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저자들은 본 우수 학위 논문(GC)의 기초가 된 캡스톤 프로젝트에 참여한 근육 생물학(UML BIOL4890, 2023-2025) 수강생들과 Lawrence High School(매사추세츠주 로렌스) 학생들에게 감사를 표합니다. 또한, 지속적인 지원을 제공해 준 Aurora Scientific의 Matthew Borokowski와 초기 개발 단계에서 노력해 준 Victoria Flint 및 Samuel DeLap에게도 감사를 드립니다.&#160;그리고 UML 과정을 위한 손가락 굴곡근 모듈을 배치해 준 분들께 감사드립니다. 또한 분석 방법론에 도움을 준 Daniel Bartlett와 Darrell La에게도 감사를 표합니다. 본 연구는 UMass Lowell Honors College 장학금(GC 수혜)과 미국 국립과학재단(National Science Foundation, 과제 번호 2217246), 그리고 UMass Lowell의 정착 연구비(NK 수혜)의 지원을 받아 수행되었습니다.

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저자들은 공개할 사항이 없습니다.

교실 환경에서 인체 근육의 힘-속도 및 일률-속도 관계를 측정하기 위해, 기존의 표준 장비인 에르고미터를 대체할 수 있는 저비용 장치의 유효성이 검증되었습니다.
검증 결과는 저비용의, 따라서 경제적 및 기술적으로 접근성이 더 높은 장치가 골드 스탠다드 에르고미터(gold-standard ergometer)를 사용하여 얻은 측정값과 통계적으로 구별되지 않는 측정값을 생성할 수 있다는 주장을 뒷받침합니다. 고품질의 힘-속도 및 파워-속도 관계를 생성하는 저비용 장치의 능력은 강의실 교육 도구로서의 유용성을 입증합니다. 하지만, 5가지 성능 변수 중 단 하나만이 TOST 기준을 모두 충족한 검증 결과로 볼 때, 저비용 장치가 골드 스탠다드 에르고미터를 대체하는 연구용 등급의 장비로는 적합하지 않을 수 있음을 시사합니다.
저가형 장치의 주요 장점은 경제성으로, 표준 장비인 에르고미터의 비용이 약 $30,000인 것에 비해 총 비용이 $3...

횡문근은 인간과 다른 동물의 골격 운동을 생성하는 모터 역할을 합니다. 횡문근의 독특한 계층적 구조를 이해하는 것은 힘의 생성과 일의 생산에 영향을 미치는 다양한 스케일의 요인들로 인해 매우 복잡합니다1,2. 이러한 복잡성 때문에, 교육자들이 근육 기능의 가장 근본적이고 매혹적인 측면들을 적절하게 보여줄 수 있는 도구가 부족하여, 해부학 및 생리학 커리큘럼에서 근육 기능이 우선순위에서 밀려나는 경우가 있습니다3,4,5,6.
근육 기능은 역사적으로 여러 지속적인 패러다임을 통해 설명되어 왔으며, 그 중 약 1세기 전 Archibald Vivian Hill에 의해 처음 특성화된 힘-속도 트레이드오프(force–velocity trade-off)보다 더 널리 알려진 것은 없습니다1,2,3,4,5,6. 이 기본적인 생리학적 관계는 근육 수축 속도와 힘 사이의 상충 관계를 설명하며, 이에 따라 등척성 또는 매우 느린 단축 수축이 일반적으로 가장 강력하여 최대 근육 힘(Fmax)을 생성하는 반면, 최대 근육 속도(Vmax)에 근접하는 가장 빠른 등장성 수축은 보통 가장 약합니다1. 1938년 Hill이 힘-속도-출력(FVP) 관계를 설명했을 때, 그는 여전히 그의 이름이 붙어 있는 함수를 도입했습니다. Hill 방정식(방정식 1)은 등척성 수축(근육 끝이 고정된 상태) 중에 생성된 최대 힘과 외부 부하가 없는 상태에서 달성된 최대 속도 사이의 관계를 나타냅니다.
식 1:&#160;(v + b) (F + a) = b (Fmax + a)
여기서 v는 단축 속도, F는 근육 힘, Fmax는 최대 등척성 힘이며, a와 b는 힘-속도 관계와 근육 단축의 에너지 특성을 나타내는&#160;상수입니다1.
이러한 근본적인 관계에는 FVP 관계를 정의하는 5가지 정량적 파라미터로 표현되는 근육 기능의 몇 가지 핵심 개념이 포함되어 있습니다. 순간 근육 힘과 속도의 곱은 일률이며, 이는 일반적으로 최대값(P최대치) V의 약 3분의 1 지점에서최대7속도는&#160;&#160;P최대&#160;발생하며, 이를 최적 속도(V)라고 합니다.최적화), 그리고 단축 속도 범위(V에서부터) 내의 위치0 ~하기 위해최대)은 힘-속도 및 출력-속도 관계의 중요한 특성입니다. 예를 들어, 더 큰 V최적화 그 결과, 더 높은 단축 속도에서 최대 전력이 전달됩니다. 힘-속도 관계 자체 내에서, 최대 힘(F최대값) 및 최대 속도(V최대)는 곡선 형태로 중간의 힘-속도 관계에 의해 연결됩니다 (그림 5A). 본 방법론을 사용하여 얻은 대표적인 힘-속도 및 파워-속도 관계가 다음의 [그림/표]에 제시되어 있다. 그림 1.&#160;이 곡선의 기울기를 힘-속도 곡률이라 하며, 이는 속도가 증가함에 따라 힘이 감소하는 비율을 나타냅니다. 곡률은 다음과 같이 정의됩니다. a/F최대값8, 여기서 a는&#160;부하가 없는 상태에서 단축되는 근육에 의한 마찰열 발생량을 정량화하는 Hill 방정식의 열역학 상수1곡률은 V의 위치에 영향을 미칩니다.최적화 힘-속도 곡선 상에서 주어지며, 특정 단축 속도에서 근육이 생성할 수 있는 힘의 양을 결정합니다. 곡률&#160;근력 출력 비율(식 2)을 사용하여 기술되기도 하였습니다.9.&#160;
식 2:&#160;&#160;<img alt="식 2" src="/files/ftp_upload/71757/71757eq2.jpg" style="margin:auto;" />
여기서 Pmax는 최대 근력 출력을, Vmax와 Fmax는 각각 최대 단축 속도와 최대 등척성 힘을 나타냅니다.
힘-속도 및 파워-속도 관계의 직관적인 특성은 생명과학 강의실에서 근육 기능을 가르칠 때 효과적인 진입점이 됩니다. 학생들에게 FVP 관계에 대한 더 완전한 이해를 구축할 수 있는 실습 기회를 제공하는 것의 중요성은, 실습 기반 학습이 지식 유지력을 향상시키는 것으로 나타났다는 사실에 의해 강조됩니다10. 또한, 실험적 학습은 기초 과학적 맥락뿐만 아니라 부상 예방, 재활 및 신체 훈련을 포함한 보건 의료 분야의 직업적 준비 과정으로서 근육 기능을 평가하는 기초를 강화하는 것으로 알려져 있습니다.
듀얼 모드 서보모터 레버 시스템과 같은 근육 생리학적 특성 테스트를 위한 전통적인 장비들은 정밀도와 정확도가 매우 높지만, 비용이 매우 비싸기 때문에 대부분의 강의실 환경에 도입하는 데 상당한 제약이 있습니다7. 이러한 한계를 해결하고 실습 학습 기회를 확대하기 위해 저비용의 대안이 개발되었습니다. 이 장치는 래칫 및 폴 기어가 포함된 3D 프린팅 풀리를 중심으로 구축되었으며, 시중에서 판매되는 슬롯형 알루미늄 레일, 강선, 그리고 무료 데이터 수집 애플리케이션이 실행되는 캐디 장착 스마트폰을 사용합니다(그림 2). 전용 가속도 측정 장치 대신 스마트폰을 선택한 이유는 스마트폰이 널리 보급되어 있으며 일반적으로 정확하고 견고한 가속도계가 장착되어 있기 때문입니다11. 과학적 측정 장치로서 스마트폰의 유용성은 이전에 입증된 바 있으며, 여기에는 시판 스마트폰 가속도계를 Ingenuity 화성 헬리콥터의 관성 측정 장치에 통합한 사례가 포함됩니다12.
근육 생리학 교육을 위한 몇 가지 저비용 도구가 이미 존재하지만, 이들은 서로 다른 개념을 다루고 있습니다. Judge 등6은 &#160;근육 전기 활동 기록을 위해 비용 효율적인 SpikerBox 기반 활동을 개발하였으며, Medeiros 등10은 티틴(titin) 관련 역학을 시연하기 위해 저비용 2D 근절(sarcomere) 모델을 제작하였습니다. 그러나 수축하는 인간 근육의 FVP 관계를 학생들이 직접 측정하고 연구 수준과 비교 가능한 정량적 데이터를 생성할 수 있게 해주는 저비용 도구는 아직 없습니다. 본 장치는 300달러 미만의 비용으로 골드 표준(gold-standard) 검증을 거친 FVP 측정을 제공함으로써 이러한 공백을 메우기 위해 고안되었습니다.
본 연구는 업계 표준 장비와의 교차 검증을 거친 저비용 FVP 장치의 구축에 대해 보고합니다. 검증 분석은 동일한 피험자를 대상으로 두 장치에서 각각 측정한 5가지 공인 FVP 요약 변수의 쌍별 비교를 기반으로 합니다. 이 분석은 두 장치가 동등한 힘-속도 및 파워-속도 곡선을 생성한다는 가설을 검증합니다. 교차 검증이 성공함에 따라, 저비용 장치는 실험적 정확성과 과학적 엄격함을 유지하면서도 장치 도입의 경제적 장벽을 낮춤으로써 근육 생리학 및 근골격 생체역학의 강의실 연구를 대중화할 수 있습니다. 이러한 저비용 장치는 이미 근육 해부학을 공부하고 가르치는 전 세계 생리학 및 생체역학 강의실의 학생과 교육자들이 근육의 가장 기초적인 관계 중 하나를 실제로 탐구할 수 있도록 영감을 주고 가능하게 할 것으로 기대됩니다. 생리학적 측정값을 생성하는 실습 활동을 포함함으로써, 강의실에서는 다각적인 이해와 향상된 지식 보유력을 달성할 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>1.25 kg 추</td><td>NEXO Fitness</td><td>ASIN: B09JHQ6QB8</td><td>약 1-2 kg의 일반 추로 대체 가능&lt;br/&gt; 필요 수량: 2</td></tr><tr><td>3D 프린터 타이밍 벨트</td><td>&amp;lrm;3D 프린터 벨트 10m</td><td>ASIN: B08974S1CC</td><td>일반 3D 프린터 타이밍 벨트로 대체 가능: 2mm 피치, 6mm 너비, 고무 및 유리섬유 재질&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>3DPart1 - 내부 기어</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>보충 STL 파일 참조 - ABS로 출력&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>3DPart2 - 외부 기어</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>보충 STL 파일 참조 - ABS로 출력&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>3DPart3 - 키</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>보충 STL 파일 참조 - ABS로 3-5배 출력&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>3DPart4 - 힘 전달부</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>보충 STL 파일 참조 - PLA로 출력&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>알루미늄 빔 (롱)</td><td>80/20 inc</td><td>1020</td><td>1 in x 2 in x 32 in&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>알루미늄 빔 (숏)</td><td>80/20 inc</td><td>1010</td><td>1 in x 1 in x 12 in&lt;br/&gt; 필요 수량: 2</td></tr><tr><td>알루미늄 프레임 패스너 / 안전 볼트</td><td>80/20 inc</td><td>4108</td><td>&amp;nbsp;필요 수량: 3</td></tr><tr><td>팔 보조기</td><td>&amp;nbsp;FEATOL</td><td>ASIN: B0CGX8QZ3C</td><td>일반 팔 보조기로 대체 가능&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>팔걸이용 셀룰러 폴리염화비닐 블록</td><td>Azek board</td><td>8/4 X Thickness Traditional Only</td><td>14 in x 6 1/2 in x 3/4 in&lt;br/&gt; 필요 수량: 14</td></tr><tr><td>카라비너</td><td>Rewoalzx</td><td>ASIN:&amp;nbsp; B0FB3VYV3N&amp;nbsp;</td><td>필요 수량: 2</td></tr><tr><td>크롬 합금강 볼베어링</td><td>uxcell</td><td>UXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJ</td><td>규격: 내경 10 mm, 외경 22 mm, 너비 6 mm.&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>Excel/스프레드시트</td><td>Microsoft</td><td>Excel</td><td>모든 스프레드시트 소프트웨어로 대체 가능&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>손가락 보조기</td><td>Sopito</td><td>ASIN:&amp;nbsp; B0B5C6RWR4&amp;nbsp;</td><td>일반 손가락 보조기로 대체 가능&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>IGOR 8 PRO</td><td>Wavemetrics.com</td><td>8 PRO</td><td>Aurora Scientific Apparatus와 함께 사용하며 a/Fmax 계산에 이용됨.&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>대형 셀룰러 폴리염화비닐 보드</td><td>Azek board</td><td>8/4 X Thickness Traditional Only</td><td>6 3/4 in x 7 in x 3/4 in&lt;br/&gt; 필요 수량: 2</td></tr><tr><td>금속 축</td><td>Generic</td><td>ASIN: B0CC8T8X77</td><td>강철 로드 두께 9.97 mm, 길이 45 cm.&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>다심 강철 와이어&amp;nbsp;</td><td>Catch All Tackle</td><td>ASIN: B00JTWDSQS</td><td>직경 1.4mm #400lb 정격&lt;br/&gt; 필요 수량: 2</td></tr><tr><td>휴대전화 홀더</td><td>Tribe</td><td>ASIN: B00SXRXUFE</td><td>필요 수량: 1</td></tr><tr><td>Phyphox 앱</td><td>Phyphox.org</td><td>N/A</td><td>Apple App Store 또는 Google Play Store에서 다운로드&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>Python 스크립트</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>다운로드 가능: 보충 문서 1 muscle_velocity_gui.py&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>소형 셀룰러 폴리염화비닐 보드</td><td>Azek board</td><td>8/4 X Thickness Traditional Only</td><td>1 in x 3 1/4 in x 3/4 in&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>스마트폰</td><td>Apple</td><td>IPhone 11</td><td>가속도계가 있는 모든 스마트폰으로 대체 가능&lt;br/&gt; 필요 수량: 1</td></tr><tr><td>강철 와이어 크림프</td><td>Catch All Tackle</td><td>ASIN: B00JTWDSQS</td><td>#400lb 정격&lt;br/&gt; 필요 수량: 6</td></tr><tr><td>스토퍼</td><td>Befenybay</td><td>ASIN: B0B1C6BPKQ</td><td>내경 10 mm, 외경 20 mm, 너비 20 mm&lt;br/&gt; 필요 수량: 2</td></tr></tbody></table>

근력-속도 관계 측정을 위한 저비용 장치

A Low-Cost Apparatus for Measuring Muscle Force&#8211;Velocity Relationships

근력, 수축 속도 및 출력 사이의 관계는 생리학에서 거의 한 세기 동안 유지된 패러다임이며 근골격계 기능 이해의 초석입니다. 그러나 필요한 장비의 비용이 매우 높기 때문에 생리학 및 생체 역학 강의실에서 이 패러다임을 직접 연구하는 경우는 드뭅니다. 본 연구에서는 무료 앱인 Phyphox를 사용하여 스마트폰 가속도계로 인간 손가락 근육의 힘-속도-출력 데이터를 수집할 수 있도록, 래칫 및 폴 기어가 포함된 3D 프린팅 풀리 시스템을 활용하여 쉽게 제작 및 구성 가능한 저비용 장치를 설계하고 검증하고자 했습니다. 맞춤형 Python 스크립트를 통해 가속도계의 원시 측정값을 속도 및 출력 결과값으로 변환하였으며, 이를 표준 장비인 듀얼 모드 레버 시스템을 통해 얻은 측정값과 피험자별로 비교하였습니다. 5가지 요약 변수(최대 근력, Fmax; 최대 속도, Vmax; 최대 출력, Pmax; 최적 속도, Vopt; 힘-속도 곡률, a/Fmax)에 대한 쌍별 비교 결과, 두 장치를 사용하여 수집한 힘-속도-출력 데이터 사이에 통계적으로 유의미한 차이가 나타나지 않았습니다(paired t-tests, p &#62; 0.05). 따라서 이 저가형 장치는 데이터 품질의 유의미한 저하 없이 생체 역학 및 생리학적 원리를 교육하고 연구할 수 있는 접근 가능하고 안전하며 비용 효율적인 수단을 제공합니다. 이 장치는 특히 전 세계의 예산이 부족하고 자원이 제한된 교육 환경에서 근육 생리학 및 생체 역학 교육을 대중화할 잠재력을 가지고 있습니다.

동일한 실험 프로토콜 하에서 각 시스템의 기능적 출력을 평가하기 위해, 표준 에르고미터와 저가형 장치를 모두 사용하여 학부생 표본(N = 15)으로부터 힘-속도 및 파워-속도 데이터를 수집하였습니다. 개별 피험자 데이터는 그림 1에, 각 장치별 요약 데이터는 그림 3에 제시되어 있습니다.
저비용 장치는 요약 변수의 쌍별 비교(Table 1), 동등성에 대한 두 개의 단측 검정(TOST)(Table 2), 그리고 두 장치에서 생성된 힘-속도 및 출력-속도 관계의 통계적 파라메트릭 매핑(SPM) 분석(Figure 4)을 통해 표준 에르고미터를 대체할 수 있는 잠재적인 강의실용 도구로서 평가되었습니다. 장치 간의 통계적 차이를 평가하기 위해 대응 표본 t-검정을 사용...

저렴한 재료, 3D 프린팅 기어, 스마트폰 가속도계 및 Python 프리웨어를 사용하여 인간의 근육 힘-속도-출력 관계를 측정할 수 있는 접근 가능하고 비용 효율적인 장치를 개발하였습니다. 표준 장비인 에르고미터(ergometer)를 통한 검증 결과, 생리학적으로 유의미한 측정값이 도출되었으며, 이를 통해 학부 수업 환경에서 공평한 실습 학습 기회를 제공할 수 있음을 입증하였습니다.

근육의 힘, 수축 속도 및 출력 사이의 관계는 생리학 분야에서 거의 한 세기 동안 이어진 패러다임이며, 우리 ...의 초석이 되었습니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Biology

생물학

절연 골격근의 묘 - 기계 분석

이 동영상은 수술 준비와 쥐 안쪽 gastrocnemius 근육 준비의 수축 반응을 연구하는 데 필요한 절차를...

쥐 절차<em&gt; 현장에서</em&gt; 골격근 수축 등록

우리는 직접의 근육 힘, 근육 힘, 수축성 속도론 및 절연 골격 근육의 fatigability를 측정하는 방법을...

절연 골격근의 수축성, Fatigability 및 Alternans의 예 VIVO 평가

힘의 측정은 개발, 부상, 질병, 치료 또는 화학 물질의 독성에 의한 근육 기능의 변화를 보여주기 위해 사용할 수 있습니다. 이 비디오에서는, 우리는 zebrafish의 애벌레 몸통 근육의 최대 수축시 힘을 측정하는 방법을 보여줍니다.

Zebrafish의 유충의 근육 기능을 평가하기 위해 수축하는 동안 힘 측정

우리는 역동적 인 활동을하는 동안 밀리 초 이하의 시간 분해능을 가진 근육의 수축 속도, 변형 및 변형 속도를 측정하는 새로운 초음파 기반의 벡터 조직 도플러 영상 기술에 대해 설명합니다. 이 방법은 동적 인 근육 기능의 보완적인 측정을 제공하고 근골격계 질환을 기본 메커니즘에 대한 이해로 이어질 수 있습니다.

근골격계 초음파 이미징의 소설 응용 프로그램

화학적으로 피부 또는 투과성이 골격근 섬유의 수축 특성의 분석은 하나의 근육 세포의 수준에서 근육 기능을 평가함으로써 강력한 수단을 제공한다. 이 문서에서 우리는 준비하는 유효하고 신뢰할 수있는 기술 개요 및 테스트는 시험 관내에서 골격 근육 섬유를 투과성이.

투과성이 골격 근육 섬유에 의해 생성 된 최대 아이소 포스의 측정

여기에 제시된 근육 속도 회복 주기(MVRC)의 기록을 위한 프로토콜은 근육 막 특성을 검사하는 새로운 방법이다. MVRCs는 병리학과 관련하여 근육 막 전위 및 근육 이온 채널 기능의 변형에 대한 생체 내 평가를 가능하게하며 신경 성 근육에서 근육 탈분극을 시연 할 수 있습니다.

근육 속도 복구 주기 근육 막 속성을 검사 하려면

간단하고 접근 가능한 방법은 암 관련 피로의 운동 양상을 객관적이고 정량적으로 측정하기 위하여 개발되었습니다. 우리는 간단한 핸드 그립 장치를 사용하여 물리적 피로 테스트를 관리하는 방법과 피로 지수를 계산하는 방법을 자세히 설명합니다.

핸드헬드 동력계를 사용하여 암 관련 피로의 모터 측면 측정

여기에 제시 나노 뉴턴 해상도와 스트라이드 근육 myofibrils의 수축 특성을 평가하는 프로토콜입니다. 이 프로토콜은 간섭 계기반 광학 힘 프로브를 사용하여 설정을 사용합니다. 이 설정은 높은 신호 대 잡음 비율로 데이터를 생성하고 myofibrils의 수축 운동의 평가를 가능하게합니다.

골격 근육 생검에서 Myofibrils를 분리하고 나노 뉴턴 해상도 포스 트랜스듀서로 수축 기능을 결정합니다.

본 프로토콜은 마취된 돼지에서 일반적인 비골 신경의 전기 자극을 통해 얻어진 생체내 토크 데이터의 평가 및 해석에 대한 간결한 실험 세부사항을 기술한다.

생체 내 돼지의 Hindlimb Dorsiflexor 등각 토크 측정

여기에서, 우리는 경피적 근육 자극을 사용하여 쥐 발바닥 굴곡근에서 생체 내에서 토크-각속도-동력 관계를 비침습적으로 측정하기 위한 새로운 프로토콜을 제시합니다. 이 설정을 사용하면 힘 변환기/길이 컨트롤러 시스템에서 등장성 근육 수축을 간단하게 테스트하여 일상적인 움직임의 일정한 부하 특성을 더 잘 표현할 수 있습니다.

쥐 발바닥 굴근에 대한 생체 내 정하중(등장성) 및 등속(등속성) 토크-속도-전력 프로파일의 구성

이 프로토콜은 전방 십자인대 재건 후 임상의가 토크-속도 관계를 어떻게 평가할 수 있는지 보여주기 위한 것입니다.

전방 십자인대 재건 후 회복 속도를 토크-속도 관계를 이용한 정량화

University of Massachusetts Lowell.  An accessible, low-cost apparatus for measuring human muscle force–velocity–power relationships was developed using inexpensive materials, a 3D-printed gear, a smartphone accelerometer, and Python freeware. Validation against a gold-standard ergometer demonstrated physiologically relevant measurements while providing equitable, hands-on learning opportunities in an undergraduate classroom setting.

근력-속도 관계 측정을 위한 저비용 장치

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