JP2009066356A - 生体情報測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生体の情報、特に脈波を検出する装置について、センサ部を被接触部に均一に接触させることができる生体情報測定装置を提供すること。
【解決手段】生体の情報を測定するためのセンサを搭載するセンサ部を、装置本体と自在継手装置を介して少なくとも１つの梁部で接続している。センサ部は、梁部によって生体に押圧されるとともに、自在継手装置によって生体の動きに追従する。このような構成によって、生体が動いても、また生体の形状やセンサ部の大きさによらず、センサ部は生体の被測定部位に密着することができる。これにより、常に正確に生体の情報を測定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体情報を測定するセンサを搭載する生体情報測定装置に関するものであって、特に、生体情報として脈波を測定するための測定装置に関する。

近年、生活習慣病の予防やダイエットのため、運動トレーニングを行うことが浸透している。運動トレーニングを過不足無く実施するには、運動量を知る必要があるが、運動量そのものを正確に計測することは難しい。そこで、運動量を直接計測するのではなく、運動強度と呼ばれる指標を用いて運動量を調整する方法が知られている。

運動強度の数値が大きいほどエネルギー消費量が増える。人間の所謂エネルギー源は、大別して糖質と脂質との２つが知られており、体にかかる負担が大きい高い運動強度のときは糖質が、逆に低い運動強度のときは脂質が、それぞれエネルギー源となる。
運動トレーニングにおいて、糖質と資質とのどちらを利用する運動なのか、換言すれば運動強度が高いか低いかを正しく把握して運動することが大切であるものの、それを常に意識して運動することは大変難しい。

運動強度とは、運動の強さや身体にかかる負荷を示す指標であって、最大酸素摂取量を１００％としてその何％で運動するかを示すものである。ゆえに、行う運動やその種類によって決められるものではなく、また、同じ運動を行ったとしても個人によってその数値が異なる。
運動強度の数値を正確に知るには、長時間運動時のエネルギー消費量が酸素摂取量と概ね比例しているので、運動中の酸素摂取量を計測する必要がある。しかし、そのためには大掛かりな装置と専門的な知識が必要となるため、一般にその数値を知ることは難しい。

そこで近年では、運動中の酸素摂取量と概ね比例する心臓の心拍数を測定し、この心拍数から運動強度を換算することが行われている。

心拍数の測定にあっては、指を手首の内側に当てて、皮膚が心臓の鼓動に応じて振動する様子、すなわち脈派をその指で感じることをもって測ることができるが、そもそも両手が塞がってしまうため、運動そのものが制限されてしまう。このため、身体に装着して心拍数が測定できる電子式の心拍計の提案がなされている。

このような電子式の心拍計としては、一般に心電位検出方式が広く知られており、例えば、指や胸部に脈波を検出する電極を持ったベルト状の脈波検出部（センサ）を装着し、これとは独立した表示部に有線もしくは無線で情報を送信し、表示するものである。
表示部は、腕などに装着して脈波検出部から検出した脈波の周期から心拍数を求めて表示する。もちろん、脈派検出部と表示部とを一体化したものもある。

脈波検出部には、このような電極を用いた電極式の他に、血流の変化を光で捉える光学式や、皮膚に現れる脈波による振動を静電容量の変化で捉える静電容量式、血圧の変化を測定する圧力式などもある。

しかし、測定方式によらず、センサを所定の血管もしくは心臓の位置に正確に配置出来なければ測定は難しい。さらに、体動等によるセンサのずれやブレによるノイズの発生も正確に測定する上で問題となる。
このような問題を解決するため、脈派検出部を被測定部位に固定する技術の提案も多く
なされている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に示した従来技術は、脈派検出部と装置本体とが一体となった心拍計であり、手首に装着して心拍数を測定する。心拍数を測定するための脈波を検出するセンサは、ユニット化して装置の裏面側（被測定部位と接する側）に設けられているとともに、このセンサユニットを可動自在とすることで、被測定部位の動きに合わせられるようにしている。

次に、特許文献１に示した従来技術を、図９を用いて説明する。図９（ａ）は、特許文献１に示した従来技術を説明する平面図であって心拍計を裏面側から見た図である。図９（ｂ）は、腕時計でいうところの３時方向または９時方向から見た様子を模式的に示す断面図である。

図９において、１０１はフランジ、１０２センサマウント、１０５は脈波を検出するセンサユニット、１０６は心拍計の本体、１０７は本体１０６を腕などに固定するバンド、１０８はトーションスプリングである。
本体１０６には、一方端を本体１０６に接続し、他方端を折り返し構造とするトーションスプリング１０８を設けている。センサユニット１０５は、センサマウント１０２に設けており、トーションスプリング１０８の折り返し構造を有する他方端とフランジ１０１を介して接続している。
センサマウント１０２は、トーションスプリング１０８により懸架されており、体動などが生じても、トーションスプリング１００自体が弾性変形することと、折り返し構造によりフランジ１０１が若干摺動することでセンサユニット１０５を腕に押圧する。

特許第２７７０３７１号公報（第２−４頁、第２図）

特許文献１に示した従来技術は、センサマウント１０２がトーションスプリング１０８により懸架されているため、センサユニット１０５は常に腕の被測定部位に押圧されている。しかしながら、発明者が検討したところによると、特許文献１に示した従来技術は、２つの問題があることがわかった。

まず、センサユニット１０５への押圧力が均一にならず、被測定部位の形状により皮膚に密着できないという問題である。
特許文献１に示した従来技術は、トーションスプリング１０８が撓むことでセンサユニット１０５の生体へ押圧力が変わり、同時に、センサマウント１０２に設けたフランジ１０１が、トーションスプリング１０８の端部の折り返し構造の範囲で若干摺動することで、センサマウント１０２は、生体の動きに合わせて多少動くことができる。
しかし、トーションスプリング１０８と本体１０６との接続点と支点とし、トーションスプリング１０８とフランジ１０１とが接する点を作用点とすると、トーションスプリング１０８の撓み具合によって、この支点と作用点との距離が変わることに由来して、バネ定数が変化するため、生体への押圧力がセンサユニット１０５の押し込まれた距離に対して比例しないのである。

加えて、センサユニット１０５の可動範囲は、トーションスプリング１０８の折り返し構造の制限を受けており、生体の動きに合わせて、例えば、傾斜したりすることができない。
これにより、センサユニット１０５は、被測定部位に押圧されても手首の太さや形状などに影響されやすく、さらには、運動中に用いると、運動により生じる皮膚の撓みなどに
センサユニット１０５が追従しなくなり、皮膚に密着できなくなってしまうのである。

次に、センサユニット１０５の大きさに制限がかかってしまうという問題である。
近年の生体情報を測定するセンサは、検出素子を複数個有し、これらをアレイ状に配設するものがよく用いられている。このようにすることで、センサ自体が体動などで動いても検出素子はズレにくくなること、被測定部位の比較的広い範囲の脈波などを同時に検出したりすることで、その平均値を取り測定精度を上げること、また、不測の事態が生じていくつかの検出素子が検出不能になっても、検出可能な検出素子が残っていれば測定を行えるという利点もあることから、広く用いられはじめてきた。

このようなアレイ状の検出素子を特許文献１に示した従来技術にすると、センサユニット１０５が大きくなるため、センサユニット１０５の動きがさらに制限されて運動中での使用がしにくくなるのである。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、手首の太さや形状および体動によらずセンサ全面を被接触部に一様な押圧力で密着させることができ、運動を行っても、また、アレイ状の検出素子を有するセンサを搭載した場合であっても、センサと被測定部位とが密着できる手首装着型の生体情報測定装置を提供することを目的とする。

本発明の生体情報測定装置は、以下に示す構成を採用するものである。

生体情報を測定するセンサを備えるセンサ部と、センサ部を備える装置本体と、装置本体と接続するバンド部と、を有し、バンド部により装置本体を生体の被測定部位に固定して生体情報を測定する生体情報測定装置であって、
センサ部は、センサを固定するセンサ台座を有し、センサ部は、一方端を装置本体に接続し、他方端をセンサ台座に接続する可撓性を有する少なくとも１つの梁部により懸架され、センサ台座と梁部との接続部は、自在継手装置により回動自在に接続し、センサ部が生体の被測定部位に接触したとき、センサ部は、梁部により生体方向に押圧されるとともに自在継手装置により生体の動きに追従するように動き、生体の被測定部位に密着することを特徴とする。

自在継手装置は、取り付け穴を有するハウジングと、取り付け穴と近接した外形寸法を有して、取り付け穴に嵌挿されるボールと、このボールと接続するボールより小径の軸部材と、を有し、センサ台座と梁部とは、一方をハウジングに接続し、他方を軸部材と接続することを特徴とする。

自在継手装置は、取り付け穴を有するハウジングと、取り付け穴に嵌挿される土台と、土台と接続するこの土台より小径の軸部材と、を有し、ハウジングと土台とは、ばね材または可撓性を有する支持部材で互いを接続し、センサ台座と梁部とは、一方をハウジングに接続し、他方を軸部材と接続することを特徴とする。

センサは、生体と接してその接触圧力を検出し、センサ部は、センサを所定の間隔で複数個配設することを特徴とする。

本発明の生体情報測定装置のセンサ部は、可撓性を有する梁部により懸架されているが、センサ部と梁部とは、センサ台座に設ける自在継手装置により接続されている。この自在継手装置により、可動範囲がさらに広くなることから、センサ部を皮膚の動きに追従す
るように動かすことができるとともに、センサ部が被測定部位の形状に合わせて傾斜することもできる。
本発明の生体情報測定装置は、梁部によるセンサ部の生体への押圧力を維持したまま、生体の動きに合わせてセンサ部が自由に動くことができるため、使用者の手首の太さや形状によらずセンサ全面を被接触部に一様な押圧力で密着させることができる。これにより、運動中であっても、アレイ状の検出素子を有するときのように比較的大きなセンサ部であっても、センサ部を被測定部位に密着させることができ、常に正確に生体の情報を測定することができる。

本発明の生体情報測定装置は、生体の被測定部位に挟むか巻き付けるかして装着するが、本発明の実施形態では、装置本体を腕時計型とし、手首に装着する例で説明する。
センサを固定するセンサ台座を有するセンサ部は、腕時計でいうところの裏蓋側に備えている。センサ部は、可撓性を有する梁部により懸架されており、センサ部と梁部とは、センサ台座に設ける自在継手装置により接続されている。自在継手装置は、複数の構成を例示して説明する。

［全体構成の説明：図１〜図４］
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいてより詳細に説明する。図１は、本発明の生体情報測定装置を腕時計でいうところの３時方向または９時方向から見た様子を模式的に示す断面図である。図２は、腕時計でいうところの裏蓋方向から見た様子を模式的に示す斜視図である。図３は、図２からセンサ部を取りその内側の様子を説明しやすくした斜視図である。図４は、センサ台座に設ける自在継手装置を説明するための図である。

図１〜図４において、１は本体ケース、１ａは本体ケース１に設ける凹部、２は梁部、３は軸部材、４はセンサ台座、５はボール、５ａはボール５の略中心を示す点、６はバンド部、７はバンド部６に設けるヒンジ、８はセンサ部、９はセンサ、１０はハウジング、１０ａはハウジング１０に設ける嵌合部、１１は本発明の生体情報測定装置の制御を行う電子部品などを実装した回路基板を含む制御手段である。１８は手首、１９は手首１８の内部の血管である。なお、図１は、本体ケース１と手首１８とが密着していない様子を示している。

本発明の生体情報測定装置は、本体ケース１に腕時計のバンドのようにバンド部６を設け、このバンド部６の所定の位置にヒンジ７を設けている。バンド部６は、腕の形状に合わせて円弧を描くようなラウンド形状としており、全体的にはＵ字形状を有している。ヒンジ７は、図示しないバネ部材と知られている構造とによって、本体ケース１の方向に応力を受けている。
本発明の生体情報測定装置を手首に装着するとき、このバンド部６をその応力に抗って開き、装着する。このようにすることで、本体ケース１は手首に一定の力で押し付けられ、本体ケース１と手首とのフィット感が向上するのである。
なお、バンド部６の構成は一例であって、これに限定するものではない。バンド部６は、Ｕ字形状を有することなく、円形のような閉じた形状であってもかまわない。

本体ケース１のセンサ部８を取り付ける部分には、凹部１ａを設けている。凹部１ａは、本発明の生体情報測定装置を手首に装着するとき、本体ケース１からセンサ部８が手首１８の方向に突出しすぎないようにするために有する部分であって、所謂逃げの部分である。凹部１ａの大きさや深さは、本体ケース１の形状やデザイン、バンド部６の形状や長さなどを鑑みて、自由に選択することができる。

凹部１ａには、一方端をこの凹部１ａに接続し、他方端をセンサ台座４に接続する可撓性を有する梁部２が設けてある。図３に示すように、本実施形態では、４つの梁部２がセンサ台座４に接続している。梁部２は、特に限定しないが、ステンレスなどの金属板または金属棒、プラスチックの棒などで構成することができる。

本発明の生体情報測定装置を平面で見たとき、例えば、時計でいうところの１２時−６時を結ぶ方向をＹ方向、３時−９時を結ぶ方向をＸ方向と定義するとき、梁部２は、Ｘ方向とＹ方向とにそれぞれ２本ずつ設けており、Ｘ方向とＹ方向とが交差する点にセンサ台座４を設けている。
もちろんこれは一例であって、２時−８時を結ぶ方向、４時−１０時を結ぶ方向などに沿って梁部２を設けてもよく、これは梁部２を構成する材質や本体ケース１の形状やデザインなどを鑑みて、自由に選択することができる。

センサ台座４には軸部材３が設けてあり、軸部材３は、その一方端をセンサ台座４に接続し、他方端にはボール５が設けてある。

センサ部８の手首１８側には、センサ９が設けてある。搭載するセンサ９は、特に限定しないが、静電容量式センサを用いることができる。静電容量式センサは、２つの並行平板電極を備え、生体に生じる脈派による振動によって、双方の並行平板電極の距離が変化し、それに応じて双方の電極間の静電容量が変化することで脈派という皮膚の物理量を静電容量という電荷量で得るものである。なお、検出した脈波の周期から心拍数を求めている。
センサ部８には、複数のセンサ９を設けることができ、図２に示す例では、１２個のセンサ９が所定間隔で配設されている。なお、図面を見やすくするために、センサ９の電気的は配線は、省略している。

センサ部８の凹部１ａ側には、ハウジング１０が設けてある。ハウジング１０の本体ケース１側、つまり、凹部１ａと対向する面には、嵌合部１０ａが設けてある。この嵌合部１０ａは、軸部材３の他方端に設けるボール５と嵌合するためのものであり、嵌合部１０ａの内壁はボール５の形状に合わせるとともに、それよりも若干大きなサイズとなっている。
図４に示すように、軸部材３のボール５がハウジング１０の嵌合部１０ａと嵌合して、自在継手装置を構成している。このような構造は、所謂ボールジョイントと呼ばれるものであって、知られているように、ボール５に示す点５ａをボール５の略中心とすると、軸部材３は、点５ａを中心に自在に動くことができる。
なお、ハウジング１０は、センサ部８と一体に構成しても別体に構成して接着などしてもかまわない。

以上の説明では、本発明の特徴を説明するために、各構成要素ならびにその接続を細述した。制御手段１１の詳細や図示しないディスプレイのような表示手段、電源手段や配線などの心拍計としての動作に必要な部分は省略している。

［梁部と自在継手装置の動作説明：図５］
図５は、図１と同じ方向から見る図であり、生体の動きにあわせてセンサ部が可動する様子を説明するために模式的に示す断面図であって、本体ケース１と手首１８とが密着している様子を示している。なお、すでに説明した構成には同一の番号を付与している。

すでに説明したように、本発明の生体情報測定装置は、本体ケース１とセンサ部８とは、梁部２と自在継手装置とより接続している。
バンド部６により本体ケース１が手首１８に押し付け固定されると、梁部２は、手首１
８の表面の状態または本体ケース１の取り付け位置などにより、変形する。図５に示す例では、梁部２の一方は手首１８側に、他方は凹部１ａ側に変形している。
梁部２は、可撓性を有しているため、変形してもセンサ部８を手首１８の方向に押圧している。
梁部２にはセンサ台座４が接続しており、軸部材３を介してハウジング１０と接続している。このため、梁部２が変形しても、その変形には制限されずに自在継手装置によってセンサ部８は傾斜して手首１８に密着している。

本発明の特徴的な部分はこの点であって、梁部２によりセンサ部８が手首１８に押し付けられるとともに、それとは独立した自在継手装置によってセンサ部８が手首１８の形状や動きに追従するように密着するのである。
このような構成であるから、使用者の手首の形状や大きさ、または運動中のような本体ケース１と手首１８との相対的な位置が常に変化するような場合であっても、センサ部８と手首１８とは密着するのである。

センサ部８は、図２に示すように複数のセンサ９を有しており、血管１９の上部を覆うようになっている。このように複数のセンサで脈波を測定するのには既に説明したような理由があって、例えば、仮にセンサ部８自体が体動などで若干動いてしまってもどれかのセンサ９は血管１９を捉えられる可能性があること、被測定部位において比較的広い範囲の脈波を複数のセンサ９で同時に検出することでそのノイズ成分を打ち消しあったり、平均値を取るなどして測定精度を上げることなどができる。

このように、本発明の生体情報測定装置は、手首１８の動きにセンサ部８が追従し、手首１８と密着するため、複数のセンサ９を用いるような比較的大きなセンサ部８を備える場合に特に有効である。

本発明の生体情報測定装置の自在継手装置は、軸部材３のボール５がハウジング１０の嵌合部１０ａと嵌合して、ボールジョイントの自在継手装置を構成しているが、自在継手装置は、この構成に限定するものではない。次に図面を用いてボールジョイントとは異なる自在継手装置を説明する。

[ばね型の説明：図６]
以下、本発明の第２の実施形態を図面に基づいてより詳細に説明する。図６，図７は、センサ部８の自在継手装置の部分を拡大して示す断面図である。図６，図７において、１０ｂはハウジング１０の取り付け穴となる開口部、１３はスプリングばね、１４は伸縮ばねである。１５は軸部材３の端部に設ける軸台座であって、軸部材３の土台となる部分であり、すでに説明した本発明の第１の実施形態では、ボール５に相当する部分である。なお、すでに説明した同一の構成には同一の番号を付与している。

軸部材３の端部には、軸台座１５が設けてある。軸台座１５とハウジング１０とは、スプリングばね１３または伸縮ばね１４を介して接続している。スプリングばね１３は、金属などの細線を螺旋状に巻回してなる。図示はしないが、巻回のピッチを不等とする不等ピッチ型を用いてもよい。伸縮ばね１４は、特に限定しないが、可撓性を有する支持部材であればよく、ゴムなどを用いることができる。図６，図７では、スプリングばね１３および伸縮ばね１４は、断面に２個ずつ設けるように例示しているが、もちろんこれは一例である。

軸台座１５は、その大きさをハウジング１０に開口している開口部１０ｂの開口径より小さくしており、スプリングばね１３または伸縮ばね１４の伸びと圧縮に応じて軸部材３
が自在に動けるようになっている。
なお、図６，図７では、それぞれ同種類のばねを用いる例を示したが、異なる形状のばねを組み合わせてもよいことは言うまでもない。

このような構成とすることよって、センサ部８は、スプリングばね１３または伸縮ばね１４の圧縮と引っ張りに合わせて傾斜し、手首１８と密着することができるのである。
梁部２は、変形によってセンサ部８を手首１８に押圧するが、スプリングばね１３または伸縮ばね１４は、その押圧力をさらに加減することができる。これは自動車などのタイヤを懸架するサスペンションのように、これらばねのばね定数を選択することによって、手首１８の表面に現れる脈派とは異なる周波数の振動を吸収したりすることができる。これによれば、脈派だけをより明瞭に検出することができるようになるのである。

[自在継手装置の説明：図８]
以上説明した本発明の生体情報測定装置の自在継手装置は、センサ部８にハウジング１０を設ける構成を説明した。自在継手装置は、双方が接続して自在に可動する継手装置であるから、ハウジング１０をセンサ部８に設ける構成に限定するものではない。
以下、本発明の第３の実施形態を図面に基づいてより詳細に説明する。図８は、本発明の生体情報測定装置の自在継手装置を説明するために模式的に示す断面図であって、図において、４０はセンサ部８に設けるセンサ台座、１００は梁部２と接続するハウジングである。なお、すでに説明した同一の構成には同一の番号を付与している。

図８に示すように、本体ケース１の凹部１ａには、一方端をこの凹部１ａに接続し、他方端をハウジング１００に接続する可撓性を有する梁部２が設けてある。センサ部８には、凹部１ａ側にセンサ台座４０が設けており、軸部材３が接続している。軸部材３の端部には、すでに説明したようにボール５が設けてある。ボール５は、ハウジング１００と嵌合している。

図８に示した構成は、本発明の第１の実施形態のボールジョイントの自在継手装置を例にしているが、図６，図７を用いてすでに説明した本発明の第２の実施形態の継手構造を用いてもよいことは、すでに明らかであるので、説明は省略する。

すでに説明したように、本発明の生体情報測定装置の自在継手装置は、ハウジングを本体ケース側、センサ部側のどちらに設けてもよく、本体ケース１またはバンド部６の形状やデザイン応じて、自由に選択することができる。

本発明の生体情報測定装置は、センサ部の大きさにかかわらず、生体の形状や動きに追従してセンサ部を生体に密着させることができる。このため、運動中に心拍数を計測する装置に好適である。

本発明の生体情報測定装置の構造を説明する断面図である。 本発明の生体情報測定装置の構造を説明する斜視図である。 本発明の生体情報測定装置の構造を説明する斜視図である。 本発明の生体情報測定装置の自在継手装置を説明する図である。 本発明の生体情報測定装置の動作を説明する断面図である。 本発明の生体情報測定装置の異なる構造の自在継手装置を説明する図である。 本発明の生体情報測定装置のさらに異なる構造の自在継手装置を説明する図である。 本発明の生体情報測定装置の異なる構造を説明する断面図である。 特許文献１に示した従来技術を説明する図である。

符号の説明

１ 本体ケース
１a 本体ケース１ａに設ける凹部
２ 梁部
３ 軸部材
４ センサ台座
５ ボール
５ａ ボールの略中心を示す点
６ バンド部
７ ヒンジ
８ センサ部
９ センサ
１０，１００ ハウジング
１０a ハウジング１０に設ける嵌合部
１０b ハウジング１０の取り付け穴となる開口部
１１ 制御手段
１３ スプリングばね
１４ 伸縮ばね
１５ 軸台座
１８ 手首
１９ 血管
４０ センサ台座

Claims (4)

1. 生体情報を測定するセンサを備えるセンサ部と、
   前記センサ部を備える装置本体と、
   前記装置本体と接続するバンド部と、
   を有し、
   前記バンド部により前記装置本体を前記生体の被測定部位に固定して前記生体情報を測定する生体情報測定装置であって、
   前記センサ部は、前記センサを固定するセンサ台座を有し、
   前記センサ部は、一方端を前記装置本体に接続し、他方端を前記センサ台座に接続する可撓性を有する少なくとも１つの梁部により懸架され、
   前記センサ台座と前記梁部との接続部は、自在継手装置により回動自在に接続し、
   前記センサ部が前記生体の被測定部位に接触したとき、
   前記センサ部は、前記梁部により前記生体方向に押圧されるとともに前記自在継手装置により前記生体の動きに追従するように動き、前記生体の被測定部位に密着することを特徴とする生体情報測定装置。
2. 前記自在継手装置は、
   取り付け穴を有するハウジングと、
   前記取り付け穴と近接した外形寸法を有して、前記取り付け穴に嵌挿されるボールと、
   前記ボールと接続する前記ボールより小径の軸部材と、
   を有し、
   前記センサ台座と前記梁部とは、一方を前記ハウジングに接続し、他方を前記軸部材と接続することを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
3. 前記自在継手装置は、
   取り付け穴を有するハウジングと、
   前記取り付け穴に嵌挿される土台と、
   前記土台と接続する前記土台より小径の軸部材と、
   を有し、
   前記ハウジングと前記土台とは、ばね材または可撓性を有する支持部材で互いを接続し、
   前記センサ台座と前記梁部とは、一方を前記ハウジングに接続し、他方を前記軸部材と接続することを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
4. 前記センサは、
   前記生体と接してその接触圧力を検出し、
   前記センサ部は、前記センサを所定の間隔で複数個配設することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の生体情報測定装置。

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