JP2012019962A - 剣山型乾電極及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装着の時間短縮や頭部への密着性改善、ノイズの軽減のための剣山型乾電極及びその作製方法を提供する。
【解決手段】生体の生体電気信号を計測する剣山型乾電極において、柔軟な材料の円柱形状の柔軟部１５と、表面が導電材料で被覆された樹脂材料からなり、先端部１２ｂが球状に形成された複数の針状電極部１２ａと、複数の針状電極部１２ａを並列配置して接続して、生体電気信号を伝送する配線部とを備え、針状電極部１２ａの先端部分が柔軟部１５の端面から突出するように、配線部を柔軟部１５の外周に巻き付け、配線部の外周を柔軟な絶縁材料からなる絶縁部１６で被覆し、絶縁部１６の外周に、外部からの電磁波の侵入を防止するシールド部を設ける。
【選択図】図６

Description

本発明は、人体の生体電気信号を測定する剣山型乾電極及びその作製方法に関する。

人体を対象とする脳波計測では、ペーストや電解液等のウェット材料を利用した電極が汎用されている（非特許文献１参照）。又、ウェット材料を不要とする電極も提案されている（非特許文献２、特許文献１参照）。

特許第４２１６８８４号公報

"Electro-Cap International, Inc."、［online］、［平成21年12月28日検索］、インターネット<http://www.electro-cap.com/> "ペーストレス電極ヘルメット"、［online］、［平成21年12月28日検索］、インターネット<http://www.bfl.co.jp/products/catalog/ElectrodeHelmet_20071116HEL.pdf>

上記の電極には、次のような問題点がある。

（１）ウェット材料を利用した電極
ペースト、ゲル、電解液等のウェット材料を利用した電極は、計測中に生じるウェット材料の形質変化やウェット材料を塗布した装着部位における痒みやアレルギー発症等が原因で、長時間に渡る計測が困難であり、又、計測対象者が限定されていた。更に、脱着後には頭皮等に塗布したウェット材料の除去と洗浄作業が不可欠であり、装着と脱着に時間を要する等の問題があった。

（２）ウェット材料を不要とする電極
ウェット材料を不要とする電極は、非特許文献２や特許文献１に見られるように、見た目の悪さや、使用時の体位に制限（例えば、寝ているときには使用できない）等が原因で、普及に至っていない。又、単に導電性材料を利用した電極もある。これらは、頭部の形状に追従して十分密着できない、髪の毛によって頭皮に十分密着できない等が原因で、安定した計測状態を保持できず、実用化には至っていない。

（３）アーチファクト（ノイズ）の軽減
電極や配線部周囲の電磁場等により、アーチファクトが混入することがある。

（４）電極と配線の接続部分の強度
頭皮へより密着させるための応力や何らかの外力が加わった場合、電極と配線の接続部分が断線することがある。

（５）空間分解能（電極インピーダンス）の調整
計測部位の空間分解能は、接触する頭皮との電極インピーダンス値が概ね２０ｋΩ以内となる電極の接触面積に依存していた。ところが、従来の電極の接触面積は固定値であって、適切な電極インピーダンス値を保持しつつ、必要に応じて、接触面積を調整することが困難であった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、従来の問題点を解決する剣山型乾電極及びその作製方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る剣山型乾電極は、
生体の生体電気信号を計測する剣山型乾電極であって、
柔軟な材料からなり、柱状に形成された柔軟部と、
表面が導電材料で被覆された樹脂材料からなり、先端が球状に形成された複数の針状電極部と、
複数の前記針状電極部を並列配置して接続して、複数の前記針状電極部で得られた生体電気信号を伝送する配線部とを有し
複数の前記針状電極部が接続された前記配線部を、前記針状電極部の先端部分が前記柔軟部の一方の端面から突出するように、前記柔軟部の外周に巻き付けると共に、
前記先端部分を除く前記針状電極部の外周と前記配線部の外周とを被覆する、柔軟な絶縁材料からなる絶縁部を設け、
前記絶縁部の外周に、外部からの電磁波の侵入を防止するシールド部を設けたことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る剣山型乾電極は、
上記第１の発明に記載の剣山型乾電極において、
複数の前記針状電極部と前記配線部との間に、得られた生体電気信号を増幅するプリアンプを設けたことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る剣山型乾電極は、
上記第１又は第２の発明に記載の剣山型乾電極において、
前記配線部に接続する前記針状電極部の間隔、本数及び外径を調整することにより、前記生体の皮膚と接触する前記針状電極部の接触面積を調整したことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る剣山型乾電極は、
上記第１〜第３のいずれか１つの発明に記載の剣山型乾電極において、
当該剣山型乾電極を前記生体の皮膚に押し付ける際に圧力がかかる前記配線部の一部を長くし、当該部分を湾曲形状としたことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る剣山型乾電極の製造方法は、
生体の生体電気信号を計測する剣山型乾電極の製造方法であって、
柔軟な材料から柱状の柔軟部を形成し、
樹脂材料から先端が球状の針状部材を形成すると共に、当該針状部材の表面を導電材料で被覆して、針状電極部を形成し、
生体電気信号を伝送する配線部に、複数の前記針状電極部を並列配置して接続し、
複数の前記針状電極部が接続された前記配線部を、前記針状電極部の先端部分が前記柔軟部の一方の端面から突出するように、前記柔軟部の外周に巻き付け、
前記先端部分を除く前記針状電極部の外周と前記配線部の外周とを、柔軟な絶縁材料からなる絶縁部で被覆し、
前記絶縁部の外周に、外部からの電磁波の侵入を防止するシールド部を設けることを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る剣山型乾電極の製造方法は、
上記第５の発明に記載の剣山型乾電極の製造方法において、
複数の前記針状電極部と前記配線部とを接続する際、複数の前記針状電極部と前記配線部との間に、得られた生体電気信号を増幅するプリアンプを設けることを特徴とする。

上記課題を解決する第７の発明に係る剣山型乾電極の製造方法は、
上記第５又は第６の発明に記載の剣山型乾電極の製造方法において、
複数の前記針状電極部と前記配線部とを接続する際、前記配線部に接続する前記針状電極部の間隔、本数及び外径を調整することにより、前記生体の皮膚と接触する前記針状電極部の接触面積を調整することを特徴とする。

上記課題を解決する第８の発明に係る剣山型乾電極の製造方法は、
上記第５〜第７のいずれか１つの発明に記載の剣山型乾電極の製造方法において、
当該剣山型乾電極を前記生体の皮膚に押し付ける際に圧力がかかる前記配線部の一部を長くし、当該部分を湾曲形状に形成することを特徴とする。

本発明によれば、剣山型乾電極として、十分な応力を有する複数の針状電極部を束ねて用いるので、計測対象者を限定せずにより長期間に渡る計測を実現でき、あらゆる体位での装着と計測が可能となる。又、構成部材として柔軟な材料を用い、更に、絶縁部やシールド部を設けるので、アーチファクトを除去し、断線を防止して、安定した計測状態の保持が可能となる。又、配線部に接続する針状電極部のピッチ、本数、外径を調整すれば、空間分解能（電極インピーダンス）の調整が可能となる。又、ウェット材料が不要となるので、ウェット材料の除去や洗浄作業を不要とし、装着及び脱着に時間を要する時間を省略し、装着及び脱着時の不快感等を軽減できる。又、従来技術と比較して、剣山型乾電極の全長が短くなるので、頭部装着時の外見がよくなり、又、装着の状態を隠すこともできる。その結果、従来技術と比較して、日常環境において、より長期間に渡る脳波計測が実現可能となる。

本発明に係る剣山型乾電極の作製方法を説明する図である。 図１に続き、本発明に係る剣山型乾電極の作製方法を説明する図である。 図２に続き、本発明に係る剣山型乾電極の作製方法を説明する図である。 図３に続き、本発明に係る剣山型乾電極の作製方法を説明する図である。 図４に続き、本発明に係る剣山型乾電極の作製方法を説明する図である。 図５に続き、本発明に係る剣山型乾電極の作製方法を説明する図であり、本発明に係る剣山型乾電極を示す図でもある。 図６に示した本発明に係る剣山型乾電極の配線部分を示す図である。

以下、本発明に係る剣山型乾電極及びその作製方法について、図１〜図７を参照して説明を行う。なお、ここでは、一例として、人体の脳波を測定することを前提に説明を進めるが、本発明に係る剣山型乾電極は、人体の脳波に限らず、人体や動物等の生体の生体電気信号の測定にも適用可能である。

（実施例１）
最初に、本実施例の剣山型乾電極の作製方法を、図１〜図６を参照して説明を行う。

まず、剣山状に束ねる針状の電極を形成する。本実施例では、市販のメッシュ形状のメッシュ樹脂１１を利用し、これを、切断部１１ａにおいて、所望の長さとなるように切断する（図１参照）。この長さは、後述する針状電極部１２ａの長さであり、頭皮に密着でき、折れ曲がり等による断線や亀裂等が生じない長さが望ましく、０．５〜１ｃｍ程度がよい。このような針状電極部１２ａを用いることにより、従来技術と比較して、剣山型乾電極の全長は短くなる。

次に、メッシュ樹脂１１から不要となる部分を除去して、複数の針状電極部１２ａを形成すると共に、各針状電極部１２ａの先端部１２ｂを球状に形成する（図２参照）。針状電極部１２ａを形成する際には、メッシュ樹脂１１において、直線状の部材を針状電極部１２ａとして利用し、直線状の部材同士を編み込む部材を、不要となる部分として除去する。このとき、編み込む部材の一部を残しておき、複数の針状電極部１２ａを保持する保持部１２ｃとしている。又、先端部１２ｂは、針状電極部１２ａの先端を焼く等して、球状に形成する。

そして、加工により形成した針状電極部１２ａ、先端部１２ｂ及び保持部１２ｃの全表面に、導電材料を被覆する。導電材料としては、例えば、金、白金、ステンレス、タングステン等が利用可能であり、例えば、スパッタ法、蒸着法、メッキ法等の方法によって、被覆する。これにより、複数の針状電極部１２ａを有する電極群１２が形成されることになる。先端部１２ｂの径、つまり、頭皮と接触する電極部分の径は、電極間インピーダンスが２０ｋΩ以内となるように設定されており、例えば、電極群１２として換算したとき、０．５ｃｍ〜１ｃｍ程度である。

なお、ここでは、一例として、市販のメッシュ樹脂１１を針状の電極に利用したが、頭皮に密着する際に柔軟に曲がり、表面に導電材料を被覆可能であり、剣山状に束ねる針形状に加工できれば、市販のどのようなものを利用してもよい。又、既存のものを利用するのではなく、最初から、樹脂材料等を用いて、剣山状に束ねる針状の電極を形成してもよい。

次に、予め形成しておいたフレキシブルプリント基板配線（配線部；以降、ＦＰＣと呼ぶ。）１３の接続部１３ａに、形成した電極群１２を接続する（図３参照）。このとき、各針状電極部１２ａは並列配置されて接続されている。そして、接続部１３ａとの間に電極群１２を挟み込むカバー１４を取り付ける（図４参照）。なお、ＦＰＣ１３は、電極群１２との電気的な接続がなされる接続部１３ａと、接続部１３ａを経由した電極群１２からの生体電気信号を、計測器側へ電送する配線部１３ｂからなる。

次に、予め形成しておいた円柱形状の柔軟材料からなる柔軟部１５の外周面に、電極群１２及びＦＰＣ１３の接続部１３ａを巻き付ける（図５参照）。このとき、全ての針状電極部１２ａの先端部分が柔軟部１５の一方の端面から突出するようにしている。これにより、柔軟部１５の外周面に沿って、電極群１２の針状電極部１２ａを剣山状に束ねることになる。柔軟部１５としては、例えば、ゴム材等が利用可能である。なお、柔軟部１５の形状は、柱状であれば、三角柱、四角柱等の多角柱形状でもよい。

このように、中心側に円柱形状の柔軟部１５を配置し、外周側にＦＰＣ１３の接続部１３ａを配置し、電極群１２を柔軟部１５とＦＰＣ１３の接続部１３ａとで挟み込むことにより、針状電極部１２ａの頭皮方向への応力をより集中して、頭皮へ密着させることができる。なお、ここでは、電極群１２及びＦＰＣ１３の接続部１３ａの柔軟部１５へ巻き付け回数は１回としているが、空間分解能（電極インピーダンス）を調整する場合には、複数回巻き付けて、電極群１２を２重、３重・・・としてもよい。

次に、針状電極部１２ａの露出された部分のうち、頭皮と接触する先端部分以外の導電部分を、柔軟な絶縁材料で被覆すると共に（図示省略）、その外周部分及びＦＰＣ１３の接続部１３ａの外周部分を、同じく柔軟な絶縁材料からなる絶縁部１６で被覆する（図６参照）。絶縁部１６としては、例えば、シリコーン、ポリウレタン、エナメル、ボンド、パリレン、ポリイミド、ＳＵ−８、ゴム等が適用可能である。又、頭皮と接触する針状電極部１２ａ、先端部１２ｂを除いて、絶縁部１６の外周、ＦＰＣ１３の外周には、アーチファクトの混入を防止するシールド配線（シールド部；図示省略）を設けた。以上の手順により、本実施例の剣山型乾電極を作製している。

図６において、ＦＰＣ１３の配線部１３ｂは、外周側から中心側に向かって折り曲げて、柔軟部１５の端面に固定するようにしている。計測を行う際には、剣山型乾電極の上部から、即ち、柔軟部１５の端面の上部から頭皮側の方に押し付け、ヘアバンド、カチューシャ、ベルクロテープ、ストッキングバンド等で固定するようにしている。このとき、上部から圧力をかけた場合、単に折り曲げただけの配線部１３ｂでは、断線するおそれがある。そこで、図７に示すように、圧力がかかる配線部１３ｂの部分の長さに余裕を持たせると共に、湾曲した形状に形成することにより、この湾曲部１３ｃに緩衝機能を持たせて、断線の可能性を低減するようにしてもよい。

続いて、前述した従来の問題点の各々について、これらを解決する本実施例の剣山型乾電極での特徴を具体的に説明する。

（１）ウェット材料を利用した電極の問題点について
ウェット材料の形質変化や塗布部位における痒みやアレルギー発症等を回避するため、ウェット材料を不要とした乾電極を利用する。具体的には、頭皮との接触材料として、十分な応力を有する複数の針状電極部１２ａを束ねた電極群１２を利用する。

本実施例では、電極群１２を接触材料とする剣山型乾電極の利用により、ウェット材料の使用が不要となるので、計測中のウェット材料の形質変化がなくなり、痒みやアレルギー等の発症を軽減でき、より長期間に渡る計測を実現することができる。又、ウェット材料での痒みやアレルギー等の発症を軽減できることから、計測対象者を限定することなく、脳波測定が可能となる。更に、脱着後に、頭皮等に塗布したウェット材料の除去と洗浄作業を不要とし、装着及び脱着に時間を要する時間を省略でき、又、装着及び脱着に伴う不快感等を軽減できる。

（２）ウェット材料を不要とする電極の問題点について
見た目、装着性、頭部への密着性を良くするため、針状電極部１２ａとして、十分な応力を有するものを用いており、その結果、従来技術と比較して、剣山型乾電極の全長が短くなる。

従来のウェット材料を不要とする電極は、ヘルメット状のもの等であり、見た目が悪かった（特許文献１、非特許文献２参照）。本実施例の剣山型乾電極の利用により、従来技術と比較して、頭部装着における外見がよくなった。又、帽子を被る等して、装着の状態を隠すこともできる。又、本実施例の剣山型乾電極の利用は、使用時の体位に制限を設けず、あらゆる体位において、その装着と計測が可能となる。又、本実施例の剣山型乾電極の形状によって、従来のヘッドバンドや脳波キャップと併用することができる。

又、頭部の形状に追従して十分に密着できない、髪の毛によって頭皮に十分に密着できない等の課題については、本実施例の剣山型乾電極において、針状電極部１２ａの先端部１２ｂを球状とするので、頭皮と十分に密着することができ、更に、柔軟部１５と接続部１３ａとで電極群１２を挟み込むことにより、針状電極部１２ａの頭皮方向への応力をより集中させることができ、これによっても、頭皮と十分に密着することが可能となる。これにより、安定した計測状態を保持することができる。

又、剣山状乾電極において、多数の針状電極部１２ａの先端部１２ｂを球状とするので、多数かつ球状の先端部１２ｂの接点により、圧を分散し、痛みを緩和することができ、加えて、その中心に円柱形状の柔軟部１５があるので、横になった際の痛みを軽減できる。

（３）アーチファクトの軽減の問題点について
漏れ電流やアーチファクトの混入を防止、軽減するため、不要な露出部分となる部分、つまり、頭皮と接触する針状電極部１２ａ、先端部１２ｂを除いた部分を、全て柔軟な絶縁部１６で被覆した。又、剣山型乾電極の周囲に存在する電磁場等によるアーチファクトの混入を防止、軽減するため、絶縁部１６、ＦＰＣ１３の外周上又は外周面にシールド配線を施し、このシールド配線の内側に、計測された脳波信号を伝送する配線（電極群１２、ＦＰＣ１３）を設ける構成とした。

本実施例では、絶縁部１６で被覆することにより、配線（電極群１２、ＦＰＣ１３）への漏れ電流やアーチファクトの混入を防止、軽減することができる。又、絶縁部１６、ＦＰＣ１３の外周上又は外周面にシールド配線を施すことにより、周囲に存在する電磁場等によるアーチファクトの混入を防止、軽減することができる。

更に、電極群１２とＦＰＣ１３の間、若しくは、電極群１２に近いＦＰＣ１３の途中に、ボルテージフォロワーや初段アンプ等のプリアンプを設置してもよく、その場合には、計測信号を増幅して、安定させることができる。

（４）電極と配線の接続部の強度の問題点について
応力（頭皮へより密着させるための応力）や外力による電極群１２とＦＰＣ１３との接続部分の断線を防止するため、電極群１２及びＦＰＣ１３として、柔軟な材料を利用した。電極群１２としては、十分な応力を有する樹脂等を担体として、その周囲に導電材料を被覆させて、強度と応力を有する構成とした。又、電極群１２を柔軟部１５とＦＰＣ１３の接続部１３ａとで挟み込む構成とした。

本実施例では、電極群１２及びＦＰＣ１３として、柔軟な材料を利用し、又、電極群１２を柔軟部１５とＦＰＣ１３の接続部１３ａとで挟み込むことにより、頭部の形状に追従して、十分に密着する柔軟性を有することになる。又、上部から圧力をかけた場合、剣山型の乾電極では、ＦＰＣ１３の配線部１３ｂの取り付け形状によっては、配線部１３ｂが断線するおそれがあるが、図７で説明したように、配線部１３ｂの長さに余裕を持たせると共に、湾曲した形状に形成することにより、緩衝機能を持たせて、断線の可能性を低減するようにしてもよい。

（５）空間分解能（電極インピーダンス）の調整の問題点について
剣山型乾電極では、中心側の柔軟部１５に巻き付ける針状電極部１２ａ、つまり、ＦＰＣ１３の接続部１３ａと接続する針状電極部１２ａのピッチ、本数、外径、巻き付ける回数等を調整することで、必要に応じて、頭皮との接触面積を調整することができる。その結果、空間分解能（電極インピーダンス）の調整が可能となる。

以上説明してきたように、従来技術では、簡易に又長期に渡って脳波測定することが困難であったが、本実施例の剣山型乾電極では、十分な応力を有する針状電極部１２ａを束ねた電極群１２を頭皮との接触材料に利用したので、計測中に材料が形質変化せず、又、痒みやアレルギー等の発症を軽減でき、計測対象者を限定せずにより長期間に渡る計測を実現できる。又、針状電極部１２ａを束ねた電極群１２は髪の毛をよけることができるので、その接触部である先端部１２ｂが頭部の形状に追従して十分に密着することができ、あらゆる体位での装着と計測が可能となる。

又、電極群１２及びＦＰＣ１３として、柔軟な材料を利用し、更に、絶縁部１６やシールド配線を設けたので、アーチファクトを除去し、断線を防止して、安定した計測状態の保持が可能となる。又、ＦＰＣ１３の接続部１３ａと電極群１２との接続部分の接触面積を調整すれば、空間分解能（電極インピーダンス）の調整が可能となる。又、ウェット材料が不要な剣山型の乾電極であるので、ウェット材料の除去や洗浄作業を不要とし、装着及び脱着に時間を要する時間を省略し、装着及び脱着時の不快感等を軽減できる。又、従来技術と比較して、剣山型乾電極の全長が短くなるので、頭部装着時の外見がよくなり、又、帽子等を被る等して、装着の状態を隠すこともできる。

このようにして、従来技術と比較して、日常環境において、より長期間に渡る脳波計測が実現可能である。

本発明は、人体の生体電気信号、特に、脳波を測定する剣山型乾電極に好適である。

１１ メッシュ樹脂
１２ 電極群
１２ａ 針状電極部
１２ｂ 先端部
１２ｃ 保持部
１３ ＦＰＣ（フレキシブルプリント基板配線）
１３ａ 接続部
１３ｂ 配線部
１３ｃ 湾曲部
１４ カバー
１５ 柔軟部
１６ 絶縁部

Claims (8)

1. 生体の生体電気信号を計測する剣山型乾電極であって、
   柔軟な材料からなり、柱状に形成された柔軟部と、
   表面が導電材料で被覆された樹脂材料からなり、先端が球状に形成された複数の針状電極部と、
   複数の前記針状電極部を並列配置して接続して、複数の前記針状電極部で得られた生体電気信号を伝送する配線部とを有し、
   複数の前記針状電極部が接続された前記配線部を、前記針状電極部の先端部分が前記柔軟部の一方の端面から突出するように、前記柔軟部の外周に巻き付けると共に、
   前記先端部分を除く前記針状電極部の外周と前記配線部の外周とを被覆する、柔軟な絶縁材料からなる絶縁部を設け、
   前記絶縁部の外周に、外部からの電磁波の侵入を防止するシールド部を設けたことを特徴とする剣山型乾電極。
2. 請求項１に記載の剣山型乾電極において、
   複数の前記針状電極部と前記配線部との間に、得られた生体電気信号を増幅するプリアンプを設けたことを特徴とする剣山型乾電極。
3. 請求項１又は請求項２に記載の剣山型乾電極において、
   前記配線部に接続する前記針状電極部の間隔、本数及び外径を調整することにより、前記生体の皮膚と接触する前記針状電極部の接触面積を調整したことを特徴とする剣山型乾電極。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の剣山型乾電極において、
   当該剣山型乾電極を前記生体の皮膚に押し付ける際に圧力がかかる前記配線部の一部を長くし、当該部分を湾曲形状としたことを特徴とする剣山型乾電極。
5. 生体の生体電気信号を計測する剣山型乾電極の製造方法であって、
   柔軟な材料から柱状の柔軟部を形成し、
   樹脂材料から先端が球状の針状部材を形成すると共に、当該針状部材の表面を導電材料で被覆して、針状電極部を形成し、
   生体電気信号を伝送する配線部に、複数の前記針状電極部を並列配置して接続し、
   複数の前記針状電極部が接続された前記配線部を、前記針状電極部の先端部分が前記柔軟部の一方の端面から突出するように、前記柔軟部の外周に巻き付け、
   前記先端部分を除く前記針状電極部の外周と前記配線部の外周とを、柔軟な絶縁材料からなる絶縁部で被覆し、
   前記絶縁部の外周に、外部からの電磁波の侵入を防止するシールド部を設けることを特徴とする剣山型乾電極の製造方法。
6. 請求項５に記載の剣山型乾電極の製造方法において、
   複数の前記針状電極部と前記配線部とを接続する際、複数の前記針状電極部と前記配線部との間に、得られた生体電気信号を増幅するプリアンプを設けることを特徴とする剣山型乾電極の製造方法。
7. 請求項５又は請求項６に記載の剣山型乾電極の製造方法において、
   複数の前記針状電極部と前記配線部とを接続する際、前記配線部に接続する前記針状電極部の間隔、本数及び外径を調整することにより、前記生体の皮膚と接触する前記針状電極部の接触面積を調整することを特徴とする剣山型乾電極の製造方法。
8. 請求項５から請求項７のいずれか１つに記載の剣山型乾電極の製造方法において、
   当該剣山型乾電極を前記生体の皮膚に押し付ける際に圧力がかかる前記配線部の一部を長くし、当該部分を湾曲形状に形成することを特徴とする剣山型乾電極の製造方法。

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