KR100372370B1 - 체지방측정장치 및 체지방측정장치를 구비한 체중계 - Google Patents

체지방측정장치 및 체지방측정장치를 구비한 체중계 Download PDF

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Abstract

양말을 착용하고 있는 등으로 측정전극과 피측정체와의 접촉임피던스의 변동에 대응한 체지방측정장치가 붙어 있는 체중계가 제공된다. 이 체중계는 생체임피던스를 측정하기 위한 전류원을 정전압전원으로 하고, 정전압전원과 전압공급단자와의 사이에 전류측정장치를 설치하고, 체내유입전류를 계측하고, 측정된 체내유입전류와 전압측정단자간의 전위차로부터 체내임피던스를 결정한다.

Description

체지방측정장치 및 체지방측정장치를 구비한 체중계{BODY FAT METER AND BODY WEIGHT SCALES EQUIPPED WITH BODY FAT METER}
피검체의 말단에서 미소한 정전류를 인가하고, 전극간의 전압저하분을 측정하는 것으로 얻어지는 생체말단간 임피던스를 사용하여, 인체의 조성이 추정될 수 있는 것(The American Journal of Clinical Nutrition, 41(4) 810-817 1985 "Assessment of fat-free mass using bioelectrical impedance measurement of the human body")을 이용한 체지방측정장치가 제안되고(USP. 4,008,721, 일본특공평 5-49050, 일본특개평 7-51242 등등) 이들의 제안의 실시품이 상품화되어 있다.
그 중에서도, 일본특공평 5-49050에 관한 상품은, 피측정자가 체중계에 놓였을 때, 양 발바닥이 접촉하는 위치에 생체임피던스를 측정하기 위한 평평한 금속제의 전극을 체중계의 재대(載台)표면에 설치하고, 측정기의 지정된 위치에 맨발로 오르는 것뿐으로, 체지방량을 추정하기 위한 인자중, 측정마다 변화가 있는 생체말단간 임피던스와 체중을 동시에 측정하고, 계산식으로 받아들일 수 있는 가장 간편하게 체지방량을 추정할 수 있는 장치, 체내지방계가 붙어 있는 체중계로서 상품화되어 있다.
종래의 체내지방계는, 우선 피측정자의 신장, 성별, 체중 등의 신체적 데이터를 키이 스위치 등의 입력장치를 통하여 입력하고 기억장치에 기억하고, 다음에 제어장치에 의하여 임피던스 측정장치를 구동하고 생체의 임피던스값을 아날로그형태로 출력하고, 그것을 AD변환기에 의하여 디지털값으로 변환하여 연산장치에 받아들이고, 얻어진 생체임피던스값을 표시하는 디지털값과 기억장치에 기억된 신장 등의 신체적 데이터로부터 체지방량을 산출하고 표시장치에 출력하고 있다. 체중은 다른 신체적 데이터와 달리 용이하게 변동하는 것이기 때문에, 측정할 때마다 입력할 필요가 있으므로, 체중측정장치를 설치하여, 임피던스를 측정할 때마다 피측정자의 체중값도 측정하도록 한 것이 체지방측정장치가 붙은 체중계이다.
이 체지방측정장치가 붙은 체중계는 임피던스 측정장치의 아날로그출력과, 상기 AD변환기와의 사이에 택일[切替]스위치를 설치하고, 택일스위치의 다른 끝은 체중측정장치의 아날로그 출력에 접속하고, 택일스위치의 제어단자를 상기 제어장치에 접속하고, 우선 택일스위치로 체중측정장치의 출력을 AD변환기로 입력하고, 피측정자의 체중값을 디지털값으로 변환하고 기억장치에 그 값을 기억한 후에 택일스위치를 스위칭하고, 임피던스 측정장치의 출력을 AD변환기로 입력하여 임피던스의 측정값을 디지털값으로 변환하고, 체중측정장치와 임피던스 측정장치로서 AD변환기를 공유하고 있다(도 1).
또 상기 종래의 체지방측정장치가 붙은 체중계의 생체임피던스 측정장치는 전극과 생체와의 접촉저항의 변동이 측정값에 미치는 영향을 제거하기 위해 4단자법이 취해지고 있다(도 2 및 도 3).
피측정자의 체중을 측정하는 전자식 체중계의 재대에 피측정자가 놓였을 때 양발의 발끝부와 발뒤꿈치부에 접촉하도록 전극(A1, A2, B1, B2)을 배열설치하고 50kHz로 기지의 전류값(iR)을 갖는 교류정전류원의 전류단자를 전극(A1, A2)에, 교류전압계의 측정단자를 전극(B1, B2)에 접속하고 있다. 또 교류전압계의 측정단자에는 거의 전류가 흐르지 않도록 설계되어 있다.
여기서, 체내임피던스를 ri, 오른쪽 발끝의 접촉임피던스를 rA1, 왼쪽 발끝의 접촉임피던스를 rA2, 오른쪽 발뒤꿈치의 접촉임피던스를 rB1, 왼쪽 발뒤꿈치의 접촉임피던스를 rB2라 한다.
교류정전류(iR)는 rA1를 흐르고, rB1, rB2에는 새지 않고 그대로 ri, rA2에 흐르고, 전류단자로 되돌아간다.
이때, rA1, ri, rA2에 생기는 전압강하는, 각각
vA1=iR×rA1 (1)
vi =iR×ri (2)
vA2=iR×rA2 (3) 로 된다.
여기서, 교류전압계의 각 측정단자에는 거의 전류가 흐르지 않기 때문에, rB1, rB2에 생기는 전압강하는 각각 0으로 간주되고, rB1, rB2의 영향은 무시되어교류전압계에서는 Vi가 그대로 관측된다.
(2) 식으로부터, 체내임피던스(ri)는
ri=Vi/iR (4)
로 되고, iR는 기지의 값이므로, 관측값(Vi)으로부터 용이하게 구할 수가 있다.
교류정전류원은 교류정전압원, 저항(R1), OP앰프로 구성되어 있다(도 4).
교류정전압원의 출력이 R1의 일단에 접속되고, R1의 타단은 OP앰프의 -단자에 접속된다. -단자에는 상기 전극(A1)이 OP앰프의 출력단자에는 상기 전극(A2)가 접속되고, +단자는 GND(0V)에 접속되어 있다. OP앰프의 -단자는 출력단자가 포화하지 않는 한, +단자와 같은 전위이고, 또 -단자로부터 OP앰프내에 전류가 흐르는 일은 없다. 따라서 R1에 흐르는 전류는 그대로 전극(A1)에 흐르고, 생체를 흘러, A2에 도달하고, OP앰프의 출력단자에 흡수된다. 교류정전압원의 출력전압을 V라 하면, R1의 양단의 전압은 V이므로,
ri=v/R1 (5)
로 되고, v, R1은 기지의 것이므로, 기지의 정전류가 얻어지게 되는 것이다.
교류전압계는 차동증폭기, 정류기, 저역통과필터 및 AD변환기로 구성되어 있다. 우선, 차동증폭기에 의하여 전극(B1, B2)간의 전압차를 N배한 증폭출력을 얻는다.
이때, 차동증폭기의 출력전압(V)은
V=N×Vi=N×iR×ri (6) 로 된다.
이 출력을 반파정류기에 입력하면, 정류기는 교류전압의 +부분만을 출력한다. 이것을 저역통과필터로 직류로 변환하여 상기 AD변환기에 입력하므로서 체내임피던스(ri)에 비례한 디지털값이 얻어진다.
이 구성에 의하면, 발의 접촉임피던스에 영향받지 않는 생체임피던스의 측정이 가능하게 된다.
그러나, 될 수 있는 한, 정확한 측정을 하기 위하여 통상은 접촉임피던스가 어느 정도 작을 것, 맨발로 사용하는 것을 전제로 설계되어 있다. 통상 발바닥의 접촉임피던스는 1㏀ 이내이고, 임피던스 측정전류의 최대값은 1㎃ 이하로 설계되어 있다.
상기 교류정전압원의 전압을 0.8V로 하고, 저항(R1)을 1㏀로 하면, 이때의 전류값은 (5)식으로부터, 800㎂로 된다.
생체임피던스를 500Ω, 접촉임피던스를 각각 1㏀로 하면, 전극(A2)의 전압(V0)는
V0=800㎂×(rA1+ri+rA2)=2V 로 된다.
통상 발바닥의 접촉임피던스는 1㏀ 이내이므로, 양말을 착용하고 있는 경우는 극단으로 크게 된다.
지금 접촉임피던스를 10㏀로 하면, 전극(A2)의 계산상의 전압(V0)은,
V0=800㎂×(10㏀+500Ω+10㏀)=16.4V (8)
로 된다.
한편, 체지방계는 운반을 전제로 만들어져 있는 경우가 많고, 주로 전지로 회로를 구동하고 있다. 이 때문에 회로전압은 ±5V 정도로 한정되어 있다. 정전류원에 사용되는 OP앰프의 출력단자의 전압도 그 범위내에 있고, 상기와 같이 양말을 착용하고 있을 때 (접촉임피던스가 10㏀)는 OP앰프가 포화해버리고, 정전류를 흐르게 할 수 없게 된다. 따라서 ri는 기지의 정전류가 아니고, 또 파형이 변형되어 정현파가 아닌 것으로 되버린다. 그러나 교류전압계는 그 변형되어 부정확한 전압출력(Vi)을 검출하고 그 값으로 연산장치는 체지방량을 계산하고, 표시장치에 출력해 버리곤 하였다.
이상 설명한 바와 같이, 종래의 체지방측정장치가 붙은 체중계의 생체임피던스 측정장치는 맨발로 측정기에 오르는 것을 전제로서 설계된 것이고, 양말을 착용한 경우 등, 측정장치의 전극과 피측정체의 접촉임피던스가 과대하게 되면, 시스템의 구성상, 측정장치의 전극과 피측정체와의 사이에서의 전압강하가 크고, 정전류전원의 정상적인 동작범위를 일탈하고, 생체에 소정의 전류를 유입할 수 없게 되고, 정확한 측정이 불가능한 구성으로 되어 있었다.
본 발명이 해결하려고 하는 과제는 양말을 착용하는 등, 생체와, 생체임피던스를 측정하기 위한 전극과의 접촉임피던스가 크게 된 경우에도 간단하게 정확히 체지방량을 추정할 수 있는 체지방측정장치가 붙은 체중계를 제공하는 것이다.
본 발명은 일어선 위치의 양 발 사이의 생체임피던스와 체중을 동시에 측정하고, 그 측정값과는 별도로 입력된 신장, 성별, 연령 등의 신체적 특징을 기초로 체지방량을 연산하고 추측하는 체지방측정장치가 붙어 있는 체중계에 관한 것이고, 상세하게는 임피던스측정용 전극과 측정본체인 발바닥과의 접촉임피던스의 변동에 대응하는 체지방측정장치가 붙어 있는 체중계에 관한 것이다.
도 1은 종래의 체지방측정장치가 붙은 체중계의 블록도이다.
도 2는 체지방측정모식도이다.
도 3은 생체임피던스 측정 설명도이다.
도 4는 정전류전류블록도이다.
도 5는 교류전압계 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 설명도이다.
도 8은 본 발명의 과제해결수단을 도시하는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 실시예의 동작흐름도이다.
발명의 개시
생체임피던스를 측정하기 위한 전류원을 정전압전원으로 하고, 그 정전압전원과 전압공급단자의 전극과의 사이에 전류측정장치를 설치하고, 체내유입전류를측정하고, 측정된 체내유입전류와 전압측정단자간의 전위차로부터 양발 사이의 임피던스를 결정한다(도 8).
접촉임피던스의 값에 영향받지 않고 체내유입전류전원이 정상적인 동작범위로 작동하고, 임피던스 산출의 기본이 되는 체내유입전류값과 전압측정단자간의 전위차는 정확하게 계측되어 있고, 접촉임피던스가 큰 경우에도 정확한 생체임피던스의 측정이 가능하다.
본 발명의 하나의 실시형태에 의하면, 체중을 측정하는 전자식 체중계의 재치대에 피측정자가 올라섰을때, 양발의 발끝부에 접착하는 체내에 미전류를 유입시키는 한쌍의 전극 A(A1, A2)와, 양발의 발뒤꿈치부에 접촉하고 발뒤꿈치간의 전위치를 측정하는 한쌍의 전극 B(B1, B2)로 이루어지는 양발간 생체임피던스 측정장치의 2쌍의 전극과, 신장, 연령, 성별 등의 신체적 특징을 입력하는 입력장치를 설치한다. 정현파 발진기의 출력을 기지저항값의 저항(R1)을 통하여 전극(A)에 접속하고, 저항(R1)에서의 전압강하분의 전위차로부터 생체유입전류를 구한다. 한편, 전극(B)로부터의 전압강하분의 전위차를 차동증폭기에 의하여 꺼내고, 파형성형, 정류 등의 처치를 실시하고, 직류변환한 후 AD변환하고, 저항(R)의 양단의 전위차로서 구해진 전류치를 사용하여 생체임피던스의 디지털데이터로서 연산부에 받아들인다. 연산부는 입력된 신장, 연령, 성별 등의 신체적 특징과, 측정 또는 입력된 체중값 및 생체임피던스를 기본으로 체지방량을 산출하고, 재대상면에 설치한 표시기에 표시하는 구성으로 한다.
다음에 첨부도면에 의거하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명을 보다 더상세히 설명한다.
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
특히, 도 6 및 도 7을 참조함에 있어서, 50kHz의 교류전압원에 교류전류계의 일단을 접속하고, 타단을 A1단자에 접속한다. A2단자는 GND에 접속한다.
교류전압계의 측정단자를 전극(B1, B2)에 접속한다.
저항(R1)의 양단과, B1, B2 단자를 선택적으로 차동증폭기에 접속하는 SW1를 설치하고 SW1의 제어단자를 제어장치에 접속한다.
교류전압원에 의하여 Vx가 인가되고, 저항(R1)을 통하여 A1에 전류가 흐른다.
A1, A2간의 저항(rx)를 사용하여 체내유입전류(ix)를 나타내면,
ix=vx/(R1+rx) (14)
제어장치는 SW1에 의하여 R1의 양단을 차동증폭기에 접속하고, 그 출력을 반파정류, 저역통과필터에 의하여 직류전압으로 변환하여 AD변환기에 입력하고, 디지털값으로 변환하여 그 값(Nx)을 기억장치에 기억한다.
R1의 양단에 생긴 전압이 디지털값(Nx)으로서 부여된 것으로 된다.
R1의 양단에 생긴 전압(vR1)은, vR1=ix×R1
이 사실로부터, 체내유입전류(ix)는, ix=vR1/R1
로 된다. 지금 vR1은 디지털값(Nx)으로 표시되고, R1도 기지의 값인 것으로부터 ix가 계산에 의하여 구할 수가 있다.
따라서, 체내유입전류를 나타내는 디지털값(NR)을
NR=Nx/R1
에 의하여 계산하고, 기억장치에 기억한다.
다음에 SW1에 의하여 B1, B2 단자를 차동증폭기에 접속하고, 동일하게 반파정류, 저역통과필터를 통하여 AD변환기에 입력하고, 디지털값으로 변환하여 그 값(Ni)를 기억장치에 기억한다.
생체임피던스(ri)에 생긴 전압(Vi)이 디지털값(Ni)으로서 부여되는 것으로 된다.
따라서 ri=vi/ix이므로, 디지털값(Ni, NR)을 사용하여 생체임피던스가 구해진다.
얻어진 생체임피던스값과 피측정자의 신체데이터를 기본으로 연산장치는 체지방량을 산출하고, 표시장치에 출력한다.
저항(R1)을 사용하여 교류전류계로 하는 예를 위에 나타내었지만, 이 방법은 본 발명에 있어서 극히 유용하다.
전압강하의 낮은 교류전류계를 사용한 경우, A1 단자에 인가되는 전압은 교류전압전원의 출력(vx)에 거의 같게 된다.
생체유입전류는 접촉임피던스, 체내임피던스에 반비례하기 때문에, 접촉임피던스가 극단으로 작은 경우, 생체유입전류가 크게 되버린다. 이 전류는 생체에 영향이 없는 범위인 것이 절대조건이다.
생체유입전류의 최대허용치를 2㎃로 하면, 교류전압원 등에 2㎃ 이상 흐르지 않는 브레이커 기능을 갖게 하는 등, 보호기능이 필수로 된다.
상기 실시예에 있어서, 교류전압원의 최대전압을 2V, R1을 1㏀로 하면,
ix=vx/(R1+rx)=2V/(1㏀+rx)<2㎃
로 하고, 반드시 2㎃ 이하로 된다.
즉, R1은 그 저항값을 선택하므로, 전류제한의 기능을 겸한다.
생체유입전류가 지나치게 작은 경우에는 정밀도의 저하를 일으키는 경우가 있다. 표시장치에 「고정밀도」「저정밀도」의 아크를 설치하고, 고정밀도를 보증할 수 있는 한계의 전류치를 나타내는 디지털값을 NH, 극히 두꺼운 양말을 착용하는 등, 측정한계를 초과한 경우를 나타내는 전류의 디지털치를 NMIN라 하면,
계측에 의하여, 체지방량을 구한 후, 산출된 전류의 디지털값(NR)이
NR≥NH
인 경우는 「고정밀도」에 점등시켜, 체지방량을 표시하고,
NH>NR>NMIN
인 경우는 「저정밀도」를 점등시켜 체지방량을 표시하고,
NR≤NMIN
인 경우는 「ERROR」를 표시한다.
이로서 정밀도가 변화한 경우에도 알기 쉽게 표시하고, 잘못을 피할 수가 있다.
상기의 예는 간단하게 하기 위하여 체중계의 설명을 생략하였지만, 임피던스 측정장치의 아날로그출력과, 상기 AD변환기와의 사이에 택일스위치를 설치하고, 택일스위치의 타단을 체중측정장치의 아날로그출력에 접속하고, 택일스위치의 제어단자를 상기 제어장치에 접속하는 것으로 우선 택일스위치로 체중측정장치의 출력을 AD변환기에 입력하고, 피측정자의 체중값을 디지털값으로 변환하고, 기억장치에 그 값을 기억한 후에 택일스위치를 임피던스 측정장치의 출력을 AD변환기에 입력하는 것으로 임피던스측정과의 장치를 공유할 수 있어, 더욱더 쓰기에 편리성을 향상하는 것이 염가로 할 수 있다.
이상, 체지방율측정을 보다 정밀도좋게 잘못을 일으키지 않도록 하는 기술을 설명하였지만, 양말을 신은 채로도, 정밀도좋게, 틀림을 일으키지 않도록 측정할 수가 있다.

Claims (9)

  1. 피측정자의 신장 등의 신체적 데이터를 측정 또는 입력하는 입력수단과, 피측정자의 생체임피던스를 측정하는 임피던스 측정수단과, 입력된 신체적 데이터와 측정 또는 입력된 체중값 및 임피던스 측정수단으로 얻은 생체임피던스를 연산처리하여 체지방량을 산출하는 연산처리수단과, 연산처리수단으로 얻은 체지방량을 표시하는 표시수단을 가지는 체지방측정장치에 있어서,
    상기 생체임피던스를 측정하기 위한 임피던스 측정수단은 전압전원과, 소정의 전압을 생체에 부여하는 1쌍의 전압공급단자와, 그 정전압전원과 생체와의 사이에 설치한 체내유입전류 측정수단과, 체내유입전류에 의하여 생긴 전압을 측정하는 생체간 전압측정수단과, 상기 체내유입전류 측정수단에 의하여 얻어진 체내유입전류와, 생체간 전압측정수단으로 얻어진 생체간 전압으로부터 생체임피던스를 산출하는 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 체지방측정장치.
  2. 피측정자의 신장 등의 신체적 데이터를 입력하는 입력수단과, 피측정자의 생체임피던스를 측정하는 임피던스 측정수단과, 피측정자의 체중을 측정하는 체중측정수단과, 입력된 신체적 데이터와 측정된 체중값 및 임피던스 측정수단으로 얻은 생체임피던스를 연산처리하여 체지방량을 산출하는 연산처리수단과, 연산처리수단으로 얻은 체지방량을 표시하는 표시수단을 가진 체중계에 있어서,
    상기 생체임피던스를 측정하기 위한 임피던스 측정수단은 전압전원과, 소정의 전압을 생체에 부여하는 1쌍의 전압공급단자와, 그 정전압전원과 생체와의 사이에 설치한 체내유입전류 측정수단과, 체내유입전류에 의하여 생긴 전압을 측정하는 생체간 전압측정수단과, 상기 체내유입전류 측정수단에 의하여 얻어진 체내유입전류와, 생체간 전압측정수단으로 얻어진 생체간 전압으로부터 생체임피던스를 산출하는 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 체중계.
  3. 제 1 항에 있어서, 체내유입전류측정수단은, 정전압전원과 생체와의 사이에 배열설치한 저항체와 이 저항체의 전압측정수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 체지방측정장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 정전압전원과 생체와의 사이에 배열설치한 저항체가 체내유입전류를 소정값 이하로 제한하는 유입전류의 제한저항을 겸하는 것을 특징으로 하는 체지방측정장치.
  5. 피측정자의 성별·신장·연령 등의 신체적 데이터를 입력하는 입력수단과, 피측정자의 체중을 측정하는 체중측정수단과, 그 체중측정수단의 재치대에 피측정자가 놓였을때, 피측정자의 양발의 바닥에 접촉할 수 있는 위치에 2쌍의 전극을 갖는 양발 사이의 생체임피던스를 측정하는 임피던스 측정수단과, 입력된 신체적 데이터와 측정된 체중값 및 양발 사이의 임피던스값을 연산처리하여 체지방량을 산출하는 연산처리수단과, 측정된 체중, 연산된 체지방량을 표시하는 표시수단을 갖는 체중계에 있어서,
    상기 생체임피던스를 측정하기 위한 임피던스 측정수단은 전압전원과, 소정의 전압을 생체에 부여하는 1쌍의 전압공급단자와, 그 정전압전원과 생체와의 사이에 설치한 체내유입전류측정수단과, 체내유입전류에 의하여 생긴 전압을 측정하는 생체간 전압측정수단과, 상기 체내유입전류측정수단에 의하여 얻어지는 체내유입전류와, 생체간 전압측정수단으로 얻어진 생체간 전압으로부터 생체임피던스를 산출하는 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 체중계.
  6. 제 1 항에 있어서, 표시장치에 「고정밀도」및 「저정밀도」를 나타내는 수단을 설치하고, 측정된 체내유입전류값(NR)이 고정밀도 보증한계값 이상의 값(NR≥NH)인 경우는, 「고정밀도」인 것을 표시하여 체지방량을 표시하고, 고정밀도 보증한계값과 측정한계값과의 사이의 값(NH>NR>NMIN)인 경우는, 「저정밀도」인 것을 표시하여 체지방량을 표시하고, 측정한계값 이하의 값(NR≤NMIN)인 경우는 「Error」를 표시함으로써 측정된 체내유입전류의 크기에 의하여 생체임피던스의 표시값의 측정정밀도의 구분표시를 행하는 것을 특징으로 하는 체지방측정장치.
  7. 제 2 항에 있어서, 체내유입전류측정수단은, 정전압전원과 생체와의 사이에 배열설치한 저항체와 이 저항체의 전압측정수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 체중계.
  8. 제 7 항에 있어서, 정전압전원과 생체와의 사이에 배열설치한 저항체가 체내유입전류를 소정값 이하로 제한하는 유입전류의 제한저항을 겸하는 것을 특징으로 하는 체중계.
  9. 제 2 항 또는 제 5 항에 있어서, 표시장치에 「고정밀도」및 「저정밀도」를 나타내는 수단을 설치하고, 측정된 체내유입전류값(NR)이 고정밀도 보증한계값 이상의 값(NR≥NH)인 경우는, 「고정밀도」인 것을 표시하여 체지방량을 표시하고, 고정밀도 보증한계값과 측정한계값과의 사이의 값(NH>NR>NMIN)인 경우는, 「저정밀도」인 것을 표시하여 체지방량을 표시하고, 측정한계값 이하의 값(NR≤NMIN)인 경우는 「Error」를 표시함으로써 측정된 체내유입전류의 크기에 의하여 생체임피던스의 표시값의 측정정밀도의 구분표시를 행하는 것을 특징으로 하는 체중계.
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