JP2018023788A - Ecg信号の分類化 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2016年8月11日に出願された米国仮特許出願第62/373,465号の利益を主張する。同仮出願は、参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、本出願と同日に出願された「Annotation of a Wavefront」と題する出願に関連する。
本発明は、心電図(ECG)信号に関し、より詳細には信号の分類化のための方法に関する。
ヒト被検者の心筋に近接して配置されるように構成された一対の電極と、
プロセッサであって、
前記一対の電極からバイポーラ信号を受信し、
前記一対の電極の選択された一方からユニポーラ信号を受信し、
前記ユニポーラ及びバイポーラ信号の関心窓(WOI)を規定し、
前記WOI内でユニポーラ信号の局所ユニポーラ最小導関数、及び局所ユニポーラ最小導関数の発生時間を計算し、
前記WOI内で発生時間におけるバイポーラ信号のバイポーラ導関数を計算し、
局所ユニポーラ最小導関数に対するバイポーラ導関数の比を評価し、
前記比が事前設定された比の閾値よりも大きい場合、発生時間を心筋の興奮時間として割り当て、
前記興奮時間の回数を計数し、
前記回数によりユニポーラ信号を分類するように構成されたプロセッサと、を含む。
本発明の実施形態では、2種類のECG信号(バイポーラ信号とその関連するユニポーラ信号の1つ)の特性を組み合わせて正確な信号アノテーションを生成するように機能する波面アノテーションアルゴリズムを用いる。本発明者らは、このアルゴリズムが遠距離場干渉の影響を受けない正確なアノテーションを与えることを確認した。
図1は、本発明の一実施形態による波面アノテーション(wavefront annotation)アルゴリズムの概略ブロック図である。アルゴリズム入力は、単一バイポーラ信号及びそのユニポーラ信号のうちの1つからなり、それらは通常、アルゴリズムを作動するプロセッサ20に供給された後、500Hzのカットオフを備える低域フィルタ及びパワー除去フィルタに供給される。プロセッサ20の動作を、図23を参照して以下により詳細に示す。ユニポーラ信号の極性は、既知であると仮定される(即ち、正又は負極のいずれか一方から導出される)。プロセッサは、スタンドアロンプロセッサ、及び/又は通常はコンピュータを作動する汎用プロセッサであってよい。アルゴリズムは、ここで要約される多くの段階を含む。
・ユニポーラ活動は、信号振幅の急激な下向きの偏向によりマークされる。これらの偏向は、活動速度信号の極小値(即ち、ユニポーラ信号の導関数)として容易に識別され得る。しかしながら、極小値の全てが活動を表すのではなく、いくつかはノイズ又は遠距離場活動の結果である。したがって、アルゴリズムの目的は、局所リアル興奮に相関する速度信号の極小値とそうでないものとを区別することである。これは、次の観測を用いて可能になる。
・遠距離場興奮は、ユニポーラ対の電位にほぼ同じ影響を及ぼす。したがって、バイポーラ相対物は、遠距離場興奮の間の残留活動のみを有する。これは、一方の電極が興奮に近接し、他方の電極が比較的遠く(数mmで十分)にある場合の局所活動測定の際には該当しない。この場合では、更にバイポーラ信号はユニポーラ信号における勾配変化と同時に勾配変化を示すであろう(図2及び以下のその説明を参照)。この現象を用いて、近距離場興奮から生じるユニポーラの急激な偏向と遠距離場興奮から生じる偏向とを区別することができる。
・候補アノテーションの複数の特徴を組み合わせることで、より安定したアノテーション検出を行う方法を提供する。例えば、局所興奮の結果としてのバイポーラ振幅変化は特徴として利用される場合がある。しかし、遠距離場興奮がバイポーラ成分を有する場合もある(例えば、心室弁近傍の下方心房をマッピングする場合)。したがって、単にバイポーラ振幅に基づき決定を行うことは失敗する場合がある。しかし、信号の更なる特徴を用いる場合、意思決定がより堅牢となる場合がある。1つのそのような特徴は、興奮周囲のユニポーラ振幅であり得る(図2)。
これら前処理及び特徴の抽出段階の目的は、ユニポーラ及びバイポーラ信号における干渉を除去し、かつ減衰するのと同時に、後続する段階に用いられる信号のこれらの特徴を維持し、かつ強調することである。簡潔化のため、本明細書に説明する作用は、段階22及び24で生じると仮定されるが、これらの作用の少なくともいくつかはアルゴリズムの別の段階において生じ得ることを理解されたい。興奮の形態は、それが勾配変化を反映するために保持することを望む特徴である。通常、破棄される特徴は、勾配測定を損なわせる場合がある付加的信号として作用するベースラインワンダーと、更に高周波ノイズである。段階22及び24は、4つのサブ段階に分割される。
ユニポーラ前処理段階は、以下の工程を連続して適用することからなる。
1.1KHzでのベースライン推定及び減算(中央値フィルタ+低域フィルタ(LPF)を用いる)
2.8KHzへのアップサンプリング(8のファクターでのサンプル及びホールド又は別のアップサンプリング技術)
3.第1の平滑化フィルタとして、LPF FIR(−6db@155Hz、145タップ)。フィルタは、500Hzの65タップ等リプルフィルタ及びガウシアン10ms窓の畳み込みである。
4.第2の平滑化フィルタとして、用いられるフィルタは、システムのアンチエイリアスLPF、通常500Hzの低域フィルタである。
5.導関数
バイポーラ前処理段階は、以下の工程を連続して適用することからなる。
1.1KHzでのベースライン推定及び減算(中央値フィルタ+LPF)
2.8KHzへのアップサンプリング(8のファクターでのサンプル及びホールド)
3.平滑化として、LPF FIR(−6db @310Hz、113タップ)。フィルタは、500Hzの65タップの等リプルフィルタ及びガウシアン6ms窓の畳み込みである。
4.導関数
心臓内(IC)信号は、カテーテルの移動、被検者の動作、及び組織との境界を変える呼吸から生じる付加的ベースラインワンダー信号を含む場合がある(図3及びその以下の説明を参照)。これらの運動アーチファクトが含む成分は、ほとんどが低周波成分である。しかし、近距離場活動信号もまた、これらのスペクトル帯に有意なエネルギーを含む場合がある。したがって、高域IIR又はFIRフィルタによる従来の除去方法には問題があり、IC信号に歪み及び形態変化を引き起こす場合がある。そのため、我々が用いる選択された手法は、ベースラインワンダー(図3)及び信号からのその減算の推定に基づく。
図5は、本発明の一実施形態による、2つのガウシアンフィルタのグラフである。信号における鋭い偏向ポイントの検出は、信号の速度に基づくものであり、したがって導関数手法を使用する。しかしながら、導関数は高域フィルタ(HPF)として作用し、したがって、高周波ノイズを高める。したがって、我々は導関数推定においてノイズを減じる平滑化関数を用いる。我々が用いる平滑化関数は、正規化ゼロ平均のガウス関数であり、図5に示すように、ユニポーラガウス関数80及びバイポーラガウス関数84を含む。これらユニポーラ及びバイポーラガウシアンフィルタは、それぞれ±2ms及び±1msの時間窓で90%のエネルギーを有する。したがって、これらの値よりも大きい活性化又は遠距離場に近づくことは、事実上無視され、導関数値には影響しない。
次に、図6〜図9を参照する。図6は、アノテーション検出器−I段階26の概略的ブロック図である。図7は、ユニポーラ及びバイポーラ信号、並びにそれらの導関数のグラフである。本発明の一実施形態により、図8はアノテーションアルゴリズムの第1の拒否フェーズを示すグラフを有し、図9は、局所及び遠距離場候補アノテーションを示すグラフを有する。
1.ユニポーラ偏向ポイント(通常、±2ms)の周りの時間窓におけるバイポーラ平滑化導関数信号(S−BIP)の値は、負の方向に閾値TH−BIPを超えるべきである。
したがって、S−BIP<TH−BIPとなる。一実施形態において、TH−BIPは典型的に、約0.008mv/msである。
2.このバイポーラ平滑化導関数値とユニポーラ平滑化導関数勾配値との間の比は、Th−比、典型的に約0.2よりも大きくなるべきである。
♯1及び♯2は、ブロック94及び96、並びに決定98で評価される。
アルゴリズムのペア消去段階は、単一活動から生じる2つのアノテーションをマージする任を担う。このスプリット現象は、いくつかの理由により、近距離場活動の下向きの勾配が、他の電極で記録された活動、あるいは他方よりも一方の電極に影響を及ぼす遠距離場活動のいずれかからの瞬間的な右上がり勾配を含む場合に生じ得る。瞬間の右上がり勾配は、信号の導関数に2つの最小値を生じ、これらが十分に強い場合、2つのアノテーションをもたらす。これらの場合を排除するために、我々は右上がり勾配による信号の変化を評価する。
以前のフェーズを通過した候補アノテーションは、このブロックで追加の特徴及びメトリックを用いて再評価される。このブロックを通過し、更に閾値で制御されたユーザバイポーラ電圧を通過するアノテーションのみが、有効アノテーションと見なされる。各アノテーションに対して、複数の特徴が計算される。各特徴値は、特徴の信頼値に対応して、0から1までの範囲にあるファジースコアを与えられる。最後に、全てのスコアは互いに組み合わされ、それらの値はグローバルスコア閾値に対して試験される。グローバルスコア閾値を通過した、即ち、高い信頼値を有するこれらのアノテーションは、有効アノテーションと見なされ、通過しない、即ち信頼値の低いアノテーションは拒否される。
1.ユニポーラ導関数値
2.ユニポーラ勾配の持続時間s2
3.時間窓でのユニポーラ勾配の振幅s2
4.上記持続時間と振幅との間の比
5.時間窓内のバイポーラ信号振幅s2、である。
図11は、本発明の一実施形態による、ユニポーラ導関数ファジー関数のグラフ160である。グラフは、導関数に割り当てられたスコアf(s1)を供給し、導関数値は本明細書ではs1である。グラフに示すように、−0.07以下の導関数の値はスコア1を受け、−0.07よりも大きい値は直線的に減少し、−0.018の勾配でスコア0.5に達する。−0.01よりも小さい導関数値は、スコア0を受ける。
図12は、本発明の一実施形態による、ユニポーラ信号セグメンテーションを表すグラフを示す。セグメンテーションを更に以下に記載する。ユニポーラ信号170及びその導関数174は、候補アノテーション時間指標176の周りに描かれる(黒色ドット)。閾値を表す水平方向の破線180は、両方向に探索セグメント(典型的に約±25ms)をマークする。1つの実施形態では、セグメント値は、アノテーションポイントでの絶対最大ユニポーラ導関数値の20%として定義される。セグメントA、Bは、信号導関数が閾値以下である探索窓内に時間間隔をマークする。この例での最終セグメントは、セグメントAであり得るか、又はある条件(以下に記載する)を満たす場合、Aの開始からBの終了まで始まるジョイントセグメントであってもよい。
1.候補アノテーション時間指標176に中心を合わせたユニポーラ信号導関数174の50msセグメントは、セグメントが定義され得るための閾値線180の最大スパンとして考えられる。図12では、スパンは、線180のエンドポイント182と186との間である。我々は、ユニポーラ信号右下がり勾配セグメントは、この50ms時間窓に制限されていると仮定する。セグメントがこれよりも大きい場合、この50ms間隔に強制的に制限される。
2.導関数セグメント振幅は、一定閾値に対して比較される。本明細書に記載される実施形態において閾値は、候補アノテーション時間でユニポーラ導関数値の20%であると仮定される。その値以下である線180上のセグメントは、図12で2つのセグメントA及びBとしてマークされる。
3.次の工程は、セグメント境界を計算し、これらセグメントの信号の絶対値を合計することに対応して、各サブセグメントでの導関数の下の面積を別々に合計することである。
4.セグメントマージでは、セグメントの間隔及びそれらの面積に基づき、最終セグメントにメインセグメント(A)又は追加のセグメント(B)を含むべきか否かの決定を行う。1つの実施形態では、隣接するエンドポイントを結合するためにセグメントは、互いから1ms以下でなければならず、追加のセグメント(B)は、メインセグメントの30%未満の面積を有するべきであり、Bのための信号デルタは、Aのための信号デルタの30%未満であるべきである。
図14は、本発明の一実施形態による、ユニポーラ振幅ファジー関数のグラフ200である。ユニポーラ振幅は、検出された活動セグメント(ピークからピーク)持続時間s2におけるユニポーラ信号の振幅(本明細書ではs3とする)である。1つの実施形態では、ファジー関数勾配はポイント202、204:{0.1,0.5},{0.42,1}を交差する。ファジー関数から導出されたスコアf(s3)は、信号の振幅が高い程に高くなる。即ち、高いスコア及び高い振幅に関して、遠距離場信号が大きな振幅を有していない限り、信号が局所興奮に起因する可能性が高い。
図15は、本発明の一実施形態による、ユニポーラ持続時間対振幅比ファジー関数のグラフ210である。ユニポーラ持続時間対振幅比は、活動がより長く、振幅がより小さい程、偽アノテーションである可能性が高いため、高い比の値を排除する。1つの実施形態では、ファジー関数線の方程式は、
f(s4)=−0.0184・s4+1.283 (1)
ここで、s4は、持続時間対振幅比であり、
f(s4)は比に割り当てられたスコアである。
図16は、本発明の一実施形態による、バイポーラ振幅ファジー関数のグラフ220である。ユニポーラ活動セグメント(ピークからピーク)内のバイポーラ振幅s2は、候補アノテーションの尤度をスコア付けするためにも用いられる。値が高い程、真の興奮である可能性が高い。
f(s5)=25・s5,0≦s5≦0.04;f(s5)=1,s5>0.04 (2)
ここでs5はバイポーラ振幅であり、
f(s5)は振幅に割り当てられたスコアである。
上述のように、各特徴はスコアを受け、スコアはグローバルスコアの生成において共に用いられる。特徴がアノテーションの包含又は排除において互いに支持できるということに着目する。1つの実施形態において、我々が用いたスコア方法は、以下のように定義される。
いくつかの実施形態では、アルゴリズムの最終段階は、低いバイポーラ振幅を有する場合に検出されたアノテーションを消去する能力をユーザに与えるように設計される。要求された振幅閾値は、ユーザによって制御される。バイポーラ振幅フィルタリングは、後処理段階を通過した各アノテーションのバイポーラ振幅を閾値と比較する。閾値を超過するバイポーラ振幅を有するアノテーションのみが、システムに渡される。(ユーザは本段階をスキップしたい場合、閾値を0に設定してもよく、本段階の規則は消去される。)
ファジースコア及びバイポーラユーザ制御されたバイポーラ振幅を通過した全てのアノテーションは、プロセッサにより用いられ得る有効アノテーションと見なされる。
1.アノテーション時間指標
2.ユニポーラ及びバイポーラ導関数値
3.ファジースコア
4.ユニポーラ検出された右下がり勾配セグメント持続時間
5.セグメント内のユニポーラ振幅
6.セグメント内のバイポーラ振幅
7.ユーザ制御値のためのバイポーラ振幅
更に、トレースファイルが供給されてもよく、
1.各々の特徴のための特定ファジースコア
2.ユニポーラセグメント開始及び終了指標、を含む。
図17は、本発明の一実施形態による、分類アルゴリズムの概略的ブロック図である。アルゴリズム入力は、波面アノテーションアルゴリズム最終出力(出力は上記に列挙される)から導出されるECG信号のアノテーションデータ、及び関心窓(WOI)からなる。WOIは、ECG信号を含む任意の都合のよい時間セグメントであってもよく、典型的に頻脈タイプ及びマッピングタイプのような因子に基づき、アルゴリズムユーザにより選択される。アルゴリズムへの更なる入力は、図18を参照して以下に記載される。
1.必要最小限のバイポーラ振幅。各アノテーションポイントは、列挙のための有効ポイントとして考慮されるために閾値(Bip−Th)を超過しなければならない。
2.必要最小限の尤度スコア。各アノテーションポイントスコア値は、列挙プロセスのための有効ポイントとして考慮されるために閾値(Fuz−Th)を超過しなければならない。スコア値は、各マッピングチャンバ(心室/心房)で異なってもよい。
3.コンプレックス分類のための必要最小限の興奮時間、最小間隔。この値は、2つ以上の有効アノテーションがWOIに存在する場合に用いられる。最初と最後の興奮の時間間隔がこの閾値よりも小さい場合、興奮はシングルイベントとして分類され、そうでない場合、WOI内の興奮の数に応じてスプリットあるいはマルチのいずれかとして分類される。
Bip(n)>Bip−Th及びFuz(n)>Fuz−Th
(1) ヒト被検者の心筋に近接する一対の電極からバイポーラ信号を受信することと、
前記一対の電極の選択された一方からユニポーラ信号を受信することと、
前記ユニポーラ及びバイポーラ信号の関心窓(WOI)を規定することと、
前記WOI内で前記ユニポーラ信号の局所ユニポーラ最小導関数、及び前記局所ユニポーラ最小導関数の発生時間を計算することと、
前記WOI内で前記発生時間における前記バイポーラ信号のバイポーラ導関数を計算することと、
前記局所ユニポーラ最小導関数に対する前記バイポーラ導関数の比を評価することと、
前記比が事前設定された比の閾値よりも大きい場合、前記発生時間を前記心筋の興奮時間として割り当てることと、
前記興奮時間の回数を計数することと、
前記回数により前記ユニポーラ信号を分類することと、
を含む、方法。
(2) 前記パイポーラ導関数が、事前設定されたバイポーラ導関数の閾値よりも小さい場合、前記発生時間を前記心筋の前記興奮時間として割り当てることを更に含む、実施態様1に記載の方法。
(3) 前記局所ユニポーラ最小導関数が、事前設定されたユニポーラ導関数の閾値よりも小さい場合、前記発生時間を前記心筋の前記興奮時間として割り当てることを更に含む、実施態様1に記載の方法。
(4) 前記ユニポーラ信号を分類することが、前記ユニポーラ信号の複数の事前設定された分類を定義することを含む、実施態様1に記載の方法。
(5) 前記複数は、前記回数が0である第1の分類、前記回数が1である第2の分類、前記回数が2又は3である第3の分類、及び前記回数が3よりも大きい第4の分類を含む、実施態様4に記載の方法。
(7) 対応するバイポーラ信号の振幅が事前設定されたバイポーラ信号の閾値よりも大きい場合に、前記所定の発生時間を前記心筋の前記所定の興奮時間として割り当てることのみを含む、実施態様6に記載の方法。
(8) ヒト被検者の心筋に近接して配置されるように構成された一対の電極と、
プロセッサであって、
前記一対の電極からバイポーラ信号を受信し、
前記一対の電極の選択された一方からユニポーラ信号を受信し、
前記ユニポーラ及びバイポーラ信号の関心窓(WOI)を規定し、
前記WOI内で、前記ユニポーラ信号の局所ユニポーラ最小導関数、及び前記局所ユニポーラ最小導関数の発生時間を計算し、
前記WOI内で、前記発生時間における前記バイポーラ信号のバイポーラ導関数を計算し、
前記局所ユニポーラ最小導関数に対する前記バイポーラ導関数の比を評価し、
前記比が事前設定された比の閾値よりも大きい場合、前記発生時間を前記心筋の興奮時間として割り当て、
前記興奮時間の回数を計数し、
前記回数により前記ユニポーラ信号を分類するように構成されたプロセッサと、
を含む、装置。
(9) 前記バイポーラ導関数が事前設定されたバイポーラ導関数の閾値よりも小さい場合、前記発生時間を前記心筋の前記興奮時間として割り当てることを更に含む、実施態様8に記載の装置。
(10) 前記局所ユニポーラ最小導関数が事前設定されたユニポーラ導関数の閾値よりも小さい場合、前記発生時間を前記心筋の前記興奮時間として割り当てることを更に含む、実施態様8に記載の装置。
(12) 前記複数は、前記回数が0である第1の分類、前記回数が1である第2の分類、前記回数が2又は3である第3の分類、及び前記回数が3よりも大きい第4の分類を含む、実施態様11に記載の装置。
(13) 所定の発生時間に関連付けられた信頼度が事前設定された信頼度よりも大きい場合に、前記所定の発生時間を前記心筋の所定の興奮時間として割り当てることのみを含む、実施態様8に記載の装置。
(14) 対応するバイポーラ信号の振幅が事前設定されたバイポーラ信号閾値よりも大きい場合に、前記所定の発生時間を前記心筋の前記所定の興奮時間として割り当てることのみを含む、実施態様13に記載の装置。
Claims (14)
- ヒト被検者の心筋に近接する一対の電極からバイポーラ信号を受信することと、
前記一対の電極の選択された一方からユニポーラ信号を受信することと、
前記ユニポーラ及びバイポーラ信号の関心窓(WOI)を規定することと、
前記WOI内で前記ユニポーラ信号の局所ユニポーラ最小導関数、及び前記局所ユニポーラ最小導関数の発生時間を計算することと、
前記WOI内で前記発生時間における前記バイポーラ信号のバイポーラ導関数を計算することと、
前記局所ユニポーラ最小導関数に対する前記バイポーラ導関数の比を評価することと、
前記比が事前設定された比の閾値よりも大きい場合、前記発生時間を前記心筋の興奮時間として割り当てることと、
前記興奮時間の回数を計数することと、
前記回数により前記ユニポーラ信号を分類することと、
を含む、方法。 - 前記パイポーラ導関数が、事前設定されたバイポーラ導関数の閾値よりも小さい場合、前記発生時間を前記心筋の前記興奮時間として割り当てることを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記局所ユニポーラ最小導関数が、事前設定されたユニポーラ導関数の閾値よりも小さい場合、前記発生時間を前記心筋の前記興奮時間として割り当てることを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ユニポーラ信号を分類することが、前記ユニポーラ信号の複数の事前設定された分類を定義することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数は、前記回数が0である第1の分類、前記回数が1である第2の分類、前記回数が2又は3である第3の分類、及び前記回数が3よりも大きい第4の分類を含む、請求項4に記載の方法。
- 所定の発生時間に関連付けられた信頼度が事前設定された信頼度よりも大きい場合に、前記所定の発生時間を前記心筋の所定の興奮時間として割り当てることのみを含む、請求項1に記載の方法。
- 対応するバイポーラ信号の振幅が事前設定されたバイポーラ信号の閾値よりも大きい場合に、前記所定の発生時間を前記心筋の前記所定の興奮時間として割り当てることのみを含む、請求項6に記載の方法。
- ヒト被検者の心筋に近接して配置されるように構成された一対の電極と、
プロセッサであって、
前記一対の電極からバイポーラ信号を受信し、
前記一対の電極の選択された一方からユニポーラ信号を受信し、
前記ユニポーラ及びバイポーラ信号の関心窓(WOI)を規定し、
前記WOI内で、前記ユニポーラ信号の局所ユニポーラ最小導関数、及び前記局所ユニポーラ最小導関数の発生時間を計算し、
前記WOI内で、前記発生時間における前記バイポーラ信号のバイポーラ導関数を計算し、
前記局所ユニポーラ最小導関数に対する前記バイポーラ導関数の比を評価し、
前記比が事前設定された比の閾値よりも大きい場合、前記発生時間を前記心筋の興奮時間として割り当て、
前記興奮時間の回数を計数し、
前記回数により前記ユニポーラ信号を分類するように構成されたプロセッサと、
を含む、装置。 - 前記バイポーラ導関数が事前設定されたバイポーラ導関数の閾値よりも小さい場合、前記発生時間を前記心筋の前記興奮時間として割り当てることを更に含む、請求項8に記載の装置。
- 前記局所ユニポーラ最小導関数が事前設定されたユニポーラ導関数の閾値よりも小さい場合、前記発生時間を前記心筋の前記興奮時間として割り当てることを更に含む、請求項8に記載の装置。
- 前記ユニポーラ信号を分類することが、前記ユニポーラ信号の複数の事前設定された分類を定義することを含む、請求項8に記載の装置。
- 前記複数は、前記回数が0である第1の分類、前記回数が1である第2の分類、前記回数が2又は3である第3の分類、及び前記回数が3よりも大きい第4の分類を含む、請求項11に記載の装置。
- 所定の発生時間に関連付けられた信頼度が事前設定された信頼度よりも大きい場合に、前記所定の発生時間を前記心筋の所定の興奮時間として割り当てることのみを含む、請求項8に記載の装置。
- 対応するバイポーラ信号の振幅が事前設定されたバイポーラ信号閾値よりも大きい場合に、前記所定の発生時間を前記心筋の前記所定の興奮時間として割り当てることのみを含む、請求項13に記載の装置。
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