CN111068179A - 一种柔性无源无线电刺激贴片及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种柔性无源无线电刺激贴片，它包括：基底层、近场通讯组件、控制电路组件、粘附层、电刺激电极；近场通讯组件包括用于从具有近场通讯功能的移动终端或是有射频功能的设备获取无线传输的能量的近场通讯线圈，能量经由近场通讯驱动芯片处理后输出稳定的功率；控制电路组件包括微控制器、数模转换芯片及波形发生电路，数模转换芯片将微控制器发出的数字信号转化成模拟电压信号，波形发生电路将模拟电压信号转化为相应的波形；粘附层固定在基底层的下表面；电刺激电极印刷在粘附层同侧；稳定的功率经由模数转换芯片和波形发生电路传输到电刺激电极，电刺激信号通过电刺激电极传输到皮肤。

Description

一种柔性无源无线电刺激贴片及方法

技术领域

本发明实施例涉及一种皮肤电刺激技术，尤其涉及一种柔性无源无线电刺激贴片及方法。

背景技术

皮肤电刺激疗法是上世纪七十年代兴起的一种电疗法，是通过皮肤将特定的低频脉冲电流输入人体以达到治疗疼痛或其他症状的方法。最早在美国临床上用于止痛治疗，并取得了良好的治疗效果。皮肤电刺激是将经皮电刺激和中国中医的针灸穴位结合起来，在皮肤表面上施加特定的低频脉冲电流。传统上，针刺针灸和电针给患者带来较多的恐惧和刺痛，尤其是针刺入过程中，儿童会难以接受这种方式，使用过程中以电刺激代替了传统的刺入，因此皮肤电刺激并不会在皮肤表面留下创伤。有相关学者研究也指出，电针和皮肤电刺激在效果上并无明显的差异，且治疗效果可持续不会产生耐受反应。

目前，皮肤电刺激一般由多功能电治疗仪实现，存在着仪器价格昂贵、体积较大等缺点，并且大多需要在由专业人士在特定场所操作。本发明采用柔性材料、无线无源技术，配合相应皮肤电刺激贴片设计实现柔性无源无线贴片式电刺激装置，其具有无线无源、柔性可贴附、即时使用、体积小、操作便捷的优点，并能够让用户随时随地在不同环境下使用该贴片进行皮肤电刺激。

发明内容

本发明实施例的目的在于针对现有技术和产品的不足，提供一种柔性无源无线电刺激贴片的解决方案，以解决使用者随时随地进行皮肤电刺激的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明实施例提供一种柔性无源无线电刺激贴片，它包括：基底层、近场通讯组件、控制电路组件、粘附层、电刺激电极；

所述近场通讯组件分布在所述基底层的上表面，包括近场通讯线圈和近场通讯驱动芯片，所述近场通讯线圈用于从具有近场通讯功能的移动终端或是有射频功能的设备获取无线传输的能量，能量经由近场通讯驱动芯片处理后输出稳定的功率；

所述控制电路组件分布在所述基底层的上表面上，包括微控制器、数模转换芯片及波形发生电路，所述微控制器发出数字信号，所述数模转换芯片将所述数字信号转化成模拟电压信号，所述波形发生电路将所述模拟电压信号转化为相应的波形；

所述粘附层固定在所述基底层的下表面，用于贴片在皮肤表面的固定；

所述电刺激电极印刷在粘附层同侧，通过电极向皮肤施加电刺激；

所述稳定的功率经由模数转换芯片和波形发生电路传输到所述电刺激电极，电刺激信号通过电刺激电极传输到皮肤。

进一步地，所述控制组件还包括与微控制器相连的LED灯，用于显示是否已建立无线连接。

进一步地，所述粘附层采用医用环形胶布。

进一步地，所述波形发生电路是输出低电流的电路，传输最大电流低于10mA。

进一步地，所述波形发生电路是能够输出幅值在0-1伏特范围的方波、三角波的电路，可调节控制传输功率、电流波形、频率和施加时间。

进一步地，所述基底层使用了柔性聚酰亚胺(PI)材料。

进一步地，所述电刺激电极分为片状电极和针状电极。

进一步地，所述电刺激电极的材料选自钢、钛、镍。

进一步地，所述针状电极使用了微机电系统(MEMS)工艺制备，长10-2000μm，针底部直径为10-50μm的实心或空心针状电极。

本发明实施例还提供一种根据上述的一种柔性无源无线电刺激贴片的使用方法，该方法有两种实现方式：

实现方式1：

1、将柔性无源无线电刺激贴片粘附在皮肤表面或相关穴位表面；

2、使用移动终端进行电刺激参数设置，检测柔性无源无线电刺激贴片是否与移动终端建立无线连接；

3、通过移动终端修改参数选择电刺激信号的波形、频率和刺激时间参数；

4、使用移动终端控制开始和结束施加电刺激，移动终端通过近场通讯模块发出相应的控制信号，产生相应电刺激信号；

5、当需要提前停止时，使用移动终端结束施加电刺激即可。

实现方式2：

1、将柔性无源无线电刺激贴片电刺激贴片附着在皮肤表面或者相关穴位表面；

2、将连接着可编程射频识别控制器的大线圈平铺在平面上，需要处于大线圈平面范围内，打开可编程的射频识别控制器，检测柔性无源无线电刺激贴片是否与控制器建立无线连接；

3、通过控制器选择电刺激信号的波形、频率和刺激时间参数；

4、使用控制器控制施加电刺激，控制器通过射频模块发出相应的控制信号，产生相应电刺激信号，达到施加刺激的效果；

5、当需要提前终止电刺激时，通过控制器设置停止施加电刺激即可。

本发明实施例的有益效果如下：

本发明提供了一种柔性无源无线电刺激贴片及方法，实现了在皮肤表面施加电刺激。相比较传统的多功能电治疗仪的经皮穴位电刺激方法，可以和具有近场通讯功能的手机等设备一同使用，在手机上有简易的操作界面，具有即时使用、体积小和操作便捷的优点。

使用移动终端而无需额外的电刺激装置，简化了皮肤电刺激过程，降低了经皮穴位电刺激的实现成本，波形发生电路输出低电流，可大幅降低使用者对于经皮电刺激的恐惧，使医护工作者或个人用户更容易接受。

本发明克服了现有的经皮穴位电刺激方法对使用人员和使用场所有较高要求的不足，使用具有近场通讯功能的手机或者射频识别控制器即可完成操作，具有操作便捷、快速使用、安全等优点，本设计简化了皮肤电刺激过程，降低了皮肤电刺激的实现成本。根据以上优点，本发明的装置及方法可广泛用于皮肤电刺激的相关领域。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激片状电极贴片平面示意图；

图2是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激片状电极贴片模型示意图；

图3是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激针状电极贴片平面示意图；

图4是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激针状电极贴片模型示意图；

图5是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激贴片功能模块图；

图6是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激贴片波形输出电路示意图；

图7是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激贴片方波示意图；

图8是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激贴片三角波示意图；

图9是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激贴片实施方式1示意图；

图10是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激贴片实施方式2示意图；

图中：近场通讯芯片1、微控制器2、数模转换芯片3、电刺激电极4、医用环形胶布5、近场通讯线圈6、LED灯7、聚酰亚胺(PI)基底8、针状电极9、近场通讯功能的设备10、可调节输出波形11、调整输出刺激的时间12、调整输出电刺激的频率13、调整输出电刺激的强度14、开始按钮15、停止按钮16、电刺激贴片17、大型的射频识别线圈18、射频识别控制器19、连接线20、降压器21。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的实施例、特征和方面。附图中相同的标记表示相同或者功能相似的元件。尽管在附图中展示了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按照比例绘制附图。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节，在本领域的技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样也可以实施，在一些本领域人员熟知的方法和手段，元器件使用上不作详细描述，以便凸显本公开的主旨。

如图1-4所示，本发明实施例提供一种柔性无源无线电刺激贴片，它包括：基底层、近场通讯组件、控制电路组件、粘附层、电刺激电极；

所述近场通讯组件分布在所述基底层8的上表面，包括近场通讯线圈6和近场通讯驱动芯片1，所述近场通讯线圈6用于从具有近场通讯功能的设备10获取无线传输的能量，能量经由近场通讯驱动芯片1处理后输出稳定的功率；

所述控制电路组件分布在所述基底层8的上表面上，包括微控制器2、数模转换芯片3及波形发生电路，所述微控制器2发出数字信号，所述数模转换芯片3将所述数字信号转化成模拟电压信号，所述波形发生电路将所述模拟电压信号转化为相应的波形；

所述粘附层5固定在所述基底层8的下表面，用于贴片在皮肤表面的固定；

所述电刺激电极印刷在粘附层5同侧，通过电刺激电极4向皮肤施加电刺激；

所述稳定的功率经由模数转换芯片3和波形发生电路传输到所述电刺激电极4，电刺激信号通过电刺激电极4传输到皮肤。

上述实施方式中涉及主要技术近场通讯，近场通讯可以传输信息和能量，具有此类功能的设备产生射频场将能量无线传输到近场通讯线圈6中，近场通讯线圈6耦合互感后由相连的近场通讯芯片1处理此能量后转化为稳定功率传输给微控制器2，由微控制器2进行系统控制，进而控制波形产生和电刺激的施加。采用上述方案设计的柔性无源无线电刺激片状电极贴片及方法，实现了在皮肤表面施加电刺激，贴片直径小于2cm，并且可以和具有近场通讯功能的手机等设备一同使用，在手机上有简单的操作界面，具有即时使用、体积小和操作便捷的优点。使用移动终端而无需额外的电刺激装置，简化了皮肤电刺激过程，降低了经皮穴位电刺激的实现成本，波形发生电路输出低电流，可大幅降低使用者对于经皮电刺激的恐惧，使医护工作者或个人用户更容易接受；电刺激贴片体积小，消耗功率低于20mW，节能电能。

在一种可能的实现方式中，所述基底层包括自上而下保护膜、铜箔基板和补强，铜箔基板和补强分别用于电路的印刷和增强柔性电路的机械强度，且在层之间以接着剂进行连接。

在一种可能的实现方式中，所述控制组件还包括与微控制器2相连的LED灯7，用于显示是否已建立无线连接。

在一种可能的实现方式中，所述波形发生电路是输出低电流的电路，传输最大电流低于10mA，低电量保证用电安全。

在一种可能的实现方式中，所述波形发生电路是能够输出幅值在0-1V范围的方波、三角波的电路，可调节控制电流波形11、施加时间12、频率13和强度14，实现了设置特定的电流频率、疏密波型、功率以及施加时间，实现了和电疗仪相似的刺激效果。

在一种可能的实现方式中，所述波形发生电路输出低频频率范围为0.1-50次/秒，频率及波形可通过移动终端上进行设置。

在一种可能的实现方式中，所述电刺激电极分为片状电极4和针状电极9，是用于施加对皮肤电刺激，其中电极材料为金属材料，可使用钢、钛、镍制备，片状电极为长0.6cm宽为0.5cm矩形电极，具体实施尺寸可随用户需求制造，针状电极使用了微机电系统(MEMS)工艺制备，长10-2000μm，底部直径为10-50μm的实心或空心针状电极。

在一种可能的实现方式中，所述场通讯线圈6为印刷在基底层内的环形状的线圈，线圈直径为1.8cm、1.85cm、1.9cm，共三圈，分别在内圈和外圈使用导线引出到近场通讯驱动芯片1。

在一种可能的实现方式中，所述基底层8采用柔性基底材料，可以选用聚酰亚胺(PI)或者聚二甲基硅氧烷(PDMS)，具有重量轻，厚度薄，柔软可弯曲的特征，柔性基底作为保护膜起到表面绝缘的功能；也就是说基底层8是可以延展的，在一定程度内变形和弯折，能够随皮肤的变形而变形，从而对电路进行保护；并且可以使用医用环形胶布5粘附穿戴在人体表面。

在一种可能实现的方式中，基底层8上设有连接电刺激电极4的通孔，通孔的形状、大小不受限制。

在一种可能实现的方式中，基底层8包括自上而下保护膜、铜箔基板和补强，铜箔基板和补强，分别用于电路的印刷和增强柔性电路的机械强度，且在层之间以接着剂进行连接。

在一种可能实现的方式中，所述控制组件还包括与微控制器相连的LED灯7，LED灯7仅作为显示是否建立连接，发光颜色仅作为示例，封装为0805及更小尺寸均可。

在一种可能的实现方式中，微控制器2选用德州仪器公司的MSP430FR2632，是较为成熟的MSP系列商业芯片，此类控制器有多种替代方案，满足低功耗需求和体积大小要求即可。

在一种可能的实现方式中，根据电势测定法的基本原理，选用亚德诺半导体公司的集成运算放大器AD8608作为波形发生电路的主要工作器件，考虑到电路中不存在负电势，在经皮电刺激输入端添加了适当的直流电压偏置，以保证所输出的电压信号能够维持在正电压，能够顺利的被MSP商业芯片的片内模数转换模块采集到。在实际使用中，具有NFC(Near Field Communication，近场通讯)模块的移动终端选用的是三星的Galaxy S5。数模转化及外围电路选用了基础的差分电路，用以输出方波及三角波。

在一种可能的实现方式中，用于人体经皮电刺激的柔性无源无线电刺激贴片的近场通讯线圈6共振频率为13.56MHz，NFC芯片1选用了恩智浦公司的NT3H2111作为NFC模块的核心，可以通过线圈耦合能量，并通过内部的电源管理模块调制出0-1V的电压输出，给控制电路供电。

在一种可能的实现方式中，具有近场通讯功能的设备10如手机，可向近场通讯线圈6传输功率，基于法拉第电磁感应效应近场通讯线圈进行能量的收集及传输到近场通讯芯片1，能量传输从智能手机的NFC模块发出，通过线圈的耦合互感传递至检测装置的近场通讯线圈6，与近场通讯线圈6连接的近场通讯芯片1从近场通讯线圈6处获得能量，并将能量通过内部电源管理电路继续向后端电路传输，后端的MSP商业芯片在近场通讯芯片1提供的能量下工作，并通过单片机的片内模数转换端口将电压信号传递到经皮电刺激电极贴片17，智能手机应用软件通过调用内部NFC驱动相关的应用程序接口(Abbreviation forApplication Programming Interface，以下简称API)来设置近场通讯芯片1传输能量的参数，并在手机界面中显示目前进行电刺激的参数。

在一种可能的实现方式中，具有近场通讯功能的设备10如手机上的应用软件的开发是基于近场通讯协议，并能够实现设备和贴片之间的能量传输和信息相互传输，打开手机中的应用软件，选择施加波形类型11、施加时间12、施加频率13及施加强度14，最后选择开始即可，具体软件编写的实现方式，是常规手段。

在一种可能的实现方式中，柔性无源无线电刺激贴片还包括粘附层5，设置在控制组件层的对立面，用于将所述柔性无源无线电刺激贴片固定皮肤或者穴位附近。

图5是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激贴片功能模块图，由左侧框图向右分别是两种实施方式，均通过近场通讯线圈6获取能量，经由近场通讯芯片1调制后将能量传输到微控制器2，由微控制器2发出控制信号后控制数模转化电路输出低频电流信号到电刺激电极4。

图6是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激贴片波形输出电路示意图；图7是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激贴片方波示意图；图8是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激贴片三角波示意图；其中，R1、R2、R3代表不同的电阻，C1代表电容，此电路能够实现方波输出及三角波输出、输出矩形波、输出三角波示意图，可使用本电路输出0.1-50Hz之间的频率波形以及输出幅值在0-1V的电压信号。

图9是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激贴片实施方式1示意图，使用具有近场通讯功能的设备10作为驱动，在手机上可调节输出波形11、调整输出刺激的时间12、调整输出电刺激的频率13以及调整输出电刺激的强度14，在界面上还设计了开始15和停止16按钮；使用本电刺激贴片时，首先将电刺激贴片17粘附在人体皮肤表面，如图9膝盖处示意图位置，在通过具有近场通讯功能的设备10作为驱动，将低频的电流刺激施加到皮肤表面，从而起到电疗的效果，图中穴位以膝盖处的凹陷穴作为示例。

图10是本发明实施例提供过的柔性无源无线电刺激贴片实施方式2示意图，将电刺激贴片17粘附在人体皮肤表面，大型的射频识别线圈18可覆盖人体，使用时可将线圈铺在床垫下或者座椅后，射频识别线圈18可以实现在线圈平面内上下各70厘米的范围内进行稳定的能量传输，满足人体表面尺寸的要求；开始使用时，使用连接线20将降压器21和射频识别控制器19相连，在射频识别控制器上设置时间的波形、时间、频率和强度参数，开启后进行学位电刺激；所述射频识别线圈面积为0.5-5平方米，采用铜线制作，铜线直径为8mm，线圈在不使用时可以折叠整理起来，降压器可将电源电压降低至所需要的电压；大线圈有效传输距离为140cm，实际使用中可将其放置在床垫之下，放置和收取简单轻便。

本发明提供了一种柔性无源无线电刺激贴片及方法，实现了在皮肤表面施加电刺激。相比较传统的多功能电治疗仪的经皮穴位电刺激方法，贴片直径小于2cm，并且可以和具有近场通讯功能的手机等设备一同使用，在手机上有简易的操作界面，具有即时使用、体积小和操作便捷的优点。

使用移动终端而无需额外的电刺激装置，简化了皮肤电刺激过程，降低了经皮穴位电刺激的实现成本，波形发生电路输出低电流，可大幅降低使用者对于经皮电刺激的恐惧，使医护工作者或个人用户更容易接受；电刺激贴片体积小，消耗功率低于20mW，节能电能；电刺激贴片使用了柔性聚酰亚胺材料，粘附层采用了医用环形胶布，贴片可随着皮肤形变而形变，不会因弯折造成贴片损坏，且贴片可较长时间贴在皮肤表面，降低了使用难度；电刺激电极材料使用了钢、钛、镍，均为人体相容金属，进一步将使用安全风险降至最低。

本发明克服了现有的经皮穴位电刺激方法对使用人员和使用场所有较高要求的不足，使用具有近场通讯功能的手机或者射频识别控制器即可完成操作，具有操作便捷、快速使用、安全等优点，本设计简化了皮肤电刺激过程，降低了皮肤电刺激的实现成本。根据以上优点，本发明的装置及方法可广泛用于皮肤电刺激的相关领域。

应用无线无源的柔性的电刺激装置在皮肤表面施加皮肤电刺激的方法，具体有两种，包括以下步骤：

操作方式1：

1将电刺激贴片粘附在皮肤表面或相关穴位表面；

2点击打开移动终端进行电刺激参数设置，检测报告电刺激贴片是否与移动终端建立无线连接；

3通过移动终端修改参数选择电刺激信号的波形、频率和刺激时间参数；

4使用移动终端控制开始和结束施加电刺激，移动终端通过近场通讯模块发出相应的控制信号，使本装置产生相应电刺激信号，达到施加刺激的效果；

5需要提前停止时，使用移动终端结束施加电刺激即可。

操作方式2：

1将电刺激贴片附着在皮肤表面或者相关穴位表面；

2将连接着可编程射频识别控制器的大线圈平铺在平面上，使用者需要处于大线圈平面范围内，打开可编程的射频识别控制器，检测报告电刺激贴片是否与控制器建立无线连接；

3通过控制器选择电刺激信号的波形、频率和刺激时间等参数；

4使用控制器控制施加电刺激，移动终端通过射频模块发出相应的控制信号，使本装置产生相应电刺激信号，达到施加刺激的效果；

5需要提前终止电刺激时，通过控制器设置停止施加电刺激即可。

通过将电刺激贴片粘附在人体皮肤表面处，使用具有近场通讯类的设备进行无线控制，本发明公开的柔性无源无线电刺激贴片及方法能够实现经皮电刺激，对人体皮肤进行电疗。

需要说明的是，以上两种具体的实施方式介绍了本发明的实现方式和操作方式，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此，事实上，用户完全可以根据个人喜好在实际的应用中设定所述的柔性无源无线电刺激贴片的外形结构和材料，只要实现能够在电刺激精准控制和人体便携穿戴即可。

Claims (10)

1.一种柔性无源无线电刺激贴片，其特征在于，它包括：基底层、近场通讯组件、控制电路组件、粘附层、电刺激电极；

所述近场通讯组件分布在所述基底层的上表面，包括近场通讯线圈和近场通讯驱动芯片，所述近场通讯线圈用于从具有近场通讯功能的移动终端或是有射频功能的设备获取无线传输的能量，能量经由近场通讯驱动芯片处理后输出稳定的功率；

所述控制电路组件分布在所述基底层的上表面上，包括微控制器、数模转换芯片及波形发生电路，所述微控制器发出数字信号，所述数模转换芯片将所述数字信号转化成模拟电压信号，所述波形发生电路将所述模拟电压信号转化为相应的波形；

所述粘附层固定在所述基底层的下表面；

所述电刺激电极印刷在粘附层同侧；

所述稳定的功率经由模数转换芯片和波形发生电路传输到所述电刺激电极，电刺激信号通过电刺激电极传输到皮肤。

2.根据权利要求1所述的一种柔性无源无线电刺激贴片，其特征在于：所述控制组件还包括与微控制器相连的LED灯。

3.根据权利要求1所述的一种柔性无源无线电刺激贴片，其特征在于：所述粘附层采用医用环形胶布。

4.根据权利要求1所述的一种柔性无源无线电刺激贴片，其特征在于：所述波形发生电路是输出低电流的电路，传输最大电流低于10mA。

5.根据权利要求1所述的一种柔性无源无线电刺激贴片，其特征在于：所述波形发生电路是能够输出幅值在0-1伏特范围的方波、三角波的电路，也能调节控制传输功率、电流波形、频率和施加时间。

6.根据权利要求1所述的一种柔性无源无线电刺激贴片，其特征在于：所述基底层使用了柔性聚酰亚胺(PI)材料。

7.根据权利要求1所述的一种柔性无源无线电刺激贴片，其特征在于：所述电刺激电极分为片状电极和针状电极。

8.根据权利要求1所述的一种柔性无源无线电刺激贴片，其特征在于：所述电刺激电极的材料选自钢、钛、镍。

9.根据权利要求7所述的一种柔性无源无线电刺激贴片，其特征在于：所述针状电极使用了微机电系统(MEMS)工艺制备，长10-2000μm，针底部直径为10-50μm的实心或空心针状电极。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种柔性无源无线电刺激贴片的使用方法，其特征在于，该方法有两种实现方式：

实现方式1：

1、将柔性无源无线电刺激贴片粘附在皮肤表面或相关穴位表面；

2、使用移动终端进行电刺激参数设置，检测柔性无源无线电刺激贴片是否与移动终端建立无线连接；

3、通过移动终端修改参数选择电刺激信号的波形、频率和刺激时间参数；

4、使用移动终端控制开始和结束施加电刺激，移动终端通过近场通讯模块发出相应的控制信号，产生相应电刺激信号；

5、当需要提前停止时，使用移动终端结束施加电刺激即可。

实现方式2：

1、将柔性无源无线电刺激贴片电刺激贴片附着在皮肤表面或者相关穴位表面；

2、将连接着可编程射频识别控制器的大线圈平铺在平面上，需要处于大线圈平面范围内，打开可编程的射频识别控制器，检测柔性无源无线电刺激贴片是否与控制器建立无线连接；

3、通过控制器选择电刺激信号的波形、频率和刺激时间参数；

4、使用控制器控制施加电刺激，控制器通过射频模块发出相应的控制信号，产生相应电刺激信号，达到施加刺激的效果；

5、当需要提前终止电刺激时，通过控制器设置停止施加电刺激即可。

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