KR20190016699A - 광의료를 위한 광센싱시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1파장의 빛을 송출하는 제1광원부 및 제2파장의 빛을 송출하는 제2광원부를 포함하는 광송신부; 상기 제1광원부 및 제2광원부의 빛을 수광하는 광수신부; 소정의 물질에 반응하여, 색이 변하는 색이 변하는 반응부를 포함하고, 상기 제2광원부의 빛은 상기 반응부의 암모니아의 반응정도에 따라서 수광되는 세기가 변화하고, 그 세기를 기초로, 소정의 물질의 농도를 측정하것을 특징으로 하는 광센싱시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 광센서를 이용한 센싱시스템에 관한 것으로, 광의료를 위한 광센싱시스템에 관한 것이다.
광센서는 다양한 분야에 사용되고 있으며, 그 성능이 검증되고 있다. 특히, 광센서는 정밀한 측정이 가능하다는 장점이 있다. 특히, 광의료를 위한 바이오센서 관련해서는 종래의 어떠한 센서보다 빠르고, 정확한 검증을 할 수 있다는 장점이 있다.
다양한 질환을 가진 환자들의 치료에 있어서 혈액을 이용한 각종 검사는 환자의 상태 파악 및 치료 방법을 결정하는데 아주 중요한 지표가 된다. 혈액검사를 자주 필요로 하는 경우는 여러 가지 질환에서 다양한 조건이 있지만 예를 들면, 당뇨병 환자의 혈당치, 만성 신부전증 환자의 BUN(Blood Urea Nitrogen)이나 크레아티닌(creatinine) 수치 및 다양한 질환에서의 혈중 암모니아 수치를 들 수 있다.
암모니아는 장, 간, 신장 등 체내의 모든 세포에서 형성되어 간에서 대사되며 요소(urea)로 변환되어 대, 소변, 땀 등을 통해 체외로 배출되게 된다. 요소도 노폐 물질이나 암모니아보다는 훨씬 독성이 덜하다. 혈중 암모니아는 단백질이 대사(metabolism)되고 난 부산물로 자연 발생적으로 체내에서 생기게 된다. 그러므로 인간 생명이 유지되는 한 암모니아와 관련된 대사는 평생 체내에서 진행된다.
한편, 혈중 암모니아가 일정 수준 이상 올라가면 뇌 조직에 독성으로 작용하여 짧은 시간에 환자는 의식 소실을 보이며 일찍 교정이 되지 않을 경우는 사망에까지 이를 수 있으므로 아주 중요한 생체 지표 중 하나에 해당하며 고암모니아 혈중을 유발하는 원인 질환으로는 전격성 간염, 간경화, 간암, 대사질환 및 기타 간 기능을 떨어뜨리는 여러 가지 형태의 임상 질환들이 포함될 수 있다. 암모니아는 뇌세포에 특히 독성이 강해 혈중 농도가 올라갈 경우 의식 혼미, 기면, 경련 및 의식 소실 등을 초래할 수 있다.
따라서, 여러 가지 임상적 상황에서 환자의 안전성 여부의 판단을 위해 병원에서 자주 측정되는 혈중 대사물질의 하나이며 신경계에 미치는 영향이 막중하여 중요한 측정 자료가 된다.
혈중 암모니아 측정방법은 혈액을 채취하고, 채취된 혈액내에 존재하는 암모니아의 농도를 측정하는 방식으로 암모니아 외의 혈중에 존재하는 물질에 의한 영향을 최소화하기 위해서는 암모니아만 결합하는 특정 바이오 리셉터를 센싱부에 고정화하여 측정하게 된다.
일반적으로 혈액 속에 있는 암모니아를 검출하는 방법에는 대표적으로 네슬러 시약(Nessler's reagent), 베르텔로 시약(Berthelot's reagent) 등이 있으며, 암모니아와 특이적으로 반응하는 화학 반응을 이용하는 것으로 지시약을 사용하여 암모니아의 농도에 따라 색이 변하는 정도를 측정한다.
네슬러 시약은 수은 사용으로 인해 인체와 환경에 유해하기 때문에 그 용도가 제한적이다. 또한, 베르텔로 시약은 암모니아와 반응하면 청색으로 변하는데 이는 페놀이 암모니아와 반응하여 인도페놀이라는 청색을 띠는 물질로 변하는 것을 이용한 것으로 생성된 인도페놀의 양은 암모니아의 농도와 관련이 있기 때문에 암모니아의 농도를 역으로 알 수 있다.
그러나, 베르텔로 시약 검출 방법은 액체 상태로 존재하며 암모니아 용액과 반응하여 인도페놀을 형성한다. 이러한 용액 상태의 지시기(Indicator)는 휴대가 용이하지 않으며 취급하기도 어렵다. 또한, 기준 용액의 양이 10mL로 상당히 크기 때문에 혈장의 암모니아를 검지하기에 적합하지 않으며, 암모니아 농도에 따른 색의 변화로 측정하기 때문에 암모니아 수치를 정확하게 측정할 수 없는 문제점이 있다.
한편, 광센서를 이용한 광센싱시스템의 경우에는 사용자의 부주의, 사용환경, 시간에 따른 시스템의 열화, 고가의 광부품 등의 이유 때문에, 상용화가 쉽지 않았다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 휴대가 간편하고, 저가이면서, 측정오차를 최소화할 수 있는 혈중 암모니아를 측정할 수 있는 광센싱시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단으로 일 실시예인 광센싱시스템은 제1파장의 빛을 송출하는 제1광원부 및 제2파장의 빛을 송출하는 제2광원부를 포함하는 광송신부; 상기 제1광원부 및 제2광원부의 빛을 수광하는 광수신부; 소정의 물질에 반응하여, 색이 변하는 색이 변하는 반응부; 상기 제2광원부의 빛은 상기 반응부의 암모니아의 반응정도에 따라서 수광되는 세기가 변화하고, 그 세기를 기초로, 소정의 물질의 농도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 소정의 물질은 암모이나인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1파장은 암모니아 반응이 없을 때, 상기 반응부가 흡수하는 대역의 중심파장이고, 상기 제2파장은 암모니아 반응이 있을 때, 상기 반응부가 흡수하는 대역의 중심파장인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 일 실시예의 광센싱방법은 반응부를 삽입하는 단계; 제1광원부를 송출하는 단계; 제1광원부의 세기를 측정하는 단계; 상기 반응부에 반응물질을 반응시키는 단계; 제2광원부를 송출하는 단계; 제2광원부의 세기를 측정하는 단계; 상기 측정된 제2광원부의 세기를 보정하는 단계; 상기 반응물질의 농도 또는 양을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광대역 광원이 아닌, 2개의 광원을 사용한기 때문에 저가로 구성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 기준광원의 정보를 측정 시마다 보정을 하기 때문에 측정에 따른 오차를 최대한 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1 본 발명의 광센싱시스템의 실시예.
도 2 본 발명의 광송신부의 일 실시예의 구성도.
도 3 본 발명의 광송신부의 일 실시예의 구성도.
도 4 본 발명의 광송신부의 일 실시예의 구성도.
도 5 본 발명의 반응물질이 반응이 안한 반응부를 포함한 광센싱시스템의 실시예.
도 6 본 발명의 반응물질이 반응한 반응부를 포함한 광센싱시스템의 실시예.
도 7 본 발명의 반응부의 흡수대역광 스펙트럼
도 8 본 발명의 반응농도에 따른 흡수대역광 스펙트럼 및 이에 따른 수신세기에 따른 측정 결과
도 9 본 발명의 제1광원부의 세기 변화에 따른 제2광원부의 세기 변화의 영향.
도 2 본 발명의 광송신부의 일 실시예의 구성도.
도 3 본 발명의 광송신부의 일 실시예의 구성도.
도 4 본 발명의 광송신부의 일 실시예의 구성도.
도 5 본 발명의 반응물질이 반응이 안한 반응부를 포함한 광센싱시스템의 실시예.
도 6 본 발명의 반응물질이 반응한 반응부를 포함한 광센싱시스템의 실시예.
도 7 본 발명의 반응부의 흡수대역광 스펙트럼
도 8 본 발명의 반응농도에 따른 흡수대역광 스펙트럼 및 이에 따른 수신세기에 따른 측정 결과
도 9 본 발명의 제1광원부의 세기 변화에 따른 제2광원부의 세기 변화의 영향.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광센서를 포함하는 센싱시스템에 대해 상세하게 설명한다.
도 1 내지 3은 본 발명에 따른 혈중 암모니아를 측정하기 위한 광센싱시스템의 개략도이다.
광센싱시스템은 광송신부(10)과 광수신부(20)로 구성되며, 광송신부(10)는 제1파장의 빛을 송출하는 제1광원부(12)와 제2파장의 빛을 송출하는 제2광원부(13)을 포함하고, 제1, 2 광원부(12, 13)을 제어하는 제어부(11)를 함께 포함한다. 제어부는 각각의 광원부를 구동하고, 제어하는 역할을 한다. 상기 제1파장과 제2파장에 대한 설명은 후술한다.
상기 제1광원부(12)와 제2광원부(13)에서 나온 출력은 광연결부(100)를 통해서 광송신부(10)의 외부로 송출된다. 광송신부(10)의 외부는 자유공간이고, 광송신부(10)의 출력은 상기 자유공간을 지나서, 광수신부(20)에 수신이 되어진다.
상기 광연결부(100)는 WDM결합부(110), 탭커플러(120), 렌즈부(130)를 포함하고, 상기 제1광원부(12)와 제2광원부(13)의 출력은 WDM결합부(110)에 연결되어지고, WDM결합부(110)의 출력은 탭커플러(120)를 통해서 출력신호의 일부는 모니터링PD(14)로 나오고, 나머지는 렌즈부(130)를 통해서 출력된다. 탭커플러(120)는 95:5와 같은 파워커플러를 사용할 수 있고, 렌즈부(130)가 자유공간에 출력되어질 때, 반사되는 신호를 받아서 구성할 수 있다.
광수신부(20)은 광송신부(10)의 제어부(11)와 데이터를 주고 받을 수 있도록 연결되어 있고, 제1광원부(12), 제2광원부(13)의 송출될 때, 여부를 알 수 있도록 동기화되어 있다.
센싱시스템은 광송신부(10)와 광수신부(20)의 사이에, 반응부(30)을 포함한다. 반응부(30)는 소정의 물질 등에 반응하고, 본 발명의 실시예는 암모니아에 반응하는 물질일 수 있다.
상기 반응부(30)의 일면에는 자체 부피에 비해 최대 800%까지 수분을 흡수할 수 있는 반고체 상태의 하이드로겔을 부착할 수 있다. 여기서, 상기 하이드로겔은 1w/v.% Alginate와 0.5w/v.% Agarose 하이브리드 하이드로겔을 사용할 수 있다.
도 7은 광대역광원을 반응부(30)에 투과시켰을 때, 흡수되는 파장에 대한 일예이다. A와 같은 광대역광원을 반응이 일어나지 않은 반응부(30)에 투과하면, 반응부(30)의 흡수대역의 파장의 대역은 B와 같은 형태의 흡수대역(31)을 갖을 수 있다. 반면, 반응부(30)가 암모니아에 반응하여, 도5와 같이 반응부(30)의 색이 변하게 되면, 흡수되는 빛의 대역이 변하게 되고, 흡수되는 대역(32)은 C와 같다.
반응이 없는 경우의 흡수대역(31)의 거의 최고점인 제1파장(λ1)의 제1광원부(12)와 반응이 있는 경우의 흡수대역(32)의 거의 최고점인 제2파장(λ2)의 제2광원부(13)를 포함한다. 이렇게 거의 최고점을 선택하는 이유는 반응되는 양에 따라서, 흡수되는 양이 거의 일정하고, 향후, 계산식을 하는 경우에도 피팅이 쉽기 때문이다.
제2광원부(13)의 광이 반응부(30)에 흡수되는 정도는 반응부(30)의 반응물질에 대한 반응정도에 기인한다. 도8에 개시된 것과 같이. 반응부(30)에 반응정도가 커져서, 제2광원부(13)의 빛을 더 많이 흡수가 많이 일어날 수 있도록, 수신부(20)에서 수신하는 제2광원부(13)의 세기는 낮아지게 된다. 도면상에는 예시를 위해서 가상의 흡수대역 스펙트럼을 넣어서, 최고점이 낮아지는 경향을 도시하였지만, 실제 시스템에서는 흡수되는 스펙트럼의 크기가 작아지고, 동시에 모양이 조금씩 변화한다. 하지만, 흡수 최고점의 파장은 거의 유지가 되기 때문에 본 발명의 제2광원부(13)의 제2파장은 거의 최고점을 두는 것이 바람직하다.
제2광원부는 열에 의해서 중심파장이 변화하기 때문에, 열전소자를 이용해서 그 중심파장을 고정하는 것이 바람직하다. 하지만, 열전소자는 비용이나 소비전력이 많이 들어가서, 동작온도대역에서의 움직이는 파장정도를 미리 알 수 있으면 굳이 열전소자가 필요없다. 움직이는 파장정보는 계산에 온도센서를 통해 온도정도를 이용해서 알 수 있다.
암모니아의 농도가 높아지게 되면, 반응부(30)의 색이 더 변하게 되고, 흡수가 더 많아지게 되고, 수신되는 파워의 세기가 낮아지게 된다. 즉, 수신되는 빛의 세기에 따라서 암모니아의 농도를 알 수 있고, 수신세기에 따른 암모니아의 농도를 매핑하는 것이 중요하다.
최초에 장비를 제작하면, 상기 매핑정보를 생성하는 과정이 필요하다. 생성하는 과정은 제1광원부를 송출하면, 수신부(20)가 제1광원부의 세기를 측정한다. 제1광원부의 송출세기와 수신세기를 반응부(30)가 있을 때와 없을 때 각각 측정한다. 송출세기는 모니터링PD(14)를 통해서 측정할 수 있다. 반응부(30)가 있을 때, 제1광원부의 송출세기와 수신세기를 기준차이를 계산하고, 제어부는 그 차이를 메모리에 저장한다. 그 후, 제2광원부를 암모니아의 농도에 따른 반응부(30)가 있을 때, 송출세기와 수신세기를 각각 측정한다. 송출세기와 수신세기의 차이를 분석하고, 농도에 따른 세기차이를 정보를 수집한다. 각각의 측정은 기준차이가 변화하는지 유무도 같이 확인한다. 송출세기와 수신세기를 동시에 측정해야 하는 이유는 파장의 온도변화에 기인하여 그 값이 변화할 수 있기 때문에다.
수집된 정보는 다음의 수식을 이용하여, a, b, c의 변수를 찾아내어 결정하고, 측정하지 않은 부분은 결정된 a, b, c와 수식을 이용하여 예측할 수 있다.
Y : 암모니아의 농도
xt : 제2광원부의 송출세기
xr : 제2광원부의 수신세기
ΔR : 최초 기준차이와 측정 시 기준차이의 변화정도
상기 수식에서 xt와 xr의 서로 바꿔서 계산될 수 있고, 그 값의 차이를 절대치로 환산하여 적용할 수 있다.
여기서, 델타 R의 보상이 필요한 이유는 측정시마다, 기준차이가 변화하기 때문이다. 기준차이의 변화는 도 9에 개시된 것과 같이 전체적인 흡수되는 빛의 세기차이를 야기 시키기 때문이다.
최초 매핑정보를 생성하기 위해서, 많은 수의 기준값을 측정하면 좋겠지만, 생산성 등의 이유로 어렵다. 따라서, 기준값들의 사이는 상기 수식에 의해서 피팅을 할 수 있고, 정확도는 약 94%이상으로 매핑정보를 피팅할 수 있다.
매핑정보를 생성하면, 메모리에 저장하여 실제 측정을 하게 된다. 실제 측정은 다양한 환경 및 다양한 사용자가 측정을 할 수 있기 때문에 오차가 생성된다. 이러한 오차를 최대한 방지하기 위해서는 제1광원부의 기준차이를 분석하는 단계를 포함해야 하고, 기준차이를 분석한 정보를 측정된 제2광원부의 송신과 수신 세기차이에 보정을 하는 단계를 거쳐야 한다.
즉, 반응부를 삽입하는 단계, 제1광원부를 송출하는 단계, 제1광원부의 빛의 세기를 광송신부에서 측정하는 단계, 광수신부에서 제1광원부의 빛의 세기를 측정하는 단계, 상기 광송신부와 광수신부에서 측정한 제1광원부의 빛의 세기 차이를 분석하여 기준차이를 생성하는 단계, 상기 생성된 기준차이를 시스템의 메모리에 저장되어 있는 생산 시 측정한 기준차이와 비교하여 그 차이값을 생성하는 단계, 반응부에 반응물질을 반응시키는 단계, 제2광원부를 송출하는 단계, 광송신부에서 제2광원부의 빛의 세기를 측정하는 단계, 상기 제2광원부의 빛이 반응부를 통과한 후 광수신부에서 상기 통과한 빛의 세기를 측정하는 단계, 상기 광수신부에서 측정한 제2광원부의 빛의 세기를 상기 차이값과 상기 광송신부에서 측정한 제2광원부의 빛의 세기를 이용하여 보정하는 단계, 보정된 결과를 이용하여 상기 반응물질의 양 또는 농도를 분석하는 단계를 포함한다. 상기 보정은 앞서 설명한 수식에 의해서 보정이 이루어진다.
이 같이 측정때마다, 광송신부에서 측정한 결과를 계속 보정을 하면, 정확한 결과를 획득할 수 있는 장점이 있다. 또한, 반응부의 삽입과정에서 반응부의 위치 및 반응부의 생산에 따른 미세한 오차가 존재하기 때문에, 반응부를 삽입하고, 제1광원부의 세기측정을 이용하여 오차를 분석할 수 있기 때문에 반응부에 의한 오차도 보상할 수 있는 효과가 있다.
이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 광송신부
20 광수신부
30 반응부
11 제어부
12 제1광원부
13 제2광원부
14 모니터링PD
20 광수신부
30 반응부
11 제어부
12 제1광원부
13 제2광원부
14 모니터링PD
Claims (4)
- 제1파장의 빛을 송출하는 제1광원부 및 제2파장의 빛을 송출하는 제2광원부를 포함하는 광송신부;
상기 제1광원부 및 제2광원부의 빛을 수광하는 광수신부;
소정의 물질에 반응하여, 색이 변하는 색이 변하는 반응부;
상기 제2광원부의 빛은 상기 반응부의 암모니아의 반응정도에 따라서 수광되는 세기가 변화하고, 그 세기를 기초로, 소정의 물질의 농도를 측정하는 광센싱시스템. - 제1항에 있어서,
상기 소정의 물질은 암모이나인 것을 특징으로 하는 광센싱시스템. - 제2항에 있어서,
상기 제1파장은 암모니아 반응이 없을 때, 상기 반응부가 흡수하는 대역의 중심파장이고, 상기 제2파장은 암모니아 반응이 있을 때, 상기 반응부가 흡수하는 대역의 중심파장인 것을 특징으로 하는 광센싱시스템. - 반응부를 삽입하는 단계;
제1광원부를 송출하는 단계;
제1광원부의 세기를 측정하는 단계;
상기 반응부에 반응물질을 반응시키는 단계;
제2광원부를 송출하는 단계;
제2광원부의 세기를 측정하는 단계;
상기 측정된 제2광원부의 세기를 보정하는 단계;
상기 반응물질의 농도 또는 양을 측정하는 단계를 포함하는 광센싱방법.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020170100959A KR20190016699A (ko) | 2017-08-09 | 2017-08-09 | 광의료를 위한 광센싱시스템 |
| CN201810441858.XA CN109387506A (zh) | 2017-08-09 | 2018-05-10 | 光感测*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020170100959A KR20190016699A (ko) | 2017-08-09 | 2017-08-09 | 광의료를 위한 광센싱시스템 |
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ID=65416552
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN (1) | CN109387506A (ko) |
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2017
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2018
- 2018-05-10 CN CN201810441858.XA patent/CN109387506A/zh active Pending
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|---|---|
| CN109387506A (zh) | 2019-02-26 |
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