心肺聽診技能訓(xùn)練系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用
現(xiàn)代電子技術(shù)
摘要： 本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是由于系統(tǒng)利用MSP430超低功耗性能，因此設(shè)計(jì)具有很高的實(shí)用性和穩(wěn)定性,，并且該芯片具有較高的運(yùn)算速度，較大的RAM和FLASH空間,，具有可擴(kuò)展的I／O口,，兼容一些外部芯片，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn),。系統(tǒng)用普通聽診器去測(cè)試心肺音,，更能逼真模仿真實(shí)的臨床環(huán)境，因而相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的研究和開發(fā),，不僅對(duì)于提高現(xiàn)階段我國醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)的水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,，同時(shí)也具有良好的市場(chǎng)前景。
Abstract：
Key words :
</a>心肺聽診" title="心肺聽診">心肺聽診" title="心肺聽診">心肺聽診音,，被考核者通過聽診器將此聲音傳到人耳朵里,，這就完整模擬了一次真實(shí)的聽診過程。被考核者通過聽診器的探頭觸診模型人的不同體位,，并通過聽診器來聽診不同位置的各種病理特征,，由此來判斷是否為某種疾病，從而達(dá)到教學(xué)和培訓(xùn)的目的,。
2 系統(tǒng)的功能組成
從功能方面,，該系統(tǒng)又可分為語音播放單元、多路模擬開關(guān),、位置識(shí)別開關(guān)、無線通信單元和電源及低功耗設(shè)計(jì)單元六個(gè)部分,。其中模型人內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖1所示,。
遙控器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。
2．1 主控制器芯片的選擇
主控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,，主控制器芯片的選擇關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與否,。本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)語音播放、無線收發(fā),、多路模擬開關(guān),、電源低功耗、上位機(jī)教學(xué)等功能,，所以就要求該芯片具有較高的運(yùn)算速度,，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴(kuò)展的IO口(比如I2C,，SPI等)兼容一些外部芯片(如帶有SPI的FLASH存儲(chǔ)器或者一些其他芯片),，并且功耗較低，調(diào)試方便等,。綜合上述因素,，主控制芯片用美國德克薩斯(TI)公司生產(chǎn)的MSP430，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是便攜式心肺聽診系統(tǒng),，采用電池供電的方式,，所以要求必須超低功耗,，這樣才能滿足醫(yī)學(xué)教學(xué)的要求，而該芯片最大的特點(diǎn)就是低功耗,，電壓準(zhǔn)備工作模式是3．3 V,，正常工作時(shí)電流在幾毫安，完全滿足系統(tǒng)要求,。該芯片具有如下性能：
低電壓范圍：1．8～3．6 V,；
超低功耗：標(biāo)準(zhǔn)模式1．3 mA，RAM保持關(guān)閉時(shí)為0．1 mA,；
低電流：7 mA在32 kHz,，2．2 V，250 mA在1 MHz,，2．2 V,；
5種節(jié)點(diǎn)模式和6 ms內(nèi)從等待模式喚醒；
16位RISC指令結(jié)構(gòu)和125 ns指令周期,；
12位A／D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部參考電壓,、采樣保持、自動(dòng)掃描特性,；
16位定時(shí)器并帶有映射寄存器的7路捕獲,、比較寄存器，定時(shí)器B,；16位定時(shí)器并帶有3路捕獲／比較寄存器,，定時(shí)器A；片內(nèi)比較器,；
串行在線編程,，無須外部編程電壓，安全熔絲保護(hù)程序代碼,；
內(nèi)含60 KB閃存,，2 KB隨機(jī)存儲(chǔ)器。
2．2 語音播放
語音播放是本系統(tǒng)一個(gè)重要組成功能之一,。在這里有兩個(gè)問題需要解決,，一個(gè)是語音數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，另一個(gè)是語音的編解碼和播放,。由于WAV波形數(shù)據(jù)占用的空間較大,，所以有必要先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。因此該系統(tǒng)選用中青世紀(jì)科技公司開發(fā)的PM50智能語音芯片,，它既是語音播放電路,，也是智能單片機(jī)，其音質(zhì)水平,，價(jià)格都要略優(yōu)于著名的ISD電路,，同時(shí)也有21 kHz的高保真音質(zhì),。該芯片由專用的語音單片機(jī)和FLASH RAM存儲(chǔ)器集合構(gòu)成，它既有13～100 s的多段語音播放功能,，也有單片機(jī)可編程的智能特性,，該芯片具有如下特點(diǎn)：
可存儲(chǔ)聲音長度：13～100 s；
寬范圍工作電壓：DC 3～6 V,；
工作電流50 mA,，靜態(tài)電流1μA；
直接驅(qū)動(dòng)8 Ω 0．5 W的喇叭,，具備PWM和DAC兩種音頻輸出模式,；
寬范圍采樣頻率：4．8～21 kHz；
錄制的語音可分并行1～8段和串行128段,；
自帶8個(gè)輸入端口,，9個(gè)輸出端口，功能均可由用戶自定義,；
FLASH RAM結(jié)構(gòu),，可以反復(fù)擦寫錄入，壽命在1萬次以上,；
兩種封裝形式：COB28和COB16,；
開發(fā)用的電腦軟件系超智能傻瓜圖形設(shè)計(jì)，外行也能使用,；
配合編程軟件可以開發(fā)出并行,、串行、智能型等多種控制模式,；
最小系統(tǒng)的外圍電路只需一只振蕩電阻、一只電源濾波電容,；
有13 s／20 s／50 s／100 s多個(gè)時(shí)間檔次可選,；
完成開發(fā)和試驗(yàn)生產(chǎn)后，直接用源文件投產(chǎn)掩膜,，音質(zhì)效果,、功能性能不變。
2．3 多路模擬開關(guān)
多路模擬開關(guān)主要是用來選擇播放位置點(diǎn)喇叭聲音的,，因?yàn)镻M50芯片只能連接一路揚(yáng)聲器,，所以只能通過多路模擬開關(guān)來選擇各路喇叭接通，而MAX306CPI芯片是十六位多路選擇開關(guān),，可以將兩片芯片擴(kuò)展起來形成32路選擇開關(guān),，芯片電壓在4．5～30 V之間，功耗非常小,，且不影響喇叭的發(fā)音,，完全滿足要求,。并且聽診器探頭可以輕易地觸動(dòng)模型人皮下的專用位置，所以采用這種技術(shù)對(duì)本系統(tǒng)來說是一個(gè)很好的選擇,。
2．4 無線模塊的設(shè)計(jì)
無線模塊的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì),。硬件設(shè)計(jì)主要包括PCB圖的布局走線和天線設(shè)計(jì)兩方面，軟件設(shè)計(jì)主要是通信協(xié)議的定義,。
無線模塊工作在ISM(Industrial Scientific Medical)超高頻段,，因而對(duì)PCB板的布局提出了更高的要求。一般來說,，外圍元件要盡可能靠近無線芯片,，并且所有元件要盡可能排列在PCB板的同一側(cè)，這樣可以在PCB板的另外一側(cè)進(jìn)行大面積的敷銅以減少干擾,。軟件方面,，良好的通信協(xié)議也是無線模塊穩(wěn)定工作的重要保障之一。通信協(xié)議除了規(guī)定應(yīng)答關(guān)系之外,，檢錯(cuò)也是一個(gè)重要環(huán)節(jié),。目前比較常用的檢錯(cuò)方法是循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC校驗(yàn))，其特征是信息字段和長度字段的長度可以任意選定,。CRC碼集的選擇原則是：若設(shè)碼字長度為N,，信息字段長度為K，校驗(yàn)字段長度為R,，其中N=K+R,，則對(duì)于CRC碼集中的任一碼字，當(dāng)且存在一個(gè)R次的多項(xiàng)式g(x),，使得：
式中：m(x)為K次信息多項(xiàng)式,；r(x)為R-1次校驗(yàn)多項(xiàng)式；g(x)為生成多項(xiàng)式,。發(fā)送方通過生成g(x)來產(chǎn)生CRC碼字,，接收方將接收到的碼字多項(xiàng)式與生成多項(xiàng)式g(x)相除，若能除盡,，則說明接收正確,。
2．5 電源模塊
在便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，為避免頻繁更換電池,，延長產(chǎn)品的一次使用時(shí)間,，低功耗設(shè)計(jì)一直是重中之重。電源模塊主要用于對(duì)電池組的管理,，并給系統(tǒng)的其他模塊供電,。電源橫塊主要用在遙控器上，用來供給遙控器各模塊正常工作。本系統(tǒng)采用的是兩節(jié)電池供電的方式,，具有升降壓功能的DC／DC電源芯片,。良好的電源模塊設(shè)計(jì)可以有效提高電池的利用效率，維持穩(wěn)定的電壓,，減少電源紋波,，增大輸出電流。
2．6 低功耗設(shè)計(jì)
由于本系統(tǒng)采用的是兩節(jié)干電池供電的方式,，對(duì)系統(tǒng)功耗要求比較高,。為了延長電池的使用壽命，避免頻繁地更換電池,，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)都要考慮到低功耗的設(shè)計(jì)要求,。低功耗設(shè)計(jì)就是要降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、電源電壓以及門的活躍因素,。從硬件方面來講,，要降低系統(tǒng)的功耗，就要盡可能選擇低功耗的芯片,，或者帶有休眠功能的芯片,。軟件方面，可以采用間斷喚醒的工作方式,。如果某個(gè)功能模塊工作的空閑時(shí)間較長時(shí),，可以暫時(shí)將其關(guān)閉或者使其處于低功耗狀態(tài)，然后通過定時(shí)喚醒來檢測(cè)應(yīng)答信號(hào),，只有當(dāng)接收到應(yīng)答信號(hào)時(shí)模塊才進(jìn)入工作狀態(tài),。通過間斷喚醒的方式可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。
3 上位機(jī)教學(xué)軟件
主控制器通過I／O口將模型人的位置信息傳到上位機(jī),，上位機(jī)根據(jù)收到的位置信號(hào)來控制上位機(jī)軟件界面的顯示,，可以顯示聽診的位置、聲音特點(diǎn),、與呼吸的關(guān)系以及聲音的波形信息,，另外還可以外接揚(yáng)聲器放大播放所聽到的心肺聲音，達(dá)到醫(yī)學(xué)教學(xué)的目的,。上位機(jī)界
面的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。
4 結(jié)語
MSP430系列單片機(jī)的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,，主要取決于以下特點(diǎn)：強(qiáng)大的處理能力,；采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)；具有豐富的尋址方式,；簡潔的27條內(nèi)核指令以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可以參加多重運(yùn)算,；高效的查表處理指令；較高的處理速度，在8 MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns,。這些特點(diǎn)保證編制出高效率的源程序,。另外MSP430系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套,，使用時(shí)靈活方便,。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只用6μs,。
本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是由于系統(tǒng)利用MSP430超低功耗性能,，因此設(shè)計(jì)具有很高的實(shí)用性和穩(wěn)定性，并且該芯片具有較高的運(yùn)算速度,，較大的RAM和FLASH空間,，具有可擴(kuò)展的I／O口，兼容一些外部芯片,，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn),。系統(tǒng)用普通聽診器去測(cè)試心肺音，更能逼真模仿真實(shí)的臨床環(huán)境,，因而相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的研究和開發(fā),，不僅對(duì)于提高現(xiàn)階段我國醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)的水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也具有良好的市場(chǎng)前景,。
2 系統(tǒng)的功能組成
從功能方面,，該系統(tǒng)又可分為語音播放單元、多路模擬開關(guān),、位置識(shí)別開關(guān)、無線通信單元和電源及低功耗設(shè)計(jì)單元六個(gè)部分,。其中模型人內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖1所示,。
遙控器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。
2．1 主控制器芯片的選擇
主控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,，主控制器芯片的選擇關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與否,。本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)語音播放、無線收發(fā),、多路模擬開關(guān),、電源低功耗、上位機(jī)教學(xué)等功能,，所以就要求該芯片具有較高的運(yùn)算速度,，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴(kuò)展的IO口(比如I2C,，SPI等)兼容一些外部芯片(如帶有SPI的FLASH存儲(chǔ)器或者一些其他芯片),，并且功耗較低，調(diào)試方便等,。綜合上述因素,，主控制芯片用美國德克薩斯(TI)公司生產(chǎn)的MSP430，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是便攜式心肺聽診系統(tǒng),，采用電池供電的方式,，所以要求必須超低功耗,，這樣才能滿足醫(yī)學(xué)教學(xué)的要求，而該芯片最大的特點(diǎn)就是低功耗,，電壓準(zhǔn)備工作模式是3．3 V,，正常工作時(shí)電流在幾毫安，完全滿足系統(tǒng)要求,。該芯片具有如下性能：
低電壓范圍：1．8～3．6 V,；
超低功耗：標(biāo)準(zhǔn)模式1．3 mA，RAM保持關(guān)閉時(shí)為0．1 mA,；
低電流：7 mA在32 kHz,，2．2 V，250 mA在1 MHz,，2．2 V,；
5種節(jié)點(diǎn)模式和6 ms內(nèi)從等待模式喚醒；
16位RISC指令結(jié)構(gòu)和125 ns指令周期,；
12位A／D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部參考電壓,、采樣保持、自動(dòng)掃描特性,；
16位定時(shí)器并帶有映射寄存器的7路捕獲,、比較寄存器，定時(shí)器B,；16位定時(shí)器并帶有3路捕獲／比較寄存器,，定時(shí)器A；片內(nèi)比較器,；
串行在線編程,，無須外部編程電壓，安全熔絲保護(hù)程序代碼,；
內(nèi)含60 KB閃存,，2 KB隨機(jī)存儲(chǔ)器。
2．2 語音播放
語音播放是本系統(tǒng)一個(gè)重要組成功能之一,。在這里有兩個(gè)問題需要解決,，一個(gè)是語音數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，另一個(gè)是語音的編解碼和播放,。由于WAV波形數(shù)據(jù)占用的空間較大,，所以有必要先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。因此該系統(tǒng)選用中青世紀(jì)科技公司開發(fā)的PM50智能語音芯片,，它既是語音播放電路,，也是智能單片機(jī)，其音質(zhì)水平,，價(jià)格都要略優(yōu)于著名的ISD電路,，同時(shí)也有21 kHz的高保真音質(zhì),。該芯片由專用的語音單片機(jī)和FLASH RAM存儲(chǔ)器集合構(gòu)成，它既有13～100 s的多段語音播放功能,，也有單片機(jī)可編程的智能特性,，該芯片具有如下特點(diǎn)：
可存儲(chǔ)聲音長度：13～100 s；
寬范圍工作電壓：DC 3～6 V,；
工作電流50 mA,，靜態(tài)電流1μA；
直接驅(qū)動(dòng)8 Ω 0．5 W的喇叭,，具備PWM和DAC兩種音頻輸出模式,；
寬范圍采樣頻率：4．8～21 kHz；
錄制的語音可分并行1～8段和串行128段,；
自帶8個(gè)輸入端口,，9個(gè)輸出端口，功能均可由用戶自定義,；
FLASH RAM結(jié)構(gòu),，可以反復(fù)擦寫錄入，壽命在1萬次以上,；
兩種封裝形式：COB28和COB16,；
開發(fā)用的電腦軟件系超智能傻瓜圖形設(shè)計(jì)，外行也能使用,；
配合編程軟件可以開發(fā)出并行,、串行、智能型等多種控制模式,；
最小系統(tǒng)的外圍電路只需一只振蕩電阻、一只電源濾波電容,；
有13 s／20 s／50 s／100 s多個(gè)時(shí)間檔次可選,；
完成開發(fā)和試驗(yàn)生產(chǎn)后，直接用源文件投產(chǎn)掩膜,，音質(zhì)效果,、功能性能不變。
2．3 多路模擬開關(guān)
多路模擬開關(guān)主要是用來選擇播放位置點(diǎn)喇叭聲音的,，因?yàn)镻M50芯片只能連接一路揚(yáng)聲器,，所以只能通過多路模擬開關(guān)來選擇各路喇叭接通，而MAX306CPI芯片是十六位多路選擇開關(guān),，可以將兩片芯片擴(kuò)展起來形成32路選擇開關(guān),，芯片電壓在4．5～30 V之間，功耗非常小,，且不影響喇叭的發(fā)音,，完全滿足要求,。并且聽診器探頭可以輕易地觸動(dòng)模型人皮下的專用位置，所以采用這種技術(shù)對(duì)本系統(tǒng)來說是一個(gè)很好的選擇,。
2．4 無線模塊的設(shè)計(jì)
無線模塊的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì),。硬件設(shè)計(jì)主要包括PCB圖的布局走線和天線設(shè)計(jì)兩方面，軟件設(shè)計(jì)主要是通信協(xié)議的定義,。
無線模塊工作在ISM(Industrial Scientific Medical)超高頻段,，因而對(duì)PCB板的布局提出了更高的要求。一般來說,，外圍元件要盡可能靠近無線芯片,，并且所有元件要盡可能排列在PCB板的同一側(cè)，這樣可以在PCB板的另外一側(cè)進(jìn)行大面積的敷銅以減少干擾,。軟件方面,，良好的通信協(xié)議也是無線模塊穩(wěn)定工作的重要保障之一。通信協(xié)議除了規(guī)定應(yīng)答關(guān)系之外,，檢錯(cuò)也是一個(gè)重要環(huán)節(jié),。目前比較常用的檢錯(cuò)方法是循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC校驗(yàn))，其特征是信息字段和長度字段的長度可以任意選定,。CRC碼集的選擇原則是：若設(shè)碼字長度為N,，信息字段長度為K，校驗(yàn)字段長度為R,，其中N=K+R,，則對(duì)于CRC碼集中的任一碼字，當(dāng)且存在一個(gè)R次的多項(xiàng)式g(x),，使得：
式中：m(x)為K次信息多項(xiàng)式,；r(x)為R-1次校驗(yàn)多項(xiàng)式；g(x)為生成多項(xiàng)式,。發(fā)送方通過生成g(x)來產(chǎn)生CRC碼字,，接收方將接收到的碼字多項(xiàng)式與生成多項(xiàng)式g(x)相除，若能除盡,，則說明接收正確,。
2．5 電源模塊
在便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，為避免頻繁更換電池,，延長產(chǎn)品的一次使用時(shí)間,，低功耗設(shè)計(jì)一直是重中之重。電源模塊主要用于對(duì)電池組的管理,，并給系統(tǒng)的其他模塊供電,。電源橫塊主要用在遙控器上，用來供給遙控器各模塊正常工作。本系統(tǒng)采用的是兩節(jié)電池供電的方式,，具有升降壓功能的DC／DC電源芯片,。良好的電源模塊設(shè)計(jì)可以有效提高電池的利用效率，維持穩(wěn)定的電壓,，減少電源紋波,，增大輸出電流。
2．6 低功耗設(shè)計(jì)
由于本系統(tǒng)采用的是兩節(jié)干電池供電的方式,，對(duì)系統(tǒng)功耗要求比較高,。為了延長電池的使用壽命，避免頻繁地更換電池,，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)都要考慮到低功耗的設(shè)計(jì)要求,。低功耗設(shè)計(jì)就是要降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、電源電壓以及門的活躍因素,。從硬件方面來講,，要降低系統(tǒng)的功耗，就要盡可能選擇低功耗的芯片,，或者帶有休眠功能的芯片,。軟件方面，可以采用間斷喚醒的工作方式,。如果某個(gè)功能模塊工作的空閑時(shí)間較長時(shí),，可以暫時(shí)將其關(guān)閉或者使其處于低功耗狀態(tài)，然后通過定時(shí)喚醒來檢測(cè)應(yīng)答信號(hào),，只有當(dāng)接收到應(yīng)答信號(hào)時(shí)模塊才進(jìn)入工作狀態(tài),。通過間斷喚醒的方式可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。
3 上位機(jī)教學(xué)軟件
主控制器通過I／O口將模型人的位置信息傳到上位機(jī),，上位機(jī)根據(jù)收到的位置信號(hào)來控制上位機(jī)軟件界面的顯示,，可以顯示聽診的位置、聲音特點(diǎn),、與呼吸的關(guān)系以及聲音的波形信息,，另外還可以外接揚(yáng)聲器放大播放所聽到的心肺聲音，達(dá)到醫(yī)學(xué)教學(xué)的目的,。上位機(jī)界
面的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。
4 結(jié)語
MSP430系列單片機(jī)的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,，主要取決于以下特點(diǎn)：強(qiáng)大的處理能力,；采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)；具有豐富的尋址方式,；簡潔的27條內(nèi)核指令以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可以參加多重運(yùn)算,；高效的查表處理指令；較高的處理速度，在8 MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns,。這些特點(diǎn)保證編制出高效率的源程序,。另外MSP430系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套,，使用時(shí)靈活方便,。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只用6μs,。
本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是由于系統(tǒng)利用MSP430超低功耗性能,，因此設(shè)計(jì)具有很高的實(shí)用性和穩(wěn)定性，并且該芯片具有較高的運(yùn)算速度,，較大的RAM和FLASH空間,，具有可擴(kuò)展的I／O口，兼容一些外部芯片,，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn),。系統(tǒng)用普通聽診器去測(cè)試心肺音，更能逼真模仿真實(shí)的臨床環(huán)境,，因而相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的研究和開發(fā),，不僅對(duì)于提高現(xiàn)階段我國醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)的水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也具有良好的市場(chǎng)前景,。
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