JP4881029B2 - 生体情報計測装置、生体情報処理サーバ、生体情報計測システム、生体情報計測方法、動作状態判定方法、信頼度判定方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
しかし、手首などに脈拍センサを装着する場合は、指先より汗腺の数が少なくて皮膚抵抗が高いので電極端子の面積を大きくして接触状態を検知する必要がある。
さらには、外界環境の変動たとえば太陽などの強い光源の元での計測は、生体中を伝搬してくる太陽光と生体情報計測装置の光源が加算され脈拍センサで検出することになる。このとき、被験者は静止状態でも太陽光が変動する、例えば人影、木の葉などの影の動きなどが光量の変化を起こし影響を与えてしまう。
小型であるため、電極端子の面積を大きくすると二つの電極端子が占める面積が大きくなってしまう。特に、腕、手首、腹などの皮膚は汗腺の数は少なく、例えば、腹などは1mm2当りの汗腺の数は1個程度であるので必然的に皮膚抵抗も高くなってしまう。さらには、高齢者などにおいては皮膚中に占める不能動汗腺の割合が増加して皮膚抵抗が高くなっているために、電極端子の面積をさらに大きくしなければ脈拍センサの接触状態を検知することができない。
状態、すなわち被験者が静止状態であったのか否か等を判断することが可能な生体情報信号を、生体情報センサからの生体情報信号の信頼度として評価し、それらを脈拍数に関連付け、それらのデータを基に、被験者の生体状態を監視する生体情報計測装置を提供することを目的とする。
さらには、生体情報計測装置以外からの外界環境の状態を評価し生体情報計測装置の発光量、受光ゲインの設定を行い、生体信号状態、動作時間を総合的に判断し最適な状態にした生体情報計測装置を提供することを目的とする。
算出手段と、前記生体情報2の信頼度を判定するための閾値が、ピーク値間の時間間隔のばらつきの値と平均増幅率の値に応じて定義された閾値テーブルとをさらに備え、前記信頼度判定手段は、算出された前記ピーク値間の時間間隔のばらつきと算出された前記平均増幅率に対応する閾値を前記閾値テーブルから読み出し、この閾値を使用して前記生体情報2の信頼度を判定することを特徴とする。
数解析し、生体情報2として脈拍数を算出することを特徴とする。
報2の信頼度を判定する判定過程と、前記信頼度の判定結果と前記生体情報2とを関連つけて前記計測データ保存手段に記憶する計測データ保存過程とを有することを特徴とする。
D変換し、その記憶を行いサンプリングデータ3を得るステップと、前記サンプリングデータ3を処理し前記生体センサの装着率を算出するステップと、前記装着率が予め決められた閾値を超えているか否かに基づいて、および/もしくは、前記生体情報1が予め決められた閾値を超えているか否かに基づいて、前記生体情報2の信頼度を判定するステップとを備えることを特徴とする。
ているか否かに基づいて、前記生体情報の信頼度を判定する機能とをコンピュータに実現させるためのプログラムであることを特徴とする。
請求項35に記載の発明は、前記生体センサが前記生体に装着して外界環境の計測をすることを特徴とする。
また、本発明の生体情報計測装置によれば、外界環境に即した計測環境を設定することが出来るので、より幅広い条件下での計測が可能となる。
図3は、本発明に適用される脈拍計の回路構成を概略的に示すブロック図である。生体情報計測装置100は、各種の演算処理を行うCPU(Central Processing Unit)110、生体情報計測装置100を装着し皮膚への接触状態を検出する装着センサ103(皮膚へ接触する一対の電極端子101と、皮膚への接触状態を電圧レベルで検出する装着状態検出手段102を含む)、光信号によって脈拍数に相当する生体情報信号を検出する生体情報センサ105(特許請求の範囲の生体センサに相当する)、生体情報センサ105によって検出された生体情報信号を電圧レベルに変換する生体情報検出手段106、電圧レベルに変換された生体情報信号に含まれるバックグランド(直流信号)の分離を行い脈波信号を検出するフィルタ手段107、脈波信号の電圧レベルを増幅する増幅手段108、皮膚への接触状態の電圧レベルと電圧レベルに変換された生体情報信号及び脈波信号の電圧レベルをデジタル値に変換するA/D変換手段104、脈波信号の電圧レベルのデジタル値から増幅手段108の増幅率を設定する増幅率設定手段109、生体情報センサ105を駆動するためのタイミング信号を生成する発振回路124、ユーザが押下する入力ボタンなどの入力手段131、発振回路124が生成したタイミング信号に基づいて生体情報センサ105の駆動信号を生成する駆動信号生成手段125、生体情報センサ105を駆動するための生体情報センサ駆動手段126、液晶によって脈拍数などを表示する表示手段127、表示手段127などを照明する照明手段128、緊急情報を被験者に知らせるためのブザーや振動手段等からなる報知手段129、外部との通信インタフェースとなる通信手段130(通信手段130は、信頼度の判定結果と脈拍数とを関連つけたデータをサーバ500へ送信し、サーバ500から計測スケジュールを受信する)を備えた構成となっている。またCPU110は、脈拍数の算出処理などの各種演算を実行する演算手段111、演算手段111から信頼度の判定結果と算出した脈拍数とを関連つけて記憶する計測データ保存部121、生体情報信号を計測する時間などを計時する計時手段123、ROMやRAMなどからなる記憶手段122を備えた構成となっており、サーバ500から受信した計測スケジュールは、記憶手段122に記憶される。CPU110内のこれらの各要素はバスによって接続されている。
CPU110においては、演算手段111が、計時手段123によるタイムカウントと記憶手段122に格納された予め決められた計測スケジュール情報に基づいて、脈拍信号の検出処理及び脈拍数の算出処理を実行する。なお、これらの処理プログラムは記憶手段122に格納されている。
計測スケジュール情報とは、生体情報処理サーバ500において作成され、図6のようにテーブル化された、生体情報計測装置100の動作を規定する情報である。具体的には、タスク番号と、アクションを実行する時刻(ここでは脈拍数の計測を行う時刻)と、その時刻に行うアクションの内容(ここでは脈拍数の計測)と、計測スケジュール情報の実行結果として返信すべきデータ名(ここでは脈拍数と装着状態結果と動作状態結果とS/N比結果および信頼度結果)とからなる情報である。
このように、実際に電極端子を使って生体の皮膚抵抗を計測してみると、生体の活性度によって6〜24MΩ/cm2とかなりの高抵抗で広範囲に亘って分布している。そこで、電極端子の検出目標の抵抗値を分布抵抗の最大値24MΩ/cm2の2割増である28.8MΩ/cm2として、図8の接触状態検出回路によって皮膚への接触状態の確認を行った。
一方、図8のインバータIC144の出力端bがHighレベルとなる条件は、電源電圧Vccが3.1Vのとき、インバータIC144の入力端aの電圧(つまり、Highレベル閾値電圧Vs)は0.55Vとなる。
Vs>Vcc×{Rs/(Rf+Rs)} (1)
ここで、電源電圧Vcc:3.1V、皮膚抵抗値Rs:96MΩ、Highレベル閾値電圧Vs:0.55Vであるので、式(1)から
Rf>Rs{(Vcc−Vs)/Vs}=96MΩ×{(3.1−0.55)/0.55}=445MΩとなる。
なお、図8の装着状態検出回路において、過電流保護用の抵抗R1、R2は10MΩを用い、発振防止用のコンデンサCfは47μFを用いた。
つまり、時刻ゼロ付近における電極端子の未装着時にはインバータICの出力電圧は1.6Vを示しているが、時刻10Secにおいて電極端子を装着すると、インバータICの出力電圧は3.1VとなってHighレベルを示している。さらに、時刻70Secを
過ぎたときに電極端子を未装着にすると、インバータICの出力電圧は再び1.6Vとなる。このようにして、電極端子の装着時は確実にHighレベルを検出することができる。
計測時間を60秒間とすると、図10の横軸で時間0秒から時間60秒までの電圧をサンプリングし、予め決めておいた閾値(例えば2.5V)以上で装着したと判断させた場合、以下の数式(2)で装着率を求める。
装着率=(装着時間/計測時間)×100(%) (2)
装着閾値:2.5Vのとき、図10より、計測時間:60秒間、装着時間:50秒間であ
るから
装着率=(50/60)×100=83となる。
つまり、計測時間内で83%の装着率であり、はずれていた時間があったと言うことを示している。
このとき、LED155をOFF状態にすることで外界環境の外光による生体情報信号の読み出しを行うことができる。
ここで、外界環境は生体に照射されている外光を指し、特に屋外では強い太陽光線などが生体情報計測に影響を与えるものである。
さらには、最適なLED155の発光量を算出する方法(ステップS35)について図20、図21を用いて説明する。
るが、図12(b)にその影響は見られない。
このように、被験者の静脈の血液量変化の周期よりも短い時間あたりの、生体情報信号の変動量は、被験者の動作状態を的確に表現していることから、この特徴を動作状態の算出に応用する。
Aのハッチングは、外光の後方散乱光の成分である。静止状態にもかかわらず大きく変動している部分は、外光の光量が変動した為に生じている。
Bのハッチングは、LED155の後方散乱光の成分である。LED155を使用するので安定しているが、外光成分と加算されるため外光の光量変動が現れることになる。
FFT処理手段112が解析した周波数解析結果は、図14に示すようになる。S/N比の算出は、(脈波信号に相当する基線(符号A)とその前後の基線(符号B、C)の高さの和)を、(全基線の高さの和)で除算して求める。
そして、閾値が設定値以上の場合は装着状態と判断し、計測データ保存手段121へ出力する(ステップS22)。閾値が設定値より小さい場合は非装着状態と判断し、計測データ保存手段121へ出力する(ステップS23)。
そして、閾値Vt1が設定値以下の場合は静止状態と判断し、計測データ保存手段121へ出力する(ステップS25)。閾値Vt1が設定値より大きい場合は非静止状態と判断し、計測データ保存手段121へ出力する(ステップS26)。
そして、閾値が設定値以上の場合はS/N比が高いと判断し、計測データ保存手段121へ出力する(ステップS28)。閾値が設定値より小さい場合はS/N比が低いと判断し、計測データ保存手段121へ出力する(ステップS29)。尚、S/N比の優劣を決めている要因として、体動の他に脈拍数の大きな変化、拍動の強弱および強力な外部光の入射などがあげられる。
そして、装着判定結果、動作状態判定結果およびS/N比判定結果が設定値範囲内の場合は高いと判断し(ステップS31)、計測データ保存手段121へ出力する(ステップS33)。装着判定結果、動作状態判定結果およびS/N比判定結果が設定値範囲外の場合は低いと判断し(ステップS32)、計測データ保存手段121へ出力する(ステップS33)。S33において、判定結果と計測データを関連付けて保存しているが、遠隔にある生体情報処理サーバ500へ、スケジュールの実行結果として返送してもよい。
上述のように装着判定結果、動作状態判定結果およびS/N比判定結果に対する閾値を任意の値で任意の数だけ設定することで、信頼度も任意の種類の判定が可能とある。
上述した手段から、得られた脈拍数のデータから信頼度の良好なデータだけを選別する方法は図15を用いて説明する。
具体的には、横軸のS/N比を60とした場合について説明を行う。図15のS/N比60の場合、左縦軸の測定確度は約98%と読み取れる、つまり装着率100%、動作状態を判定する閾値を20、S/N比を60として脈拍数のデータの選択を行うと、得られたデータの内98%は脈拍数(±4拍)であると言うことである。
このように、図15のS/N比と測定確度(信頼度)の関係を用いることで、所望の測定確度のデータを、S/N比を変更することにより得ることが可能となる。同様に、所望の表示率を、S/N比を変更することにより得ることが可能となる。
また、ここではS/N比を変更して所望の測定確度のデータおよび所望の表示率を得る例を示したが、例えばS/N比と装着率の値を固定して、動作状態を判定する閾値を変更するなど、組合わせは自由である。
まず、生体情報計測装置(以降脈拍計)を手首に装着して所定のボタンスイッチを押すと、装着検出モードとなって装着状態の検出が開始される(ステップS51)。
次に、電極を使用した装着センサによる検出では装着状態にあるか否かが判定される(ステップS2)。
ここで、電極を使用した装着センサによる検出結果が装着状態にあれば(ステップS52でYES)、さらに、光学式装着センサによる検出では装着状態にあるか否かが判定される(ステップS53)。
ここで、光学式装着センサによる検出結果が装着状態にあれば(ステップS53でYES)、脈拍計は手首に装着されているものと判定する(ステップS54)。
つまり、電極を使用した装着センサと光学式装着センサの両センサが共に接触状態にあることを検出したとき、脈拍計は手首に装着されているものと判定する。
また、ステップS52で電極を使用した装着センサによる検出結果が装着状態になければ(ステップS52でNO)、脈拍計は手首に装着されていないものと判定する(ステップS55)。
なお、図19のフローチャートでは、電極を使用した装着センサによる検出を先に行い、光学式装着センサによる検出を後に行ったが、光学式装着センサによる検出を先に行い、電極を使用した装着センサによる検出を後に行ってもよい。
200 無線通信
300 無線通信装置
400 通信網
500 生体情報処理サーバ
150 リストバンド
151 液晶表示部
152 ボタンスイッチ
153 センサユニット
154 電極端子
155 LED(発光素子)
156 ホトダイオード
140 生体
141a 皮膚
142 A電極端子
143 B電極端子
144 インバータIC
145 オペアンプ
DZ11 ツェナーダイオード
LED11 LED
Tr11、Tr21、Tr31、Tr32、Tr33 トランジスタ
PD21、PD31 ホトダイオード
Claims (29)
- 生体に光を照射し、前記生体からの後方散乱光を受光することにより生体情報を検出する生体センサと、前記生体センサの前記生体への装着の状態を検知する装着センサとを有する生体情報計測装置であって、
前記生体センサの出力信号をA/D変換してデジタル化された生体情報信号を得る第1のA/D変換手段と、前記生体情報信号を記憶する第1の記憶手段と、該第1の記憶手段に記憶されている前記生体情報信号の時間あたりの変動量の平均値を生体情報1として算出する生体情報算出手段1と、
前記生体センサの出力信号の交流信号成分の脈波信号を得るフィルタ手段と、前記脈波信号をA/D変換してデジタル化された脈波信号を得る第2のA/D変換手段と、前記脈波信号を記憶する第2の記憶手段と、該第2の記憶手段に記憶されている前記脈波信号を周波数解析する周波数解析手段と、該周波数解析手段による周波数解析の結果から生体情報2を算出する生体情報算出手段2と、
前記周波数解析の結果からS/N比を算出するS/N比算出手段と、
前記装着センサの出力信号をA/D変換してデジタル化された装着状態の信号を得る第3のA/D変換手段と、前記装着状態の信号を処理し、前記生体センサの前記生体に対する装着率を算出する装着率算出手段と、前記装着率を記憶する第3の記憶手段と、
前記装着率、前記生体情報1、および前記S/N比が所定の閾値を超えているか否かに基づいて、前記生体情報2の信頼度を判定する信頼度判定手段と、
前記信頼度判定手段による判定結果と生体情報2とを関連づけて記憶する計測データ保存手段と、
を備えることを特徴とする生体情報計測装置。 - 前記装着センサは、皮膚と接触する複数の電極端子と、前記皮膚への接触状態を電圧レベルで検出する装着状態検出回路とを備え、
前記装着状態検出回路は、反転型の増幅器と、帰還抵抗Rfと、皮膚抵抗Rsとを含み、
前記生体センサの出力電圧をVout、装着検知閾値電圧をVsとしたとき、前記帰還抵抗Rfが、
Rf>Rs{(Vout−Vs)/Vs}
で求められた値であることを特徴とする請求項1に記載の生体情報計測装置。 - 前記生体情報1が予め決められた閾値を超えているか否かに基づいて、被験者の動作状態を判定する動作状態判定手段とをさらに備える請求項1に記載の生体情報計測装置。
- 前記動作状態が予め決められた動作状態であるか否かに基づいて、前記生体情報1と関連付けられた前記生体情報2の信頼度を判定する信頼度判定手段とをさらに備える請求項3に記載の生体情報計測装置。
- 前記生体情報2を前記被験者に通知する通知手段と、
前記信頼度が予め決められた信頼度であるか否かに基づいて、前記通知手段で通知する前記生体情報2を決定する通知データ決定手段と
をさらに備える請求項4に記載の生体情報計測装置。 - 前記信頼度が予め決められた信頼度であるか否かに基づいて、前記生体情報計測装置の電源のON・OFFを制御する電源制御手段と
をさらに備える請求項5に記載の生体情報計測装置。 - 前記生体情報算出手段1は、サンプリング期間を複数個のブロック期間に等分し、2回目以降の生体情報1の算出を、前回の生体情報1の算出で使用したブロックのうち一番古い1ブロックの生体情報1を消去し、不足した1ブロック分の生体情報1を新たに追加するために次の1ブロックの生体情報1を算出し、該ブロック期間毎の生体情報1を平均することにより、前記生体情報1を算出する請求項1に記載の生体情報計測装置。
- 前記生体情報2の信頼度を判定するための閾値が、生体情報2の値と前記装着率の値とに応じて定義された閾値テーブルとをさらに備え、
前記信頼度判定手段は、前記生体情報2と前記装着率とに対応する閾値を前記閾値テーブルから読み出し、この閾値を使用して前記生体情報2の信頼度を判定することを特徴とする請求項1に記載の生体情報計測装置。 - 前記信頼度判定手段は、前記装着率が所定の閾値を超えた場合に、前記生体センサに対し、再度生体情報の計測の指示信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の生体情報計測装置。
- 増幅率が可変であり、前記脈波信号を増幅して出力する増幅手段と、
前記増幅率を設定する増幅率設定手段と、
前記所定時間内における前記増幅率の平均増幅率を算出する平均増幅率算出手段と、
前記生体情報2の信頼度を判定するための閾値が、生体情報2の値と平均増幅率の値とに応じて定義された閾値テーブルとをさらに備え、
前記信頼度判定手段は、前記生体情報2と前記平均増幅率とに対応する閾値を前記閾値テーブルから読み出し、この閾値を使用して前記生体情報2の信頼度を判定することを特徴とする請求項1に記載の生体情報計測装置。 - 前記信頼度判定手段は、前記平均増幅率が所定の閾値を超えた場合に、再度前記生体情報を測定するための指示信号を出力することを特徴とする請求項10に記載の生体情報計測装置。
- 前記生体情報2の信頼度を判定するための閾値が、前記生体情報2の値に応じて定義された閾値テーブルを備え、
前記信頼度判定手段は、前記生体情報2に対応する閾値を前記閾値テーブルから読み出し、この閾値を使用して前記生体情報2の信頼度を判定することを特徴とする請求項1に記載の生体情報計測装置。 - 前記信頼度判定手段は、前記S/N比が所定の閾値を超えていない場合に、警報を出力する警報手段をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の生体情報計測装置。
- 遠隔にある生体情報処理サーバと情報通信を行う通信手段と、
該通信手段で受信した、前記生体情報処理サーバからの生体情報計測のスケジュール情報に基づいて、生体情報2の検出を行うスケジュール実行手段とをさらに備え、
前記通信手段は、前記スケジュール実行手段の実行結果データとして、前記生体情報2と前記装着率と前記生体情報1および前記S/N比を前記生体情報処理サーバへ送信する請求項1から13の何れかに記載の生体情報計測装置。 - 前記生体情報処理サーバに対して、前記信頼度の判定結果と前記生体情報2とを関連つけた計測情報を送信することを特徴とする請求項14に記載の生体情報計測装置。
- 前記生体情報として脈拍を計測することを特徴とする請求項1から15の何れかに記載の生体情報計測装置。
- 前記生体情報は動脈波を含む請求項1から16の何れかに記載の生体情報計測装置。
- 請求項1から17のいずれかに記載の生体情報計測装置と情報の送受信を行う生体情報処理サーバであって、
前記生体情報計測装置から、関連付けされた前記生体情報2、前記装着率、前記生体情報1、および前記S/N比を受信する通信手段と、
前記装着率、前記生体情報1、および前記S/N比が所定の閾値を超えているか否かに基づいて前記生体情報2の信頼度を判定する信頼度判定手段と
を備えることを特徴とする生体情報処理サーバ。 - 請求項1から17のいずれかに記載の生体情報計測装置と、請求項18に記載の生体情報処理サーバとを備えることを特徴とする生体情報計測システム。
- 生体に光を照射し、前記生体からの後方散乱光を受光することにより生体情報を検出する生体情報計測方法であって、
前記生体情報の信号をA/D変換し、デジタル化された前記生体情報信号を記憶し、記憶された前記生体情報信号の、時間あたりの変動量の平均値を、生体情報1として算出する生体情報1算出過程と、
前記生体情報の信号をフィルタリングして得られる脈波信号をA/D変換し、デジタル化された前記脈波信号を記憶し、記憶された前記脈波信号を周波数解析する周波数解析過程と、
前記周波数解析によって生体情報2を算出する生体情報2算出過程と、
前記周波数解析によってS/N比を算出するS/N比算出過程と、
前記生体への装着の状態を検知して装着状態の信号を出力し、前記装着状態の信号をA/D変換し、前記生体に対する装着率を算出して記憶する装着率算出過程と、
前記装着率、前記生体情報1、および前記S/N比が所定の閾値を超えているか否かに基づいて前記生体情報2の信頼度を判定する判定過程と、
前記判定過程による判定結果と前記生体情報2とを関連つけて記憶する計測データ保存過程と
を有することを特徴とする生体情報計測方法。 - 前記生体情報1算出過程において、
前記生体情報の信号を、予め決められたサンプリング期間1でA/D変換し、前記生体情報信号を得るステップを備えることを特徴とする請求項20に記載の生体情報計測方法。 - 前記生体情報2算出過程において、
前記フィルタリングによって得られる脈波信号をサンプリング期間2でA/D変換し、前記脈波信号を得るステップを備えることを特徴とする請求項20に記載の生体情報計測方法。 - 前記装着率算出過程において、
前記装着状態の信号をサンプリング期間3でA/D変換し、前記装着率を算出するステップを備えることを特徴とする請求項20から22の何れかに記載の生体情報計測方法。 - 請求項1から17のいずれかに記載の生体情報計測装置において、前記デジタル化された生体情報信号を使用して前記生体の動作状態を判定する機能をコンピュータに実現させるためのプログラムであって、
前記デジタル化された生体情報信号をコンピュータに読み込む機能と、
前記デジタル化された生体情報信号の時間あたりの変動量の平均値を算出する機能と、
前記変動量の平均値が予め決められた閾値を超えているか否かに基づいて、前記生体の前記動作状態を判定する機能と
をコンピュータに実現させるためのプログラム。 - 請求項1から17のいずれかに記載の生体情報計測装置において、前記デジタル化された生体情報信号を使用して前記生体情報の信頼度を判定する機能をコンピュータに実現させるためのプログラムであって、
前記デジタル化された生体情報信号をコンピュータに読み込む機能と、
前記デジタル化された生体情報信号の時間あたりの変動量の平均値を算出する機能と、
前記脈波信号の周波数解析の結果からS/N比の算出を行う機能と、
前記変動量の平均値および前記S/N比が予め決められた閾値を超えているか否かに基づいて、前記生体情報の信頼度を判定する機能と
をコンピュータに実現させるためのプログラム。 - 請求項1から17のいずれかに記載の生体情報計測装置において、前記デジタル化された生体情報信号と前記デジタル化された装着状態の信号とを使用して前記生体情報の信頼度を判定する機能をコンピュータに実現させるためのプログラムであって、
前記デジタル化された生体情報信号と前記デジタル化された装着状態の信号とをコンピュータに読み込む機能と、
前記デジタル化された生体情報信号の時間あたりの変動量の平均値を算出する機能と、
前記脈波信号の周波数解析の結果からS/N比の算出を行う機能と、
前記デジタル化された装着状態の信号の時間あたりの装着時間から装着率を算出する機能と、
前記変動量の平均値と前記S/N比と前記装着率とが予め決められた閾値を超えているか否かに基づいて、前記生体情報の信頼度を判定する機能と
をコンピュータに実現させるためのプログラム。 - さらに、発光素子を前記生体に照射する発光回路と、
前記生体からの後方散乱光を受光して前記生体センサが前記生体に装着しているか否かを検知する受光回路と、
によって構成された光学式装着検知手段を備えることを特徴とする請求項1から17のいずれかに記載の生体情報計測装置。 - 前記光学式装着検知手段は、前記生体センサに設けられることを特徴とする請求項27に記載の生体情報計測装置。
- 前記生体センサが前記生体に装着して外界環境の計測をすることを特徴とする請求項1に記載の生体情報計測装置。
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