Development of Multi-Array Electrode and Programmable Multi-channel Electrical Stimulator for Firing Trigger Point of Myofascial Pain Syndrome

학 술 논 문

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근막통증증후군의 통증유발점 치료를 위한 멀티어레이 전극과 프로그램 가능한 다채널 전기자극기 개발

김수홍·김수성·전계록

부산대학교 의공학교실

Development of Multi-Array Electrode and Programmable Multi-channel Electrical Stimulator for Firing Trigger Point of

Myofascial Pain Syndrome

SooHong Kim, SooSung Kim and GyeRok Jeon

School of BioMedical Engineering, University of Pusan, Korea

(Manuscript received 21 September 2015; revised 12 October 2015; accepted 13 October 2015)

Abstract: In this study, Multi-Array Electrodes (MAE) and Programmable Multi-channel Electrical Stimulator (PMES) were implemented for firing Trigger Points (TPs) of the patient with Myofascial Pain Syndrome (MPS). MAE has 25 Ag/AgCl electrodes arranged in the form of array (5 × 5) fabricated with flexible pad, which are applicable to be easy-attached to curved specific region of the human body. PMES consisted of 25 channels. Each channel was to generate various electric stimulus patterns (ESPs) by changing the mono-phasic or bi-phasic of ESP, On/Off dura- tion of ESP, the interval between ESP, and amplitude of ESP. PMES hardware was composed of Host PC, Stimulation Pattern Editing Program (SPEP), and Multi-channel Electrical Stimulator (MES). Experiments were performed using MAE and PMES as the following. First experiment was performed to evaluate the function for each channel of Sub- Micro Controller Unit (SMCU) in MES. Second experiment was conducted on whether ESP applied from each chan- nel of SMCU in PMES was focused to the electrode set to the ground, after applying ESP being output from each channel of SMCU in PMES to MAE.

Key words: programmable, stimulator, trigger point, multi-array, multi-channel

I. 서 론

근육은 체중의 40%를 차지하고 전신에 분포하고 있으며 자세유지와 근골격계의 움직임을 주관하는 인체에서 가장 역동적인 계통이다. 따라서 장기간의 무리한 활동에 의한 피 로, 갑작스런 외력에 의한 염좌 등 근골격계의 구조물 중에 서는 각종의 기능적인 장애 또는 구조적 손상에 가장 먼저

노출되는 부분이기도 하다. 근육에서 통증과 연관된 압통점 을 기술한 보고는 1800년대 초반의 유럽 의학문헌에도 보 고되어 있다. Virchow는 1852년 류마티스열의 합병증으로 근육에 통증이 생긴다고 하여 근육 류마티스(muscular rheumatism) 라는 용어를 처음 사용하였다. 1900년대 초에 는 Gowers가 근육에 생긴 염증으로 요통 등의 여러 근골 격계 통증이 생긴다고 하여 이를 섬유염(fibrositis)이라고 하였다[1]. 통증들은 증상이 지속되면 통증을 느끼는 영역이 넓어지게 되고 중추신경감작에 의한 현상으로 향후 만성통 증으로 발전할 가능성이 높아지게 되는데 만성 동통의 약 50% ~ 85% 가 근막통증증후군(Myofascial Pain Syndrome, MPS) 으로 보고되고 있다[2]. 이러한 통증의 치료로는 침습 적 치료법과 비침습적 치료법이 있는데 침습적 치료법은 그

Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Pusan National University

TEL: +82-55-360-1922 / E-mail : [email protected]

이 연구는 2013년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원 을 받아 수행되어 기초 연구되었음.

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효과는 인정되나 치료를 위한 시술이 필요하고 비용이 많이 들어 적용하는데 한계가 있다[3]. 이에 비침습적 방법이 대 체되어 많이 사용되는데 그 중 전기자극 치료가 통증을 감 소시키기 위한 효과적인 치료도구로 보고되고 있으며 보편 화 되고 있다[4]. 전기자극이 통증치료에 작용하는 기전을 살펴보면 전기자극에 의한 근수축은 강시곡선(strength duration curve) 에서 보이는 기전류(rheobase)와 시치 (chronaxie) 보다 큰 전기자극에 골격근의 근섬유에서 필라 멘트의 미끄럼가닥의 수축을 유발하여 근육을 수축시킨다.

이때 ATP(adenosine triphosphate)의 분해를 유발하고, 열을 발생시켜 혈액순환을 향상시킨다[5-6]. 혈액순환은 근 육의 젖산 등 근육의 피로와 통증을 유발하는 노폐물의 처 리를 원활하게 하여 통증 감소 및 치료를 수행한다[7]. 또 한, 근육에 적용되는 자극의 진폭과 펄스, 파형에 따라 다양 한 자극을 받고 반응하게 된다[8]. 가정과 병원에서 통증치 료에 사용되는 전기자극기는 1채널에 2개의 전극패드를 사 용하는데 두 전극사이의 근육에 펄스의 강도와 빈도만을 이 용하여 자극파형을 조절한다. 강도와 빈도가 설정된 자극파 형은 전극이 부착된 조직을 통해 통증부위로 전기자극을 전 달하게 되는데 통증부위까지 자극파형이 전달되는 동안 조 직들의 임피던스로 인해 자극강도는 줄어들게 된다[9-10].

이에 본 연구에서는 통증감소와 치료의 효능을 보이는 전기 자극을 통증부위만을 집중하여 다양한 자극파형으로 적용, 효과적인 전기자극치료를 할 수 있는 프로그램 가능한 전기 자극기(Programmable Multi-channel Electrical Stimu- lator, PMES)를 개발하였다. 통증부위 근육에 다양한 파형 의 자극을 주기 위해 자극파형을 편집 및 생성할 수 있는 자극파형 편집 프로그램(Stimulation Pattern Editing Program, SPEP)을 구현하였으며 SPEP와 통신하고 편집 된 자극파형을 전기자극으로 출력할 수 있도록 마이크로 컨 트롤러(Micro Controller Unit, MCU)를 이용한 다채널 전 기자극기(Multi-channel Electrical Stimulator, MES)를 구현하였다. 또한, MES에서 출력된 자극파형을 통증부위에 집중시킬 수 있도록 5 × 5의 멀티어레이 전극(Multi Array Electrode, MAE) 을 제작하였으며 개발된 PMES의 성능 평가를 위해 SPEP에서 편집된 파형의 자극이 MES를 통 해 출력되는지를 모니터링하고 MAE를 통한 자극집중화가 이루어지는지를 실험하였다.

II. 시스템의 설계

PMES 개발에는 크게 세가지 파트가 필요하였다. 첫째는 다양한 자극파형을 구현하기 위한 SPEP, 둘째는 구현된 자 극파형을 실제 자극파형으로 출력할 수 있는 MES, 셋째는 출력되는 자극파형을 인체에 적용시켜 줄 MAE이다.

1. 소프트웨어 시스템 구성(SPEP)

자극파형의 다양한 패턴을 위한 파라미터 적용을 위해 GUI(Graphic User Interface) 방식인 LabVIEW 2012 (National Instruments, USA) 와 실행파일 및 LabVIEW runtime 엔진을 인스톨 할 수 있게 해주는 Application Builder(National Instruments, USA) 를 사용하여 SPEP 를 개발하였으며 HOST PC에 설치하였다. SPEP는 Main- Window 와 Sub-Window로 구성되며 구성도는 그림 1과 같 다. SPEP 프로그램을 실행하면 그림 2(a)와 같은 5 × 5채 널의 자극설정 메인 화면이 나타난다. 윈도우 창안에 25개 의 그래픽 뷰어창(Graphic Viewer Window, GVW)이 배 치되어 각 채널의 파형을 한눈에 확인할 수 있도록 하였다.

각 채널의 GVW를 클릭하면 그래프 속성 설정 창인 Sub- Window가 나타난다. 그림 2(b)는 자극파형의 파라미터를 설정 할 수 있는 Sub-Window이다. 그림 2(c)를 참조하여 각 채널의 신호를 설정할 수 있는 주요 입력 파라미터를 보 면 파형의 다양한 모양을 설정할 수 있는 펄스 형태 (function mode), 자극의 방향성을 선택할 수 있는 펄스 극 성(pulse phase), 자극유지시간의 펄스 폭(pulse duration), 자극간 간격의 펄스 간격(pulse interval), 자극 강도의 펄 스 진폭(pulse amplitude), 자극이 지속적으로 인가되는 맥 동 시간(train duration)과 지속자극간의 간격을 나타내는 맥동 간격(train interval)을 선택할 수 있게 하였다. 펄스 형태는 삼각파(triangle wave), 톱니파(sawtooth wave), 사각파(square wave), 정현파(sine wave) 그리고 사용자 가 원하는 데로 설정할 수 있는 사용자설정(user wave)이 있으며 펄스 극성은 단극(mono-phasic), 양극(bi-phasic)이 가능하며 펄스 진폭은 −100 ~ +100 V, 펄스 폭은 10 ms ~ 50 ms, 펄스 간격은 10 ms ~ 1 s, 맥동 시간과 맥동 간격은 10 ms ~ 1 min 범위에서 설정이 가능하다. 입력된 값들은 설정 창 하단에 Draw Waveform 아이콘을 클릭하여 GVW 에서 편집된 파형을 확인할 수 있게 하여 MES에서 출력될 자극파형을 사용자가 미리 확인할 수 있도록 하였다.

2. 하드웨어 시스템 구성(MES)

SPEP 와 연계되어 동작할 하드웨어 MES는 각 채널마다

그림 1. 자극파형편집 프로그램의 구성도.

Fig. 1. Block diagram of Stimulation Pattern Editing Program.

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독립적으로 다양한 파형의 자극을 위한 출력을 낼 수 있도 록 채널별로 독립적인 회로라인인 Channel Board와 이를 컨트롤하는 Main Board로 구성하였다. MES를 중심으로 SPEP 와 MAE가 연계되며 전체적인 구성도는 그림 3과 같 다. 그림 4는 SPEP에서 자극파형 데이터를 수신하고 처리 하는 (a) Main Board와 MAE로 자극파형을 출력시키는 (b) Channel Board 를 나타내었다.

(1) 마이크로 컨트롤러

본 연구의 MES에 ATMEL사의 Atmega128 MCU를 사

용하였으며 Main-MCU(MMCU)와 Sub-MCU(SMCU)로 구성된다. MES의 제어와 SMCU를 컨트롤 하는 MMCU 는 Host PC의 SPEP와의 통신, 전송된 자극파형데이터 처 리, SMCU로 처리된 데이터 전달 및 파형출력 on/off를 제 어하게 된다. SMCU는 MMCU에서 받은 데이터로 자극파 형을 출력하기 위해 D/A(Digital to Analog) 컨버터 및 정 전류 모듈, H-Bridge 회로를 port로 제어하여 자극파형을 출력하게 된다.

(2) 정전류부

인체 조직의 임피던스에 상관없이 안정적이고 동일한 자 극을 출력하기 위해 입력전압 범위가 4.5 V ~ 36 V이고 출 력전압이 2 V ~ 32 V이며 최대출력전류가 500 mA인 그림 5 의 정전류 모듈(Constant Current Module) RCD-24-0.50 (RECOM POWER) 을 사용하였다. Analogue Dimming Control 을 가지고 있어 D/A컨버터로부터 출력된 전압 값으 로 출력 전류크기를 조정할 수 있는데 분해능 12 mA/0.1 V 로 0 ~ 500 mA의 전류범위 조절이 가능하다.

(3) H-bridge 회로

스위칭을 통한 단극·양극성 펄스 생성과 빠른 컨트롤 및 응답을 위해 Fast Switching Power MOSFET 소자인 IRF740(N-channel, ST Micro electronics) 을 사용하여 그림 6과 같이 H-bridge회로를 구현하였다. SMCU의 port

Fig. 2. Stimulation Pattern Editing Program (a) The main window of SPEP has a 5 × 5 graphic viewer window, (b) The Sub- window to set the parameters for each channel, (c) The parameters of the bipolar pulse.

그림 3. PMES의 블록다이어그램.

Fig. 3. Block diagram of PMES.

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에서는 IRF740의 gate에 구동 펄스를 이용하여 자극파형 의 펄스 극성, 펄스 시간, 펄스 간격을 제어한다.

(4) 절연변압기

서지 전압으로부터 환자를 보호하고 피부저항으로 인한 전압강하를 보완하여 자극펄스를 안정적으로 증폭된 출력으 로 유도할 수 있는 절연변압기(isolation transformer)를 제작하여 사용하였다. 절연변압기의 1차권선에 주파수를 가 진 전압을 인가하면 교번자속(alternate magnetic flux)에

의해 2차권선에 유기전압(stray voltage)을 발생시키고 부 하를 인가하면 전류가 흐르게 된다. MAE와 연결될 2차측 은 1차측과 도선으로 연결되지 않고 전자기유도(electro- magnetic induction)작용으로 유도된 전압을 이용하기 때 문에 전기적으로 분리(galvanic isolation)되어있어 전극을 부착한 환자를 서지전압으로부터 보호할 수 있다. 그림 7과 같이 상용변압기보다 크기를 줄인 절연변압기(그림 7의 중 앙)는 1차측과 2차측을 임피던스 1000 MΩ(500 V)으로 절 연시켜 제작하였다.

3. 멀티 어레이 전극(MAE)

굴곡이 있는 인체 특정 부위에 부착할 수 있고 25채널의 자극파형을 인가할 수 있는 5 × 5 MAE를 제작하였다. 크 기는 그림 8과 같이 95 mm × 95 mm이며 전극의 지름은 10 mm 전극간의 거리는 16 mm로 일정하게 배열시켰다.

그림 4. 메인보드와 채널 보드 (a) 메인 보드, (b) 채널 보드.

Fig. 4. Main board and Channel board (a) Main board (b) Channel board.

그림 5. 정전류모듈 RCD-24-0.50.

Fig. 5. Constant current module RCD-24-0.50.

그림 6. IRF740으로 설계한 브릿지 회로.

Fig. 6. Designed H-bridge circuit unit with IRF740.

그림 7. 상용 변압기와 사이즈를 줄여 제작된 절연변압기.

Fig. 7. Commercial transformers and isolation transformer designed to reduce the size.

225 MAE 의 윗면은 금속 돌기가 나와 있어 상용화되어 있는 스

냅전극을 연결할 수 있도록 하였으며 뒷면은 전극영역과 접 착패드 영역으로 구분된다. 절연 부위는 실리콘패드로 만들 어 유연하게 하였으며 신체의 다양한 부위에 부착이 가능하 도록 하였다. 25개로 배열된 전극은 일반적인 전기자극 패

드의 전극인 Ag/AgCl 전극을 사용하였다.

III. 실험 및 결과

1. SPEP 편집 파형 출력 실험

SPEP 에서 편집 생성된 파형이 MES에서 구현이 되어 원 하는 자극파형이 출력되는지를 실험하였다. 그림 9는 SPEP 에서 파형을 편집하고 MES에서 출력된 파형을 오실로스코 프(DPO 4104, Tektronics)로 모니터링 한 결과이다.

2. 자극 집중화 실험

MES 에서 출력되는 자극펄스가 MAE상의 특정 전극에 집 중될 수 있는지를 실험하였다. 그림 10에 보이는 MAE를 왼쪽 팔뚝에 부착하여 3개의 Input Point(IP)에 입력되는 파형을 MAE 중심부의 Return Point(RP)에 집중시키고 일정한 거리의 Test Point(TP)를 기준으로 전압과 전류를 측정하였다. 3채널의 파형은 function mode: square wave, pulse phase: bi-phasic, pulse amplitude: +60 V, pulse duration: 10 ms, pulse interval: 100 ms, train duration:

10 ms, train interval: 100 ms로 동일하게 설정하였다.

그림 8. MAE의 모양 및 도면 (a) 멀티어레이 전극의 앞면, (b) 멀티 어레이 전극의 뒷면.

Fig. 8. Appearance and design drawing of MAE (a) Multi- array electrode front panel, (b) Multi-array electrode rear panel.

그림 9. MES로부터 출력된 자극파형 (a) 펄스 형태: 사각파, 펄스 극성: 단극, 펄스 진폭: +40 V, 펄스 폭: 10 ms, 펄스 간격: 10 ms, 맥동 시간: 200 ms, 맥동 간격: 100 ms, (b) 펄스 형태: 사인파, 펄스 극성: 단극, 펄스 진폭: 0 ~ +40 V, 펄스 폭: 10 ms, 펄스 간격: 10 ms, 맥 동 시간: 400 ms, 맥동간격: 100 ms, (c) 펄스 형태: 톱니파, 펄스 극성: 양극, 펄스 진폭: −40 V ~ +40 V, 펄스 폭: 10 ms, 펄스 간격: 10 ms, 맥동 시간: 400 ms, 맥동 간격: 100 ms.

Fig. 9. Stimulation waveform output from the MES (a) Function mode: square wave, Pulse phase: mono-phasic, Pulse amplitude: +40 V, Pulse duration: 10 ms, Pulse interval: 10 ms, Train duration: 200 ms, Train interval: 100 ms, (b) Function mode: sine wave, Pulse phase: mono-phasic, Pulse amplitude: 0 ~ +40 V, Pulse duration: 10 ms, Pulse interval:

10 ms, Train duration: 400 ms, Train interval: 100 ms, (c) Function mode: saw tooth wave, Pulse phase: bi-phasic, Pulse amplitude: −40 ~ +40 V, Pulse duration: 10 ms, Pulse interval: 10 ms, Train duration: 400 ms, Train interval: 100 ms.

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MAE 에서 파형이 집중되는 중심 전극을 기준으로 주위에 자극파형이 주어질 3개의 전극 위치를 선정하였는데 전극 RP(3,3) 을 중심으로 IP 1(1,3), IP 2(5,5), IP 3(5,1) 에 위 치 시켰다. IP 1과 RP의 거리는 24 mm, IP 2와 3과 RP 의 거리는 24√2 mm 이며 각 IP와 RP의 파형을 측정하기 위한 TP를 RP에서 250 mm 거리의 왼쪽 손목에 부착하였 다. 측정방법은 IP 1에 자극을 인가 후 RP와 TP의 전압과 전류를 측정하고 같은 방법으로 IP 2와 IP 3에 순서대로

자극을 인가한 후에 전압과 전류를 측정하였다. 전압은 오실 로스코프, 전류는 멀티미터기(Fluke287, Fluke Co., USA) 로 측정하였다. 그림 11(a)는 IP 1에만 자극을 인가했을 때 그림 11(b)는 IP 1과 IP 2에 자극을 인가했을 때 그림 11(c) 는 IP 1과 IP 2, IP 3에 자극을 인가했을 때 RP와 TP사 이에서의 측정된 전압파형을 보여준다. 그림 11(c)에서 측 정된 TP파형이 그림 11(a)와 (b)를 비교하였을 때 증폭된 파형이 측정됨으로 IP 1과 IP 2, IP 3의 자극이 RP에 집 중됨을 볼 수 있다. 표 1에서는 RP 와 TP사이에서 측정된 전압과 전류 값을 수치적으로 확인할 수 있는데 IP 1이 인

Table 1. The measured results of focused voltage and current between RP from TP.

Voltage and current measured between RP and TP when ESP is applied to IP1, and IP 1, 2, and IP 1, 2, 3

Electrodes IP 1 IP 1 & IP 2 IP 1 & IP 2 & IP 3 Applied PMES

voltage (V) 60 60 & 60 60 & 60 & 60 Measured

voltage (V) 16.2 20.2 23.4

Measured

current (mA) 1.54 4.07 6.57

그림 10. MAE로부터의 전기자극파형의 집중현상을 관찰하기 위한 실험구성.

Fig. 10. Experiment configuration for observing the focusing phenomenon of the electric stimulus pattern applied to the MAE.

그림 11. MAE에 PMES의 양극성 사각파를 인가 후 RP 와 TP간의 전압을 측정한 결과 (a) PMES에서 IP 1에 자극파형인가 시 RP와 TP사이의 측정된 전압파형, (b) PMES에서 IP 1과 IP 2에 자극파형인가 시 RP와 TP사이의 측정된 전압파형, (c) PMES에서 IP 1과 IP 2, IP 3에 자극파형인가 시 RP와 TP사이의 측정된 전압파형.

Fig. 11. A measured result of the voltage between RP and TP after applying the bi-phasic square waveform of PMES to the MAE. (a) Voltage waveform measured between RP and TP when the PMES is applied to IP 1, (b) Voltage waveform measured between RP and TP when the PMES is simultaneously applied to IP 1 and 2, (c) Voltage waveform measured between RP and TP when the PMES is simultaneously applied to IP 1, 2, and 3.

227 가될 때 RP 와 TP 에서는 16.2 V, 1.54 mA IP 1과 IP 2

에서 자극을 인가될 때 20.2 V, 4.07 mA, IP 1과 IP 2, IP 3 에서 자극 인가될 때 23.4 V, 6.57 mA이 측정되었는데 실 험에서 자극되는 전극의 수가 증가하면서 RP에 전류가 집 중되며 자극의 강도가 증가됨을 볼 수 있다.

IV. 고 찰

구현된 시스템의 기능을 평가하기 위한 두 가지 실험에서 SPEP 에서 사용자가 원하는 패턴의 자극파형을 MES를 통 해 출력할 수 있고 인가되는 자극이 증가할수록 집중화 전 극의 전압과 전류가 증가함을 볼 수 있었다. 전기자극기의 자극방식은 출력자극에 따라 정전류 자극과 정전압 자극이 있는데 근육 또는 신경의 반응이 통과하는 전류의 값에 의 해 결정된다는 것과 자극이 가해지는 동안 전극과 전류가 흐르는 생체 조직의 임피던스 변화를 고려할 때 정전류 방 식은 자극을 인가하는 동안 동일한 자극을 얻을 수 있다는 점에서 정전압 방식보다 효율적임에 본 연구에서는 정전류 방식을 적용하였다. PMES의 효율적인 사용을 위해선 휴대 성이 용이하도록 소형화가 필요하였는데 트랜스포머의 크기 는 큰 비중을 차지하기 때문에 소형화를 위한 모색이 필요 하였다. 작고 가볍게 제작된 절연 변압기는 인덕턴스/저항의 시정수 변화로 파형 왜곡현상이 발생하였지만 2차 코일에 유도된 파형의 최대 전압과 전류에는 큰 변화가 없어 사용 상에는 문제가 없었다. 또한, 자극을 받는 환자의 보호를 위 한 절연이 DC전압의 노이즈를 제거하여 보다 안정된 자극 파형이 구현된 것으로 생각된다. 자극 집중화 실험에서는 각 IP 에 인가되는 자극 전압과 RP에서 측정되는 전압에는 차 이가 있었는데 이는 IP와 RP의 거리보다 TP의 거리가 멀 고 MAE가 부착된 팔뚝과 TP가 부착된 손목의 사이에 골 격근 질량과 전해질의 차이로 인한 임피던스 변화로 인한 결과로 보여진다.

V. 결 론

본 연구에서는 근막통증증후군 환자의 통증유발점을 효과 적으로 치료하기 위해 자극파형 편집이 가능하고 전극을 통 한 자극의 집중화가 가능한 전기자극기 PMES를 개발하였 다. 개발된 PMES의 주요특징 중 첫번째는 자극파형이 생체 조직에 미치는 영향을 연구할 수 있도록 SPEP를 통해 자극 지속 시간 내 파라미터를 편집할 수 있도록 한 것이다. 다 양한 파라미터 값으로 출력되는 파형은 여러가지 유형의 전 기자극 임상실험에 사용 할 수 있을 것으로 생각한다. 두번 째는 생성된 파형을 특정 포인트에 집중적으로 자극을 줄 수 있도록 한 것이다. 25채널의 전극 중 1채널의 전극에 자

극을 집중할 경우 특정부위에 자극을 극대화 할 수 있어 자 극집중화를 통한 체성 통증의 근막통증증후군 통증지점인 trigger point 의 치료효과를 극대화 할 수 있을 것으로 생 각한다. 이로써 본 연구에서 개발된 PMES는 통증 치료와 회복을 위한 연구에 중추적인 역할을 할 수 있을 것으로 생 각하고 이는 임상실험을 통한 효율성 검증을 통해 확인할 것이며 앞으로의 연구에서 보다 진보된 기술개발을 통해 PMES 를 보완하면서 그 효과를 검증해 낼 것이다.

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