肺機能は、多くの方法で測定することができます。 ただし、結果を正しく解釈するためには、検査の前に測定の目的を明確にする必要があります。 この記事では、特に職業分野に関連して肺機能検査について説明します。 さまざまな肺機能測定の制限を覚えておくことが重要です。 石英やアスベストなどの繊維形成性粉塵に暴露した場合、急性の一時的な肺機能への影響は識別できない場合がありますが、長期 (>20 年) 暴露後の肺機能への慢性的な影響は識別できる場合があります。 これは、粉塵が吸入されて肺に堆積してから数年後に慢性的な影響が発生するという事実によるものです。 一方、有機および無機粉塵、カビ、溶接煙、モーター排気ガスの急性の一時的影響は、研究に適しています。 これは、これらの粉塵の刺激効果が数時間の暴露後に発生するという事実によるものです。 急性または慢性の肺機能への影響は、十分に文書化された暴露限界値付近の濃度の刺激性ガス (二酸化窒素、アルデヒド、酸、および酸塩化物) への暴露の場合、特に影響が粒子状の空気汚染によって増強される場合にも認識できる場合があります。 .

肺機能測定は検査対象者にとって安全でなければならず、肺機能装置は検査者にとって安全でなければなりません。 さまざまな種類の肺機能装置の特定要件の概要が利用可能です (例、Quanjer et al. 1993)。 もちろん、機器は独立した基準に従って校正する必要があります。 これは、特にコンピュータ化された機器が使用されている場合、達成するのが難しい場合があります。 肺機能検査の結果は、被験者と検査官の両方に依存します。 検査から満足のいく結果を得るために、技術者は十分に訓練され、被験者に注意深く指示し、被験者が適切にテストを実行するように励ますことができなければなりません. 検査官は、録音の結果を正しく解釈するために、気道と肺についての知識も持っている必要があります。

使用される方法は、被験者間および被験者内の両方でかなり高い再現性を持つことが推奨されます。 再現性は、変動係数、すなわち、標準偏差に 100 を掛けて平均値で割ったものとして測定することができます。 同じ被験者の繰り返し測定で 10% 未満の値は許容範囲と見なされます。

測定値が異常かどうかを判断するには、予測式と比較する必要があります。 通常、スパイロメトリック変数の予測方程式は、年齢と身長に基づいており、性別で層別化されています。 男性は、同じ年齢と身長の女性より平均して高い肺機能値を持っています。 肺機能は加齢とともに低下し、身長とともに上昇します。 したがって、背の高い被験者は、同じ年齢の背の低い被験者よりも肺容量が大きくなります。 予測方程式からの結果は、異なる参照母集団間でかなり異なる場合があります。 参照母集団の年齢と身長の変動も、予測値に影響します。 これは、例えば、被験者の年齢および/または身長が、予測式の基礎となる母集団の範囲外である場合、予測式を使用してはならないことを意味します。

喫煙も肺機能を低下させ、刺激性物質に職業的にさらされている被験者では影響が増強される可能性があります. 肺機能は、得られた値が予測式から導き出された予測値の 80% 以内であれば、病的ではないと見なされていました。

波形パラメータ計測

肺の状態を判断するために肺機能測定を行います。 測定は、単一または複数の測​​定された肺気量、または気道と肺の動的特性のいずれかに関係する場合があります。 後者は通常、努力に依存する操作によって決定されます。 肺の状態は、その生理学的機能、つまり拡散能力、気道抵抗、およびコンプライアンスに関しても調べることができます (以下を参照)。

呼吸能力に関する測定値はスパイロメトリーによって得られます。 呼吸操作は、通常、最大の吸気とそれに続く最大の呼気、肺活量 (VC、リットルで測定) として実行されます。 少なくとも XNUMX 回の技術的に満足のいく記録 (つまり、完全な吸気と呼気の努力、および漏れが観察されない) を行い、最高値を報告する必要があります。 体積は、水封または低抵抗のベルによって直接測定するか、ニューモタコグラフィー (すなわち、経時的な流量信号の積分) によって間接的に測定することができます。 ここで重要なのは、測定されたすべての肺気量が BTPS、つまり水蒸気で飽和した体温と周囲圧力で表されることに注意することです。

強制呼気肺活量 (FVC、リットル) は、最大強制呼気努力で実行される VC 測定として定義されます。 テストの単純さと比較的安価な機器により、強制エクスピログラムは肺機能のモニタリングに役立つテストになりました。 しかし、これは多くの貧弱な録音をもたらし、その実用的な価値は議論の余地があります. 満足のいく記録を行うためには、1987 年に米国胸部学会によって発行された、強制経過記録の収集と使用に関する最新のガイドラインが役立つ場合があります。

瞬間的な流量は流量-体積曲線または流量-時間曲線で測定できますが、時間平均流量または時間はスパイログラムから導き出されます。 強制失効図から計算できる関連変数は、XNUMX 秒間の強制失効量 (FEV) です。₁、リットル/秒)、FVC のパーセンテージ (FEV₁%)、ピークフロー (PEF、l/s)、強制肺活量の 50% および 75% での最大フロー (MEF₅₀ とMEF₂₅、 それぞれ）。 FEVの導出の図解₁ 強制された呼気図からの概説を図 1 に示します。健康な被験者では、大きな肺気量 (すなわち、呼気の開始時) での最大流量は、主に大きな気道の流量特性を反映していますが、小さな肺気量 (すなわち、呼気の終わり) での流量特性は主に反映されます。図 2. 後者では流れは層流ですが、太い気道では乱流になる可能性があります。

図 1. FEV の導出を示す強制呼気スパイログラム₁ 外挿原理によるFVC。

図 2. 最大呼気流量 (PEF) の導出を示す流量 - 容量曲線、強制肺活量の 50% および 75% での最大流量 (& 、 それぞれ）。

PEF は、1959 年に Wright によって開発されたような小型のポータブル デバイスによって測定することもできます。この装置の利点は、対象者が職場などで連続測定を実行できることです。 ただし、有用な記録を得るには、対象者に適切に指導する必要があります。 さらに、例えばライトメーターによる PEF の測定値と従来の肺活量測定法による測定値は、打撃技術が異なるため比較すべきではないことに留意する必要があります。

スパイロメトリック変数 VC、FVC、および FEV₁ 年齢、身長、性別が通常、変動の 60 ～ 70% を説明する、個人間の妥当な変動を示します。 拘束性肺機能障害は、VC、FVC、およびFEVの値が低くなります₁. 測定されたフローは努力と時間の両方に依存するため、呼気中のフローの測定値は大きな個人差を示します。 これは、例えば、肺容量が減少した場合に被験者の流量が非常に高くなることを意味します。 一方、肺容量が非常に大きい場合は、流量が極端に少なくなることがあります。 しかし、慢性閉塞性疾患（喘息、慢性気管支炎など）の場合は、通常、血流が減少します。

図 3。ヘリウム希釈法による総肺気量 (TLC) の決定のための装置の主な概要。

残気量 (RV) の割合、つまり、最大呼気後にまだ肺に残っている空気の量は、ガス希釈またはボディ プレチスモグラフィーによって決定できます。 ガス希釈技術は、複雑な機器を必要としないため、職場で実施される研究で使用するのに便利です。 図 3 では、ガス希釈技術の原理が概説されています。 この技術は、再呼吸回路での指示ガスの希釈に基づいています。 指示ガスは、肺の組織や血液に取り込まれないように、生体組織に溶けにくいものでなければなりません。 最初は水素が使用されましたが、空気と爆発性の混合物を形成する能力があるため、熱伝導率の原理によって簡単に検出できるヘリウムに置き換えられました。

被験者と装置は閉鎖系を形成し、ガスの初期濃度は、肺内のガス容積に希釈されると減少します。 平衡化後、指標ガスの濃度は装置内と肺内で同じになり、機能的残気量 (FRC) は単純な希釈方程式によって計算できます。 肺活量計の体積 (肺活量計へのガス混合物の追加を含む) は、 V_S, V_L は肺の容積であり、 F_i は初期ガス濃度、 F_f 最終濃度です。

FRC = V_L = [（V_S · F_i）/ F_f] - V_S

4 ～ XNUMX 回の VC 操作を実行して、TLC (リットル) を計算するための信頼できるベースを提供します。 異なる肺容量の下位区分は、図 XNUMX に概説されています。

図 4. 総容量の細分化を示すためにラベル付けされたスピログラム。

気道の弾性特性の変化により、RV と FRC は年齢とともに増加します。 慢性閉塞性疾患では、RV と FRC の値の増加が通常観察されますが、VC は減少します。 ただし、肺気腫の患者など、換気が不十分な肺領域を持つ被験者では、ガス希釈法は RV、FRC、および TLC を過小評価する可能性があります。 これは、指示ガスが閉鎖された気道と通じないため、指示ガス濃度の低下によって誤った小さな値が生じるためです。

図 5.気道閉鎖と肺胞高原の勾配の記録の主な概要 (%).

肺の気道閉鎖とガス分布の測定値は、図 5 のシングルブレス ウォッシュ アウト法により、まったく同じ操作で取得できます。この装置は、バッグインボックス システムに接続された肺活量計と、窒素濃度の連続測定。 この操作は、バッグから純粋な酸素を最大限に吸い込むことによって実行されます。 呼気の開始時に、純粋な酸素を含む被験者の死腔を空にする結果、窒素濃度が上昇します。 呼気は、気道と肺胞からの空気で続きます。 最後に、20 ～ 40% の窒素を含む肺胞からの空気が吐き出されます。 肺の基底部からの呼気が増加すると、肺の依存領域で気道が閉鎖された場合、窒素濃度が急激に上昇します。 (CV) を VC (CV%) のパーセンテージで表したもの。 肺内の吸気の分布は、肺胞プラトーの勾配として表されます (%N₂ またはフェーズ III、%N₂/l)。 これは、空気の 30% が吐き出された時点と気道が閉鎖された時点との間の窒素濃度の差を取り、これを対応する体積で割ることによって得られます。

老化や慢性閉塞性疾患により、CV% とフェーズ III の両方の値が増加します。 ただし、健康な被験者でさえ、肺内のガス分布が均一ではないため、フェーズ III の値がわずかに高くなり、1 ～ 2% N になります。₂/l。 変数 CV% とフェーズ III は、内径約 2 mm の末梢の小さな気道の状態を反映していると考えられます。 通常、末梢気道は、全気道抵抗のわずかな部分 (10 ～ 20%) に寄与します。 動的スパイロメトリーなどの従来の肺機能検査では検出できない非常に広範な変化が、例えば、末梢気道の空気中の刺激物質への曝露の結果として発生する可能性があります。 これは、気道閉塞が細い気道で始まることを示唆しています。 研究の結果は、動的および静的肺活量測定からの変化が発生する前に、CV% およびフェーズ III の変化も示しています。 これらの初期の変化は、有害物質への曝露が止まると寛解することがあります。

肺の伝達係数 (mmol/分; kPa) は、肺毛細血管への酸素輸送の拡散能力の表現です。 伝達係数は、XNUMX 回または複数回の呼吸法を使用して決定できます。 単一呼吸法は、職場での研究に最も適していると考えられています。 一酸化炭素 (CO) が使用されるのは、CO の背圧が酸素の背圧とは対照的に末梢血で非常に低いためです。 CO の取り込みは指数モデルに従うと仮定され、この仮定を使用して肺の伝達係数を決定できます。

の決意 TL_CO (CO で測定される伝達係数) は、一酸化炭素、ヘリウム、酸素、窒素を含む混合ガスの最大吸気に続く、最大呼気を含む呼吸操作によって実行されます。 息を止めた後、肺胞の空気の内容を反映して最大の呼気が行われます (図 10)。ヘリウムは、肺胞の容積の決定に使用されます (V_A）。 CO の希釈がヘリウムと同じであると仮定すると、拡散が始まる前の CO の初期濃度を計算できます。 TL_CO は、以下に概説する式に従って計算されます。ここで、 k コンポーネント項の次元に依存し、 t は息止めの有効時間、log は 10 を底とする対数です。 インスパイアされたボリュームが表示されます V_i そして分数 F CO とヘリウムの i & a それぞれ、インスピレーションと肺胞の場合。

TL_CO = k V_i (F_a、彼/F_i,He) ログ (F_i,CO F_a,He/F_a、CO F_i、彼）（t)^-1

図 6. 伝達係数の記録の主な概要

サイズ TL_CO たとえば、利用可能なヘモグロビンの量、換気された肺胞と灌流された肺毛細血管の量、およびそれらの相互関係など、さまざまな条件に依存します。 の値 TL_CO 年齢とともに減少し、身体活動と肺容量の増加とともに増加します。 減少した TL_CO 拘束性および閉塞性肺疾患の両方に見られます。

コンプライアンス (l/kPa) は、とりわけ、肺の弾性特性の関数です。 肺には、協働する、つまりつぶれるという固有の傾向があります。 肺を伸ばしたままにする力は、弾性のある肺組織、肺胞の表面張力、および気管支の筋肉に依存します。 一方、胸壁は FRC レベルより 1 ～ 2 リットル高い肺容量で拡張する傾向があります。 より高い肺気量では、胸壁をさらに拡張するために力を加える必要があります。 FRC レベルでは、肺の対応する傾向は、拡張する傾向によってバランスが取れています。 したがって、FRC レベルは、肺の静止レベルによって示されます。

肺のコンプライアンスは、容積の変化を経肺圧の変化で割った値、つまり、呼吸操作の結果としての口内 (大気圧) と肺内の圧力の差として定義されます。 肺の圧力の測定は容易に実行されないため、食道の圧力の測定に置き換えられます。 食道内の圧力は肺内の圧力とほぼ同じで、遠位 10 cm をバルーンで覆った細いポリエチレン カテーテルで測定します。 吸気と呼気の操作中、体積と圧力の変化は、それぞれスパイロメーターと圧力変換器によって記録されます。 呼吸中に測定を行うと、動的コンプライアンスを測定できます。 ゆっくりとした VC 操作を実行すると、静的なコンプライアンスが得られます。 後者の場合、測定は体内プレチスモグラフで実行され、呼気はシャッターによって断続的に中断されます。 しかし、コンプライアンスの測定は、作業現場での肺機能への曝露の影響を調べるときに実行するのが面倒であり、この手法は実験室でより適切であると考えられています.

線維症では、コンプライアンスの低下（弾性の増加）が観察されます。 体積を変化させるには、大きな圧力変化が必要です。 他方で、弾性組織の損失、したがって肺の弾性の損失の結果として、例えば肺気腫において高いコンプライアンスが観察される。

気道の抵抗は、基本的に気道の半径と長さだけでなく、空気の粘度にも依存します。 気道抵抗 (R_L (kPa/l) /s) は、肺活量計、圧力変換器、および気流計 (流量を測定するため) を使用して決定できます。 測定は、体のプレチスモグラフを使用して実行し、あえぎ操作中の流れと圧力の変化を記録することもできます。 気管支収縮を引き起こすことを意図した薬物の投与により、過敏な気道の結果として敏感な被験者が特定される可能性があります。 喘息患者は通常、 R_L.

肺機能に対する職業暴露の急性および慢性影響

肺機能の測定は、肺に対する職業暴露の影響を明らかにするために使用される場合があります。 肺機能の雇用前検査は、求職者を除外するために使用されるべきではありません。 これは、健康な被験者の肺機能が広い範囲内で変化し、それ以下では肺が病的であると安全に述べることができる境界線を引くのが難しいためです. また、軽度の肺機能障害のある方でも安心して働ける環境が整っていることも理由の一つです。

職業的に暴露された被験者の肺への慢性的な影響は、多くの方法で検出される可能性があります。 ただし、これらの手法は過去の影響を判断するように設計されており、肺機能障害を防ぐためのガイドラインとしてはあまり適していません。 一般的な研究デザインは、曝露された被験者の実際の値を、職業曝露のない参照集団で得られた肺機能値と比較することです。 参照対象は、同じ (または近くの) 職場または同じ都市から募集される場合があります。

多変量解析は、いくつかの研究で使用され、露出した被験者と一致した非露出の参照対象との違いを評価しています。 曝露された被験者の肺機能値は、曝露されていない被験者の肺機能値に基づく参照方程式によって標準化される場合もあります。

別のアプローチは、健康な被験者に基づく予測式によって計算された外部参照値を使用して、年齢と身長を調整した後、暴露された労働者と暴露されていない労働者の肺機能値の違いを調べることです。 これらの影響要因をさらに制御するために、民族グループ、性別、年齢、身長、および喫煙習慣に従って、参照集団を被ばく対象者と照合することもできます。

ただし、問題は、外部参照値が使用されている場合に、病理学的に分類されるのに十分なほど減少が大きいかどうかを判断することです。 研究の機器は持ち運び可能でシンプルでなければなりませんが、気道と肺の小さな異常を検出するために選択した方法の感度と、異なる方法を組み合わせる可能性の両方に注意を払う必要があります。 労作性呼吸困難などの呼吸器症状のある被験者は、肺機能の低下が加速するリスクが高いという兆候があります。 これは、呼吸器症状の存在が重要であり、無視してはならないことを意味します。

被験体はまた、病気の発症に対する警告を与えるために、スパイロメトリーによって、例えば、年に一度、何年にもわたって追跡調査されてもよい。 ただし、これには非常に時間がかかり、減少が観察されると肺機能が永久に悪化している可能性があるため、制限があります。 したがって、このアプローチは、有害な大気汚染物質の濃度を下げるための措置の実施を遅らせる言い訳にはなりません。

最後に、肺機能への慢性的な影響も、暴露された被験者と暴露されていない被験者の肺機能の個々の変化を何年にもわたって調べることで調べることができます。 縦断研究デザインの利点の XNUMX つは、被験者間変動が排除されることです。 ただし、設計には時間がかかり、費用がかかると考えられています。

影響を受けやすい対象者は、勤務シフト中の曝露がある場合とない場合の肺機能を比較することによって特定することもできます。 日内変動の影響の可能性を最小限に抑えるために、肺機能は XNUMX 日の同じ時間帯に非暴露時と暴露時で測定されます。 非暴露状態は、例えば、時折労働者を汚染されていない場所に移動させるか、シフト全体で適切な呼吸器を使用することによって、または場合によっては労働者の休日の午後に肺機能測定を行うことによって得ることができます。

特別な懸念の XNUMX つは、繰り返される一時的な影響が慢性的な影響をもたらす可能性があることです。 急性の一時的な肺機能の低下は、生物学的曝露の指標であるだけでなく、慢性的な肺機能の低下の予測因子でもある可能性があります。 測定された大気汚染物質の平均値は衛生限界値を下回っていますが、大気汚染物質への暴露は、肺機能に認識可能な急性影響をもたらす可能性があります。 したがって、これらの影響が実際に長期的に有害であるかどうかという疑問が生じます。 この質問に直接答えることは困難です。特に、作業場の大気汚染は複雑な組成を持っていることが多く、暴露は単一化合物の平均濃度で表すことができないためです。 職業被ばくの影響は、部分的には個人の感受性によるものでもあります。 これは、一部の被験者が他の被験者よりも早く、または大きく反応することを意味します。 肺機能の急性で一時的な低下の根底にある病態生理学的根拠は完全には理解されていません。 ただし、刺激性の空気汚染物質にさらされたときの有害反応は客観的な測定値であり、さまざまな原因による症状などの主観的な経験とは対照的です。

有害な大気汚染物質によって引き起こされる気道と肺の変化を早期に検出することの利点は明らかです。 したがって、この点での重要な目的は、健康な労働者のグループを研究するときに使用できる高感度の早期警告システムとして、肺機能に対する急性の一時的影響の測定を使用することです。

刺激物のモニタリング

刺激は、暴露限界値を設定するための最も頻繁な基準の XNUMX つです。 しかし、刺激に基づく暴露限度の順守が刺激から保護されるかどうかは定かではありません。 大気汚染物質の暴露限界には、通常、時間加重平均限界 (TWAL) と短期暴露限界 (STEL) の少なくとも XNUMX つの部分、または少なくとも時間加重平均を超えるための規則が含まれていることを考慮する必要があります。制限、「エクスカーション制限」。 二酸化硫黄、アクロレイン、ホスゲンなどの刺激性の高い物質の場合、非常に短い期間でも濃度を制限することが重要であるため、上限値という形で職業暴露限界値を設定するのが一般的です。測定施設が許す限りサンプリング期間を短くする。

米国政府産業衛生士会議 (ACGIH) の限界限界値 (TLV) リストにあるほとんどの物質について、1993 日 94 時間の時間加重平均限界値と、これらの値を超えるエクスカーションの規則が組み合わされています。 XNUMX-XNUMX 年の TLV リストには、限界値を超えるエクスカーション限界に関する次の記述が含まれています。

「TLV-TWA を持つ大多数の物質について、STEL = 短期暴露限度を保証するのに十分な毒性学的データがありません。」 それにもかかわらず、XNUMX 時間の TWA が推奨制限内であっても、TLV-TWA を超えるエクスカーションは制御する必要があります。」

既知の大気汚染物質の曝露測定と十分に文書化された曝露限界値との比較は、定期的に実施する必要があります。 しかし、ばく露限界値への適合性を判断するだけでは不十分な場合が多くあります。 これは、次のような場合に当てはまります (とりわけ)。

1. 限界値が刺激を防ぐには高すぎる場合
2. 刺激物が不明な場合
3. 刺激物が複雑な混合物であり、適切な指標が知られていない場合。

上記のように、肺機能に対する急性の一時的な影響の測定は、これらの場合、刺激物への過度の暴露に対する警告として使用できます。

(2)および(3)の場合、肺機能への急性の一時的影響は、空気汚染への曝露を減らすための管理手段の有効性をテストする際、または科学的調査、例えば、生物学的影響を空気の成分に帰する際にも適用できる可能性があります。汚染物質。 急性の一時的な肺機能への影響が職業上の健康調査にうまく採用された多くの例が続きます。

急性の一時的な肺機能への影響に関する研究

1950 年末に、綿花労働者の作業シフトにわたる作業関連の肺機能の一時的な低下が記録されました。トルエンジイソシアナート、消防士、ゴム加工作業員、成形業者および中子製造業者、溶接工、スキーワックス業者、有機粉塵および水性塗料中の刺激物にさらされる作業員。

しかし、被ばくの前後、通常はシフト中の測定では、高い被ばくにもかかわらず、急性影響を示すことができなかった例もいくつかあります。 これはおそらく、通常の概日変動の影響によるものであり、主に気道口径のサイズに応じた肺機能の変数です。 したがって、これらの変数の一時的な減少が認識されるには、通常の概日変動を超えている必要があります。 ただし、この問題は、研究のたびに同じ時間帯に肺機能を測定することで回避できる可能性があります。 暴露された従業員を自分のコントロールとして使用することにより、個人差はさらに減少します。 溶接工はこの方法で調査され、非暴露と暴露の FVC 値の平均差は 3 人の検査された溶接工で 15% 未満でしたが、この差は 95% の信頼水準で有意であり、検出力は 99% を超えていました。

肺への可逆的な一時的影響は、複雑な刺激性成分の曝露指標として使用できます。 上記の研究では、作業環境中の粒子は、気道と肺への刺激効果にとって重要でした. 粒子は、フィルターと溶接ヘルメットを組み合わせたレスピレーターによって除去されました。 その結果、肺への影響は溶接ガス中の粒子が原因であり、微粒子レスピレーターの使用がこの影響を防ぐ可能性があることが示されました。

ディーゼル排気への暴露はまた、急性の一時的な肺機能の低下として示される、測定可能な肺への刺激効果をもたらします。 荷役作業員が荷役作業に使用するトラックの排気管に取り付けられた機械式フィルターは、主観的な障害を軽減し、フィルターを使用しない場合に見られる急性の一時的な肺機能の低下を軽減しました。 したがって、結果は、作業環境における粒子の存在が、気道と肺への刺激効果において役割を果たしており、肺機能の急激な変化の測定によって効果を評価することが可能であることを示しています。

暴露の多様性と絶え間なく変化する作業環境は、作業環境に存在するさまざまな病原体の因果関係を識別するのに困難をもたらす可能性があります。 製材所でのばく露シナリオは、わかりやすい例です。 この作業環境では、可能性のあるすべての病原体 (テルペン、粉塵、カビ、バクテリア、エンドトキシン、マイコトキシンなど) の暴露測定を実行することは (経済的な理由などで) 不可能です。 実行可能な方法は、肺機能の発達を縦断的に追跡することです。 木材トリミング部門の製材所労働者の研究では、肺機能を XNUMX 週間の作業前後に調べたところ、統計的に有意な低下は見られませんでした。 しかし、数年後に実施された追跡調査では、実際に XNUMX 週​​間の勤務中に肺機能が数値的に低下した労働者は、肺機能の長期的な低下が加速していることが明らかになりました。 これは、XNUMX週間の勤務中に肺機能の変化を測定することにより、脆弱な被験者を検出できることを示している可能性があります。

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