KR102082390B1 - 인공혈관 벽 내부에 이식되는 바이오 센싱 장치 - Google Patents
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Abstract
인공혈관에 연관된다. 보다 상세하게는 다이폴 안테나의 특정 파라미터를 측정하거나, 인공혈관의 내벽을 감싸도록 배치되는 캐패시터를 이용하여 캐패시턴스를 측정하는 센서부, 상기 센서부가 측정하는 상기 특정 파라미터나 캐패시턴스를 이용하여 혈당 수치를 계산하는 계산부 및 코일을 이용하여 무선으로 전력과 데이터를 송수신하는 통신부를 포함하고, 상기 센서부, 계산부, 통신부는 인공혈관의 외벽과 내벽 사이에 배치된다.
Description
생체 신호를 측정하는 의료기기에 연관되며, 보다 특정하게는 인체에 이식되는 인공혈관에 부착되어 비침습적으로 사람의 혈당 등을 측정하는 시스템에 연관된다.
체내에 들어가는 바이오 센싱 시스템은 안전 때문에 그 장치를 코팅하는 재료에 대하여 까다로운 규정과 제약 조건들이 존재한다. 방수 특성뿐만 아니라, 인체에 무해하도록 유해성을 고려한 코팅이 필요하다.
따라서 인공혈관에 바이오 센싱 시스템을 이식하는데 있어서, 안전성과 시스템의 완성도를 높일 수 있는 방법이 요구된다.
일실시예에 따르면 다이폴 안테나의 특정 파라미터를 측정하는 센서부; 상기 센서부가 측정하는 상기 특정 파라미터를 이용하여 혈당 수치를 계산하는 계산부; 및 코일을 이용하여 무선으로 전력과 데이터를 송수신하는 통신부를 포함하고, 상기 센서부, 계산부, 통신부는 인공혈관의 외벽과 내벽 사이에 배치되는 혈당 측정이 가능한 인공혈관이 개시된다.
다른 일실시예에 따르면 상기 특정 파라미터는 상기 다이폴 안테나의 S11 파라미터 정보인 혈당 측정이 가능한 인공혈관이 제시된다.
또 다른 일실시예에 따르면 상기 데이터는, 상기 계산부에 의해 계산되는 혈당 수치일 수 있다.
다른 일실시예에 따르면 상기 통신부는, 상기 혈당 측정 장치의 외부로부터 무선으로 전력을 수신하여 상기 계산부 및 센서부로 공급하고, 상기 계산부에 의해 계산되는 혈당 수치를 송신하는 혈당 측정이 가능한 인공혈관도 개시된다.
일실시예에 따르면 상기 인공혈관의 내벽과 외벽은, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)으로 형성될 수 있고, 상기 인공혈관의 내벽과 외벽 사이의 두께는 1mm 이내일 수 있다.
일측에 따르면 인공혈관의 내벽을 감싸도록 배치되는 캐패시터를 이용하여 캐패시턴스를 측정하는 센서부; 상기 캐패시터가 측정하는 상기 캐패시턴스를 이용하여 혈당 수치를 계산하는 계산부; 및 코일을 이용하여 무선으로 전력과 데이터를 송수신하는 통신부를 포함하고, 상기 센서부, 계산부, 통신부는 인공혈관의 외벽과 내벽 사이에 배치되는 혈당 측정이 가능한 인공혈관이 제시된다.
다른 일측에 따르면 상기 데이터는, 상기 계산부에 의해 계산되는 혈당 수치인 혈당 측정이 가능한 인공혈관도 제시된다.
또 다른 일측에 따르면 상기 통신부는, 상기 혈당 측정 장치의 외부로부터 무선으로 전력을 수신하여 상기 계산부 및 센서부로 공급하고, 상기 계산부에 의해 계산되는 혈당 수치를 송신할 수 있다.
다른 일측에 따르면 상기 인공혈관의 내벽과 외벽은, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)으로 형성되는 혈당 측정이 가능한 인공혈관이 개시된다.
일측에 따르면 상기 인공혈관의 내벽과 외벽 사이의 두께는 1mm 이내일 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 인공혈관의 단면도를 도시한다.
도 2는 일실시예에 따른 캐패시터 센서부를 포함하는 인공혈관의 측면도를 도시한다.
도 3은 일실시예에 따른 인공혈관의 구조도이다.
도 4는 일실시예에 따른 다이폴 안테나 센서부를 포함하는 인공혈관의 측면도를 도시한다.
도 5는 일실시예에 따른 무선코일 통신부를 포함하는 인공혈관의 측면도를 도시한다.
도 2는 일실시예에 따른 캐패시터 센서부를 포함하는 인공혈관의 측면도를 도시한다.
도 3은 일실시예에 따른 인공혈관의 구조도이다.
도 4는 일실시예에 따른 다이폴 안테나 센서부를 포함하는 인공혈관의 측면도를 도시한다.
도 5는 일실시예에 따른 무선코일 통신부를 포함하는 인공혈관의 측면도를 도시한다.
이하에서, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 권리범위는 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
도 1은 일실시예에 따른 인공혈관의 단면도를 도시한다. 인공혈관(100)은 내벽과 외벽 사이에 배치되는 계산부(110) 및 센서부(120)를 포함한다. 도 1은 계산부(110)와 센서부(120)가 인공혈관의 내벽 및 외벽 사이에 배치되는 모습을 단면도를 이용하여 표현한다.
인공혈관(100)의 내부에는 플렉서블 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)에 센서부(120), 계산부(110) 및 통신부를 포함할 수 있다.
인공혈관(100)은 예시적으로 그러나 한정되지 않게 동맥과 정맥 사이에 위치하여, 혈액이 이동할 수 있는 통로 역할을 할 수 있다. 상기 인공혈관(100)의 내벽과 외벽 사이에는 계산부(110) 및 센서부(120)가 배치되어, 상기 인공혈관(100)을 흐르는 혈액의 혈당 농도를 측정할 수 있다.
계산부(110)는 센서부(120)가 측정하는 파라미터를 이용하여 혈당 농도를 계산할 수 있다. 상기 센서부(120)의 구성에 따라 다른 파라미터를 이용하여 계산될 수 있다. 예를 들어 상기 센서부(120)가 캐패시터를 이용하여 캐패시턴스를 측정하는 경우에는 캐패시턴스 값을 이용해 혈당 농도를 계산할 수 있다. 또는 상기 센서부(120)가 다이폴 안테나를 이용하여 상기 다이폴 안테나의 S11 파라미터를 측정하는 경우에는 S11 파라미터 값을 이용하여 혈당 농도를 계산하는 방법도 가능하다.
센서부(120)는 인공혈관의 내벽과 외벽 사이에 배치되며, 다이폴 안테나 형태의 센서인 경우에는 상기 안테나의 S11 파라미터를 측정한다. 또는 캐패시터 센서인 경우에는 캐패시터의 캐패시턴스를 측정할 수 있다.
인공혈관은 통신부(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 예시적으로 그러나 한정되지 않게 무선통신을 위한 코일 형태로 구성될 수 있다. 상기 코일 형태의 통신부도 마찬가지로 인공혈관의 내벽과 외벽 사이에 위치할 수 있다. 통신부에 관해서는 도 5에서 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 일실시예에 따른 캐패시터 센서부를 포함하는 인공혈관의 측면도를 도시한다. 도 2는 계산부(210)와 센서부(220)가 인공혈관(200)의 내벽 및 외벽 사이에 배치되는 모습을 측면도를 이용하여 표현한다.
센서부(220)는 인공혈관의 내벽과 외벽 사이에 배치되는 캐패시터를 포함한다. 상기 캐패시터는 인공혈관(200)의 내벽을 감싸는 형태로 형성되며, 인공혈관(200)의 내벽과 그 내부의 공간에 대한 캐패시턴스를 측정한다. 인공혈관은 성질이 변하지 않으므로, 캐패시턴스는 인공혈관 내부에 흐르는 혈액에 의해 변화한다. 특히 혈액의 구성 중 혈당량에 따라 캐패시턴스가 변화하게 된다.
구체적으로, 상기 캐패시터의 캐패시턴스 값은 인공혈관(200) 내부에 흐르는 혈당량에 따라서 변화한다. 인공 혈관(200)이 인체에 삽입되는 경우에 혈관 내에는 혈액이 흐르게 된다. 혈액은 혈장, 혈구 및 혈소판을 포함하고, 혈구는 적혈구와 백혈구를 포함한다. 일반적으로 혈액이 흐르더라도 특정 부위의 혈구 및 혈소판 수치는 크게 변화하지 않기 때문에 캐패시턴스 값에 큰 영향을 주지 못한다. 반면에 혈장에 포함되는 혈당의 경우에는 식사 여부 등에 따라 70 mg/dL 부터 400 mg/dL 까지 변화할 수 있다. 따라서 인공 혈관의 캐패시던스 값에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 혈당이라고 할 수 있다.
계산부(210)는 측정되는 캐패시턴스 값을 혈당 수치로 변환할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 앞서 설명한 대로 인공혈관(200)의 캐패시턴스 값은 혈당량에 직접적으로 연관되기 때문에 캐패시턴스 값을 이용하여 혈당 수치를 계산할 수 있다.
일실시예에 따른 캐패시턴스 값과 혈당 수치의 상관관계를 나타낸 표 1을 살펴본다.
| 혈당 수치 (mg/dL) | 캐패시턴스 (pF) |
| 0 | 0.273 |
| 100 | 0.32 |
| 200 | 0.35 |
| 300 | 0.37 |
상기 표 1은 인공혈관(200) 내부에 혈액이 흐르는 경우를 가정하여 유속을 주고 혈당 수치에 따른 캐패시턴스를 측정한 값을 나타내었다. 혈당 수치는 혈액 내에 녹아있는 혈당의 양으로서, 농도를 의미한다. 단위는 mg/dL 로 나타내었다.캐패시턴스의 경우 센서부가 측정하는 캐패시턴스 값이며, 단위는 pF(피코패럿)로 표현하였다.
표 1을 살펴보면 혈당 수치가 증가함에 따라 캐패시턴스 값이 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다.
일실시예에 따른 캐패시턴스 값과 혈당 수치의 상관관계를 나타낸 다른 표 2를 살펴본다.
| 혈당 수치 (mg/dL) | 캐패시턴스 (pF) |
| 0 | 0.3 |
| 100 | 0.36 |
| 200 | 0.38 |
| 300 | 0.41 |
상기 표 2는 인공혈관(200) 내부에 혈액이 흐르지 않는 경우를 가정하여 흐름이 없는 상태의 혈당 수치에 따른 캐패시턴스를 측정한 값을 나타내었다. 표 1과 마찬가지로 혈당 수치는 mg/dL로, 캐패시턴스는 pF로 나타내었다.표 2에서도 상기 표 1과 같이 혈당 수치가 증가함에 따라 캐패시턴스 값이 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다. 다만 측정되는 캐패시턴스의 절대값은 유의미하게 증가하였다. 정체되어 있는 경우보다 혈액이 흐르는 경우에 캐패시턴스 값이 더 낮은 것을 알 수 있다.
계산부(210)는 위 표와 같이 미리 측정되는 혈당에 따른 캐패시턴스 데이터를 이용하여 그에 대응하는 혈당 수치를 계산한다. 예시적으로 인공혈관(200)에 혈액이 흐르는 경우의 표 1에 대응하여, 센서부에서 측정되는 캐패시턴스 값이 0.32pF인 경우에 혈당을 100mg/dL이라고 계산할 수 있다. 이는 예시적일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 사용자에게 실제 측정하고 보정을 수행하는 것도 가능하다.
도 3은 일실시예에 따른 인공혈관의 구조도이다. 인공혈관(300)은 앞서 설명한 대로 계산부(310), 센서부(320) 및 통신부(330)로 구성될 수 있다.
센서부(320)는 다이폴 안테나 센서 또는 캐패시터 센서로 구성될 수 있다. 구성되는 센서의 종류에 따라서 상기 센서부(320)가 측정하는 값은 달라질 수 있다. 예를 들어 다이폴 안테나 센서인 경우에는 다이폴 안테나의 S11 파라미터일 수 있고, 캐패시터 센서인 경우에는 캐패시턴스를 측정할 수 있다.
계산부(310)는 마찬가지로 센서부의 종류에 따라 측정되는 값을 혈당 수치로 변환할 수 있다. 상기 센서부(320)가 다이폴 안테나 센서인 경우에는 S11 파라미터 값을 혈당으로 변환하고, 캐패시터 센서인 경우에는 캐패시턴스 값을 혈당으로 변환할 수 있다.
통신부(123)는 코일을 이용하여 무선으로 전력을 수신하고, 데이터를 송신할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 코일은 전자기 유도 방식을 이용하여 전력을 외부로부터 수신할 수 있다. 따라서 혈당 측정 장치(120)는 별도의 배터리를 포함하지 않을 수 있다.
상기 통신부(330)는 외부로부터 무선으로 전력을 수신하여 계산부(310) 및 센서부(320)로 전달한다. 전달받은 전력을 이용하여 상기 계산부(310) 및 센서부(320)가 동작한다. 상기 계산부(310)에 의해 계산되는 혈당 수치는 통신부(330)로 전달되고, 상기 통신부(330)가 상기 혈당 수치를 외부로 송신한다. 상기 통신부는 전력을 수신하는 경우와 마찬가지로 동일한 코일을 이용하여 상기 혈당 수치를 외부로 송신한다.
도 4는 일실시예에 따른 다이폴 안테나 센서부를 포함하는 인공혈관의 측면도를 도시한다. 인공혈관(400)은 계산부(410)와 센서부(420)를 포함한다.
상기 센서부(420)는 예시적으로 다이폴 안테나 센서인 경우를 도시한다. 따라서 상기 센서부(420)는 다이폴 안테나를 포함할 수 있고 상기 다이폴 안테나의 특정 파라미터를 측정한다. 상기 특정 파라미터는 예시적으로 그러나 한정되지 않게, S11 파라미터일 수 있다. S11 파라미터란 상기 다이폴 안테나에서 송신하는 신호가 반사되어 다시 상기 다이폴 안테나로 수신되는 신호의 크기를 의미한다.
상기 S11 파라미터는 인공혈관(400) 내부에 흐르는 혈당량에 따라 변화한다. 인공 혈관(400)이 동맥과 정맥 사이에 배치되는 경우에, 상기 인공 혈관(400) 내부에 혈액이 흐르게 된다. 혈액은 혈장, 혈구 및 혈소판을 포함하고, 혈구는 적혈구와 백혈구를 포함한다. 일반적으로 혈액이 흐르더라도 특정 부위의 혈구 및 혈소판 수치는 크게 변화하지 않기 때문에 S11 파라미터에 큰 영향을 주지 못한다. 반면에 혈장에 포함되는 혈당의 경우에는 식사 여부 등에 따라 70 mg/dL부터 400 mg/dL까지 변화할 수 있다. 따라서 인공혈관의 S11 파라미터에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 혈당이다.
계산부(410)는 상기 센서부(420)에서 측정되는 특정 파라미터, 예시적으로 S11 파라미터를 이용하여 인공혈관(400) 내부의 혈당 수치를 계산할 수 있다.
구체적으로, 측정되는 상기 다이폴 안테나의 S11 파라미터를 임피던스 값으로 변환하고, 상기 임피던스 값을 혈당 수치로 계산할 수 있다. 즉, S11 파라미터는 임피던스 값으로 변환될 수 있고, 상기 임피던스 값은 혈당 수치로 변환될 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 무선코일 통신부를 포함하는 인공혈관의 측면도를 도시한다. 통신부(530)는 인공혈관(500) 내부에 위치하며, 무선 통신을 위한 코일을 포함할 수 있다.
통신부(530)는 계산부(510) 및 센서부(미도시)에 전력을 공급하고, 측정되는 혈당 수치를 송신할 수 있다. 인공혈관 내에 존재하는 장치의 특성상 지속적인 작동을 위해서 배터리를 내장하는 형태보다는 혈당 측정시에만 무선으로 전력을 공급하는 것이 유리하다.
무선 전력 전송(Wireless Power Transfer)에는 일반적으로 3가지 방식이 존재한다. 유도 커플링(Inductive Coupling) 방식, 자기공명(Magnetic Resonance) 방식 그리고 전자기(Electromagnetic) 방식이다. 이 중에서 자기공명(Magnetic Resonance) 방식을 이용한다. 자기공명 방식은 도달 거리가 수 cm 에서 수 m 에 이르고, 주변 환경에 영향을 덜 받기 때문에 인체를 투과하여 전력을 전송하기에 적합하다.
자기공명 방식을 사용하는 경우에 총 4개의 코일이 존재할 수 있다. 전력 코일(Power Coil), 제1 코일, 제2 코일 그리고 부하 코일(Load Coil)이다. 통신부(240)는 상기 제2 코일 및 부하 코일로 구성된다. 전력 코일은 외부에 존재하며 전력을 공급해주는 코일이며, 통신부(240)는 체내에 삽입되는 혈당 측정 장치(200)에 배치되어 전력을 전송 받을 수 있다. 상기 제1 코일 및 제2 코일은 송수신의 효율을 높여주기 위한 코일이다. 상기 제1 코일과 제2 코일은 고주파 전류로 인한 무선 전력 전송 효율을 높이기 위해 전도율(Conductivity)이 높은 재료를 사용한다. 따라서 전원에 의해 전력이 전원 코일로 야기되고, 상기 제1 코일에 자기 유도 방식으로 전달된다. 상기 제1 코일은 공진을 통해 전력을 저장하고 있다가 상기 제2 코일로 전력을 전달한다. 자기공명(Magnetic Resonance) 현상을 이용해 상기 제1 코일과 제2 코일 간에 전력을 전달함에 있어서, 두 공진 코일을 동일하게 하는 경우에 무선 전력 전송의 효율을 증가시킬 수 있다. 마지막으로 상기 제2 코일은 다시 부하 코일(Load Coil)로 자기 유도 방식으로 전력을 전달하게 된다.
상기 설명한 방식으로 통신부(530)가 전력을 수신하여 계산부(510) 및 센서부(미도시)로 전달할 수 있다. 상기 계산부(510) 및 센서부는 상기 통신부(530)로부터 전력을 수신하여 동작할 수 있다. 또한 상기 통신부(530)는 전력뿐만 아니라 동일한 코일로 상기 계산부(510)가 계산하는 데이터를 외부로 송신하는 것도 가능하다.
일실시예에 따라 인공혈관의 내벽과 외벽 사이에 혈당 측정을 위한 구성들을 포함함으로써 별도의 코팅을 필요로 하지 않을 수 있다. 즉, 인공혈관의 내벽과 외벽 사이에 센서부, 계산부, 통신부 등을 포함하게 되면 인공혈관 자체가 코팅의 역할을 수행하게 된다. 따라서 별도의 방수, 유해성 등을 고려한 코팅이 필요하지 않고 인공혈관의 이식만으로 혈당 측정이 가능한 효과가 있다.
일실시예에 따른 인공혈관은 초소형 배터리를 인공혈관의 내벽과 외벽 사이에 포함하는 방법도 있으나, 통신부를 이용하여 별도의 배터리 없이 무선 전력 전송 방법을 이용해 동작하는 것도 가능하다.
예를 들어 혈당 수치를 측정하고자 하는 시점에 인체 외부에서 이식된 인공혈관 주위로 무선 전력 전송 및 데이터 송수신 코일을 근접하게 함으로써 혈당 측정 시스템이 동작할 수 있다.
실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100, 200, 300, 400, 500: 인공혈관
110, 210, 310, 410, 510: 계산부
120, 220, 320, 420: 센서부
330, 530: 통신부
110, 210, 310, 410, 510: 계산부
120, 220, 320, 420: 센서부
330, 530: 통신부
Claims (11)
- 다이폴 안테나의 특정 파라미터를 측정하는 센서부;
상기 센서부가 측정하는 상기 특정 파라미터를 이용하여 혈당 수치를 계산하는 계산부; 및
코일을 이용하여 무선으로 전력과 데이터를 송수신하는 통신부
를 포함하고,
상기 센서부, 계산부, 통신부는 인공혈관의 외벽과 내벽 사이에 배치되며,
상기 인공혈관의 내벽과 외벽은,
폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)으로 형성되는,
혈당 측정이 가능한 인공혈관.
- 제1항에 있어서,
상기 특정 파라미터는 상기 다이폴 안테나의 S11 파라미터 정보인 혈당 측정이 가능한 인공혈관.
- 제2항에 있어서,
상기 데이터는,
상기 계산부에 의해 계산되는 혈당 수치인 혈당 측정이 가능한 인공혈관.
- 제3항에 있어서,
상기 통신부는,
상기 혈당 측정 장치의 외부로부터 무선으로 전력을 수신하여 상기 계산부 및 센서부로 공급하고, 상기 계산부에 의해 계산되는 혈당 수치를 송신하는 혈당 측정이 가능한 인공혈관.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 인공혈관의 내벽과 외벽 사이의 두께는 0mm 초과 1mm 이내인 혈당 측정이 가능한 인공혈관.
- 인공혈관의 내벽을 감싸도록 배치되는 캐패시터를 이용하여 캐패시턴스를 측정하는 센서부;
상기 캐패시터가 측정하는 상기 캐패시턴스를 이용하여 혈당 수치를 계산하는 계산부; 및
코일을 이용하여 무선으로 전력과 데이터를 송수신하는 통신부
를 포함하고,
상기 센서부, 계산부, 통신부는 인공혈관의 외벽과 내벽 사이에 배치되며,
상기 인공혈관의 내벽과 외벽은,
폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)으로 형성되는
혈당 측정이 가능한 인공혈관.
- 제7항에 있어서,
상기 데이터는,
상기 계산부에 의해 계산되는 혈당 수치인 혈당 측정이 가능한 인공혈관.
- 제8항에 있어서,
상기 통신부는,
상기 혈당 측정 장치의 외부로부터 무선으로 전력을 수신하여 상기 계산부 및 센서부로 공급하고, 상기 계산부에 의해 계산되는 혈당 수치를 송신하는 혈당 측정이 가능한 인공혈관.
- 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 인공혈관의 내벽과 외벽 사이의 두께는 0mm 초과 1mm 이내인 혈당 측정이 가능한 인공혈관.
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