CN110975085A - 用于评估气道廓清治疗功效的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于一种评估气道廓清治疗功效的装置和方法。一种呼吸设备可包括入口端口和出口端口。流体通路可在入口端口与出口端口之间延伸。过滤器壳体可定位在入口端口与出口端口之间。过滤器可定位在过滤器壳体内。第一压力端口可定位在过滤器壳体的入口侧上。第二压力端口可定位在过滤器壳体的出口侧上。第一压力端口和第二压力端口可平行于流体通路延伸。压力换能器可耦合到第一压力端口和第二压力端口并且配置成测量第一压力端口与第二压力端口之间的压降。

Description

用于评估气道廓清治疗功效的装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年7月5日提交的序列号为62/694,115的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请通过引用明确地并入本文。

背景技术

本发明涉及呼吸设备。更具体地，本发明涉及用于评估气道廓清治疗功效的呼吸设备和方法。

对于临床医生和患者而言，没有良好的客观/标准方法来评估家庭中的气道廓清治疗功效。对于医疗保健资源利用以及患者护理优化的合理化的需求促进了基于家庭监测的辅助模型的开发。目前，大多数建议的模型是基于利用针对患者所感知的症状的日记。尽管在减少住院治疗方面报告了积极的结果，但是许多患者会倾向于低估其病情的严重性，并且随着时间的推移他们在记录症状方面的配合度会迅速降低。对于在家接收气道廓清治疗的患者没有频繁/密切的监测。已经尝试了使用诸如家用呼吸量计等更客观的测量方式，但报告的结果不理想，主要原因是在没有医学监督的情况下执行呼吸量测试比较困难。

在后续治疗期间，患者通常每3-6个月在诊所进行一次呼吸量测定。在间隙期间，临床医生无法跟踪患者的肺部状况以及患者与气道廓清治疗的交互。即使对于在实验室进行的呼吸量测试，呼吸量测定似乎是一种非常依赖于努力的测试并且有时临床医生甚至不相信其结果。呼吸量测定不适用于某些人群，诸如幼儿、老年人和患有神经肌肉疾病(NMD)的患者。在此类情况下，临床医生必须依靠患者对其病情的自我声明。

一种评估气道廓清治疗功效的技术是基于通过在向患者肺部发送压力脉冲时感测流量和压降来测量患者肺部的阻抗，以及评估肺部的调节效果。在该测量中，存在许多可能导致流速/压降信号遭受污染的潜在事件，这可能破坏对肺阻抗的准确解释。这些潜在事件主要是意外的伪影，诸如漏气、堵塞、咳嗽、打嗝、吞咽、清嗓子等。这些事件将人为地增加或减少阻抗读数并且需要在信号中将其识别并拒绝。

发明内容

本发明包括所附权利要求中所述的一个或多个特征和/或以下特征，这些特征，单独或以任何组合形式，可以包括可获得专利的主题。

根据所公开的实施例的一个方面，一种呼吸设备可以包括入口端口和出口端口。流体通路可以在所述入口端口与所述出口端口之间延伸。过滤器壳体可以定位在所述入口端口与所述出口端口之间。过滤器可以定位在所述过滤器壳体内。第一压力端口可以定位在所述过滤器壳体的入口侧上。第二压力端口可以定位在所述过滤器壳体的出口侧上。所述第一压力端口和所述第二压力端口可以平行于所述流体通路延伸。压力换能器可以耦合到所述第一压力端口和所述第二压力端口并且配置成测量所述第一压力端口与所述第二压力端口之间的压降。

可期望所述过滤器定位在所述第一压力端口与所述第二压力端口之间。所述过滤器可以包括筛网。垫圈可以围绕所述过滤器延伸。所述垫圈可以密封所述过滤器的入口侧和出口侧。所述垫圈可阻止所述过滤器周围的气流。

可设想所述入口端口耦合到呼吸器。所述过滤器壳体可以包括：包括所述入口端口的入口部，以及包括所述出口端口的出口部。所述入口部和所述出口部可耦合在一起。可提供夹具以将所述入口部耦合到所述出口部。所述夹具可将所述入口部密封到所述出口部。

根据所公开的实施例的另一个方面，一种评估气道廓清治疗功效的方法可包括在由患者使用的呼吸设备中生成压力脉冲。该方法还可包括在压力脉冲期间测量患者的肺阻抗。该方法还可包括基于患者的肺阻抗评估患者的肺状况。该方法还可包括向患者实施气道廓清治疗。该方法还可包括在气道廓清治疗之后评估患者的肺状况。该方法还可包括在气道廓清治疗之后比较患者的肺阻抗与患者的肺状况以确定治疗功效。

在一些实施例中，该方法还可包括由患者的肺阻抗获得患者的肺电阻和肺顺应性。该方法还可包括基于患者的肺电阻和肺顺应性评估患者的肺状况。患者的肺顺应性可以是患者肺惯性的因素。该方法还可包括基于患者的肺电阻曲线图来获得患者呼吸***的总体电阻。该方法还可包括基于患者的肺电阻曲线图来获得患者导气道的电阻。

备选地或附加地，该方法还可包括由患者的肺阻抗获得患者的肺电抗。该方法还可包括基于患者的肺电抗确定患者肺的顺应性。

任选地，该方法还可包括在气道廓清治疗之后比较患者的肺阻抗与患者的肺状况以确定治疗功效，还包括比较气道廓清治疗前的患者肺阻抗与气道廓清治疗后的患者肺阻抗。

在一些实施例中，该方法还可包括检测呼吸信号的基线中的偏差。该方法还可包括为呼吸信号找到新的基线。该方法还可包括将呼吸信号的基线更新为新基线。偏差可能大于13％。该方法还可包括拒绝检测到的具有少于两个数据点的连续存在的伪影。该方法还可包括将呼吸波形映射到实时阻抗曲线上以识别完整的呼吸周期。该方法还可包括连接完整的呼吸周期以计算患者的肺阻抗。

其它单独的或与任何其他特征(诸如上面列出的那些特征和/或权利要求中列出的那些特征)相组合的附加特征可包括可获得专利的主题，并且对于本领域技术人员来说，在考虑到以下对举例说明执行目前所理解的实施例的最佳模式的各种实施例详细说明的基础上，这些附加特征将变得显而易见。

附图说明

具体实施方式特别参考附图，其中：

图1是呼吸设备的正面透视图；

图2是流量元件的分解图；

图3是夹具的侧面透视图；

图4是过滤器和垫圈的剖视图；

图5是流量元件的顶部透视图；

图6是图1所示的流量元件的侧面透视图；

图7是包括图1所示的流量元件的呼吸模块的侧面透视图；

图8是流量元件和压力换能器的分解图；

图9是组合患者的呼吸信号和具有多个频率的脉冲的信号的曲线图；

图10是图9所示的信号的快速傅里叶变换的曲线图；

图11是用于确定治疗功效的方法的流程图；

图12示出了在治疗前的患者的肺电阻和肺电抗的曲线图；

图13示出了在治疗期间的患者的肺电阻和肺电抗的曲线图；

图14示出了在治疗后的患者的肺电阻和肺电抗的曲线图；

图15是患者的呼吸周期的曲线图；

图16是患者的呼吸周期的另一个曲线图；

图17是用于从患者呼吸周期的曲线图中移除伪影的方法的流程图；

图18示出了患者的肺电阻的曲线图；

图19示出了患者的肺电抗的曲线图；

图20是流量元件的另一个实施例的透视图；

图21是图20所示的流量元件的顶部平面图；

图22是图21所示过滤器的侧面透视图；以及

图23是图22所示的过滤器的顶部平面图。

具体实施方式

根据所公开的实施例，通过向患者的肺部发送包含多个频率的压力脉冲，收集压力和流量信号，其表示患者呼吸***上的压降以及进出患者肺部的流速。压力脉冲信号包含5-25Hz，其与患者的呼吸频率不重叠并且容易采用快速傅立叶变换(FFT)来分离出来。此外，5-25Hz的压力信号从患者的上气道向下扩散到下气道。通过分析压力和流量关系，获得患者的肺阻抗，该肺阻抗包括电阻和电抗信息。采用这种用于获得患者气道阻抗状况的技术，通过分析阶段1治疗(使粘液从下气道移动到上气道)和阶段2治疗(使粘液咳出)后的阻抗曲线变化来客观地评估气道廓清设备的治疗功效。数据被发送到远程计算机以供患者和护理人员进行评估。基于治疗功效评估，临床医生决定是否需要或期望治疗设置的改变。

所公开的实施例还在检测算法中提供了三层检查机制。在第一层中，将信号相对于基线的偏差用作识别潜在伪影的主要标准。一旦找到新的基线，就更新基线。在第二层中，所检测到的具有连续存在的少于两个数据点的伪影将被作为错误检测而拒绝。在第三层中，将呼吸波形映射到实时阻抗曲线上以识别完整的呼吸周期。被一个或多个伪影污染的呼吸周期将被拒绝。连接完整的呼吸周期以计算阻抗，并且设置计数器以便通过基于对流速和压力波形的斜率改变的检测来检测吸气和呼气以计数清洁呼吸周期的数量。在一些实施例中，可以使用最小数量的呼吸周期即8个呼吸周期来确保数据的质量。

伪影检测/拒绝机制用于实现准确的阻抗测量。如果没有这种机制，则患者肺部的阻抗测量将被伪影污染，并因此导致不准确的结果。如果在污染的呼吸周期被拒绝后仍保持足够的清洁呼吸周期(流速、压力)，则可以获得准确的结果。

图1中提供了呼吸设备10。合适的呼吸设备和相关电气部件的结构的细节可参见2016年4月1日提交的国际申请PCT/SG2016/050166中找到，该国际申请于2016年10月6日公布为WO 2016/159889 A1并且标题为“Manifold for Respiratory Device”，其整体内容并入本文。还可参见2018年2月21日提交的序列号为15/901,114的美国专利申请，其整体内容并入本文。呼吸设备10包括具有前壁14的壳体12，在该前壁上可访问显示器或图形用户界面16以将用户输入录入到设备10中并查看显示的关于设备10的操作的信息，如图1所示。在壳体12的前壁14的底部区域处，软管附接到流量元件24。在图形用户界面16下方存在开/关按钮28，其被顺序按压以打开和关闭设备10。

设备10可作为吹气/呼气设备而操作，或者作为有时称为咳嗽辅助设备的此类设备而操作。因此，设备10能够向患者的气道施加正压和负压，在吹气期间施加正压而在呼气期间施加负压。可以控制设备10以通过耦合到流量元件24的患者接口(未示出)将正吹气压力或负吹气压力施加到患者。用户可以在设备10的手动模式下选择在吹气、呼气和暂停压力之间切换，或者其由设备10在自动模式下自动完成。在一些实施例中，设备10可操作以提供其他呼吸治疗模式，诸如连续正呼气压力(CPEP)和连续高频振荡(CHFO)，仅举几个示例。在本文中,CPEP和CHFO有时统称为肺内叩击通气(IPV)。

参考图2，流量元件24包括被配置成耦合到出口部54的入口部52。入口部52包括圆形主体56和从圆形主体56延伸出的入口端口58。圆形主体56包括被配置成有助于将入口部52耦合到出口部54的保持凸缘60，如以下所述。凸缘42围绕圆形主体56延伸。凸缘42台阶式下降到内表面62。多个凹口64从内表面62延伸到凸缘42中。

出口部54包括圆形主体70和从圆形主体70延伸出的出口端口72。出口端口72被配置成通过软管耦合到患者接口。圆形主体70包括被配置成有助于将入口部52耦合到出口部54的环形保持凸缘74。一对夹具76被配置成接合保持凸缘60、74以将入口部52固定到出口部54。凸缘44围绕圆形主体70延伸并且台阶式下降到内表面68。多个凸片66从凸缘44延伸。当出口部54耦合到入口部52时，凸缘42和44彼此相抵靠。凸片66固定在凹口64内以使入口部52和出口部54对准。内表面62和68在流量元件24内限定出空腔。

参考图3，夹具76包括舌状部和凹槽配置以将出口部54耦合到入口部52。每个夹具的端部78包括凹槽92和从凹槽92向外延伸的舌状部94。同样，如图5所示，凸缘60也包括舌状部和凹槽配置。每个端部46包括凹槽96和从凹槽96延伸的舌状部98。每个夹具76的舌状部94被配置成固定在凸缘60的凹槽96内。而且，凸缘60的舌状部98被配置成锁定在每个夹具76的凹槽92内。

过滤器80被配置成定位在入口部52与出口部54之间。当入口部52耦合到出口部54时，过滤器80定位在入口部52的圆形主体56与出口部54的圆形主体70之间。过滤器80保持在由内表面62和68限定的空腔中。在一些实施例中，过滤器80包括由外缘84围绕的筛网82。筛网82和外缘84可以由金属或塑料形成。在一些实施例中，筛网82可以是纸质过滤器。垫圈86包括被配置成接收过滤器80的外缘84的凹槽88。垫圈86将过滤器密封在流量元件24内，使得穿过流量元件24的任何空气穿过筛网82。参照图4，垫圈86密封在外缘84和筛网82的一部分周围以密封流量元件24。流量元件24有时被称为呼吸速度测定器或简称为呼吸速度计。

参考图6，当入口部52耦合到出口部54时，入口端口58和出口端口72形成通过流量元件24的流动路径90。在一些实施例中，流动路径90是入口端口58与出口端口72之间的线性流动路径。流动路径90穿过过滤器80。

入口压力端口100从入口部52的圆形主体56延伸。入口压力端口100平行于入口端口58延伸。出口压力端口102从出口部54的圆形主体70延伸。出口压力端口102平行于出口端口72延伸。在示意性实施例中，入口压力端口100和出口压力端口102沿假想线104对齐。假想线104平行于流动路径90延伸。也就是说，入口压力端口100和出口压力端口102平行于流动路径90延伸。入口压力端口100和出口压力端口102被配置成耦合到差压传感器(下面描述)。

参照图7，流量元件24定位在壳体120内，该壳体被配置成定位在呼吸设备10内。印刷电路板128定位在壳体120内并包括一对差压传感器130、132。参考图8，导管134将出口压力端口102连接到电路板128的第一压差传感器130。导管136通过Y分路器138将入口压力端口连接到第一压差传感器130和第二压差传感器132。第一差压传感器130被配置成输出通过流量元件24的压降以基于流量元件24的电阻获得流量。第二压差传感器132配置成输出患者气道***上的压降。在一个实施例中，第一压差传感器130是型号HSCMRRN016MD2A3差压传感器，并且第二差压传感器132是型号HSCMRRN160MDSA3差压传感器，两者均可从新泽西州莫里斯平原的霍尼韦尔国际公司获得。

基于从差压换能器132、130导出的信息，通过使脉冲穿过流量元件24来确定从呼吸设备10向患者使用的治疗的功效。参考图9，示出了三个曲线图，包括在压力144上在时间146内的患者呼吸波形148的曲线图140，以及以包含多个频率的脉冲信号142的形式施加到流量元件24的外部刺激的曲线图，如图9的右下曲线图所示。通过组合波形142和脉冲信号148来获取组合信号150，如图9的第三曲线图所示，其可用于评估患者对脉冲信号148的机械响应。图10示出了通过快速傅里叶变换转换的组合信号150，如图9的左曲线图所示。快速傅立叶变换曲线图152示出了作为频率156的函数的功率谱154。如图10所示，患者的呼吸周期由频率约为0.5Hz的峰值158表示。脉冲信号148由具有约5Hz的较高频率的峰值160表示。

基于曲线图152，可以获得呼吸***阻抗，其利用以下等式给出关于患者的肺电阻和顺应性的信息：

Zrs(ω)＝P(ω)/V’(ω)

＝Rrs+iXrs

＝Rrs+i(ωΙ–1/ωC)

Zrs(ω)表示患者呼吸周期的阻抗，Rrs表示以cmH2Os/L为单位的患者肺电阻，其是压力除以流速的量度，Xrs表示以cmH2Os/L为单位的患者的肺电抗。另外，I表示患者的肺惯性，C表示患者的肺顺应性。值得注意的是，低频振荡(f<20Hz)在气道的较低深度处扩散，并且较高频率的振荡(f>20Hz)在气道的上部扩散。相应地，使用图11所示的方法将治疗前的患者的肺电阻和肺电抗与治疗后的患者的肺电阻和肺电抗进行比较。

在图11的框170处，将脉冲信号148引入患者的气道。在框172处，使用上述等式来计算患者的肺阻抗。如框174所指示的，基于患者的肺阻抗对患者肺部状况进行评估。然后在框176处向患者实施治疗。在治疗之后，在框178处，将另一个脉冲信号148引入患者的气道以获得新的患者肺阻抗。在框180处，将新的肺阻抗与治疗前的肺阻抗进行比较以评估治疗的功效。

例如，图12示出了当粘液从下气道移动到上气道时的粘液运动期间的治疗阶段1的肺电阻曲线190和肺电抗曲线192。肺电阻曲线190和肺电抗曲线192沿着y轴以每升水秒厘米数(cmH2Os/L)为单位示出，并且沿着x轴以Hz为单位在频率上示出。在肺电阻曲线190中，点200表示呼吸***在5Hz频率下的总电阻。点202表示导气道在20Hz下的电阻。从点200到点202的线表示通常与异质性阻塞和小气道疾病相关联的电阻形状的改变。在肺电抗曲线192中，点210表示在5Hz的频率下的肺的整体硬化(即顺应性丧失)和小气道阻塞。点212表示电抗为零的频率(10Hz)，其指示肺的整体硬化和小气道阻塞。区域214指示肺的整体硬化和小气道阻塞。最后，点210的变化表示低频吸气和呼气电阻之间的差异。

图13示出了在将粘液咳出患者气道的治疗阶段2的肺电阻曲线220和肺电抗曲线222。如果治疗有效，应当遵循以下趋势。如点224所指示的，在20Hz下的电阻应当增大，从而指示上气道电阻增大。同样，如点226所指示的，在5Hz下的电阻应当增大。5Hz与20Hz之间的线228应当降低，从而指示下气道电阻相对于初始曲线190减小。此外，在肺电抗曲线222中，新曲线230应当相对于初始曲线192向上移位，从而指示改善的肺顺应性。

图14示出了治疗已经结束后的阶段3的肺电阻曲线240和肺电抗曲线242。在治疗后，如果治疗有效，应当出现以下趋势。如点250所表示的，在20Hz下的电阻应当减小。如点252所表示的，在5Hz下的电阻应当减小。而且，相对于曲线220，从5Hz到20Hz的新曲线254应当降低。这些减小中的每一个都指示上气道和下气道电阻两者的减小。此外，新电抗曲线260将相对于曲线230向上位移，从而指示改善的肺顺应性。

尽管可以利用上述方法来确定治疗治疗的功效，但可能存在可影响数据的若干因素。例如，鼻夹、脸颊支撑件、患者的坐姿、或患者的运动可能在阻抗数据中产生伪影。此外，附加的管线、管线中的弯曲、或呼气端口也可能产生伪影。伪影也可能由声门闭合、咳嗽、吞咽、或其他呼吸伪影产生。例如，图15示出了在20Hz下的呼吸压力波形300和电阻曲线302，其作为压力304(y轴)随时间306(x轴)的函数。伪影由线308指示。可以看出，伪影320发生在0.5秒和1.5秒之间，其可能指示***中的泄漏。另一个伪影322发生在2.5秒和4秒之间，其可能指示***中的阻塞。在另一个示例中，图16示出了在5Hz下的呼吸压力波形330和电阻曲线332，其作为压力334(y轴)随时间336(x轴)的函数。伪影340出现在0.5秒，其可能指示咳嗽。另一个伪影342出现在1秒与2秒之间，其可能指示打嗝。伪影344出现在2.5秒，其可能指示吞咽。最后，伪影346出现在3.5秒，其可能指示清嗓子。

图17示出了在三个阶段中发生的用于移除伪影的方法400。在第一阶段中，在框402处，计算10毫秒的数据的平均值。在框404处，通过从新获取的平均值中减去原始平均值并除以原始平均值以确定偏差百分比来计算数据的偏差。然后在框406处确定偏差是否大于13％。应当注意，可以利用其他百分比来评估数据。在框408处，标记大于13％的偏差，并且在框410处，用新平均值来更新原始平均值。如果在框406处偏差不大于13％，则方法行进到框420。

在第二阶段中，在框420处，检测另外的偏差值，直到检测到所有伪影点。在框422处，评估数据以确定是否存在任何连续伪影点。如果存在，则将这些点标记为真实伪影。在框424处，将不连续伪影点标记为虚假警报。在框426处，在压力流速波形(如图9-11中的那些)中检测呼吸周期。通过将零交叉点与正斜率相加获得总和，并将总和除以负斜率来标记吸气和呼气。

在第三阶段中，在框430处，将伪影映射到呼吸曲线上，并且如果在呼吸周期中嵌入伪影，则拒绝呼吸周期。在框432处，仅针对有效呼吸周期计算阻抗，并且将结果连在一起以确定没有伪影的曲线。图15和图16分别示出了具有伪影和没有伪影的电阻曲线和电抗曲线。

参考图18，患者的肺电阻被示为作为频率452的函数的电阻450。第一线454示出了具有伪影的肺电阻。第二线456示出了没有伪影的肺电阻。在5Hz的频率下，线454中的肺电阻高于线456中的肺电阻。因此，通过使用上述方法来移除伪影，与具有伪影的肺电阻相比，患者显示出较低且改善的肺电阻而没有伪影。

参考图19，患者的肺电抗被示为作为频率462的函数的压力460。第一线464示出了具有伪影的肺电抗。第二线466示出了没有伪影的肺电抗。在20Hz和25Hz下，在与具有伪影的肺电抗相比，肺电抗较低且被改善而且没有伪影。因此，通过使用上述方法来移除伪影，与具有伪影的肺电抗相比，患者显示出较低且改善的肺电抗而且没有伪影。

图20是流量元件500的另一个实施例，该流量元件具有中心主体502以及从中心主体502延伸的入口504和出口506。入口504具有端部508，该端部的直径510小于入口504在中心主体502处的直径512。出口506的直径514等于或大于直径512。入口端口的这种喇叭形状或向更大直径的扩张有利于实现层流，使得有效流动面积等于入口端口尺寸。中心主体502的尺寸被设计成保持过滤器530，如图21所示。

参考图22和图23，过滤器530包括垫圈532，该垫圈将蜂窝结构534密封在中心主体502内。蜂窝结构534包括直径约为0.9mm的多个孔536。与网格或筛网设计相比，较大的直径减少了灰尘和/或水分卡在孔536中的可能性。因此，用户不必定期清洁流量元件500。蜂窝结构534的厚度538约为1cm。该厚度有助于产生期望的压降以用于感测通过流量元件500的流量。

尽管本发明涉及多个实施例，但应当理解，每个实施例的各方面可以与本文描述的其他实施例一起使用。

尽管本发明涉及特定实施例，但本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中阐述的主题的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (11)

1.一种用于评估气道廓清治疗功效的呼吸设备，包括：

入口端口和出口端口；

流体通路，其在所述入口端口与所述出口端口之间延伸；

过滤器壳体，其定位在所述入口端口与所述出口端口之间；

过滤器，其定位在所述过滤器壳体内；

第一压力端口，其定位在所述过滤器壳体的入口侧上；

第二压力端口，其定位在所述过滤器壳体的出口侧上，其中所述第一压力端口和所述第二压力端口平行于所述流体通路延伸；以及

压力换能器，其耦合到所述第一压力端口和所述第二压力端口并且配置成测量所述第一压力端口与所述第二压力端口之间的压降。

2.根据权利要求1所述的呼吸设备，其中所述过滤器定位在所述第一压力端口与所述第二压力端口之间。

3.根据权利要求1所述的呼吸设备，其中所述过滤器包括筛网或蜂窝结构中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的呼吸设备，还包括围绕所述过滤器延伸的垫圈。

5.根据权利要求4所述的呼吸设备，其中所述垫圈密封所述过滤器的入口侧和出口侧。

6.根据权利要求4所述的呼吸设备，其中所述垫圈阻止所述过滤器周围的气流。

7.根据权利要求1所述的呼吸设备，其中所述入口端口耦合到呼吸器。

8.根据权利要求1所述的呼吸设备，其中所述过滤器壳体包括：包括所述入口端口的入口部，以及包括所述出口端口的出口部。

9.根据权利要求8所述的呼吸设备，其中所述入口部和所述出口部耦合在一起。

10.根据权利要求9所述的呼吸设备，还包括夹具以将所述入口部耦合到所述出口部。

11.根据权利要求10所述的呼吸设备，其中所述夹具将所述入口部密封到所述出口部。

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