JP2015054015A - 医療機器 - Google Patents

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尚洋 松崎
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邦夫 田端
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新一 宮▲崎▼
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Abstract

【課題】液体を噴射する医療機器の液体中の気泡の有無等の医療機器の状態を検出する技術を提供する。
【解決手段】液体を噴射する医療機器10であって、液体を収容する液体室38と、液体室に収容されている液体を加圧する駆動部35と、駆動部が駆動した場合の振動を検出する振動検出部80とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、液体を噴射する医療機器の技術に関する。
液体を駆動部で加圧して噴射管から液体を噴射させる医療機器が知られている。このような医療機器は、例えば、駆動部に気泡が介在していると、駆動部が液体に対して加えた圧力が気泡の体積変化によって吸収されてしまい、適切に液体が加圧されないと言った問題がある。液体中の気泡を検出する技術としては下記特許文献1の技術が知られている。
特開平05−305141号公報
このような医療機器は、駆動部内の気泡の有無に限らず、機器の種々の状態を検出する技術の開発が課題である。
また、上記特許文献1の技術を液体噴射装置に適用する場合、超音波を発生可能なセンサーと、超音波を受信可能なセンサーが必要となり、構造の複雑化や、高コスト化が問題となる。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、液体を噴射する医療機器が提供される。この医療機器は、前記液体を収容する液体室と;前記液体室に収容されている前記液体を加圧する駆動部と;前記駆動部が駆動した場合の振動を検出する振動検出部とを備える。この形態の医療機器によれば、振動検出部によって駆動部が振動した場合の振動を検出することができる。従って、例えば、検出した振動を利用して医療機器の状態を検知することが可能である。
(2)上記形態の医療機器において、さらに、前記振動検出部が検出した振動に基づいて、前記液体室内の気泡を検出する気泡検出部を備えるとしてもよい。この形態の医療機器によれば、振動検出部か検出した振動に基づいて液体室内の気泡を検出するので、比較的簡易な構造で気泡を検出することができる。本説明におけて気泡とは、球状の気体に限らず、液相と分離して存在する気相を含む。
(3)上記形態の医療機器において、前記振動検出部は、集音装置であるとしてもよい。この形態の医療機器によれば、振動検出部は集音装置であるので、簡易な構成することができる。
(4)上記形態の医療機器において、前記振動検出部は、振動センサーであるとしてもよい。この形態の医療機器によれば、振動検出部は振動センサーであるので、簡易な構成とすることができる。
(5)上記形態の医療機器において、前記駆動部は、圧電素子であり;前記圧電素子は、前記振動検出部として機能するとしてもよい。この形態の医療機器によると、駆動部と振動検出部とを同じ圧電素子で機能させることができるので、構造を簡易化することができる。
(6)上記形態の医療機器において、前記気泡検出部による検出結果に基づいて、前記液体室の気泡を外部に排出する脱気手段を備えるとしてもよい。この形態の医療機器によれば、脱気手段によって液体室に存在する気泡を排出することができるので、駆動部が液体を適切に加圧することができる。
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
例えば、本発明の一形態は、液体室と、駆動部と、振動検出部との3つの要素の内の一つ以上の要素を備えた機器として実現可能である。すなわち、この機器は、液体室を有していてもよく、有していなくてもよい。また、機器は、駆動部を有していてもよく、有していなくてもよい。また、機器は、振動検出部を有していてもよく、有していなくてもよい。液体室は、前記液体を収容する液体室として構成されてもよい。駆動部は、前記液体室に収容されている前記液体を加圧する駆動部として構成されてもよい。振動検出部は、前記駆動部が駆動した場合の振動を検出する振動検出部として構成されてもよい。こうした機器は、例えば、医療機器として実現できるが、医療機器以外の他の装置としても実現可能である。このような形態によれば、機器の小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等の種々の課題の少なくとも1つを解決することができる。前述した医療機器の各形態の技術的特徴の一部又は全部は、いずれもこの機器に適用することが可能である。
本発明は、機器以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、液体噴射装置、液体を噴射する方法、液体噴射装置の製造方法、気泡検出方法、気泡排出方法等の形態で実現することができる。
医療機器の構成を説明する説明図である。 気泡検出部の構成を示すブロック図である。 気泡検出部の動作を示すタイミングチャートである。 振動信号の実測結果を示す説明図である。 脱気処理の流れを示すフローチャートである。 第2実施形態の医療機器の構成を示す説明図である。 第3実施形態の医療機器の構成を示す説明図である。
A.第1実施形態:
(A1)医療機器の構成:
図1は、本発明の第1実施例としての医療機器10の構成を説明する説明図である。医療機器10は、患部に対して液体を噴射することによって患部の切開または切除を行うメスとして利用される。
医療機器10は、液体噴射装置20と、液体供給部50と、液体容器55と、制御部60と、気泡検出部70と、集音装置80とを備える。液体噴射装置20と液体供給部50とは、液体供給流路52によって接続されている。液体供給部50と液体容器55とは、接続チューブ54によって接続されている。本実施例においては、液体供給流路52および接続チューブ54は、樹脂によって形成されている。
液体容器55は、液体として生理食塩水を収容している。なお、液体として、医療用の無菌水や、純水など、種々の液体を採用することができる。液体供給部50は、接続チューブ54を介して液体容器55から吸引した液体を、液体供給流路52を介して液体噴射装置20に供給する。
液体噴射装置20は、液体供給部50から供給された液体に脈動を付与し、パルス状の液体を噴射させる。使用者は、液体噴射装置20から噴射されるパルス状の液体を患者の患部に当てることによって、患部の切開または切除を行う。
液体噴射装置20は、第1ケース31、第2ケース32、第3ケース33、圧電素子35、補強板36、ダイアフラム37、噴射管42を備える。第1ケース31は筒状部材である。第1ケース31の一端は、第2ケース32と接合されている。第1ケース31の他端は、第3ケース33によって密閉されている。第1ケース31の内部に形成される空間には圧電素子35が配設されている。
圧電素子35は、積層型圧電素子である。圧電素子35の一方の端部は、補強板36を介してダイアフラム37と固定されている。圧電素子35の他方の端部は、第3ケース33に固定されている。ダイアフラム37は金属薄膜からなり、周縁部が第1ケース31に固定されている。ダイアフラム37と第2ケース32との間には液体室38が形成される。液体室38は、圧電素子35の駆動によって容積が変更される。
第2ケース32には、液体を液体室38に流入させる第1の流路39が形成されている。第1の流路39は、液体供給流路52と接続されている。液体供給部50から供給された液体は、液体供給流路52および第1の流路39を介して液体室38に流入する。また、第2ケース32には、液体室38に収容された液体を流出させる第2の流路40が形成されている。第2の流路40は、噴射管42と接続されている。
制御部60は、医療機器10全体の動作を制御する。制御部60には、使用者が足元で操作するフットスイッチ62が接続されている。使用者がフットスイッチ62をオンにすると、制御部60は、液体供給部50を制御して、液体噴射装置20(液体室38)へ液体の供給を行わせるとともに。圧電素子35に駆動信号を送信する。圧電素子35は、制御部60から駆動信号を受信すると、所定の周波数で振動する。圧電素子35が振動すると、ダイアフラム37を介して液体室38の容積が変化し、液体室38に収容されている液体が加圧される。所定周波数で加減圧された液体には脈動が付与され、第2の流路40、噴射管42を通ってパルス状の液体として外部に噴射される。
パルス状の液体の噴射とは、流量または流速が変動を伴った状態の液体であることを意味する。液体がパルス状に噴射する態様には、噴射と停止とを繰り返しながら噴射する間欠噴射が含まれるが、液体の流量または流速が変動していればよいため、必ずしも間欠噴射である必要はない。
振動検出部としての集音装置80は、圧電素子35の駆動によって液体噴射装置20から発生する振動(本実施例では音響振動)を集音する。集音装置80は、集音した振動を電気信号に変換し、振動信号D3として気泡検出部70に入力する。気泡検出部70は、振動信号D3に基づいて液体室38内の気泡の有無や気泡の量の検出を行う。気泡検出部70が液体室38内の気泡を検出した場合、制御部60は、液体室38内の気泡を外部に放出する脱気処理を行う。脱気処理については、後で説明する。
(A2)気泡検出部の構成:
図2および図3を用いて、気泡検出部70の構成および動作の詳細を説明する。図2は、気泡検出部70の構成を示すブロック図である。図3は、気泡検出部70が備える各構成の動作を示すタイミングチャートである。
図2に示すように、気泡検出部70は、バンドパスフィルター71と、ピークホールド回路72と、遅延回路73と、比較器74と、基準電圧発生器75と、ラッチ76とを備える。気泡検出部70には、タイミング信号D2と振動信号D3とが入力される。タイミング信号D2は、制御部60から気泡検出部70に入力される。タイミング信号D2は、制御部60が圧電素子35に入力する駆動信号D1と同期した二値の信号である(図3参照)。振動信号D3は集音装置80から気泡検出部70に入力される。振動信号D3は、集音装置80が液体噴射装置20から発生する音を電気信号に変換した信号である。
バンドパスフィルター71は、振動信号D3を入力し、所定の周波数帯域の信号のみを抽出して特定周波数信号D4としてピークホールド回路72に入力する。ピークホールド回路72は、バンドパスフィルター71から入力される特定周波数信号D4のピーク値を記憶する。ピークホールド回路72は、記憶した特定周波数信号D4のピーク値を電圧値として表したピーク値信号D6を、比較器74に入力する。
比較器74は、ピークホールド回路72から入力されたピーク値信号D6と、所定の基準電圧値とを比較する。基準電圧値は、基準電圧発生器75によって生成され、基準電圧信号D7として比較器74に入力される。比較器74は、ピーク値信号D6の電圧値と基準電圧信号D7の電圧値とを比較し、比較結果を二値の信号(以下、比較信号D8)としてラッチ76に出力する。比較器74は、ピーク値信号D6の電圧値が基準信号より高い場合に、比較信号D8の値をONにする。
ラッチ76は、比較信号D8とタイミング信号D2とを入力する。ラッチ76は、タイミング信号D2が「ON」のタイミングで比較信号D8の値を読み込み、読み込んだ値を気泡検出信号D9として制御部60に入力する。
遅延回路73は、タイミング信号D2を制御部60から入力する。遅延回路73は、タイミング信号D2を遅延させた信号(以下、クリア信号D5とも呼ぶ)をピークホールド回路72に入力する。ピークホールド回路72は、クリア信号D5に同期して、記録した特定周波数信号D4のピーク値をクリアする。
ここで、振動信号D3について説明する。上述のように、振動信号D3は、圧電素子35の駆動によって液体噴射装置20から発生する振動(本実施例では音響振動)が集音装置80で集音され電気信号に変換された信号である。図4は、実際の振動信号D3の実測結果を示す説明図である。図4(A)は、液体室38に気泡が無い場合の振動信号D3を示している。図4(B)は、液体室38に気泡が存在する場合の振動信号D3を示している。図4(A−1)および(B−1)は、横軸を時間、縦軸を振幅として振動信号D3を示した。図4の(A−2)および(B−2)は、横軸を周波数、縦軸を振幅スペクトル(音圧スペクトル)として振動信号D3を示した。
図4において、(A−1)と(B−1)とを比較して分かるように、液体室38に気泡が存在する場合は、液体室38に気泡が無い場合より、振動信号D3の振幅のピーク値が大きい。また、図4において(A−2)と(B−2)とを比較して分かるように、特定の周波数成分の振幅スペクトル(音圧スペクトル)に大きなピーク(図中のピークP1)が観察される。本実測においては、ピークP1の周波数は3.7kHzであった。このように、液体室38内の気泡の有無や気泡の量によって、液体噴射装置20が発生する振動の特性が異なる。
気泡検出部70は、ピークP1を検出することによって、液体室38内の気泡の有無や気泡の量を検出する。具体的には、気泡検出部70のバンドパスフィルター71の通過帯域をピークP1の周波数が含まれる周波数帯域に設定し、比較器74に入力される基準電圧をピークP1が検出可能な値に設定することによって、気泡検出部70は、液体室38内の気泡の有無や気泡の量を検出することができる。
(A3)脱気処理:
制御部60が行う脱気処理について説明する。脱気処理は、液体室38に存在する気泡を外部に放出する処理である。図5は、脱気処理の流れを示すフローチャートである。脱気処理は、医療機器10の使用者がフットスイッチ62をONにすることによって開始される。制御部60は、脱気処理を開始すると、気泡検出部70を動作させるとともに、気泡検出部70から気泡検出信号D9を入力する(ステップS102)。制御部60は、気泡検出信号D9の値を読み込み、気泡検出信号D9のON信号がN周期の間、継続しているか否かを判断する(ステップS104)。周期は、振動信号D3の周期を採用する。Nは、予め制御部60に設定した値である。本実施形態においては、Nは、液体室38への気泡の有無や気泡の量と振動信号D3との関係を実測して定める。
制御部60は、気泡検出信号D9のON信号がN周期の間継続していると判断した場合(ステップS104:YES)、制御部60は、所定時間、脱気モード運転を行う(ステップS106)。本実施形態においては、制御部60は、脱気モード運転として、液体供給部50を制御して、液体噴射装置20に供給する液体の流量を通常運転時より上昇させる。さらに制御部60は、駆動信号D1の電圧値および周波数を変更させる。なお、液体噴射装置20へ供給する液体の流量、圧電素子35への印加する駆動信号D1の電圧値は、安全な動作が可能な範囲内において上昇させた値を採用する。制御部60が脱気モード運転を行うことにより、液体室38内の気泡は外部に排出される。制御部60は、ステップS102〜S106の処理を、使用者がフットペダルをOFFにするまで繰り返し行う(ステップS108)。
以上説明したように、医療機器10は、圧電素子35の駆動によって発生する振動(本実施形態においては音響振動)に基づいて液体室38内の気泡の有無や気泡の量を検出するので、集音装置80と、気泡検出部70といった比較的簡易な構成によって液体室38の気泡の有無や気泡の量を検出することができる。
医療機器10は、気泡を検出した場合に、脱気モード運転を行って液体室38から気泡を排出するので、圧電素子35が液体室38の液体を適切に加圧することができる。気泡検出部70は、電気回路によって構成することができるので、簡易な構成、かつ、低コストで気泡の検出を実現することができる。
B.第2実施形態:
本発明の第2実施形態について説明する。図6は、第2実施形態における医療機器10aの構成を示す説明図である。第2実施形態と第1実施形態との違いは、振動検出部として振動センサー82を採用した点である。医療機器10aのその他の構成は、第1実施例における医療機器10と同じであるので、振動センサー82以外の医療機器10aの構成についての説明は省略する。
振動センサー82は、第3ケース33に固定されており、液体噴射装置20の振動を検出する。振動センサー82は、検出した振動を電気信号に変換して振動信号D3aとして気泡検出部70に入力する。本実施形態においては、振動センサー82は、圧電素子である。振動センサー82によって生成された振動信号D3aは、第1実施形態において集音装置80によって生成された振動信号D3と同じく、液体室38内の気泡の有無や気泡の量によって、振動特性が異なる。
たとえば、液体室38内に気泡が存在しない場合、圧電素子35が液体室38を加圧する際に液体室内の液体から反力を受ける。その反力によって、第3ケース33にひずみが生じ、振動波形となって表れる。逆に、液体室38内に気泡が存在する場合、圧電素子35が液体に対して加えた圧力が気泡の体積変化によって吸収されてしまい、圧電素子35が液体から受ける反力が減少する。これによって第3ケース33のひずみも減少し、振動特性が変わる。また、気泡の量に応じて圧電素子35が液体から受ける反力の減少量が異なり、これによって第3ケース33のひずみ量が異なる。
本実施形態においては、第1実施形態と同じく、液体室38に気泡が存在する場合の振動信号D3aに現れる振動特性を気泡検出部70で検出する。具体的には、バンドパスフィルター71の通過帯域と、基準電圧発生器75から比較器74に入力する基準電圧の電圧値とを調整することによって、気泡検出部70は、液体室38に気泡が存在する場合の振動信号D3aの振動特性を検出することができる。制御部60は、気泡検出部70から入力される気泡検出信号D9に基づいて脱気処理を行う。
以上説明したように、第2実施形態における医療機器10aは、圧電素子35の駆動によって発生する振動を振動センサー82によって検出するので、振動の検出手段として比較的簡易な構成とすることができる。また、小型の振動センサー82を採用することによって、液体噴射装置20全体の小型化を実現することができる。
C.第3実施形態:
本発明の第3実施形態について説明する。図7は、第3実施形態における医療機器10bの構成を示す説明図である。第3実施形態と第1実施形態との違いは、振動検出部として圧電素子35を採用した点である。すなわち、圧電素子35は、駆動部としての機能と、振動検出部としての機能とを備える。
図7に示すように、圧電素子35には、制御部60から駆動信号D1が入力される。また、圧電素子35は、気泡検出部70bに対して振動信号D3bを入力する。振動信号D3bは、圧電素子35の逆起電力に相当する。振動信号D3bには、圧電素子35が検出した液体噴射装置20の振動による周波数成分と、駆動信号D1に相当する周波数成分とが含まれる。気泡検出部70bは、バンドパスフィルター71bを備えており、通過帯域の調整によって、振動信号D3bから、駆動信号D1に相当する周波数成分を除去すると共に、液体室38に気泡が存在する場合に振動信号D3bに現れる振動特性を抽出する。なお、本実施形態においては、駆動信号D1に相当する周波数成分を除去と、液体室38に気泡が存在する場合の振動特性の抽出とを、1つのバンドパスフィルターで行うとしたが、別々のバンドパスフィルターで行うとしてもよい。
バンドパスフィルター71bが抽出した振動特性を検出することによって、気泡検出部70bは、液体室38内の気泡を検出することができる。気泡検出部70bは、液体室38内の気泡の検出結果を気泡検出信号D9として制御部60に入力する。制御部60は、気泡検出信号D9に基づいて液体室38内の気泡の有無や気泡の量を判断し脱気処理を行う。
以上説明したように、第3実施形態における医療機器10bは、圧電素子35が、駆動部としての機能と振動検出部としての機能とを備えるので、医療機器10bの構造の小型化、簡易化を実現することができる。また、別途、振動検出部を用意する必要がないので、低コスト化を実現することができる。
D.変形例:
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
(D1)変形例1:
上記実施形態においては、検出された液体噴射装置20の振動に基づいて液体室38内の気泡の検出をしたが、検出された液体噴射装置20の振動に基づいて液体噴射装置20の種々の状態を検出することができる。例えば、液体噴射装置20の一部(例えば、ダイアフラム37や、第1ケース31)に亀裂が生じている場合や亀裂によって水漏れが発生している場合、正常状態の場合と比較して、検出される液体噴射装置20の振動の波形が異なる。また、例えば、第1の流路39と液体供給流路52との接続状態が正常状態と異なる場合、正常状態の場合と比較して、検出される液体噴射装置20の振動の波形が異なる。また、例えば、液体噴射装置20に使用しているボルト(ネジ)が緩んでいる場合、正常状態の場合と比較して、検出される液体噴射装置20の振動の波形が異なる。このように、検出した液体噴射装置20の振動を正常状態の場合の振動と比較することや、振動波形を解析することによって、液体噴射装置20の種々の状態を検出することができる。医療機器10は、液体噴射装置20の種々の状態を検出する状態検出部を備えるとしてもよい。状態検出部は、気泡検出部の機能に加え、液体噴射装置20の種々の状態を検出する機能を有する。
さらに、状態検知部が、液体噴射装置20の振動に基づいて液体噴射装置20の状態の変化を検出した場合、液体噴射装置20の運転を停止させる制御を行うとしてもよい。
(D2)変形例2:
上記実施形態においては、振動センサーとして圧電素子を採用したが、電歪素子や、液体噴射装置20にレーザー光を照射し、反射光の挙動から液体噴射装置20の振動を検出する態様の振動センサーなど、液体噴射装置20の振動を検出する種々の振動センサーを採用することができる。
(D3)変形例3:
上記実施形態においては、脱気手段として、(1)液体噴射装置20に供給する液体の流量の上昇と、(2)駆動信号D1の電圧値の上昇と、(3)駆動信号D1の周波数の変更とをさせた。脱気手段として、これら3つの手段のうち、いずれか1つ又は2つを採用するとしてもよく、2つ以上の手段を組み合わせても良い。このようにしても、液体室38内の気泡を排出することができる。
(D4)変形例4:
上記実施形態においては、駆動部として圧電素子を採用したが、電歪素子や、駆動モーターなど、液体室に収容されている液体を加圧可能な種々の駆動装置を採用することができる。
(D5)変形例5:
上記実施形態においては、振動検出部を採用したが、振動検出部を設けずに脱気指示が制御部60に入力されることで所定時間、脱気モード運転として、(1)液体噴射装置20に供給する液体の流量の上昇と、(2)駆動信号D1の電圧値の上昇と、(3)駆動信号D1の周波数の変更とをさせてもよい。脱気手段として、これら3つの手段のうち、いずれか1つ又は2つを採用するとしてもよく、2つ以上の手段を組み合わせても良い。このようにしても、液体室38内の気泡を排出することができる。
上記実施例においては、液体噴射装置として説明したが、液体噴射装置でなくともよい。たとえば、液体を吐出し、吐出した液体が流入する液体循環装置においても適用可能である。また、液体を内部に収容する容器であれば、その液体に直接ないし間接的に振動を与え、その振動を検出することにより、気泡の有無や気泡の量や気泡の量を把握することができるため、高い信頼性や安全性が求められる医療機器には好適である。
10,10a,10b…医療機器
20…液体噴射装置
31…第1ケース
32…第2ケース
33…第3ケース
35…圧電素子
36…補強板
37…ダイアフラム
38…液体室
39…第1の流路
40…第2の流路
42…噴射管
50…液体供給部
52…液体供給流路
54…接続チューブ
55…液体容器
60…制御部
62…フットスイッチ
70,70b…気泡検出部
71,71b…バンドパスフィルター
72…ピークホールド回路
73…遅延回路
74…比較器
75…基準電圧発生器
76…ラッチ
80…集音装置
82…振動センサー
D1…駆動信号
D2…タイミング信号
D3,D3a,D3b…振動信号
D4…特定周波数信号
D5…クリア信号
D6…ピーク値信号
D7…基準電圧信号
D8…比較信号
D9…気泡検出信号

Claims (6)

  1. 液体を噴射する医療機器であって、
    前記液体を収容する液体室と、
    前記液体室に収容されている前記液体を加圧する駆動部と、
    前記駆動部が駆動した場合の振動を検出する振動検出部と、
    を備える医療機器。
  2. 請求項1記載の医療機器であって、さらに、
    前記振動検出部が検出した振動に基づいて、前記液体室内の気泡を検出する気泡検出部を備える
    医療機器。
  3. 請求項1または請求項2に記載の医療機器であって、
    前記振動検出部は、集音装置である
    医療機器。
  4. 請求項1または請求項2に記載の医療機器であって、
    前記振動検出部は、振動センサーである
    医療機器。
  5. 請求項1または請求項2に記載の医療機器であって、
    前記駆動部は、圧電素子であり、
    前記圧電素子は、前記振動検出部として機能する
    医療機器。
  6. 請求項2から請求項5のいずれか一項に記載の医療機器であって、さらに、
    前記気泡検出部による検出結果に基づいて、前記液体室の気泡を外部に排出する脱気手段を備える
    医療機器。
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