JP2016022276A - Sleep stage determination apparatus and sleep stage determination method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sleep stage determination apparatus that can determine a sleep stage with high accuracy by adopting a proper normalization technique.SOLUTION: A sleep stage determination apparatus includes: a normalization unit 6 for constantly controlling a peak value by performing a gain control to the detected heartbeat signal in the non-invasive and unconstraint manner with respect to a user's heartbeat signal, and for performing normalization about data of the heartbeat intensity calculated by using a value of the at that time; and a sleep stage determination unit 8 for determining the user's sleep stage based on a variance value showing the variations of data of the predetermined time calculated about the data of the normalized heartbeat intensity normalized by the normalization unit 6. The normalization unit 7 calculates moving average value of HinN=Hin*100/Hin as a normalized heartbeat intensity HinN, when the value of the gain obtained by the gain control is AGCr and the heartbeat signal intensity is Hin.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、心拍信号検出手段から検出した心拍信号から睡眠段階を判定する睡眠段階判定装置及び睡眠段階判定方法に関する。   The present invention relates to a sleep stage determination apparatus and a sleep stage determination method for determining a sleep stage from a heartbeat signal detected by a heartbeat signal detection means.

睡眠は健康のバロメータであるといわれ、快適な睡眠をして気分のよい目覚めができれば、目覚めた際に颯爽とした気分となり健康を実感することは、日常において多く経験する。一方、不眠症や不眠傾向にある場合や、深夜労働等のために昼夜の生活が逆転した睡眠を強いられる場合等においては、その目覚めの後の気分は芳しくないことが多い。すなわち、意識的であるか無意識的であるかにかかわらず、睡眠の状態がその後の覚醒時の気分や行動に影響を及ぼし、ひいては覚醒後の活動の質を定めることになる。   Sleep is said to be a barometer of health, and if you can wake up comfortably by a comfortable sleep, you will feel refreshed when you wake up. On the other hand, in the case of insomnia or insomnia, or when forced to sleep with a reversed day / night life due to late-night work or the like, the mood after waking is often poor. That is, regardless of whether it is conscious or unconscious, the sleep state affects the mood and behavior at the time of subsequent awakening, which in turn determines the quality of the activity after the awakening.

このように、睡眠は、人間の身体活動及び心的活動に重要な影響を及ぼす要素であり、良好な睡眠をとることができれば身体的及び心的に健康的な日常活動が保証されるといってよい。快適な睡眠をとることができれば心的には安定した状態となり、また、精神的に安定していれば快適な睡眠をとることができることが知られている。したがって、個人の健康状態について調べる際に、睡眠をその判定指標とすることが多く、睡眠と健康とが密接に関連していることはよく知られているところである。健康と睡眠の深さ及びその質が翌日の気分や気力と密接に関連しており、精神的なストレスや体調が不良である場合には、眠りの深さや睡眠段階の推移パターンに変化が起こり、快適な睡眠が得られない。   Thus, sleep is a factor that has an important influence on human physical activity and mental activity. If a good sleep can be obtained, healthy physical and mental activities are guaranteed. It's okay. It is known that if a comfortable sleep can be obtained, a mentally stable state can be obtained, and if it is mentally stable, a comfortable sleep can be obtained. Therefore, when investigating an individual's health condition, sleep is often used as a determination index, and it is well known that sleep and health are closely related. If the depth and quality of health and sleep are closely related to the mood and spirit of the next day, and mental stress and physical condition are poor, changes in sleep depth and transition patterns of sleep stages occur. Can't get a comfortable sleep.

健康な睡眠では、入眠した後にレム睡眠段階とノンレム睡眠段階とが所定間隔で繰り返し現れるが、体調を崩しているときや、精神的なストレスがかかっているときには、そのリズムが乱れることが知られている。したがって、夜間の睡眠中の睡眠段階とその発生パターンとを監視することにより、被験者の精神的なストレスや体調の不良を知ることが可能となる。   In healthy sleep, the REM sleep stage and the non-REM sleep stage appear repeatedly at predetermined intervals after falling asleep. ing. Therefore, it becomes possible to know the subject's mental stress and poor physical condition by monitoring the sleep stage and its occurrence pattern during nighttime sleep.

特に高齢者は、眠りが浅い等の睡眠の不調を訴える人が多く、睡眠の質が問題となる。睡眠の質を知るためには睡眠段階の推移を知ることによって改善する対処法や措置を見出すことが可能となる。   In particular, many elderly people complain of poor sleep such as light sleep, and the quality of sleep is a problem. In order to know the quality of sleep, it becomes possible to find coping methods and measures that improve by knowing the transition of the sleep stage.

従来から、睡眠段階を知る方法としては、睡眠深度の国際判定基準である睡眠ポリソムノグラフ(PSG)を用いる方法が一般的である。PSGを用いる方法では、睡眠中の脳神経系の活動を、脳波、表面筋電位、眼球運動等から推定することにより、睡眠に関する多くの情報を得ることができる。   Conventionally, as a method for knowing the sleep stage, a method using a sleep polysomnograph (PSG), which is an international criterion for sleep depth, is generally used. In the method using PSG, a lot of information related to sleep can be obtained by estimating the activity of the cranial nervous system during sleep from brain waves, surface myoelectric potential, eye movement, and the like.

しかしながら、PSGを用いる方法では、被験者の顔や身体に多くの電極を装着して測定を行うために、被験者に多くの違和感を与えてしまい、自然な睡眠を得ることが困難であり、さらに、電極の装着も多くの時間を要して極めて煩わしいという問題がある。また、PSGを用いる方法では、第1夜効果として通常の睡眠と異なる環境下で測定された1日目のデータは採用できない上、被験者がそのような環境に慣れるまでに数日から1週間の日時を要するという問題がある。したがって、被験者に与えられる身体的及び肉体的な負担が非常に大きなものとなることから日常的に連続使用することは困難であり、せいぜい数日間にわたる測定が限界である。さらに、この測定は、病院等の特定の施設において取り扱いに習熟した専門家が実施する必要があり、測定に使用する機器も高価であることから、必要とする費用が多額となる。したがって、PSGは、被験者が病院や在宅にて恒常的に使用するには実用的でなく、ましてや日常の健康管理に使用することは困難であるため、睡眠障害に対して有効な治療法となり得る一方で、そのような患者等に適用すること自体が困難であるという矛盾を備えている。   However, in the method using PSG, since many electrodes are attached to the subject's face and body for measurement, the subject feels a lot of discomfort, and it is difficult to obtain natural sleep. There is a problem that the mounting of the electrodes takes a lot of time and is extremely troublesome. In addition, in the method using PSG, the data for the first day measured in an environment different from normal sleep cannot be adopted as the first night effect, and the subject can be used for several days to one week before becoming accustomed to such an environment. There is a problem that it takes time. Therefore, since the physical and physical burdens given to the subject become very large, it is difficult to use continuously on a daily basis, and the measurement over several days is the limit. Furthermore, this measurement needs to be performed by an expert who is familiar with handling in a specific facility such as a hospital, and the equipment used for the measurement is expensive, so that the necessary cost is large. Therefore, PSG is not practical for a subject to use regularly in a hospital or at home, and even more difficult to use for daily health management, and thus can be an effective treatment for sleep disorders. On the other hand, there is a contradiction that it is difficult to apply to such patients.

そこで、PSGを用いずに、容易に睡眠段階を把握するための方法が提案されている。例えば、腕時計型や布団に敷設するタイプの振動強度測定装置等を用いて心拍信号を測定することによって睡眠段階を判定する方法が知られている。   Therefore, a method for easily grasping the sleep stage without using PSG has been proposed. For example, a method of determining a sleep stage by measuring a heartbeat signal using a wristwatch type or a vibration intensity measuring device of a type laid on a futon is known.

ところで、心拍信号は、その振幅(強度)が利用者や測定装置によって様々であり、個人による差異と測定装置による差異とが生じる。したがって、普遍的な測定を行って睡眠段階判定の精度を高めるためには、算出した心拍信号の強度について個人差や装置差をなくして一般化する必要があり、そのために正規化することが望ましいことが知られている(例えば、特許文献1等参照)。   By the way, the amplitude (intensity) of the heartbeat signal varies depending on the user and the measuring device, and a difference between individuals and a difference depending on the measuring device occur. Therefore, in order to improve the accuracy of sleep stage determination by performing universal measurement, it is necessary to generalize the calculated heart rate signal intensity by eliminating individual differences and device differences, and it is desirable to normalize for this purpose. It is known (see, for example, Patent Document 1).

特開2012−65853号公報JP 2012-65853 A

上述したように、普遍的な測定によって睡眠段階を判定するためには、心拍信号の強度を適切に正規化する必要があるが、特許文献1をはじめとする従来の技術においては、正規化を行うための具体的な手法が開示されていなかった。   As described above, in order to determine the sleep stage by universal measurement, it is necessary to properly normalize the intensity of the heartbeat signal. However, in the conventional techniques including Patent Document 1, normalization is performed. No specific method for doing so was disclosed.

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、適切な正規化手法を採用することにより、睡眠段階を高精度に判定することができる睡眠段階判定装置及び睡眠段階判定方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a sleep stage determination device and a sleep stage determination method that can determine a sleep stage with high accuracy by adopting an appropriate normalization method. The purpose is to do.

すなわち、上述した目的を達成する本発明にかかる睡眠段階判定装置は、睡眠時に無侵襲且つ無拘束で検出した心拍信号に基づいて利用者の睡眠段階を判定する睡眠段階判定装置において、前記利用者の心拍信号を無侵襲且つ無拘束で検出する心拍信号検出手段と、前記心拍信号検出手段によって検出された心拍信号に対して利得制御を行うことによってピーク値を一定に制御し、そのときの利得の値を用いて算出した心拍信号の強度のデータについて正規化を行う正規化手段と、前記正規化手段によって正規化された正規化心拍強度のデータについて算出された所定時間のデータのばらつきを示す分散値に基づいて、前記利用者の睡眠段階を判定する睡眠段階判定手段とを備え、前記正規化手段は、前記利得制御によって得られる利得の値をAGCrとし、前記心拍信号の強度をHinとしたとき、正規化心拍強度HinNとして、
HinN=Hin*100/Hinの移動平均値
を算出することを特徴としている。
That is, the sleep stage determination apparatus according to the present invention that achieves the above-described object is the sleep stage determination apparatus that determines a user's sleep stage based on a heartbeat signal detected non-invasively and unconstrained during sleep. A heartbeat signal detecting means for detecting the heartbeat signal of the heartbeat signal non-invasively and unconstrained, and a peak value is controlled to be constant by performing gain control on the heartbeat signal detected by the heartbeat signal detecting means, and the gain at that time The normalization means for normalizing the intensity data of the heartbeat signal calculated using the value of, and the variation of the data for a predetermined time calculated for the normalized heartbeat intensity data normalized by the normalization means Sleep stage determining means for determining the sleep stage of the user based on a variance value, and the normalizing means is a gain value obtained by the gain control. And AGCR, when the strength of the heartbeat signal and Hin, as the normalized heart strength HinN,
The moving average value of HinN = Hin * 100 / Hin is calculated.

また、上述した目的を達成する本発明にかかる睡眠段階判定方法は、睡眠時に無侵襲且つ無拘束で検出した心拍信号に基づいて利用者の睡眠段階を判定する睡眠段階判定方法において、所定の心拍信号検出手段によって前記利用者の心拍信号を無侵襲且つ無拘束で検出する心拍信号検出工程と、信号処理を行うプロセッサが、前記心拍信号検出工程にて検出された心拍信号に対して利得制御を行うことによってピーク値を一定に制御し、そのときの利得の値を用いて算出した心拍信号の強度のデータについて正規化を行う正規化工程と、前記プロセッサが、前記正規化工程にて正規化された正規化心拍強度のデータについて算出された所定時間のデータのばらつきを示す分散値に基づいて、前記利用者の睡眠段階を判定する睡眠段階判定工程とを備え、前記正規化工程では、前記利得制御によって得られる利得の値をAGCrとし、前記心拍信号の強度をHinとしたとき、正規化心拍強度HinNとして、
HinN=Hin*100/Hinの移動平均値
を算出することを特徴としている。
A sleep stage determination method according to the present invention that achieves the above-described object is a sleep stage determination method that determines a user's sleep stage based on a heartbeat signal detected non-invasively and unconstrained during sleep. A heartbeat signal detecting step for detecting the user's heartbeat signal noninvasively and unconstrained by the signal detection means, and a processor for performing signal processing performs gain control on the heartbeat signal detected in the heartbeat signal detection step. A normalization step of controlling the peak value to be constant by performing normalization on the heartbeat signal intensity data calculated using the gain value at that time, and the processor normalizing in the normalization step Sleep stage determination step of determining a sleep stage of the user based on a variance value indicating a variation in data of a predetermined time calculated for the normalized heart rate intensity data The provided, in the normalization step, when the a AGCr the resulting value of the gain by the gain control, and the strength of the heartbeat signal and Hin, as the normalized heart strength HinN,
The moving average value of HinN = Hin * 100 / Hin is calculated.

このような本発明にかかる睡眠段階判定装置及び睡眠段階判定方法は、無侵襲且つ無拘束で検出した心拍信号の強度のデータについて適切な正規化を行う。   Such a sleep stage determination apparatus and sleep stage determination method according to the present invention appropriately normalize the intensity data of the heartbeat signal detected non-invasively and unconstrained.

本発明においては、無侵襲且つ無拘束で検出した心拍信号の強度のデータについて適切な正規化を行うことから、個人差や装置差をなくすことができ、結果として高精度に睡眠段階を判定することができる。   In the present invention, since the normalization is performed on the intensity data of the heartbeat signal detected non-invasively and unconstrained, individual differences and apparatus differences can be eliminated, and as a result, the sleep stage is determined with high accuracy. be able to.

本発明の実施の形態として示す睡眠段階判定装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the sleep stage determination apparatus shown as embodiment of this invention. 本発明の実施の形態として示す睡眠段階判定装置の構成を示す図であり、図1において矢視方向からみたときの一部断面図である。It is a figure which shows the structure of the sleep stage determination apparatus shown as embodiment of this invention, and is partial sectional drawing when it sees from the arrow direction in FIG. 心拍強度の時系列波形を示す図である。It is a figure which shows the time-sequential waveform of a heart rate intensity | strength. 図3の波形について正規化した正規化心拍強度の時系列波形を示す図である。It is a figure which shows the time series waveform of the normalized heartbeat intensity | strength normalized about the waveform of FIG. 図4の波形について求めた分散値の時系列波形を示す図である。It is a figure which shows the time series waveform of the dispersion | distribution value calculated | required about the waveform of FIG. 他の生体信号検出部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of another biological signal detection part.

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

この実施の形態は、睡眠段階を判定する睡眠段階判定装置である。特に、この睡眠段階判定装置は、適切な正規化を行うことによって高精度な睡眠段階判定を実現するものである。   This embodiment is a sleep stage determination device that determines a sleep stage. In particular, this sleep stage determination device realizes highly accurate sleep stage determination by performing appropriate normalization.

図1に、本発明の実施の形態として示す睡眠段階判定装置の処理をブロックとして表した構成を示し、図2に、図1において矢視方向からみたときの一部断面図を示している。すなわち、睡眠段階判定装置は、寝台21上に横臥している利用者の生体信号を検出する生体信号検出部1と、この生体信号検出部1によって検出された生体信号を増幅する信号増幅部2と、この信号増幅部2によって増幅された生体信号に対してフィルタリング処理を施すフィルタ部3と、このフィルタ部3を通過した心拍信号に対して自動的に利得制御を行う自動利得制御部4と、心拍信号の強度を算出する信号強度算出部5と、この信号強度算出部5によって算出された心拍強度を正規化する正規化部6と、この正規化部6によって得られた正規化心拍強度の分散値を算出する分散値算出部7と、この分散値算出部7によって算出された心拍強度の分散値に基づいて利用者の睡眠段階を判定する睡眠段階判定部8とを備える。なお、これら各部のうち、少なくとも、信号強度算出部5、正規化部6、分散値算出部7、及び、睡眠段階判定部8は、例えば、信号処理を行うコンピュータにおけるCPU(Central Processing Unit)やメモリ等のハードウェアを用いて実行可能なプログラムとして実装したり、コンピュータに装着可能な拡張ボードに搭載されたDSP(Digital Processing Unit)等の専用プロセッサを用いて実装したりすることができる。   FIG. 1 shows a configuration in which the process of the sleep stage determination device shown as an embodiment of the present invention is represented as a block, and FIG. That is, the sleep stage determination apparatus includes a biological signal detection unit 1 that detects a biological signal of a user lying on the bed 21 and a signal amplification unit 2 that amplifies the biological signal detected by the biological signal detection unit 1. A filtering unit 3 that performs a filtering process on the biological signal amplified by the signal amplification unit 2, and an automatic gain control unit 4 that automatically performs gain control on the heartbeat signal that has passed through the filtering unit 3. The signal strength calculation unit 5 that calculates the strength of the heart rate signal, the normalization unit 6 that normalizes the heart rate calculated by the signal strength calculation unit 5, and the normalized heart rate obtained by the normalization unit 6 And a sleep stage determination unit 8 that determines a user's sleep stage based on the dispersion value of the heart rate intensity calculated by the dispersion value calculation unit 7. Among these units, at least the signal intensity calculation unit 5, the normalization unit 6, the variance value calculation unit 7, and the sleep stage determination unit 8 include, for example, a CPU (Central Processing Unit) in a computer that performs signal processing, It can be implemented as a program executable using hardware such as a memory, or can be implemented using a dedicated processor such as a DSP (Digital Processing Unit) mounted on an expansion board that can be mounted on a computer.

生体信号検出部1は、利用者の微細な生体信号を検出する無侵襲且つ無拘束センサである。具体的には、生体信号検出部1は、圧力検出チューブ1aと、この圧力検出チューブ1aの内部に収容されている空気の微小な圧力変動を検出するセンサである微差圧センサ1bとから構成され、無侵襲且つ無拘束な生体信号の検出手段を構成している。   The biological signal detection unit 1 is a non-invasive and unconstrained sensor that detects a minute biological signal of a user. Specifically, the biological signal detection unit 1 includes a pressure detection tube 1a and a minute differential pressure sensor 1b that is a sensor that detects minute pressure fluctuations in the air accommodated in the pressure detection tube 1a. Thus, a non-invasive and non-constrained biological signal detection means is configured.

圧力検出チューブ1aとしては、生体信号の圧力変動範囲に対応して内部の圧力が変動するように適度な弾力を有するものを使用する。また、圧力検出チューブ1aとしては、圧力変化を適切な応答速度で微差圧センサ1bに伝達するために、チューブの中空部の容積を適切に選択する必要がある。圧力検出チューブ1aが適度な弾性と中空部容積とを同時に満足できない場合には、圧力検出チューブ1aの中空部に適切な太さの芯線をチューブ長さ全体にわたって装填し、中空部の容積を適切にとることができる。   As the pressure detection tube 1a, a tube having an appropriate elasticity so that the internal pressure fluctuates corresponding to the pressure fluctuation range of the biological signal is used. Further, as the pressure detection tube 1a, it is necessary to appropriately select the volume of the hollow portion of the tube in order to transmit the pressure change to the fine differential pressure sensor 1b at an appropriate response speed. When the pressure detection tube 1a cannot satisfy the appropriate elasticity and the volume of the hollow portion at the same time, the hollow portion of the pressure detection tube 1a is loaded with a core wire of an appropriate thickness over the entire length of the tube, and the volume of the hollow portion is set appropriately Can be taken.

このような圧力検出チューブ1aは、寝台21上に敷設された硬質シート22上に配置される。睡眠段階判定装置においては、硬質シート22上に弾性を有するクッションシート23が敷設されており、圧力検出チューブ1aの上に利用者が横臥することになる。なお、圧力検出チューブ1aは、クッションシート23等に組み込んだ構成とすることにより、圧力検出チューブ1aの位置を安定させる構造としてもよい。   Such a pressure detection tube 1 a is disposed on a hard sheet 22 laid on the bed 21. In the sleep stage determination apparatus, an elastic cushion sheet 23 is laid on the hard sheet 22, and the user lies on the pressure detection tube 1a. Note that the pressure detection tube 1a may be configured to be incorporated in the cushion sheet 23 or the like to stabilize the position of the pressure detection tube 1a.

微差圧センサ1bは、微小な圧力の変動を検出するセンサである。本実施の形態においては、微差圧センサ1bとして、低周波用のコンデンサマイクロフォンタイプのものを使用するが、これに限定されるものではなく、適切な分解能とダイナミックレンジとを有するものであればよい。本実施の形態において使用した低周波用のコンデンサマイクロフォンは、一般の音響用マイクロフォンが低周波領域に対して配慮されていないのに引き替え、受圧面の後方にチャンバーを設けることによって低周波領域の特性を大幅に向上させたものであり、圧力検出チューブ1a内の微小圧力変動を検出するのに好適なものである。また、このコンデンサマイクロフォンは、微小な差圧を計測するのに優れており、0.2Paの分解能と約50Paのダイナミックレンジとを有し、通常使用されるセラミックを利用した微差圧センサと比較して数倍の性能を持つものであり、生体信号が体表面に通して圧力検出チューブ1aに加えた微小な圧力を検出するのに好適なものである。また、周波数特性は、0.1Hz〜30Hzの間で略平坦な出力値を示し、心拍及び呼吸等の微小な生体信号を検出するのに適している。   The minute differential pressure sensor 1b is a sensor that detects minute fluctuations in pressure. In the present embodiment, a low-frequency condenser microphone type sensor is used as the fine differential pressure sensor 1b. However, the present invention is not limited to this, and any sensor having an appropriate resolution and dynamic range may be used. Good. The low-frequency condenser microphone used in the present embodiment is replaced with a general acoustic microphone that does not consider the low-frequency region, and a low-frequency region characteristic is provided by providing a chamber behind the pressure-receiving surface. Is significantly improved, and is suitable for detecting minute pressure fluctuations in the pressure detection tube 1a. In addition, this condenser microphone is excellent for measuring minute differential pressure, has a resolution of 0.2 Pa and a dynamic range of about 50 Pa, and is compared with a fine differential pressure sensor using a ceramic that is usually used. Therefore, it is suitable for detecting a minute pressure applied to the pressure detection tube 1a through a biological signal passing through the body surface. The frequency characteristic shows a substantially flat output value between 0.1 Hz and 30 Hz, and is suitable for detecting minute biological signals such as heartbeat and respiration.

本実施の形態においては、一方が利用者の胸部の部位の生体信号を検出し、他方が利用者の臀部の部位を検出するように、2組の圧力検出チューブ1aが設けられており、利用者の就寝の姿勢にかかわらず生体信号を検出するように構成されている。なお、睡眠段階判定装置においては、胸部の部位又は臀部の部位の一方のみに圧力検出チューブ1aを配置する構成としてもよい。このような生体信号検出部1によって検出された生体信号は、信号増幅部2に供給される。睡眠段階判定装置は、このような無侵襲且つ無拘束で生体信号を検出する構成とすることにより、日常生活において容易に使用することができ、特に高齢者の使用に極めて好適である。   In the present embodiment, two sets of pressure detection tubes 1a are provided so that one detects a biological signal of the user's chest region and the other detects the user's buttocks region. A biological signal is detected regardless of the person's sleeping posture. In the sleep stage determination device, the pressure detection tube 1a may be arranged only in one of the chest region and the buttocks region. The biological signal detected by such a biological signal detection unit 1 is supplied to the signal amplification unit 2. By adopting such a non-invasive and non-constrained configuration for detecting a biological signal, the sleep stage determination device can be easily used in daily life, and is particularly suitable for the elderly.

信号増幅部2は、後の処理工程で処理できるように生体信号検出部1によって検出された信号を増幅し、さらに、明らかに異常なレベルの信号を除去する等して適切な信号整形処理を行う。この信号増幅部2によって増幅された生体信号は、フィルタ部3に供給される。   The signal amplification unit 2 amplifies the signal detected by the biological signal detection unit 1 so that it can be processed in a later processing step, and further performs an appropriate signal shaping process by removing a signal of an apparently abnormal level Do. The biological signal amplified by the signal amplifying unit 2 is supplied to the filter unit 3.

フィルタ部3は、信号増幅部2によって増幅された生体信号から不要な信号をバンドパスフィルタ等によって除去することにより、心拍信号を抽出する。すなわち、生体信号検出部1によって検出された生体信号は、人体から発する様々な振動が混ざり合った信号であり、その中に心拍信号の他、寝返り等による体動信号等の様々な信号が含まれている。このうち、心拍信号は、心臓のポンプ機能に基づく圧力の変化(すなわち血圧)が振動となって生体信号に含まれるものである。睡眠段階判定装置においては、これをフィルタ部3によって抽出することにより、心拍信号として認識する。このフィルタ部3を通過した心拍信号は、自動利得制御部4に供給される。なお、心拍信号のサンプル周期は、4ミリ秒としている。   The filter unit 3 extracts a heartbeat signal by removing unnecessary signals from the biological signal amplified by the signal amplification unit 2 using a band-pass filter or the like. That is, the biological signal detected by the biological signal detection unit 1 is a signal in which various vibrations emitted from the human body are mixed, and includes various signals such as a body motion signal due to turning over, in addition to a heartbeat signal. It is. Among these, the heartbeat signal is a signal in which a change in pressure (that is, blood pressure) based on the pump function of the heart becomes vibration and is included in the biological signal. In the sleep stage determination apparatus, this is extracted by the filter unit 3 to be recognized as a heartbeat signal. The heartbeat signal that has passed through the filter unit 3 is supplied to the automatic gain control unit 4. The sample period of the heartbeat signal is 4 milliseconds.

自動利得制御部4は、フィルタ部3の出力が所定の信号レベルの範囲内に入るように自動的に利得制御を行ういわゆるAGC回路である。この自動利得制御部4による利得制御は、例えば信号のピーク値が所定の上限閾値を超えた場合に出力信号の振幅が小さくなるように利得を設定するとともに、ピーク値が所定の下限閾値を下回った場合に振幅が大きくなるように利得を設定している。自動利得制御部4は、このような利得制御を行った際の利得の値(係数)を信号強度算出部5に供給する。   The automatic gain control unit 4 is a so-called AGC circuit that automatically performs gain control so that the output of the filter unit 3 falls within a predetermined signal level range. The gain control by the automatic gain control unit 4 sets the gain so that the amplitude of the output signal becomes small when the peak value of the signal exceeds a predetermined upper limit threshold, and the peak value falls below the predetermined lower limit threshold. In such a case, the gain is set so that the amplitude increases. The automatic gain control unit 4 supplies the gain value (coefficient) when such gain control is performed to the signal strength calculation unit 5.

信号強度算出部5は、自動利得制御部4において心拍信号に対して施した利得制御の係数に基づいて、心拍信号の強度を算出する。上述した自動利得制御部4から得られる利得の値は、信号の大きさが大きいときには小さく、また、信号の大きさが小さいときは大きく設定されることから、利得の値とは反比例の関係で信号強度が表されることになる。信号強度算出部5は、算出した心拍強度のデータについて個人差や装置差をなくして一般化するために、心拍強度のデータを正規化部6に供給する。   The signal strength calculation unit 5 calculates the strength of the heartbeat signal based on the gain control coefficient applied to the heartbeat signal in the automatic gain control unit 4. The gain value obtained from the automatic gain control unit 4 described above is set to be small when the signal size is large and large when the signal size is small. Therefore, the gain value is inversely proportional to the gain value. Signal strength will be represented. The signal strength calculation unit 5 supplies the heart rate strength data to the normalization unit 6 in order to generalize the calculated heart rate strength data by eliminating individual differences and device differences.

正規化部6は、信号強度算出部5によって算出された心拍強度のデータを、その振幅が所定の測定レンジにおさまるように正規化する。具体的には、正規化部6は、信号強度算出部5によって検出された心拍強度のデータを移動平均することによって正規化を行う。正規化部6は、正規化した正規化心拍強度のデータを分散値算出部7に供給する。なお、この正規化部6による処理は、後に詳述するものとする。   The normalization unit 6 normalizes the heart rate data calculated by the signal strength calculation unit 5 so that the amplitude falls within a predetermined measurement range. Specifically, the normalization unit 6 performs normalization by moving and averaging the heart rate intensity data detected by the signal intensity calculation unit 5. The normalizing unit 6 supplies the normalized normalized heart rate data to the variance value calculating unit 7. The processing performed by the normalization unit 6 will be described in detail later.

分散値算出部7は、正規化部6によって正規化された正規化心拍強度のデータについて、所定時間のデータのばらつきを示す分散値HIDを算出する。なお、本実施の形態においては、ある時点において、その時点までの一定時間内にサンプリングしたデータのばらつきを示す指標を分散値と称するものとすると、そのデータの標準偏差を分散値として採用している。具体的には、分散値算出部7は、信号強度のデータが1秒毎に測定されているものとすると、一連の信号強度のデータのうち、例えば50秒間のデータの分散値を算出する。この場合、ある時点から遡及して50秒間のデータ、すなわち、50個の心拍強度データの分散値を算出し、その後、次の1秒後から遡及して50秒間のデータの分散値を算出する、といった処理を繰り返し行う。この結果、分散値算出部7は、信号強度のばらつき(分散値)についての1秒間隔の時系列データを得ることができる。分散値算出部7は、このようにして得られた時系列データを睡眠段階判定部8に供給する。   The variance value calculation unit 7 calculates a variance value HID indicating the variation in data for a predetermined time for the normalized heart rate data normalized by the normalization unit 6. In this embodiment, when an index indicating a variation in data sampled within a certain time until a certain time point is referred to as a variance value, the standard deviation of the data is adopted as the variance value. Yes. Specifically, assuming that the signal strength data is measured every second, the variance value calculation unit 7 calculates, for example, the variance value of the data for 50 seconds from the series of signal strength data. In this case, the data for 50 seconds is calculated retroactively from a certain point of time, that is, the variance value of 50 heart rate intensity data is calculated, and then the data dispersion value for 50 seconds is calculated retroactively after the next one second. Repeat the process. As a result, the variance value calculation unit 7 can obtain time-series data at intervals of 1 second with respect to variations in signal intensity (variance values). The variance value calculation unit 7 supplies the time series data thus obtained to the sleep stage determination unit 8.

睡眠段階判定部8は、心拍強度の分散値HIDの時系列データに基づいて、睡眠中の利用者の睡眠段階、すなわち、覚醒段階、レム睡眠段階、第1のノンレム睡眠段階及び第2のノンレム睡眠段階(浅いノンレム睡眠段階)、並びに、第3のノンレム睡眠段階及び第4のノンレム睡眠段階(深いノンレム睡眠段階)の6段階の種別を判定する。睡眠段階判定部8による睡眠段階の判定方法は、特に限定されるものではない。例えば、睡眠段階判定部8は、本件出願人による特開2012−65853号公報に記載された手法等を適用して睡眠段階を判定する。なお、体動がある場合には、信号が大きく振れ且つその信号強度の分散値HIDも大きくなる。そこで、睡眠段階判定部8は、このような異常値の影響を除去するため、所定値を超える信号強度の分散値HIDをその所定値で置換する等の異常値処理を行う。そして、睡眠段階判定部8は、判定した睡眠段階情報を出力し、図示しない表示装置に表示させたり、印刷装置によって印刷させたり、記憶装置にデータとして記憶させたりする。   The sleep stage determination unit 8 is based on the time series data of the dispersion value HID of the heart rate intensity. The six types of the sleep stage (shallow non-REM sleep stage) and the third non-REM sleep stage and the fourth non-REM sleep stage (deep non-REM sleep stage) are determined. The method for determining the sleep stage by the sleep stage determination unit 8 is not particularly limited. For example, the sleep stage determination unit 8 determines the sleep stage by applying the technique described in JP 2012-65853 A by the applicant. When there is a body motion, the signal shakes greatly and the variance value HID of the signal intensity also increases. Therefore, the sleep stage determination unit 8 performs an abnormal value process such as replacing the variance value HID of the signal intensity exceeding the predetermined value with the predetermined value in order to remove the influence of such an abnormal value. Then, the sleep stage determination unit 8 outputs the determined sleep stage information and displays it on a display device (not shown), prints it with a printing device, or stores it as data in a storage device.

このような睡眠段階判定装置は、生体信号検出部1によって生体信号を取り込んで検出した生体信号を信号増幅部2によって増幅し、フィルタ部3によって不要な信号をバンドパスフィルタ等によって除去することにより、心拍信号を検出する。そして、睡眠段階判定装置においては、自動利得制御部4による利得制御を行いながら信号強度算出部5によって心拍信号の強度を算出し、算出した心拍信号の強度について正規化部6による正規化を行い、得られた正規化心拍強度のデータについて分散値算出部7によって算出された分散値に基づいて、睡眠段階判定部8による睡眠段階の判定を行う。   In such a sleep stage determination device, the biological signal detected by capturing the biological signal by the biological signal detecting unit 1 is amplified by the signal amplifying unit 2, and unnecessary signals are removed by the filter unit 3 by a bandpass filter or the like. Detect heart rate signal. In the sleep stage determination device, the strength of the heartbeat signal is calculated by the signal strength calculation unit 5 while performing gain control by the automatic gain control unit 4, and the normalization unit 6 normalizes the calculated strength of the heartbeat signal. The sleep stage determination unit 8 determines the sleep stage based on the dispersion value calculated by the dispersion value calculation unit 7 for the obtained normalized heart rate intensity data.

このような睡眠段階判定装置は、以下のような正規化を行う。   Such a sleep stage determination apparatus performs the following normalization.

まず、自動利得制御部4から得られる利得の値をAGCrとし、信号強度算出部5によって算出される心拍強度をHinとしたとき、計算の簡便化のため、Hin=AGCrであるものとする。このとき、正規化部6は、心拍信号の振幅の測定レンジが0から100までであったとすると、正規化心拍強度HinNとして、
HinN=Hin*100/Hinの移動平均値
を算出する。ここで、心拍強度Hinの移動平均値は、例えば150点、すなわち、信号強度のデータが1秒毎に測定されているものとすると150秒間のデータに対して移動平均を施して得られる値である。
First, assuming that the gain value obtained from the automatic gain control unit 4 is AGCr and the heart rate intensity calculated by the signal intensity calculation unit 5 is Hin, Hin = AGCr is assumed to simplify the calculation. At this time, the normalization unit 6 assumes that the measurement range of the amplitude of the heartbeat signal is from 0 to 100, as the normalized heartbeat intensity HinN,
The moving average value of HinN = Hin * 100 / Hin is calculated. Here, the moving average value of the heart rate intensity Hin is, for example, 150 points, that is, a value obtained by performing a moving average on the data for 150 seconds, assuming that the signal intensity data is measured every second. is there.

さらに、正規化部6は、心拍強度の基準値をα(例えば32等)としたとき、以下のように、この基準値αを用いた係数βを正規化心拍強度HinNに乗算することによって補正し、補正された最終的な正規化心拍強度HinNを求める。
補正後の正規化心拍強度HinN=β*HinN
ここで、β=(γ*(Hin−α)+α)/α
Furthermore, when the reference value of the heart rate intensity is α (for example, 32), the normalization unit 6 corrects the normalized heart rate intensity HinN by multiplying the normalized heart rate intensity HinN by the following. The corrected final normalized heart rate intensity HinN is obtained.
Normalized heart rate HinN = β * HinN after correction
Where β = (γ * (Hin−α) + α) / α

なお、γは、通常γ=1とすることができる。正規化部6は、このような演算を行うことにより、正規化心拍強度HinNを算出し、心拍信号の波形を測定レンジの0〜100%におさまる波形に正規化する。これにより、睡眠段階判定装置は、心拍強度の個人差をなくすことができるのはもちろんのこと、測定装置の差もなくすことができる。睡眠段階判定装置は、このようにして求めた正規化心拍強度HinNのデータについて、分散値算出部7によって分散値HIDを算出し、これを睡眠段階判定部8による睡眠段階の判定に用いることになる。   Note that γ can normally be γ = 1. The normalization unit 6 performs such a calculation to calculate the normalized heart rate intensity HinN, and normalizes the waveform of the heartbeat signal to a waveform that falls within 0 to 100% of the measurement range. As a result, the sleep stage determination device can eliminate individual differences in heart rate intensity as well as measurement device differences. In the sleep stage determination device, the dispersion value calculation unit 7 calculates a dispersion value HID for the normalized heart rate intensity HinN data thus obtained, and uses this for the sleep stage determination by the sleep stage determination unit 8. Become.

ここで、γは、上述したようにγ=1でもよいが、信号強度算出部5によって全測定期間にわたって算出される心拍強度Hinの平均値と、基準値αとに応じて設定してもよい。例えば、基準値αが22である場合、γは、
γ=−0.1*全測定期間にわたって算出される心拍強度Hinの平均値+3.5
とすることにより、PSGを用いた方法による睡眠段階の判定結果と極めて良好な一致を得ることができることが、本願発明者の鋭意研究によって明らかとなっている。すなわち、睡眠段階判定装置においては、睡眠中の全ての心拍信号を取得しておき、測定終了後に、上述した正規化部6による処理を含む信号強度算出部5から睡眠段階判定部8までの処理を行えばよく、このとき、γを、全測定期間にわたって算出される心拍強度Hinの平均値と基準値αとの関数によって設定するのが望ましい。
Here, γ may be γ = 1 as described above, but may be set according to the average value of the heart rate intensity Hin calculated over the entire measurement period by the signal intensity calculation unit 5 and the reference value α. . For example, if the reference value α is 22, γ is
γ = −0.1 * average value of heart rate intensity Hin calculated over the entire measurement period + 3.5
As a result, the inventors of the present invention have clarified that it is possible to obtain a very good agreement with the determination result of the sleep stage by the method using PSG. That is, in the sleep stage determination device, all the heartbeat signals during sleep are acquired, and after the measurement is completed, the process from the signal intensity calculation unit 5 to the sleep stage determination unit 8 including the process by the normalization unit 6 described above. In this case, γ is preferably set by a function of the average value of the heart rate intensity Hin calculated over the entire measurement period and the reference value α.

以下、実際に測定した心拍信号について正規化を含む処理を行って得られる時系列波形を示す。ここでは、次表1に示すように、同一人の心拍信号について、自動利得制御部4による自動利得を行う際の利得の初期値と、自動利得制御を行う基準となる心拍強度のピーク値とを異ならせることにより、装置A,Bという測定装置が異なる環境を構築し、得られた信号を正規化することにより、同一の睡眠段階の判定結果が得られるかどうかを検証している。なお、心拍信号の振幅の測定レンジは0から1000までとする。   Hereinafter, a time-series waveform obtained by performing processing including normalization on the actually measured heart rate signal is shown. Here, as shown in the following table 1, with respect to a heartbeat signal of the same person, an initial value of gain when performing automatic gain by the automatic gain control unit 4 and a peak value of heartbeat intensity serving as a reference for performing automatic gain control, Thus, it is verified whether or not the same sleep stage determination result can be obtained by constructing different environments for the measuring apparatuses A and B and normalizing the obtained signals. The measurement range of the heartbeat signal amplitude is 0 to 1000.

図3に、信号強度算出部5によって算出した心拍強度Hinの時系列波形を示し、図4に、図3の波形について正規化部6によって正規化した正規化心拍強度HinNの時系列波形を示し、図5に、図4の波形について分散値算出部7によって求めた分散値HIDの時系列波形を示す。これらの図からわかるように、睡眠段階判定装置は、異なる環境であっても、測定レンジの0〜100%におさまる正規化心拍強度HinNを得ながら、各部から略同等の波形を出力することができる。   FIG. 3 shows a time series waveform of the heart rate intensity Hin calculated by the signal intensity calculation unit 5, and FIG. 4 shows a time series waveform of the normalized heart rate intensity HinN normalized by the normalization unit 6 with respect to the waveform of FIG. FIG. 5 shows a time-series waveform of the dispersion value HID obtained by the dispersion value calculation unit 7 for the waveform of FIG. As can be seen from these figures, the sleep stage determination device can output a substantially equivalent waveform from each part while obtaining a normalized heart rate intensity HinN that falls within 0 to 100% of the measurement range even in different environments. it can.

そして、図5に示す分散値HIDの時系列波形に基づいて睡眠段階を求めると、次表2に示すように、装置A,Bともに略同様の結果が得られた。   And when the sleep stage was calculated | required based on the time series waveform of the dispersion | distribution value HID shown in FIG.

睡眠段階判定装置は、このようにして正規化を随時行いながら、睡眠段階を高精度に判定することができる。   The sleep stage determination device can thus determine the sleep stage with high accuracy while performing normalization as needed.

以上説明したように、本発明の実施の形態として示す睡眠段階判定装置においては、心拍強度について適切な正規化を行うことから、個人差や装置差がない普遍的な測定を行うことができ、結果として高精度に睡眠段階を判定することができる。   As described above, in the sleep stage determination device shown as an embodiment of the present invention, it is possible to perform universal measurement with no individual difference or device difference, because appropriate normalization is performed for heart rate intensity. As a result, the sleep stage can be determined with high accuracy.

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。   The present invention is not limited to the embodiment described above.

例えば、上述した実施の形態では、生体信号を検出する方法として、利用者の身体の下に敷設した無拘束の生体信号検出部1によって得られた生体信号から心拍信号を抽出する方法を示したが、本発明は、継続的に心拍信号又はこれらと同等の信号が得られる検出手段であれば適用可能である。例えば、本発明は、手首や上腕部等の身体に装着するタイプの心拍計や脈拍計であってデータを連続的に記録することが可能なものであれば生体信号検出部1として適用可能である。   For example, in the above-described embodiment, as a method for detecting a biological signal, a method for extracting a heartbeat signal from a biological signal obtained by the unconstrained biological signal detection unit 1 laid under the user's body is shown. However, the present invention is applicable to any detection means that can continuously obtain a heartbeat signal or a signal equivalent thereto. For example, the present invention can be applied as the biological signal detection unit 1 as long as it is a heart rate meter or pulse meter of the type worn on the body such as the wrist or the upper arm, and can record data continuously. is there.

また、生体信号検出部1としては、上述した中空チューブを用いる代わりに、図6に示すようなエアマット式の検出手段を用いてもよい。すなわち、図6に示す生体信号検出部30は、内部に空気を封入したエアマット30aの一端にエアチューブ30bが接続され、さらに、このエアチューブ30bに微差圧センサ30cが接続されて構成される。なお、微差圧センサ30cは、中空チューブを用いた生体信号検出部1の場合において説明したものと同様のものを用いることができる。   Further, as the biological signal detection unit 1, an air mat type detection unit as shown in FIG. 6 may be used instead of using the hollow tube described above. That is, the biological signal detection unit 30 shown in FIG. 6 is configured by connecting an air tube 30b to one end of an air mat 30a in which air is sealed, and further connecting a fine differential pressure sensor 30c to the air tube 30b. . In addition, the thing similar to what was demonstrated in the case of the biosignal detection part 1 using a hollow tube can be used for the micro differential pressure sensor 30c.

さらに、上述した実施の形態では、心拍強度のばらつきを示す分散値として標準偏差を採用したが、本発明は、例えば、分散、偏差平方和、所定範囲等の統計量を採用してもよい。   Furthermore, in the above-described embodiment, the standard deviation is adopted as the variance value indicating the variation in heart rate intensity. However, the present invention may employ, for example, statistics such as variance, sum of deviation squares, and a predetermined range.

このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。   Thus, it goes without saying that the present invention can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

1,30 生体信号検出部
1a 圧力検出チューブ
1b,30c 微差圧センサ
2 信号増幅部
3 フィルタ部
4 自動利得制御部
5 信号強度算出部
6 正規化部
7 分散値算出部
8 睡眠段階判定部
21 寝台
22 硬質シート
23 クッションシート
30a エアマット
30b エアチューブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,30 Biosignal detection part 1a Pressure detection tube 1b, 30c Slight difference pressure sensor 2 Signal amplification part 3 Filter part 4 Automatic gain control part 5 Signal intensity calculation part 6 Normalization part 7 Variance calculation part 8 Sleep stage determination part 21 Sleeper 22 Hard sheet 23 Cushion sheet 30a Air mat 30b Air tube

Claims (4)

睡眠時に無侵襲且つ無拘束で検出した心拍信号に基づいて利用者の睡眠段階を判定する睡眠段階判定装置において、
前記利用者の心拍信号を無侵襲且つ無拘束で検出する心拍信号検出手段と、
前記心拍信号検出手段によって検出された心拍信号に対して利得制御を行うことによってピーク値を一定に制御し、そのときの利得の値を用いて算出した心拍信号の強度のデータについて正規化を行う正規化手段と、
前記正規化手段によって正規化された正規化心拍強度のデータについて算出された所定時間のデータのばらつきを示す分散値に基づいて、前記利用者の睡眠段階を判定する睡眠段階判定手段とを備え、
前記正規化手段は、前記利得制御によって得られる利得の値をAGCrとし、前記心拍信号の強度をHinとしたとき、正規化心拍強度HinNとして、
HinN=Hin*100/Hinの移動平均値
を算出すること
を特徴とする睡眠段階判定装置。
In a sleep stage determination device that determines a user's sleep stage based on a heartbeat signal detected non-invasively and unconstrained during sleep,
Heartbeat signal detecting means for detecting the user's heartbeat signal non-invasively and unconstrained;
The peak value is controlled to be constant by performing gain control on the heartbeat signal detected by the heartbeat signal detection means, and normalization is performed on the heartbeat signal intensity data calculated using the gain value at that time. Normalization means,
A sleep stage determination unit that determines the sleep stage of the user based on a variance value indicating a variation in data of a predetermined time calculated for the normalized heart rate data normalized by the normalization unit;
The normalizing means, when the gain value obtained by the gain control is AGCr and the intensity of the heartbeat signal is Hin,
A sleep stage determination device characterized by calculating a moving average value of HinN = Hin * 100 / Hin.
前記正規化手段は、前記心拍信号の強度の基準値をαとしたとき、
補正後の正規化心拍強度HinN=β*HinN
ここで、β=(γ*(Hin−α)+α)/α
を算出することによって補正し、補正された正規化心拍強度HinNを算出すること
を特徴とする請求項1記載の睡眠段階判定装置。
The normalizing means, when the reference value of the intensity of the heartbeat signal is α,
Normalized heart rate HinN = β * HinN after correction
Where β = (γ * (Hin−α) + α) / α
The sleep stage determination device according to claim 1, wherein the corrected normalized heart rate HinN is calculated by calculating.
前記正規化手段は、全測定期間にわたって算出される前記心拍信号の強度Hinの平均値と前記基準値とに基づいて、前記γを設定して正規化を行うこと
を特徴とする請求項2記載の睡眠段階判定装置。
The normalization unit performs normalization by setting the γ based on an average value of the intensity Hin of the heartbeat signal calculated over the entire measurement period and the reference value. Sleep stage determination device.
睡眠時に無侵襲且つ無拘束で検出した心拍信号に基づいて利用者の睡眠段階を判定する睡眠段階判定方法において、
所定の心拍信号検出手段によって前記利用者の心拍信号を無侵襲且つ無拘束で検出する心拍信号検出工程と、
信号処理を行うプロセッサが、前記心拍信号検出工程にて検出された心拍信号に対して利得制御を行うことによってピーク値を一定に制御し、そのときの利得の値を用いて算出した心拍信号の強度のデータについて正規化を行う正規化工程と、
前記プロセッサが、前記正規化工程にて正規化された正規化心拍強度のデータについて算出された所定時間のデータのばらつきを示す分散値に基づいて、前記利用者の睡眠段階を判定する睡眠段階判定工程とを備え、
前記正規化工程では、前記利得制御によって得られる利得の値をAGCrとし、前記心拍信号の強度をHinとしたとき、正規化心拍強度HinNとして、
HinN=Hin*100/Hinの移動平均値
を算出すること
を特徴とする睡眠段階判定方法。
In a sleep stage determination method for determining a user's sleep stage based on a heartbeat signal detected non-invasively and unconstrained during sleep,
A heartbeat signal detecting step of detecting the heartbeat signal of the user non-invasively and unconstrained by a predetermined heartbeat signal detecting means;
The processor that performs signal processing controls the peak value to be constant by performing gain control on the heartbeat signal detected in the heartbeat signal detection step, and the heartbeat signal calculated using the gain value at that time is controlled. A normalization step for normalizing the intensity data;
Sleep stage determination in which the processor determines the sleep stage of the user based on a variance value indicating a variation in data of a predetermined time calculated for the normalized heart rate data normalized in the normalization step A process,
In the normalization step, when the gain value obtained by the gain control is AGCr and the intensity of the heartbeat signal is Hin, the normalized heartbeat intensity HinN is
A sleep stage determination method characterized by calculating a moving average value of HinN = Hin * 100 / Hin.
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