder areas) in order to achieve relaxation in these areas.
  • problem areas e.g. neck and shoulder areas
  • the EMG biofeedback device is designed in accordance with the invention in such a way that relaxation training can take place without the guidance of a therapist, a possibility had to be created to include muscle regions in the relaxation training that are distant from the frontalis lead. This was accomplished by capturing and taking into account other muscle regions through additional signal derivations.
  • Each of the additional leads is led to its own input amplifier, which is designed as a differential amplifier.
  • the output signals of the input amplifiers are added in a sum amplifier and processed as a sum.
  • the signals of the additional leads must not be added to the frontalis lead in the same amplification factor if an optimum of relaxation training is to be achieved; They have to be weakened more or less.
  • Fig. 1 is a block diagram of the EMG biofeeback device
  • Fig. 2 in a simplified circuit diagram, the circuit arrangement between VCO and sum circuit
  • Fig. 3 shows the arrangement of a possible second derivative
  • FIG. 4 is a block diagram of double derivative signal amplifiers As FIG. 1 shows, 1 is a differential amplifier for the EMG signal derived from the skin surface by means of electrodes.
  • the differential amplifier has a gain factor of 1000 and is characterized by a high common mode rejection.
  • the signal amplifier is installed as an electrode head in its own housing and is permanently connected to the basic unit by a cable. It is equipped with special sockets for receiving patient cables.
  • the signal from the signal amplifier passes through a high-pass filter 3, an amplifier 4 and a low-pass filter 5.
  • Filters 3 and 5 determine the frequency range of the derived EMG signal. In contrast to what is shown in FIG. 1, low and high pass filters are combined with amplifiers in practice.
  • the signal After amplification and filtering, the signal is rectified in a rectifier 6 and sieved in a low-pass filter 7.
  • the digital voltage signal generated in this way is displayed in a digital display 8 and is largely proportional to the differential signal at the inputs of the differential amplifier 1.
  • the device is equipped with a minimum detector 9 in the form of a sample and hold circuit. With this circuit arrangement, it is possible to record and store the EMG minimum achieved during relaxation training.
  • the display • the 'minimal EMG amount takes place in a digital display 10th In principle, it is possible to use only a single digital display instead of the two digital displays 8 and 10.
  • the current EMG level is constantly displayed and the stored minimum value is queried by pressing a button.
  • the minimum detector 9 is automatically reset after switching on the device. It can also be reset manually.
  • a voltage-to-frequency converter (VCO) 11 converts the DC voltage into a square-wave signal.
  • the converter has a large frequency swing and covers the useful area of the biofeedback device.
  • the square-wave signal is divided in a subsequent binary frequency divider 12.
  • the design of the VCO 11 with a large frequency swing and the subsequent frequency division are an integral part of the circuit arrangement. Due to the large frequency swing of the VCO and the subsequent frequency division, sound frequencies are available over the entire useful range of the biofeedback device that are within the hearing range of the human ear.
  • the circuit arrangement for frequency detection is equipped with a hysteresis in order to avoid uncontrolled switching at the critical frequency.
  • the triangular signals are added in a sum amplifier 14 and form frequency cascades as acoustic feedback from the biofeedback device.
  • the frequency of the VCO 11 is modulated by a small amount by changing one of the frequency-determining components, which contributes to a more pleasant feedback tone.
  • a muting 15A and 15B detects major fluctuations in the rectified signal, for example when swallowing, speaking, clearing the throat and switches off the acoustic feedback. For the duration of this shutdown, a replacement tone is generated that differs significantly from acoustic feedback. The replacement tone is used to indicate that the biofeedback device is not switched off, but is in operation.
  • the feedback signal or the substitute tone is amplified in a loudspeaker amplifier 16. The volume can be adjusted as required using a volume control.
  • a loudspeaker 17 emits the feedback signal or the substitute tone.
  • the biofeedback device is equipped with two headphone jacks, which are designed as switching jacks.
  • the loudspeaker is switched off when one or both headphones are plugged in.
  • the DC voltage signal in the VCO 11 is converted into a square-wave signal.
  • the frequency divider 12 divides the square-wave signal by a factor of 2, namely from 2 to
  • the individual frequencies of the frequency cascade must be one
  • the factor 2 represents a frequency spacing of two octaves. The demand for harmony is thus met.
  • the rectangle as a frequency form acts aggressively and is therefore unsuitable for feedback information. Therefore, the square wave signals 2o to 2 i? in the real • device
  • Signal converter 13 converted by integration into triangular signals.
  • the low frequencies below a defined frequency are switched off.
  • the frequency detection for the switch is carried out with the aid of a discriminator 18
  • the adder 14 sums all seven individual signals.
  • the sum signal represents the desired feedback information.
  • Figure 3 shows the embodiment of an additional derivative on the shoulders. The electrodes for the additional signal derivation should be applied at the therapist's choice.
  • the second (and all other leads) use two active electrodes.
  • 1A is the differential amplifier for the first derivative and IB is the differential amplifier for the second derivative.
  • the reference point of the first derivative also applies to the second derivative.
  • the inputs of 1A are connected directly to the electrode inputs, while the inputs of IB can be connected to the electrode inputs or to signal earth using a switch.
  • the connection of unused amplifier inputs against signal earth serves to avoid interference.
  • the signals from amplifiers 1A and IB are added in amplifier 2.
  • the signal from the amplifier IB is attenuated by a factor of 4 to 5 compared to the signal from the amplifier 1A.
  • FIGS. 1A and IB can, as shown in FIG. 4, be in a fixed relationship to one another or can be of variable design.
  • This arrangement allows both single derivation (eg only Frontalis derivation) and double derivation (eg Frontalis derivation plus signal derivation from the shoulders or other problem areas).

Abstract

The invention relates to an EMG biofeedback device for relaxation training and a method with an acoustic feedback system. The device is designed so that none of its parameters require readjustment during training and a therapist need not be constantly present. Several overlapping, acoustic feedback signals are produced at the same time from the body signal which has been recorded, in such a way that each acoustic feedback signal represents a sub-range in relation to the total useful range.

Description

Elektromyographie-Biofeedbackgerät für Entspannungstraining Electromyography biofeedback device for relaxation training
Die Erfindung betrifft ein Elektromyographie-Biofeedbackgerät für Entspannungstraining nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electromyography biofeedback device for relaxation training according to the preamble of claim 1.
Bei einem Biofeedbackgerät werden biologische Körpersignale vom Körper eines Probanden mit geeigneten Sensoren, Elektroden oder anderen geeigneten Methoden erfaßt, in einem Gerät verarbeitet, und in geeigneter Weise als Rückmelde-Information wieder an den Probanden zurückgemeldet (Feedback).In the case of a biofeedback device, biological body signals from the body of a test person are recorded with suitable sensors, electrodes or other suitable methods, processed in a device and reported back to the test person in a suitable manner as feedback information (feedback).
Elektromyographie (EMG)-Biofeedbackgeräte zählen zu den gängigsten Biofeedbackanordnungen. Zweck dieser EMG- Biofeedbackgeräte ist entweder das Erlernen oder Wiedererlernen von Muskelaktivitäten oder das Erlernen einer Muskelentspannung.Electromyography (EMG) biofeedback devices are among the most common biofeedback arrangements. The purpose of these EMG biofeedback devices is either to learn or relearn muscle activities or to learn to relax muscles.
Das Gerät gemäß der Anmeldung ist für Entspannungstraining optimiert. Das Anwendungsgebiet des Entspannungstrainings nach der EMG-Biofeedbackmethode deckt sich grundsätzlich mit dem des Autogenen Trainings (AT) oder mit anderen Entspannungstechniken.The device according to the registration is optimized for relaxation training. The field of application of relaxation training according to the EMG biofeedback method basically coincides with that of autogenic training (AT) or with other relaxation techniques.
Grundsätzlich kann als Rückmelde-Information (Feedback) entweder ein optisches oder ein akustisches Signal Verwendung finden. Da das Entspannungstraining nach der EMG-Biofeedbackmethode ähnlich dem AT vorzugsweise in Rückenlage und mit geschlossenen Augen erfolgt, ist einem akustischen Signal als Rückmelde-Information der Vorzug zu geben. Bei dem akustischen Signal dient die Änderung der Tonfrequenz als relativer Maßstab für eine Änderung des Entspannungs- Zustands: Wenn das EMG-Niveau bei zunehmender Entspannung sinkt, so sinkt die Frequenz des akustischen Feedback-Signals. Umgekehrt, wenn das EMG-Niveau steigt, steigt auch die Frequenz des Feedback-Signals. Bei unverändertem EMG-Niveau bleibt die Feedback-Frequenz unverändert. Diese Methode wird von den Probanden in sehr kurzer Zeit verstanden.In principle, either an optical or an acoustic signal can be used as feedback information. Since the relaxation training according to the EMG biofeedback method, similar to the AT, preferably takes place in the supine position and with the eyes closed, an acoustic signal is preferred as feedback information. In the case of the acoustic signal, the change in the tone frequency serves as a relative yardstick for a change in the state of relaxation: if the EMG level drops with increasing relaxation, the frequency of the acoustic feedback signal drops. Conversely, when the EMG level increases, the frequency of the feedback signal also increases. If the EMG level remains unchanged, the feedback frequency remains unchanged. The test subjects understood this method in a very short time.
Das Entspannungstraining ist wirkungsvoll, wenn die Frequenz des Rückmelde-Signals stark auf eine gegebene Änderung des EMG- Niveaus reagiert, weil dadurch kleine Änderungen im EMG-Niveau erkennbar sind.Relaxation training is effective when the frequency of the feedback signal reacts strongly to a given change in the EMG level, because it can detect small changes in the EMG level.
Die Frequenz des Rückmelde-Signals muß nach dem höheren Bereich hin begrenzt sein, weil ein Rückmelde-Signal hoher Frequenz einer wirksamen Entspannung zuwiderläuft. Zum tiefen Frequenzbereich andererseits wird der Frequenzbereich durch das Verhalten des menschlichen Ohres bestimmt. Der effektive Frequenzbereich für das Rückmelde-Signal ist daher relativ klein .The frequency of the feedback signal must be limited towards the higher range because a high-frequency feedback signal runs counter to effective relaxation. For the low frequency range, on the other hand, the frequency range is determined by the behavior of the human ear. The effective frequency range for the feedback signal is therefore relatively small.
Im Verlauf eines Entspannungstrainings treten normalerweise größere Änderungen des EMG-Niveaus ein. Dadurch wird der Frequenzbereich des Rückmeldesignals über- bzw. unterschritten. Eine Anpassung an das vorhandene EMG-Niveau wird üblicherweise dadurch bewerkstelligt, daß die Empfindlichkeit (der Verstärkungsfaktor) des EMG-Biofeedbackgerätes entsprechend nachgestellt wird. Das Nachstellen der Verstärkung wird im englischen Sprachgebrauch als "shaping procedure" bezeichnet. Biofeedbackgeräte mit "shaping procedure" ermöglichen ein sehr effektives Entspannungstraining, bringen aber bei klinischer Anwendung den Nachteil mit sich, daß die ständige Anwesenheit eines Therapeuten erforderlich ist, um den Empfindlichkeitsregler entsprechend dem Trainingsverlauf nachzustellen. Auch stellt ein Nachstellen des Empfindlichkeitsreglers eine Störung im Trainingsverlauf dar.Major changes in EMG levels usually occur during relaxation training. As a result, the frequency range of the feedback signal is exceeded or undershot. An adaptation to the existing EMG level is usually accomplished by adjusting the sensitivity (the amplification factor) of the EMG biofeedback device accordingly. The adjustment of the reinforcement is called "shaping procedure" in English. Biofeedback devices with a "shaping procedure" enable very effective relaxation training, but they have the disadvantage in clinical use that the constant presence of a therapist is required to adjust the sensitivity control according to the course of the training. Adjusting the sensitivity controller also represents a disturbance in the course of the training.
So ist aus der DE 41 39 241 C2 eine Vorrichtung zum Biofeedback- Training bekannt, bei der der Patient örtlich unabhängig vom Arzt eine Therapie durchführen kann, indem ein vom Arzt programmierbares Patientengerät mit einem Arzt- oder Diagnosegerät verbindbar ist. Dabei gibt ein akustischer Signalgeber ein akustisches Signal mit zunehmender oder abnehmender Frequenz proportional zu erfaßten Meßwerten (Istwerten) sowie weitere Signale ab, die bei Erreichen eines bestimmten Sollwerts den Patienten auffordern, den Sollwert zu halten.A device for biofeedback training is known from DE 41 39 241 C2, in which the patient can carry out therapy locally, independently of the doctor, in that a patient device programmable by the doctor can be connected to a doctor or diagnostic device. An acoustic signal generator emits an acoustic signal with increasing or decreasing frequency proportional to the measured values (actual values) as well as further signals which prompt the patient to maintain the desired value when a certain desired value is reached.
Aus dem DE 94 05 523 Ul ist bei einem Elektromyographie- Biofeedbackgerät die Verwendung eines Funktionsgenerators bekannt, der eine angenäherte Dreieckspannung erzeugt, deren Frequenz von der Eingangsspannung des Funktionsgenerators abhängig ist und im Hörbereich liegt.From DE 94 05 523 U1 in an electromyography biofeedback device, the use of a function generator is known which generates an approximate triangular voltage, the frequency of which is dependent on the input voltage of the function generator and is within the hearing range.
Aus der US-PS 52 89 438 ist es bei einem Stimulator bekannt, daß drei in separaten Generatoren erzeugte Stimuli im EEG- Frequenzbereich elektrisch miteinander gemischt werden, um eine simultane Stimulation zu ermöglichen. Entsprechend dem Funktionsprinzip des Stimulators wird kein Signal abgeleitet, 'aus "dem ein Rückmeldesignal erzeugt werden könnte. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein EMG-Biofeedback- gerät derart auszubilden, daß Geräteparameter während des gesamten Verlaufs des Entspannungstrainings weder vom Therapeuten noch von dem Probanden selbst verändert werden müssen .From US-PS 52 89 438 it is known with a stimulator that three stimuli generated in separate generators are electrically mixed with one another in the EEG frequency range in order to enable simultaneous stimulation. According to the principle of operation of the stimulator no signal is derived 'from "the a feedback signal could be generated. The invention is based on the object of designing an EMG biofeedback device in such a way that device parameters do not have to be changed by the therapist or the test subject himself during the entire course of relaxation training.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.This object is achieved with the characterizing features of claim 1.
Dadurch, daß die akustische Rückmeldeinformation nicht aus einem einzigen Rückmeldesignal besteht, sondern sich aus einer Reihe von mehreren, sich überlappenden Rückmeldesignalen zusammensetzt, steht für den gesamten Nutzbereich des EMG- Biofeedbackgerätes eine geeignete Feedbackinformation zum Entspannungstraining zur Verfügung.Because the acoustic feedback information does not consist of a single feedback signal, but is composed of a number of several overlapping feedback signals, suitable feedback information is available for relaxation training for the entire useful range of the EMG biofeedback device.
Die einzelnen Rückmeldesignale basieren auf einer gemeinsamen Frequenz eines Spannungs-Frequenz-Wandlers (voltage-to- frequency-converter VCO), der von dem abgeleiteten und verarbeiteten EMG-Signal gesteuert wird. Der Frequenzabstand der Rückmeldesignale zueinander ist fest und ergibt einen Wohlklang im Sinne der Harmonielehre. Bei einer Änderung des EMG-Niveaus wird die Grundfrequenz und in Folge alle Rückmeldesignale um denselben Faktor geändert. Der Wohlklang bleibt somit erhalten.The individual feedback signals are based on a common frequency of a voltage-to-frequency converter (VCO), which is controlled by the derived and processed EMG signal. The frequency spacing of the feedback signals is fixed and results in a harmonic sound in the sense of harmony. If the EMG level is changed, the basic frequency and consequently all feedback signals are changed by the same factor. The harmony is thus preserved.
Tritt während eines Trainings mit einem EMG-Biofeedbackgerät gemäß der Erfindung eine größere Änderung des EMG-Niveaus ein, so kann zwar eines der Rückmeldesignale den optimalen Hörbereich über- oder unterschreiten, aber durch das Verfahren der Frequenz-Kaskadierung tritt ein anderes Rückmeldesignal in den Hörbereich. Der Übergang von einem Rückmeldesignal zum anderen erfolgt gleitend. Die Überlappung der einzelnen Rückmeldesignale ist ausreichend gestaltet, so daß die Übergänge für den Probanden kaum oder gar nicht wahrnehmbar sind. Die Rückmeldesignale haben aus Gründen des besseren Klangs eine Dreiecksform, die aus den Rechteckfrequenzen durch Integration gewonnen wird. Ihre Amplitude ist demnach stark frequenzabhängig. Um eine Übersteuerung bei niedrigen Frequenzen zu vermeiden, erfolgt unterhalb einer Sollfrequenz ein selbständiges Abschalten der Tonfrequenz.If a major change in the EMG level occurs during training with an EMG biofeedback device according to the invention, one of the feedback signals may exceed or fall short of the optimal hearing range, but a different feedback signal enters the hearing range due to the frequency cascading process . The transition from one feedback signal to the other is smooth. The overlap of the individual feedback signals is sufficiently designed so that the transitions are hardly or not at all perceptible to the test person. For reasons of better sound, the feedback signals have a triangular shape, which is obtained from the square frequencies by integration. Their amplitude is therefore strongly frequency-dependent. To avoid overdriving at low frequencies, the audio frequency is switched off automatically below a set frequency.
Ebenfalls aus Gründen des besseren Klangs wird der VCO geringfügig frequenzmoduliert.Also for reasons of better sound, the VCO is slightly frequency modulated.
Ein großes Anwendungsgebiet für EMG-Biofeedbackgeräte sind muskuläre Verspannungen der Nacken- und Schulterpartie, hervorgerufen z.B. durch Bildschirmarbeit, durch Streß oder durch ein Halswirbelsäulen (HWS)-Syndrom, auch als Schleudertrauma bekannt. Die Frontalis-Ableitung leitet zwar die elektrische Aktivität der quergestreiften Skelettmuskulatur eines großen Teils des Kopfbereiches ab, die Muskulatur der Nacken- und Schulterpartie wird bei dieser Ableitung nur im geringen Maße erfaßt.A large area of application for EMG biofeedback devices is muscular tension in the neck and shoulder area, caused e.g. from VDU work, from stress or from a cervical spine (cervical spine) syndrome, also known as whiplash. The frontalis lead derives the electrical activity of the striated skeletal muscles of a large part of the head area, the muscles of the neck and shoulders are only recorded to a small extent with this lead.
Wenn ein Entspannungstraining unter Anleitung eines Therapeuten erfolgt, so wird dieser den Probanden dazu anleiten, sein Bewußtsein auf seine Problembereiche (z.B. Nacken- und Schulterpartie) zu lenken, um eine Entspannung in diesen Bereichen zu erlangen.If relaxation training takes place under the guidance of a therapist, the therapist will instruct the subject to focus his awareness on his problem areas (e.g. neck and shoulder areas) in order to achieve relaxation in these areas.
Da das EMG-Biofeedbackgerät gemäß der Erfindung so ausgebildet ist, daß ein Entspannungstraining ohne Anleitung eines Therapeuten erfolgen kann, mußte eine Möglichkeit geschaffen werden, Muskelregionen in das Entspannungstraining einzubinden, die von der Frontalis-Ableitung entfernt liegen. Dies wurde dadurch bewerkstelligt, daß andere Muskelregionen durch zusätzliche Signalableitungen erfaßt und berücksichtigt werden. Jede der zusätzlichen Ableitungen wird zu einem eigenen, als Differenzverstärker ausgeführten Eingangsverstärker geführt. Die Ausgangssignale der Eingangsverstärker werden in einem Summenverstärker addiert und als Summe weiterverarbeitet.Since the EMG biofeedback device is designed in accordance with the invention in such a way that relaxation training can take place without the guidance of a therapist, a possibility had to be created to include muscle regions in the relaxation training that are distant from the frontalis lead. This was accomplished by capturing and taking into account other muscle regions through additional signal derivations. Each of the additional leads is led to its own input amplifier, which is designed as a differential amplifier. The output signals of the input amplifiers are added in a sum amplifier and processed as a sum.
Die Verfälschung der Digitalanzeige, die durch die zusätzlichen Signalableitungen entsteht, wird dabei wissentlich in Kauf genommen.The adulteration of the digital display caused by the additional signal derivatives is knowingly accepted.
Dabei dürfen die Signale der zusätzlichen Ableitungen nicht im gleichen Verstärkungsfaktor zu der Frontalis-Ableitung addiert werden, wenn ein Optimum des Entspannungstrainings erreicht werden soll; Sie müssen mehr oder weniger abgeschwächt werden.The signals of the additional leads must not be added to the frontalis lead in the same amplification factor if an optimum of relaxation training is to be achieved; They have to be weakened more or less.
Ein Ausführungsbeispiel eines Gerätes gemäß der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im nachfolgenden beschrieben. Es zeigen :An embodiment of a device according to the invention is shown in the drawings and described below. Show it :
Fig. 1 ein Blockdiagramm des EMG-BiofeebackgerätesFig. 1 is a block diagram of the EMG biofeeback device
Fig. 2 in einem vereinfachten Schaltbild die Schaltungsanordnung zwischen VCO und SummenschaltungFig. 2 in a simplified circuit diagram, the circuit arrangement between VCO and sum circuit
Fig. 3 die Anordnung einer möglichen zweiten AbleitungFig. 3 shows the arrangement of a possible second derivative
Fig. 4 ein Blockdiagramm von Signalverstärkern für doppelte Ableitung Wie Figur 1 zeigt, ist 1 ein Differenzverstärker für das von der Hautoberfläche mittels Elektroden abgeleitete EMG-Signal. Der Differenzverstärker hat einen Verstärkungsfaktor von 1000 und zeichnet sich durch eine hohe Gleichtaktunterdrückung aus.Figure 4 is a block diagram of double derivative signal amplifiers As FIG. 1 shows, 1 is a differential amplifier for the EMG signal derived from the skin surface by means of electrodes. The differential amplifier has a gain factor of 1000 and is characterized by a high common mode rejection.
Der Signalverstärker ist als Elektrodenkopf in einem eigenen Gehäuse eingebaut und durch ein Kabel fest mit dem Grundgerät verbunden. Er ist mit Spezialbuchsen zur Aufnahme der Patientenkabel versehen.The signal amplifier is installed as an electrode head in its own housing and is permanently connected to the basic unit by a cable. It is equipped with special sockets for receiving patient cables.
Das Signal aus dem Signalverstärker passiert ein Hochpaßfilter 3, einen Verstärker 4 und ein Tiefpaßfilter 5.The signal from the signal amplifier passes through a high-pass filter 3, an amplifier 4 and a low-pass filter 5.
Durch die Filter 3 und 5 wird der Frequenzbereich des abgeleiteten EMG-Signals bestimmt. Anders als in Fig. 1 angegeben, sind Tief- und Hochpaßfilter in der Praxis mit Verstärkern kombiniert.Filters 3 and 5 determine the frequency range of the derived EMG signal. In contrast to what is shown in FIG. 1, low and high pass filters are combined with amplifiers in practice.
Nach erfolgter Verstärkung und Filterung wird das Signal in einem Gleichrichter 6 gleichgerichtet und in einem Tiefpaßfilter 7 gesiebt. In einer Digitalanzeige 8 erfolgt die Anzeige des so erzeugten Gleichspannungssignals, das dem Differenzsignal an den Eingängen des Differenzverstärkers 1 weitgehend proportional ist.After amplification and filtering, the signal is rectified in a rectifier 6 and sieved in a low-pass filter 7. The digital voltage signal generated in this way is displayed in a digital display 8 and is largely proportional to the differential signal at the inputs of the differential amplifier 1.
Das Gerät ist mit einem Minimum-Detektor 9 in Form einer Sample- and-Hold-Schaltung ausgestattet. Mit dieser Schaltungs-Anordnung ist es möglich, das während eines Entspannungstrainings erreichte EMG-Minimum zu erfassen und zu speichern. Die Anzeige •des 'minimalsten EMG-Betrages erfolgt in einer Digital- Anzeige 10. Grundsätzlich ist es möglich, statt der zwei Digital-Anzeigen 8 und 10 nur eine einzige Digitalanzeige zu verwenden. Dabei wird das aktuelle EMG-Niveau ständig angezeigt und der gespeicherte Minimum-Wert per Tastenbetätigung abgefragt.The device is equipped with a minimum detector 9 in the form of a sample and hold circuit. With this circuit arrangement, it is possible to record and store the EMG minimum achieved during relaxation training. The display • the 'minimal EMG amount takes place in a digital display 10th In principle, it is possible to use only a single digital display instead of the two digital displays 8 and 10. The current EMG level is constantly displayed and the stored minimum value is queried by pressing a button.
Der Minimum-Detektor 9 wird nach Einschalten des Gerätes automatisch zurückgesetzt. Er kann auch manuell zurückgesetzt werden.The minimum detector 9 is automatically reset after switching on the device. It can also be reset manually.
Ein Spannungs-Frequenz-Wandler ( voltage-to-frequency Converter VCO) 11 wandelt die Gleichspannung in ein Rechtecksignal um. Der Wandler hat einen großen Frequenzhub und deckt den Nutzbereich des Biofeedbackgerätes ab.A voltage-to-frequency converter (VCO) 11 converts the DC voltage into a square-wave signal. The converter has a large frequency swing and covers the useful area of the biofeedback device.
In einem sich daran anschließenden binären Frequenzteiler 12 wird das Rechteck-Signal geteilt.The square-wave signal is divided in a subsequent binary frequency divider 12.
Die Ausführung des VCO 11 mit großem Frequenzhub und die nachfolgende Frequenzteilung sind wesentlicher Bestandteil der Schaltungsanordnung. Durch den großen Frequenzhub des VCO und die nachfolgende Frequenzteilung stehen über den gesamten Nutzbereich des Biofeedbackgerätes Tonfrequenzen zur Verfügung, die sich im Hörbereich des menschlichen Ohres befinden.The design of the VCO 11 with a large frequency swing and the subsequent frequency division are an integral part of the circuit arrangement. Due to the large frequency swing of the VCO and the subsequent frequency division, sound frequencies are available over the entire useful range of the biofeedback device that are within the hearing range of the human ear.
In dem realisierten Gerät finden nur die Ausgänge 2°, 22, 24, 26, 28, 210 und 212 Verwendung. Da Rechteck-Sigr für ein tiefes Entspannungstraining als ungünstig empfunden werden, werden alle 7 Ausgänge 2° bis 212 im Signalwandler durch Integration in Dreiecksignale umgewandelt. Um zu verhindern, daß die Signalwandlung durch Integration bei niedrigen Frequenzen zu Übersteuerungen führt, werden dieOnly outputs 2 °, 2 2 , 2 4 , 2 6 , 2 8 , 2 10 and 2 12 are used in the implemented device. Since rectangle sigr are perceived as unfavorable for deep relaxation training, all 7 outputs 2 ° to 2 12 in the signal converter are converted into triangular signals by integration. To prevent the signal conversion from overdriving by integration at low frequencies, the
9 . 1 . . .9. 1 . . .
Frequenzen der Ausgänge 2^ bis 21Z| unterhalb eines definierten Wertes abgeschaltet. Das Abschalten erfolgt automatisch durch Frequenzerkennung. Die Schaltungsanordnung zur Frequenzerkennung ist mit einer Hysterese ausgestattet, um unkontrolliertes Schalten an der kritischen Frequenz zu vermeiden.Frequency of the outputs 2 ^ to 2 1Z | switched off below a defined value. It is switched off automatically by frequency detection. The circuit arrangement for frequency detection is equipped with a hysteresis in order to avoid uncontrolled switching at the critical frequency.
Die Dreiecksignale werden in einem Summenverstärker 14 addiert und bilden Frequenz-Kaskaden als akustisches Feedback des Biofeedbackgerätes .The triangular signals are added in a sum amplifier 14 and form frequency cascades as acoustic feedback from the biofeedback device.
Grundsätzlich ist es möglich, die Ausgänge des Frequenzteilers dazu zu nutzen, um ein " sound-sampling" (die Wiedergabe von Instrumental-Stimmen oder von Gesang) zu steuern, wobei die Änderung der Rückmeldefrequenz die zeitliche Dehnung oder Kompression des sound-sampling bewirkt.Basically, it is possible to use the outputs of the frequency divider to control "sound sampling" (the reproduction of instrumental voices or vocals), the change in the feedback frequency causing the temporal expansion or compression of the sound sampling.
Im Ausführungsbeispiel wird die Frequenz des VCO 11 durch Änderung eines der frequenzbestimmenden Komponenten um einen geringen Betrag moduliert, was zu einem angenehmeren Rückmeldeton beiträgt.In the exemplary embodiment, the frequency of the VCO 11 is modulated by a small amount by changing one of the frequency-determining components, which contributes to a more pleasant feedback tone.
Eine Stummschaltung 15A und 15B erkennt größere Schwankungen des gleichgerichteten Signals, etwa beim Schlucken, Sprechen, Räuspern und schaltet das akustische Feedback ab. Für die Dauer dieser Abschaltung wird ein Ersatzton erzeugt, der sich wesentlich vom akustischen Feedback unterscheidet. Der Ersatzton dient der Anzeige, daß das Biofeedbackgerät nicht abgeschaltet, sondern in Funktion ist. In einem Lautsprecherverstärker 16 wird das Feedbacksignal oder der Ersatzton verstärkt. Die Lautstärke kann mittels eines Lautstärkereglers nach Bedarf eingestellt werden.A muting 15A and 15B detects major fluctuations in the rectified signal, for example when swallowing, speaking, clearing the throat and switches off the acoustic feedback. For the duration of this shutdown, a replacement tone is generated that differs significantly from acoustic feedback. The replacement tone is used to indicate that the biofeedback device is not switched off, but is in operation. The feedback signal or the substitute tone is amplified in a loudspeaker amplifier 16. The volume can be adjusted as required using a volume control.
Ein Lautsprecher 17 strahlt das Feedbacksignal oder den Ersatzton ab. Das Biofeedbackgerät ist mit zwei Kopfhorerbuchsen ausgestattet, die als Schaltbuchsen ausgeführt sind. Beim Einstecken eines Kopfhörers oder beider Kopfhörer wird der Lautsprecher abgeschaltet.A loudspeaker 17 emits the feedback signal or the substitute tone. The biofeedback device is equipped with two headphone jacks, which are designed as switching jacks. The loudspeaker is switched off when one or both headphones are plugged in.
Wie Figur 2 zeigt, wird das Gleichspannungssignal im VCO 11 in ein Rechteck-Signal gewandelt. Der Frequenzteiler 12 teilt das Rechteck-Signal jeweils um den Faktor 2, und zwar von 2 bisAs FIG. 2 shows, the DC voltage signal in the VCO 11 is converted into a square-wave signal. The frequency divider 12 divides the square-wave signal by a factor of 2, namely from 2 to
-i n , 19 .-i n, 19th
2X . Die geradzahligen Frequenzen 2 bis 2 ώ bilden die Basis für die Frequenz-Kaskade.2 X The even frequencies 2 to 2 ώ form the basis for the frequency cascade.
Die einzelnen Frequenzen der Frequenz-Kaskade müssen einenThe individual frequencies of the frequency cascade must be one
Wohlklang im Sinne der Harmonielehre bilden. Der Faktor 2 stellt einen Frequenzabstand von zwei Oktaven dar. Der Forderung nach dem Wohlklang wird somit entsprochen.Create harmony in the sense of harmony. The factor 2 represents a frequency spacing of two octaves. The demand for harmony is thus met.
Das Rechteck als Frequenzform wirkt aggressiv und ist daher für eine Rückmelde-Information ungeeignet. Daher werden die Rechtecksignale 2o bis 2 i ? im reali•si•erten Gerät imThe rectangle as a frequency form acts aggressively and is therefore unsuitable for feedback information. Therefore, the square wave signals 2o to 2 i? in the real • device
Signalwandler 13 durch Integration in Dreiecksignale gewandelt.Signal converter 13 converted by integration into triangular signals.
Um zu verhindern, daß die Integration bei niedrigen Frequenzen zu Sättigungen führt, werden die tiefen Frequenzen unterhalb einer definierten Frequenz abgeschaltet. Die Frequenzerkennung für den Schalter erfolgt mit Hilfe eines Diskriminators 18, derIn order to prevent the integration from leading to saturation at low frequencies, the low frequencies below a defined frequency are switched off. The frequency detection for the switch is carried out with the aid of a discriminator 18
Teil "des Signalwandlers 13 ist.Part "of the signal converter 13 is.
Der Addierer 14 summiert alle sieben Einzelsignale. Das Summensignal stellt die erwünschte Rückmelde-Information dar. Figur 3 zeigt die Ausführungsvariante einer zusätzlichen Ableitung an den Schultern. Die Elektroden für die zusätzliche Signalableitung sollen nach Wahl des Therapeuten appliziert werden .The adder 14 sums all seven individual signals. The sum signal represents the desired feedback information. Figure 3 shows the embodiment of an additional derivative on the shoulders. The electrodes for the additional signal derivation should be applied at the therapist's choice.
Die zweite (und alle weiteren Ableitungen) kommen mit zwei aktiven Elektroden aus.The second (and all other leads) use two active electrodes.
In Figur 4 ist 1A der Differenzverstärker für die erste Ableitung und IB der Differenzverstärker für die zweite Ableitung. Der Referenzpunkt der ersten Ableitung gilt gleichzeitig auch für die zweite Ableitung.In FIG. 4, 1A is the differential amplifier for the first derivative and IB is the differential amplifier for the second derivative. The reference point of the first derivative also applies to the second derivative.
Die Eingänge von 1A sind direkt mit den Elektrodeneingängen verbunden, die Eingänge von IB dagegen können mittels eines Schalters wahlweise an die Elektrodeneingänge oder an Signalerde geschaltet werden. Das Verbinden von unbenutzten Verstärkereingängen gegen Signalerde dient der Vermeidung von Einstreuungen .The inputs of 1A are connected directly to the electrode inputs, while the inputs of IB can be connected to the electrode inputs or to signal earth using a switch. The connection of unused amplifier inputs against signal earth serves to avoid interference.
Die Signale aus den Verstärkern 1A und IB werden im Verstärker 2 addiert. Das Signal aus dem Verstärker IB ist dabei gegenüber dem Signal aus dem Verstärker 1A um den Faktor 4 bis 5 abgeschwächt.The signals from amplifiers 1A and IB are added in amplifier 2. The signal from the amplifier IB is attenuated by a factor of 4 to 5 compared to the signal from the amplifier 1A.
Die Addition aus 1A und IB kann, wie in Fig. 4 gezeigt, im festen Verhältnis zueinander sein oder kann variabel ausgebildet sein .The addition of FIGS. 1A and IB can, as shown in FIG. 4, be in a fixed relationship to one another or can be of variable design.
"Diese Anordnung gestattet sowohl einfache Ableitung (z.B. nur Frontalis-Ableitung) als auch doppelte Ableitung (z.B. Frontalis-Ableitung plus Signalableitung von den Schultern oder anderen Problembereichen). " This arrangement allows both single derivation (eg only Frontalis derivation) and double derivation (eg Frontalis derivation plus signal derivation from the shoulders or other problem areas).

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Elektromyographie-Biofeedbackgerät für Entspannungstraining mit einer Schaltungsanordnung zur Verarbeitung von vom menschlichen Körper abgeleiteten EMG-Signalen, die vom Patienten als akustische Rückmeldesignale mit änderbarer Frequenz in Abhängigkeit vom abgeleiteten EMG- Potential wahrnehmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß von dem abgeleiteten EMG-Signal gleichzeitig mehrere akustische Rückmeldesignale beliebiger Signalform von solchen Frequenzabständen zueinander erzeugbar sind, daß in bezug auf den gesamten EMG-Nutzbereich jedes einzelne Rückmeldesignal einen Teilbereich repräsentiert, wobei die einzelnen akustischen Rückmeldesignale partiell überlappt erzeugt werden und einzeln wahrnehmbar sind.1. Electromyography biofeedback device for relaxation training with a circuit arrangement for processing EMG signals derived from the human body, which can be perceived by the patient as acoustic feedback signals with variable frequency depending on the derived EMG potential, characterized in that the derived EMG signal At the same time, several acoustic feedback signals of any signal form of such frequency spacings can be generated that each individual feedback signal represents a sub-area with respect to the entire EMG useful range, the individual acoustic feedback signals being generated partially overlapping and being perceptible individually.
2. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der Rückmeldesignale einen Wohlklang im Sinne der Harmonielehre bilden.2. EMG biofeedback device according to claim 1, characterized in that the frequencies of the feedback signals form a harmonic sound in the sense of harmony.
3. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der Rückmeldesignale jeweils den Abstand einer Terz, einer Quart, einer Quint oder von einer oder zwei Oktaven voneinander haben.3. EMG biofeedback device according to claim 2, characterized in that the frequencies of the feedback signals each have the distance of a third, a fourth, a fifth or one or two octaves from each other.
4. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rückmeldesignale geringfügig frequenzmoduliert sind.4. EMG biofeedback device according to claim 1, characterized in that the individual feedback signals are slightly frequency modulated.
5. ' EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-Modulation 1,5 bis 4% der Frequenz beträgt. 5. ' EMG biofeedback device according to claim 4, characterized in that the frequency modulation is 1.5 to 4% of the frequency.
6. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Frequenzen der Rückmeldesignale selbsttätig zu- bzw. abschaltbar sind.6. EMG biofeedback device according to claim 1, characterized in that the individual frequencies of the feedback signals are automatically switched on or off.
7. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Minimum-Detektor (9) zur Speicherung des Minimums des EMG-Niveaus beim Entspannungstraining vorgesehen ist.7. EMG biofeedback device according to claim 1, characterized in that a minimum detector (9) is provided for storing the minimum of the EMG level during relaxation training.
8. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Minimum-Detektor (9) als Sample-and- Hold-Schaltung ausgeführt ist.8. EMG biofeedback device according to claim 7, characterized in that the minimum detector (9) is designed as a sample-and-hold circuit.
9. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungs-Frequenz-Wandler VCO (11) zur Umwandlung eines Gleichspannungssignals in ein Rechtecksignal vorgesehen ist.9. EMG biofeedback device according to claim 1, characterized in that a voltage-frequency converter VCO (11) is provided for converting a DC voltage signal into a square wave signal.
10. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Frequenz-Wandler VCO (11) einen den Nutzbereich des Biofeedbackgeräts abdeckenden Frequenzhub aufweist.10. EMG biofeedback device according to claim 9, characterized in that the voltage-frequency converter VCO (11) has a frequency range covering the useful range of the biofeedback device.
11. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechtecksignal des Spannungs-Frequenz- Wandlers VCO (11) einen Frequenzteiler (12) passiert,11. EMG biofeedback device according to claim 9, characterized in that the square wave signal of the voltage-frequency converter VCO (11) passes a frequency divider (12),
12. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechtecksignale am Ausgang des Frequenzteilers (12) als Zeitbasis für ein " sound sampling" verwendbar sind. 12. EMG biofeedback device according to claim 11, characterized in that the square-wave signals at the output of the frequency divider (12) can be used as a time base for a "sound sampling".
13. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine automatische Stummschaltung (15A, 15B) vorgesehen ist, die das Rückmeldesignal bei wesentlichen Änderungen des EMG-Niveaus abschaltet.13. EMG biofeedback device according to claim 1, characterized in that an automatic muting (15A, 15B) is provided which switches off the feedback signal in the event of significant changes in the EMG level.
14. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß während der Stummschaltung ein Ersatzsignal erzeugt wird, welches sich im Klang vom Rückmeldesignal wesentlich unterscheidet.14. EMG biofeedback device according to claim 13, characterized in that an equivalent signal is generated during the muting, which differs significantly in sound from the feedback signal.
15. EMG-Biofeedbackgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere als Differenzverstärker ausgeführte Eingangsverstärker zur gleichzeitigen Ableitung von EMG- Signalen an entsprechend vielen Körperstellen vorgesehen sind.15. EMG biofeedback device according to claim 1, characterized in that several input amplifiers designed as differential amplifiers are provided for the simultaneous derivation of EMG signals at a correspondingly large number of body parts.
16. EMG-Biofeedbackgerät, nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale aller Eingangsverstärker addiert und als Summe weiterverarbeitet werden.16. EMG biofeedback device, according to claim 15, characterized in that the signals of all input amplifiers are added and processed as a sum.
17. Verfahren zur Umwandlung von vom menschlichen Körper erfaßten Körpersignalen in vom Patienten akustisch wahrnehmbare Rückmeldesignale mit änderbarer Frequenz in Abhängigkeit von den erfaßten Körpersignalen, dadurch gekennzeichnet, daß vom Körpersignal gleichzeitig mehrere akustische Rückmeldesignale beliebiger Signalform von solchen Frequenzabständen zueinander erzeugt werden, daß in bezug auf den gesamten Nutzbereich jedes einzelne Rückmeldesignal einen Teilbereich repräsentiert und die einzelnen akustischen Rückmeldesignale partiell überlappt erzeugt werden und einzeln wahrnehmbar sind. 17. A method for converting body signals detected by the human body into feedback signals which can be perceived acoustically by the patient and having a variable frequency as a function of the detected body signals, characterized in that a plurality of acoustic feedback signals of any signal form of such frequency spacings from one another are simultaneously generated by the body signal that with respect to the entire useful area of each individual feedback signal represents a partial area and the individual acoustic feedback signals are generated partially overlapped and can be perceived individually.
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