KR101604996B1 - 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치 - Google Patents

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Abstract

배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치가 개시된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치는 생체 이식 장치와의 무선 통신을 수행하는 무선 통신부; 상기 무선 통신부를 통해 생체 신호가 수신됨에 따라 상기 생체 데이터에서 방광 상태에 대응하는 데이터를 추출하는 방광 상태 데이터 추출부; 상기 추출된 데이터와 기 저장된 패턴간의 비교를 통해 방광 상태를 추정하는 방광 상태 추정부; 및 상기 추정된 방광 상태에 의거하여 자극 신호를 생성하기 위한 정보를 생성하며, 상기 생성된 정보를 상기 무선 통신부를 통해 상기 생체 이식 장치에 전송하는 자극 정보 생성부를 포함할 수 있다.

Description

배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치{APPARATUS FOR STIMULUS INFORMATION FOR URINATION CONTROL}
본 발명은 방광의 상태에 검출하여 방광에 전기 자극에 필요한 자극 정보를 생체 이식 장치에 무선으로 제공할 수 있는 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치에 관한 것이다.
의학 분야에서는 신체 일부에 전극(electrode)을 삽입하여 신체 일부를 자극하거나 신체 일부에 대한 생체 신호를 측정하는 일이 빈번하게 발생한다. 여기서, 전극은 전기적 신호를 신체 내부, 예컨대 전달하여 전기적인 자극을 일으키는 자극용 전극, 신경 신호 활동(neural activity)의 측정에 주로 이용되며 뇌에서 발생한 전기적 신호를 받아들여 외부로 전달하는 측정용 전극으로 크게 분류된다.
이러한 전극을 이용한 치료 방법이 최근 활발하게 개발되고 있다. 특히, 전극을 이용한 치료 방법이 신경 관련 질환자들에 대한 치료 방법에 적용되고 있다.
대한민국 공개특허 제2007-0105097호(2007.10.30.)
본 발명의 실시예는 생체 이식 장치에서 측정된 방광의 상태와 관련된 생체 데이터를 무선으로 수신하고, 수신된 생체 데이터의 분석을 통해 방광을 자극하기 위한 정보를 무선으로 생체 이식 장치에 전송하는 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 생체 이식 장치와의 무선 통신을 수행하는 무선 통신부; 상기 무선 통신부를 통해 생체 신호가 수신됨에 따라 상기 생체 데이터에서 방광 상태에 대응하는 데이터를 추출하는 방광 상태 데이터 추출부; 상기 추출된 데이터와 기 저장된 패턴간의 비교를 통해 방광 상태를 추정하는 방광 상태 추정부; 및 상기 추정된 방광 상태에 의거하여 자극 신호를 생성하기 위한 정보를 생성하며, 상기 생성된 정보를 상기 무선 통신부를 통해 상기 생체 이식 장치에 전송하는 자극 정보 생성부를 포함하는 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치가 제공된다.
상기 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치에서 상기 생체 신호는 상기 방광의 근육 상태에 대한 데이터이며, 상기 방광 상태 추정부는 상기 방광의 근육 상태와 기 저장된 패턴간의 비교를 통해 상기 방광의 압력을 추정할 수 있다.
상기 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치에서 상기 생체 신호는 척추 신경 세포에서 측정된 척추 신경 신호이며, 상기 방광 상태 데이터 추출부는 상기 척추 신경 신호에서 피부 자극과 관련된 신호를 추출하여 제거하여 방광 상태에 대응하는 데이터를 추출할 수 있다.
상기 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치에서 상기 방광 상태 데이터 추출부는 기 설정된 척추 신경 세포 집단간의 기능성 연결 패턴을 통해 상기 척추 신경 신호에서 상기 방광의 팽창과 피부 자극에 관련된 신호를 분리하여 상기 피부 자극에 관련된 신호를 제거할 수 있다.
상기 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치에서 상기 생체 신호는 다중 신경 신호이며, 상기 자극 정보 제공 장치는 상기 다중 신경 신호에서 특징을 추출하고, 상기 특징에 의거하여 신호의 패턴을 분류한 후 이를 상기 방광 상태 데이터 추출부에 제공하는 신경 신호 전처리부를 더 포함하며, 상기 방광 상태 데이터 추출부는 상기 신경 신호 전처리부에서 출력되는 데이터를 기반으로 방광 상태에 대응하는 데이터를 추출할 수 있다.
상기 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치에서 상기 신경 신호 전처리부는 상기 다중 신경 신호에서 특징 파형을 검출하는 특징 검출기; 상기 특징 파형에서 특징을 추출한 후 상기 다중 신경 신호의 차원을 감소시키는 특징 추출 및 차원 감소기; 상기 추출된 특징을 기반으로 상기 다중 신경 신호의 패턴을 분류하는 패턴 분류기; 및 상기 패턴이 분류된 다중 신경 신호를 압축하여 상기 방광 상태 데이터 추출부에 제공하는 압축기를 포함할 수 있다.
상기 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치에서 상기 정보는 자극 신호 생성과 관련된 자극 주기, 자극 크기 및 진폭 중 적어도 하나 이상이며, 상기 생체 이식 장치는 상기 정보를 기반으로 자극의 DC 레벨이 조정된 신호와 자극 펄스 신호를 생성하여 상기 방광에 인가할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 생체 이식 장치로부터 방광 상태에 따른 생체 신호를 무선으로 수신한 후 이에 대응하는 자극 정보를 생체 이식 장치에 전송할 수 있는 자극 정보 제공 장치를 제공함으로써, 방광의 상태에 의거하여 배뇨를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 배뇨 장애를 해결할 수 있기 때문에 약제비, 교통비, 간접비 등 요실금으로 인한 사회적 비용이 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배뇨 조절을 위한 바이오닉 시스템을 도시한 도면
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치의 구성을 도시한 블록도이다
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치의 동작 방법을 도시한 흐름도
도 4은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치의 구성을 도시한 블록도이다
이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 대한 설명에 앞서, 본 발명과 관련된 용어에 대해 설명하면 아래와 같다.
또한, 본 발명의 실시예에서 설명되는 생체 이식 장치는 신경 신호를 기초로 하여 배뇨 장애를 해결하거나 방광 근육의 상태를 기반으로 배뇨 장애를 해결하기 위한 것이다. 여기에서, 배뇨 장애는 정상적 배뇨형태를 벗어난 일체 배뇨행위로, 야간뇨, 빈뇨, 잔뇨, 절박뇨, 요실금 등을 의미할 수 있다. 구체적으로, 1급성 척추절단증으로 척추 쇼크에 빠졌을 때는 병변 하부에 이완성 마비와 함께 배뇨반사도 소실하며, 요잔류가 심해지고 범람성 요실금이 나타난다.
배뇨장애의 원인으로는 크게 저장 기능의 장애, 배출 기능의 장애 등을 들 수 있다.
먼저, 저장기능의 장애는 척수 손상, 뇌졸증, 뇌종양 등으로 양측 대뇌전엽의 손상 또는 상부 척수의 수막종, 다발성 경화증 등 질환으로 배뇨반사 억제충동이 천골배뇨중추에 전달되지 못하면, 2세 이하의 소아에서와 같이 반사적으로 방광이 수축하여 무의식적으로 배뇨를 하는 요실금, 빈뇨, 요의절박의 증상이 나타나게 된다.
저장기능의 장애로 척수 손상, 뇌졸증과 같은 신경장애, 방광 만성 염증, 방광의 수축성 경련, 방광의 용적감소 등이 있다.
배출기능의 장애는 당뇨나 척수 손상 등의 신경장애로서, 전립선비대증, 요도손상으로 노화와 높은 연관성이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 배뇨 장애를 해결하기 위한 생체 이식 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배뇨 조절을 위한 바이오닉 시스템(100)을 도시한 도면이다.
도 1의 바이오닉 시스템(100)은 생체 이식 장치(120) 및 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)를 포함할 수 있다.
생체 이식 장치(120)는 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)와 무선으로 통신을 수행할 수 있다. 구체적으로, 생체 이식 장치(120)는 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)에 방광의 상태에 대응하는 생체 신호를 무선으로 전송한 후 이에 대한 응답으로 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)로부터 자극 정보를 무선으로 수신할 수 있다.
이를 위하여 본 발명의 실시예에 따른 생체 이식 장치(120)는 생체 신호를 획득하기 위한 측정용 센서(122), 자극 신호를 인가하기 위한 자극용 센서(124) 및 이식용 무선 통신부(126) 등을 구비할 수 있다.
측정용 센서(122) 및 자극용 센서(124)는 전극(needle) 타입의 센서 어레이로 구성될 수 있다.
측정용 센서(122)는 신체의 일부분에서 생체 신호를 센싱한 후 이를 이식용 무선 통신부(126)를 통해 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)에 전송할 수 있다. 구체적으로, 측정용 센서(122)는 방광 근육에서 생체 신호를 센싱하거나 척추 신경에서 생체 신호를 센싱할 수 있다.
자극용 센서(124)는 방광에 연결되어 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)로부터 수신한 자극 정보에 대응하는 자극 신호를 생성하며, 생성된 자극 신호를 방광에 인가할 수 있다. 이를 통해 사용자는 배뇨를 수행할 수 있다.
이러한 자극용 센서(124)는 방광의 근육에 연결될 수 있다.
배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)는 측정용 센서(122)로부터 생체 신호를 무선으로 수신하며, 수신된 생체 신호에 기반하여 자극 정보를 생성한 후 자극 정보를 생체 이식 장치(120)에 무선으로 전송할 수 있다.
소정의 실시예에 따른 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)의 세부 구성 및 동작에 대해서는 도 2 내지 도4를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)의 세부 구성을 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)는 무선 통신부(210), 방광 상태 데이터 추출부(212), 방광 상태 추정부(214) 및 자극 정보 생성부(216) 등을 포함할 수 있다.
무선 통신부(210)는 생체 이식 장치(120)의 이식용 무선 통신부(126)와 무선 통신을 수행할 수 있다. 구체적으로, 무선 통신부(210)는 지그비, 블루투스, IR 통신, RF 등과 같은 근거리 무선 통신을 이용하여 생체 이식 장치(120)로부터 생체 신호를 수신하며, 수신된 생체 신호를 기반으로 생성된 자극 정보를 전송할 수 있다.
방광 상태 데이터 추출부(212)는 생체 신호에 대한 분석을 수행하여 방광 상태에 대응하는 데이터(이하, '방광 상태 데이터'라고 함)를 추출할 수 있다.
예를 들어, 생체 이식 장치(120)로부터 수신된 생체 신호가 척추 신경 세포에 근거한 척추 신경 신호인 경우 방광 상태 데이터 추출부(212)는 척추 신경 세포 집단간의 기능성 연결 패턴을 통해서 방광 팽창과 피부 자극에 관련된 신호를 분리하며, SVM(Support Vector Machine) 기계 학습 알고리즘을 이용하여 방광 팽창에 관련된 신호만을 분리할 수 있다.
한편, 생체 이식 장치(120)로부터 수신되는 생체 신호가 방광 근육과 관련된 신호인 경우, 즉 생체 이식 장치(120)가 방광 근육에 연결된 경우 방광 상태 데이터 추출부(212)는 방광 근육의 상태를 근거하여 방광 상태 데이터에 해당하는 방광 팽창 상태를 추출할 수 있다.
방광 상태 추정부(214)는 방광 상태 데이터와 기 저장된 패턴을 기반으로 방광 상태를 추정할 수 있다. 구체적으로, 방광 상태 추정부(214)는 다중 선행 회귀 분석을 통해 척수 신경 신호로부터 방광 부피를 추정하여 방광의 찬 상태를 추정하거나 방광 팽창 상태에 기반하여 방광의 찬 상태를 추정할 수 있다.
또한, 방광 상태 추정부(214)는 방광이 찬 상태일 경우 자극 정보 생성부(216)에 자극 정보의 생성을 요청할 수 있다.
자극 정보 생성부(216)는 방광 상태 추정부(214)의 요청에 응답하여 자극 정보를 생성한 후 이를 무선 통신부(210)를 통해 생체 이식 장치(120)로 전송할 수 있다. 소정의 실시예에서 자극 정보는 자극의 크기, 주기, 지연 주기 등을 포함할 수 있다.
한편, 자극 정보 생성부(216)는 생체 이식 장치(120)의 사용자 상태를 고려하여 자극 정보를 생성할 수도 있다. 구체적으로, 자극 정보 생성부(216)는 기 저장된 사용자 건강 상태를 고려하여 자극의 크기, 주기, 지연 주기 등의 자극 정보를 생성할 수도 있다.
상기와 같은 자극 정보 생성부(216)에 의해 생성된 자극 정보를 수신한 생체 이식 장치(120)는 자극 정보를 기반으로 자극의 DC 레벨이 조정된 신호와 자극 펄스 신호를 생성한 후 이를 자극용 센서(124)를 통해 방광에 인가할 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)의 동작 방법(300)에 대해서 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배뇨 조절용 자극 제공 장치(110)의 동작 방법(300)을 도시한 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)는 무선 통신부(210)를 통해 생체 이식 장치(120)와의 무선 통신을 수행하여 생체 신호를 수신한다(단계 302). 구체적으로, 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)는 방광의 근육에 부착된 생체 이식 장치(120)로부터 방광 근육과 관련된 생체 신호를 수신한다.
그런 다음, 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)는 방광 상태 데이터 추출부(212)를 이용하여 생체 신호에서 방광 근육의 상태에 대응하는 신호를 추출한다(단계 304).
그리고 나서, 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)는 방광 상태 추정부(214)를 이용하여 추출된 신호와 기 저장된 패턴간의 비교를 통해 방광의 상태가 찬 상태인지를 판단한다(단계 306).
단계 306의 판단 결과, 방광의 상태가 찬 상태인 경우 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(110)는 자극 정보 생성부(216)를 이용하여 자극 정보를 생성하며(단계 308), 생성된 자극 정보를 무선 통신부(210)를 통해 생체 이식 장치(120)에 전송한다(단계 310). 이에 따라, 생체 이식 장치(120)는 자극용 센서(124)를 이용하여 방광의 근육에 자극을 줄 수 있다.
한편, 생체 이식 장치(120)로부터 수신되는 생체 신호가 척추 신경 신호인 경우 신경 신호의 특징 정보를 추출하기 위한 신경 신호 전처리를 수행하게 된다. 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 방광 상태 데이터 추출부(212) 전단에 신경 신호 전처리부(410)를 더 포함할 수 있다.
도 4은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치(400)의 구성을 도시한 블록도이다. 도 2을 참조하여 설명하였던 본 발명의 제1 실시예에서의 구성요소와 대응되는 구성요소는, 제1 실시예에서 설명한 바와 동일 또는 유사한 기능을 수행하므로, 이에 대한 보다 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 방광 상태 데이터 추출부(212)는 신경 신호 전처리부(410)에 의해 전처리 과정을 거친 신호를 기초하여 방광 상태 데이터를 추출한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 신경 신호 전처리부(410)는 특징 검출기(412), 특징 추출 및 차원 감소기(414), 패턴 분류기(416) 및 압축기(418) 등을 포함할 수 있다.
특징 검출기(412)는 생체 이식 장치(120)에서 측정된 모든 신경 신호(다중 신경 신호)를 무선 통신부(210)를 통해 수신하며, 수신된 다중 신경 신호에서 활동 전위 및 특징 파형을 검출할 수 있다.
특징 추출 및 차원 감소기(414)는 특징 파형으로부터 특징을 추출하고, 대용량의 신경 신호에 대한 차원을 감소시킨다.
패턴 분류기(416)는 추출된 특징을 기반으로 하여 다중 신경 신호에 대한 패턴을 분류할 수 있다.
압축기(418)는 패턴이 분류된 다중 신경 신호를 압축하여 방광 상태 데이터 추출부(212)에 제공할 수 있다. 이에 따라, 방광 상태 데이터 추출부(212)는 다중 신경 신호에 대한 패턴과 기 설정된 패턴간의 비교를 통해 방광 상태에 관련된 신경 신호만을 추출할 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 바이오닉 시스템
110, 400 : 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치
120 : 생체 이식 장치
122 : 측정용 센서
124 : 자극용 센서
126 : 이식용 무선 통신부
210 : 무선 통신부
212 : 방광 상태 데이터 추출부
214 : 방광 상태 추정부
216 : 자극 정보 생성부
410 : 신경 신호 전처리부
412 : 특징 검출기
414 : 특징 추출 및 차원 감소기
416 : 패턴 분류기
418 : 압축기

Claims (7)

  1. 생체 이식 장치와의 무선 통신을 수행하는 무선 통신부;
    상기 무선 통신부를 통해 생체 신호가 수신됨에 따라 생체 데이터에서 방광 상태에 대응하는 데이터를 추출하는 방광 상태 데이터 추출부;
    상기 추출된 데이터와 기 저장된 패턴간의 비교를 통해 방광 상태를 추정하는 방광 상태 추정부; 및
    상기 추정된 방광 상태에 의거하여 자극 신호를 생성하기 위한 정보를 생성하며, 상기 생성된 정보를 상기 무선 통신부를 통해 상기 생체 이식 장치에 전송하는 자극 정보 생성부를 포함하며,
    상기 생체 데이터는 척추 신경 세포에서 측정된 척추 신경 신호이며,
    상기 방광 상태 데이터 추출부는 상기 척추 신경 신호에서 피부 자극과 관련된 신호를 추출하여 제거하여 방광 상태에 대응하는 데이터를 추출하는, 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생체 신호는 상기 방광의 근육 상태에 대한 데이터이며,
    상기 방광 상태 추정부는 상기 방광의 근육 상태와 기 저장된 패턴간의 비교를 통해 상기 방광의 압력을 추정하는, 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방광 상태 데이터 추출부는
    기 설정된 척추 신경 세포 집단간의 기능성 연결 패턴을 통해 상기 척추 신경 신호에서 상기 방광의 팽창과 피부 자극에 관련된 신호를 분리하여 상기 피부 자극에 관련된 신호를 제거하는, 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 생체 신호는 다중 신경 신호이며,
    상기 자극 정보 제공 장치는
    상기 다중 신경 신호에서 특징을 추출하고, 상기 특징에 의거하여 신호의 패턴을 분류한 후 이를 상기 방광 상태 데이터 추출부에 제공하는 신경 신호 전처리부를 더 포함하며,
    상기 방광 상태 데이터 추출부는 상기 신경 신호 전처리부에서 출력되는 데이터를 기반으로 방광 상태에 대응하는 데이터를 추출하는, 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 신경 신호 전처리부는
    상기 다중 신경 신호에서 특징 파형을 검출하는 특징 검출기;
    상기 특징 파형에서 특징을 추출한 후 상기 다중 신경 신호의 차원을 감소시키는 특징 추출 및 차원 감소기;
    상기 추출된 특징을 기반으로 상기 다중 신경 신호의 패턴을 분류하는 패턴 분류기; 및
    상기 패턴이 분류된 다중 신경 신호를 압축하여 상기 방광 상태 데이터 추출부에 제공하는 압축기를 포함하는, 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 정보는 자극 신호 생성과 관련된 자극 주기, 자극 크기 및 진폭 중 적어도 하나 이상이며,
    상기 생체 이식 장치는 상기 정보를 기반으로 자극의 DC 레벨이 조정된 신호와 자극 펄스 신호를 생성하여 상기 방광에 인가하는, 배뇨 조절용 자극 정보 제공 장치.
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