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文檔簡介

摘要 心血管疾病是當今世界危害人類健康的頭號殺手,主要由高血壓和動態(tài)粥樣 硬化等病癥引起,早期這些病癥不明顯,但是一些相關(guān)的參數(shù)都已發(fā)生變化。因 此通過檢測這些參數(shù)就可以及早診斷出心血管疾病的潛在危險,也可以評估病人 的病況和預(yù)示疾病的程度。因此若能及時檢查這些參數(shù)就可以及早診斷出心血管 疾病的潛在危險,為其預(yù)防和治療爭取了寶貴的時間。大量的臨床實測結(jié)果證實, 脈搏波的波形特征與心血管疾病密切相關(guān)。因此,系統(tǒng)通過檢測脈搏信號來檢測 心血管參數(shù)。 便攜式醫(yī)療儀器具有很大的市場,醫(yī)療儀器已從傳統(tǒng)的p c 和工業(yè)控制計算 機轉(zhuǎn)向嵌入式計算機系統(tǒng)。隨著微處理器運算能力的增加,a r m 微處理器及其 優(yōu)越的性能必將成為心血管檢測系統(tǒng)的的主要平臺。本系統(tǒng)采用三星a r m 9 2 0 作為處理器,通過脈搏傳感器采集脈搏信號,并基于嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)來實 現(xiàn)。系統(tǒng)可實時顯示脈搏波波形,選擇顯示心血管參數(shù)。本論文詳細闡述了如何 通過檢測脈搏波來計算心血管參數(shù);具體分析了系統(tǒng)的硬件平臺;主要論述了軟 件的實現(xiàn),包括b o o t l o a d 的移植,嵌入式l i n u x 系統(tǒng)的移植,驅(qū)動程序的移植; 應(yīng)用程序的編寫;基于q t 的圖形界面開發(fā)。采用高性能的a r m 處理器作為系 統(tǒng)的控制核心,不但能實時檢測到脈搏信號,并對信號進行分析處理,而且集成 了豐富的外設(shè)接口,有利于整個系統(tǒng)的集成。進一步提高通過脈搏波信號計算心 血管參數(shù)的精度,系統(tǒng)的集成化和小型化,對參數(shù)異常處理的進一步處理是今后 工作的發(fā)展趨勢。 隨著醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展,心血管疾病的預(yù)防和治療急需解決,心血管檢測 系統(tǒng)具有廣闊的市場空間,不僅適合臨床使用,也適合普通家庭的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞:心血管參數(shù);脈搏波;a r m ;嵌入式系統(tǒng);0 t 。 a b s t r a c t c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ei so n eo ft h em o s tt e r r i b l ek i l l e ri nt h ew o r l d ,i ti sc a u s e d b yh y p e r t e n s i o na n da s ,i nt h ee a r l yt h e s es y m p t o m si sn o to b v i o u s ,b u ts o m eo f t h e c o r r e l a t i v ep a r a m e t e ri sc h a n g e d s ow ec a nd i a g n o s et h ep o t e n t i a lc r i s i si na d v a n c eb y d e t e c t i n gt h ec a r d i o v a s c u l a rp a r a m e t e r s ,t h a tc a na l s o e v a l u a t ep a t i e n t s s t a t ea n d f o r s e et h es t a t eo fi l l n e s s s od e t e c tt h ep a r a m e t e r si nt i m e ,c a r d i o v a s c l a rw o u l db e d i g n o s e da ss o o na sp o s s i b l e ,w h i c hc a ns a v et i m ef o rp r e v e n ta n dt r e a t m e n t p l e n t yo f c l i n i c a lr e s u l t sa p p r o v et h a tp u l s ew a v ei sc l o s e l yc o n n e c t e dt oc a r d i o v a s c u l a r d i s e a s e s t h es y s t e md e t e c t st h ec a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e sb yt e s t i n gi t sp a r a m e t e r s p r e s e n t l yt h em e d i c a la p p l i a n c et r a n s f o r m sf r o mt r a d i t i o n a lp ca n di n d u s t r i a l c o n t r o lc o m p u t e rt oe m b e d d e ds y s t e m w i t hd e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s o r , a r m c o r ee m b e d d e ds y s t e mw i l lb et h em a i np l a t f o r mf o rh o m e l yu s e dc a r d i o v a s c u l a r d e t e c t i n gs y s t e m t h es y s t e mc h o o s e sa r m 9 2 0f r o ms a m s u n ga sp r o c e s s o r , a c q u i r e t h ep u l s es i g n a lt h r o u g ht h ep u l s es e n s o ru s i n ge m b e d d e dl i n u xo s t h es y s t e mc a n d i s p l a yt h ep u l s ew a v er e a l t i m e l y , c a l c u l a t ea n dd i s p l a yt h ec a r d i o v a s c u l a rp a r a m e t e r s s e l e c t i v e l y t h ep a p e re x p o u n d s h o wt ou s et h e p u l s ew a v e t oc a l c u l a t et h e c a r d i o v a s c u l a rp a r a m e t e r s ;a n a l y s et h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h es y s t e m ;m a i n l y d i s c u s st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t s ,i n c l u d ep o r t i n gt h eb o o t l o a d e r , l i n u xo sa n dt h e d r i v e r st ot h ea r mb o a r d ;t h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n s ;t h eg r a p h i c a li n t e r f a c e s d e v e l o p m e n tb a s e d o nq t i ti sat r e n dt h a tt h ec a r d i o v a s c u l a rp a r a m e t e r s m e a s u r e m e n t s y s t e m h a sf u r t h e rm o r e p r e c i s i o n ,s y s t e m a t i ci n t e g r a t i o n a n d m i n i a t u r i z a t i o n ,t h ep r o c e s so fp a r a m e t e ra b n o r m i t y w i t ht h em e d i c a lt r e a t m e n td e v e l o p s ,t h ep r e v e n ta n dt r e a t m e n t o f c a r d i o v a s c u l a rn e e dt os o l v ei m m e d i a t e l y t h ec a r d i o v a s c u l a rd e t e c t i n gs y s t e mh a sa w i d em a r k e t ,u s en o to n l yi nc l i n i c , b u ta l s oi nf a m i l yh e a l t hc a r e k e y w o r d s :c a r d i o v a s c u l a rp a r a m e t e r ;p u l s ew a v e ;a r m ;e m b e d d e d s y s t e m ;q t 廈門大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 茲呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨立完成的研究成 果。本人在論文寫作中參考的其他個人或集體的研究成果,均在 文中以明確方式標明。本人依法享有和承擔由此論文產(chǎn)生的權(quán)利 和責任。 聲明人( 簽名) 穆勵l 薄 州年6 月立日 廈門大學(xué)學(xué)位論文著作權(quán)使用聲明 本人完全了解廈門大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。廈門大 學(xué)有權(quán)保留并向國家主管部門或其指定機構(gòu)送交論文的紙質(zhì)版和電 子版,有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文進入學(xué) 校圖書館被查閱,有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索, 有權(quán)將學(xué)位論文的標題和摘要匯編出版。保密的學(xué)位論文在解密后適 用本規(guī)定。 本學(xué)位論文屬于 1 保密() ,在年解密后適用本授權(quán)書。 2 不保密( ( 請在以上相應(yīng)括號內(nèi)打“4 ”) 作者簽名:和仞) 緝?nèi)掌冢簑 瞻芳年舌月2 日 導(dǎo)師簽名:當功日期:姍礦年 6月- 2 日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 心血管參數(shù)檢測意義與方法 人體心血管動脈系統(tǒng)是一個幾何特性和物理特性都相溺復(fù)雜的彈性管系。在 動脈中流動的血液具有多種有形顆粒的懸浮液體,具有異常粘度的非牛頓液體。 動脈系統(tǒng)各部分的流動特征差異很大,情況十分復(fù)雜,這就給其參數(shù)準確測量帶 來困難。因此,建立一個科學(xué)、準確的心盤管動力學(xué)參數(shù)無創(chuàng)檢測原理稷新方法, 為廣大醫(yī)生對心血管疾病的檢測、診斷、監(jiān)護及確定治療措施提供一個簡捷方便 秘準確可靠的重要診斷手段,無疑對生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展粲有深遠的意義h 1 。 1 1 1 心血管參數(shù)檢測意義 心血管疾病是當今發(fā)達國家死亡率占第一的重要疾病,在我國也是死亡率最 高的一類疾病,世界衛(wèi)生組織已將其列為2 王世紀危害人類健康的頭號殺手。因 此,如何治療這類疾病,已成為世界各國迫切需要解決的項重大課題。對心血 管直流動力學(xué)參數(shù)進行科學(xué)合理的檢測、診斷、分析,這對臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展是極 有意義的。 高血壓和動脈鬻祥硬純是弓| 起各種心血管病的主要原因。但這些危險因素旱 期癥狀不明顯,般經(jīng)過多年才在臨床上有所表現(xiàn),因而往往很容易會被人們所 忽視麗錯過早期治療的褫會。如何能在發(fā)病初期方便、準確、舒適的檢查和診斷 出這種無明顯癥狀的病瘕來是一個極大的難題。研究表明,高血壓和動脈粥樣硬 純的初期階段,雖然沒有自覺癥狀,僵血壓、盎流、盤管阻力等一系列心盤管參 數(shù)實際上已開始發(fā)生變化。如果能及時檢查出這些參數(shù)的變化,并對其特征進行 分析,就可麓在還沒有自覺癥狀的情況下及早診斷國高盎篷和動脈粥樣硬化這兩 個心血管病的潛在危險因素,為心血管病的預(yù)防和治療爭取到寶貴的時間心1 。 1 1 2 心血管參數(shù)檢測方法 隨著心臟的問歇性的收縮和舒張,血液壓力、血流速度和血流量的脈動以及 血管壁的變形和振動在血管系統(tǒng)中的傳播,統(tǒng)稱為脈搏波或脈搏波在血管中的傳 皋于a r m 的心j i l 管參數(shù)榆測系統(tǒng)的實現(xiàn) 播。 脈搏波壓力及波形特征變化是評價人體心血管系統(tǒng)生理病理狀態(tài)的重要依 據(jù)。無論是中醫(yī)切脈或是西醫(yī)心血管疾病檢查,都試圖從脈搏波的壓力與波形變 化中提取各種生理病理信息。這是因為當脈搏波由心臟開始向動脈系統(tǒng)傳播時, 不僅要受到心臟本身的影響,同時也會受到流經(jīng)各級動脈及分支中各種生理因素 如血管阻力、血管壁彈性等的影響,使脈搏波中包含有極豐富的心血管系統(tǒng)生理 病理信息。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)( 波形) 、強度( 波幅) 、速率( 波速) 和節(jié)律 ( 周期) 等方面的綜合信息,很大程度上反映了人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理 的特征n 】。 脈搏波的傳播特性等與心血管系統(tǒng)中的力學(xué)參數(shù)變化密切相關(guān)的。大量實驗 和計算結(jié)果證明,在動脈血管彎曲、分叉和狹窄部位最容易引起動脈粥樣硬化等 心血管疾病。對心血管血流動力學(xué)參數(shù)進行科學(xué)合理的檢測、診斷和分析,對臨 床醫(yī)學(xué)的發(fā)展有極其重要的意義。另外,中醫(yī)脈象和心血管系統(tǒng)血液運動、血管 壁的運動及脈搏波的傳播規(guī)律有密切的關(guān)系。因此,對脈搏波傳播規(guī)律進行研究, 并將其與傳統(tǒng)中醫(yī)的脈象診斷相結(jié)合,以求利用無創(chuàng)檢測方法對人體心血管疾病 進行早期的診斷治療,具有實用價值n 1 。 心血管參數(shù)主要是指收縮壓p 。,舒張壓p 。、脈壓差( p 。一p d ) 、平均動脈壓p m 、 心率h r 、心搏出量s v 、心輸出量c o 、心搏指數(shù)s i 、心臟指數(shù)c i 、外周阻力t p r 、 血管順應(yīng)性a c 、血流的半更新率a l k 、血流的半更新時間a l t 以及血流的平均滯 留時間t - 等十余項指標。這些參數(shù)都可根據(jù)血壓和血流分別求出。其中,心輸出 量c o 或心搏出量s v 是評估心血管功能最為重要的治療效果,從而確定病人狀況 是否已得到改善或進一步惡化口1 。 1 2 技術(shù)背景與研究現(xiàn)狀 1 2 1 脈搏波理論基礎(chǔ) 人體的循環(huán)系統(tǒng)的原動力是心臟的射血,其中心室起主要作用,所以通常所 謂的心動周期實際上是指心室活動周期。左心室的收縮將血液射入動脈,左心室 的舒張又將新鮮血液吸入心室,在此過程中脈搏波也形成了一個周期。心臟射血 2 第一章緒論 時,心室肌收縮所釋放的能量,一部分用于推動血液流動,成為血流的動能,另 一部分則形成對盎管壁的側(cè)壓,成為作用予血管壁的勢能“1 。 動脈血管系統(tǒng),按其結(jié)構(gòu)與機能特點可分為兩部分:一是主動脈和大動脈部 分,二是小動脈和微動脈部分。主動脈與大動脈部分的盤管壁堅厚,含有豐富的 彈性纖維和膠原纖維,但平滑肌成分較少。這些彈性成分使得主動脈和大動脈血 管在左心室射壺時,栽被動擴大其容量,暫時貯存部分盤液,以緩沖壓力過度 升高。這時心室收縮驅(qū)動血液的一部分能量,便以勢能的形式貯存在彈性動脈管 壁中。當心室舒張時,被擴張的血管發(fā)生彈性回縮,將射盎期多容納的那部分血 液繼續(xù)向外周推進,從而使問斷的射血變?yōu)檫B續(xù)性流動。從主動脈和大動脈疵管 分支出來的各動脈以并聯(lián)靜形式自全身各器官的毛細血管供矗。這些小動脈和微 動脈管壁的結(jié)構(gòu)特點是,彈性纖維和膠原纖維成分減少,而環(huán)形平滑肌成分明顯 增多。每當盎管平滑飄收縮時,可直接使盤管目徑縮小,增加蠱流阻力,從麗使 向心端大動脈m 管內(nèi)壓力升高h 1 。 動脈盤壓就是當蠱液流經(jīng)動脈系統(tǒng)時對盤管壁施加的側(cè)蘧。動脈盤壓是擺動 血液流動的驅(qū)動力,它必須達到一定的高度才能保證向全身各器官的血液供應(yīng)。 在盤管系統(tǒng)內(nèi)有足夠翡贏液充盈題形成血壓的前提。在此基礎(chǔ)上心臟射盤所作的 功,一部分形成流速,一部分產(chǎn)生側(cè)壓。但是如果不存在主要由阻力血管所構(gòu)成 的外周阻力,則心臟射出的蠱液將迅速流向外周,致使心室收縮釋放的能量全部 或大部分轉(zhuǎn)為動能,而形不成側(cè)愿。只有在外周阻力配合下,心臟射出的血液不 能迅速流走,暫時存留在阻力血管離心端的較大動脈的盎管內(nèi),這時心室收縮靛 能量才能大部分以側(cè)壓形式表現(xiàn)出來,形成較高的血壓水平。所以,動脈血壓的 形成是心臟射斑和外周阻力相互作用的結(jié)果。在心室舒張期停止射盤時,則嘲大 動脈回彈作用與外周阻力相配合,以維持定的血壓水平h 1 。 動脈壓獲主動脈和大動脈傳播到小血管和徽斑管的過程就形成了動脈脈搏 波,它隨心動周期成周期性變化。不同動脈段的血壓數(shù)值有所不同。與主動脈內(nèi) 的動脈壓褶眈,外周動脈的收縮聰較高、舒張壓較低。橈動脈脈搏波容易獻體表 測量,其典型波形如圖1 - 1 所示,它可以很好地反映心血管的信息,如果人體動 脈系統(tǒng)產(chǎn)生異常( 如出現(xiàn)動脈蘩樣硬化等) ,動脈血管的各項性質(zhì)會發(fā)生改變, 從而橈動脈脈搏波形也會發(fā)生一定的改變h 1 。 3 基于a r m 的心m 管參數(shù)檢測系統(tǒng)的實現(xiàn) o 爿fd 。 c 。 d 。 圖1 - 1 橈動脈脈搏波波形圖 脈搏波形包括一個升支和降支。升支是左心室射血時動脈壁突然擴張所引起 的。在心室快速射血期,動脈血壓迅速上升,管壁被擴張,形成脈搏波形中的上 升支。上升支的斜率和幅度受射血速度、心輸出量以及射血所遇阻力的影響,若 射血時遇到的阻力大,心輸出量小,射血的速度慢,則脈搏波形中上升支的斜率 小,幅度也低;反之,若射血所遇到的阻力小,心輸出量大,射血的速度快,則 上升支較陡,幅度也較大。大動脈的可擴張性減小時,彈性貯器作用減弱,動脈 血壓的波動幅度增大,脈搏波上升支的斜率和幅度也加大。主動脈瓣狹窄時,射 血阻力高,脈搏波上升支的斜率和幅度都較小n 1 。 心室射血的后期,射血的速度減慢,進入主動脈的血量少于由主動脈流向外 周的血量,故被擴張的大動脈開始回縮,動脈血壓逐漸降低,形成脈搏波形中下 降支的前段,即潮波。隨后,心室舒張,動脈血壓繼續(xù)下降,形成下降支的其余 部分。在降支中段出現(xiàn)的小波稱為降中波,又稱重搏波。降中波前面的下凹部分 稱降中峽。降中峽的產(chǎn)生是由于左心室舒張,主動脈內(nèi)血液倒流,血壓突然下降, 管壁回縮所形成。降中波則是由于主動脈瓣關(guān)閉血流沖擊在主動脈瓣上而彈回, 動脈壓再次稍有升高,管壁又稍有擴張而形成。動脈脈搏波形中下降支的形狀可 大致反映外周阻力的高低。外周阻力高時,脈搏波降支的下降速率較慢,切跡的 位置較高。如果外周阻力較低,則下降支的下降速率較快,切跡的位置較低,切 跡以后下降支的坡度小,較為平坦。主動脈瓣關(guān)閉不全時,心舒期有部分血液倒 流入心室。故下降支很陡,降中波不明顯或者消失。 4 第一章緒論 綜上所述,脈搏波的幅值與波形變化,反映出在一個心動周期中動脈血壓隨 時間的脈動變化。脈搏波中所包含的高血壓和動脈硬化等信息主要反映在脈搏波 的幅值與波形變化之中,并通過血壓、血流、血管阻力和血管壁彈性等血流參數(shù) 的變化表示出來。因此,對脈搏波形特征進行研究,利用無創(chuàng)檢測方法對人體心 血管疾病進行早期的診斷治療,這對臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展是很有價值的。 1 2 2 基于脈搏波的主要心血管功能參數(shù) 心率 指每分鐘心臟所經(jīng)歷的心動周期的個數(shù),反映心臟跳動的頻率。心率對動脈 脈搏波的一個明顯影響就是周期,心率加快周期變短。另外,心率對動脈壓也會 產(chǎn)生影響:室每次收縮射入主動脈的血液只有一部分在收縮期內(nèi)流走,其余部分 則需要在舒張期內(nèi)流向外周。如果心率突然增快,則因舒張期變短,流向外周的 血量減少,致使舒張末期主動脈內(nèi)存留血量增多、舒張壓升高。在此基礎(chǔ)上收縮 壓也會升高,但動脈壓升高可使血流速度加快,在收縮期內(nèi)有較多的血液流向外 周,致使收縮壓的升高不如舒張壓升高顯著。因此當心率增加時,動脈脈搏波的 波形就會“變低 。 心輸出量、每搏輸出量、心臟指數(shù)與心搏指數(shù) 心臟的基本生理機能在于有節(jié)律地將血液射入動脈系統(tǒng)中。心室每分鐘射出 的血量稱為心輸出量,每次射出的血量稱為每搏輸出量。機體靜息時的心輸出量 同體內(nèi)代謝過程相適應(yīng),與體表面積成正比關(guān)系。為了便于在個體之間進行比較, 將單位體表面積的心輸出量稱為心臟指數(shù),相應(yīng)的單位體表面積的每搏輸出量稱 為心搏指數(shù)。當心室收縮加強輸出量增加時,動脈血壓升高。這時血流速度加快, 血液向外周流走的量增多,因而動脈系統(tǒng)舒張末期總?cè)萘侩m然有所增加但程度不 大。因此收縮壓的升高要大于舒張壓的升高,從而使得動脈脈搏波的波形“變高 。 外周阻力與血液粘度 血液在血管中以一定的流量流動,由于血管半徑有限、血液具有一定粘度使 得血液流經(jīng)段長度后壓力減小,也就是收到了阻力的作用,稱為外周阻力。設(shè) 血管兩端的壓力差為l m m h g ( 毫米汞柱) ,血流量為l m l s ,則此時的血流阻 力稱為1 個外周阻力單位( p r u ) 。外周阻力增加時,由于血液向外周流走的速 5 基于a r m 的心j f i 【管參數(shù)檢測系統(tǒng)的實現(xiàn) 度減慢,致使舒張末期主動脈內(nèi)存留的血量增多,舒張壓增高,此時收縮壓也將 增高。但由于動脈血壓升高使血流速度加快,因此收縮壓升高不如舒張壓升高明 顯,從而使得動脈脈搏波的波形“變低”。外周阻力與血液粘度成j 下比,血液粘 度增加就會加大外周阻力、血壓升高,而增3 h , t 3 臟的負擔。 主動脈與大動脈的彈性 主動脈和大動脈的彈性貯器作用,可緩沖血壓波動的幅度,即防止收縮壓過 高和舒張壓過低,因而使脈壓差減小。大動脈彈性隨年齡的增大而減小,因而年 齡大的人動脈血管壁硬度高、脈搏波形會“變高”。 1 2 3 基于脈搏波的心血管功能研究現(xiàn)狀 脈搏波的波形特征信息與生理因素存在著必然的聯(lián)系。為了研究兩者的關(guān) 系,國內(nèi)外許多研究者以臨床實驗或模型計算脈搏波圖為根據(jù),然后分別在時域 或頻域中對脈搏波圖提取特征信息。在時域中提取信息,一般是在脈圖中提取一 些具有明確生理意義的點( 如主波波峰、重搏波高度等) 。將這些特征點與對應(yīng) 的生理因素結(jié)合起來就可能得到許多有臨床醫(yī)學(xué)價值的結(jié)果。這種方法比較直 觀、易被臨床醫(yī)生接受,但它是建立在脈搏波曲線某些點的特征上的,沒有把曲 線所包含的全部信息利用起來。此外,某些與生理以因素密切相關(guān)的特征點很難 被準確地檢測,需要憑經(jīng)驗估計,隨機誤差很大。在頻域中提取信息,一般是利 用傅立葉變換從脈搏波頻譜中提取與人體生理病理有關(guān)的信息。將特征信息以脈 搏波所具有的全部頻率分量的集合形式表示,保留了脈搏波中的全部信息。但由 于計算復(fù)雜、結(jié)果抽象,難以被廣大醫(yī)務(wù)工作者接受【4 l 。 為解決這個問題,有一些研究者利用仿真模型逼近實測的脈搏波得到不同的 模型參數(shù),根據(jù)參數(shù)的不同來判斷人的生理狀況。實踐證明,這種研究方法是較 為有效的,但仿真模型與所提取的特征參數(shù)必須得當,才能有效區(qū)分病理狀態(tài)。 在許多研究中,由于提取的參數(shù)過于繁雜而使得對脈搏波的區(qū)分度不高,經(jīng)常出 現(xiàn)誤判現(xiàn)象。因此脈搏波參數(shù)的提取成為研究的關(guān)鍵【4 】。 北京工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程中心羅志昌教授等人利用已有的雙彈性腔模型 提取一個代表脈搏波波圖面積變化的特征量k 值( 稱之為波形系數(shù)) 。通過模 型理論分析、動物實驗以及數(shù)千例的不同年齡健康人和心血管疾病患者的臨床檢 6 第一章緒論 測,證實由心血管生理和病理上的變化將會引起脈搏波波圖特征和面積的相應(yīng)變 化,進翁反映在k 值的變化上。用k 值判別人體的生理狀況,雖然不麓做到 精確的定量分析,但具有計算簡便、區(qū)分度和敏感度高的優(yōu)點,因而在臨床上具 有重要豹引用價值,是心盤警臨床檢查的一個重要生理指標。 通過橈動脈脈搏波波形可以算出波形系數(shù)k 值,再根據(jù)k 值、收縮壓和舒 張壓可以計算黑大部分的心虛管參數(shù)。 1 3 嵌入式l i n u x 系統(tǒng)概述 1 3 1 嵌入式系統(tǒng)概述 1 3 1 1 嵌入式系統(tǒng)定義 雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風(fēng)靡起來的,但其歷史可追溯到加2 0 世紀7 0 年 代。經(jīng)過3 0 多年的發(fā)展,在硬件和軟件交替發(fā)展的支撐下,嵌入式技術(shù)逐漸趨 于穩(wěn)定和成熟,已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理 系統(tǒng)、p o s 網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境檢測、機器人等各個領(lǐng)域。毫不夸張的泌,嵌 入式系統(tǒng)已經(jīng)無所不在。所以,研究和開發(fā)嵌入式系統(tǒng)有著十分重要的意義【鰣。 根據(jù)i e e e ( 鬢際瞧氣和電子王程師協(xié)會) 的定義,嵌入式系統(tǒng)是“控制、 監(jiān)視或輔助設(shè)備、機器和車間運行的裝置”,這主要是從應(yīng)用上加以定義的。不 過,上述定義并不能充分體現(xiàn)出嵌入式系統(tǒng)的精髓。目前,國內(nèi)一個普遍被認同 的定義是:以應(yīng)用為中心、以計算機為基礎(chǔ),軟、硬件可裁減,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對 功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算楓系統(tǒng) 5 1 。 廣義地講,凡是不用于通用目的的可編程計算機設(shè)備,就可以算是嵌入式計 算枕系統(tǒng)。狹義上麗言,嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為核心,以計算機技術(shù)為基礎(chǔ), 軟硬件可裁剪,適于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴格要求的專 用計算機系統(tǒng)。 總的來說,嵌入式系統(tǒng)是一個外延極廣的概念,凡是與產(chǎn)品結(jié)合在一起的、 其有嵌入式系統(tǒng)特點的系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)??梢詮囊韵聨讉€方面來理解 嵌入式系統(tǒng)的含義: 嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的,崧須與具體應(yīng)用相結(jié)合 7 基于a r m 的心j f i l 管參數(shù)柃測系統(tǒng)的實現(xiàn) 才會具有生命力。正因為與具體應(yīng)用的緊密結(jié)合,嵌入式系統(tǒng)才具有很強的專用 性。 嵌入式系統(tǒng)將先進的半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)和電子技術(shù),以及各個行業(yè) 的具體應(yīng)用相結(jié)合,是一個技術(shù)密集、資金密集、學(xué)科交叉和不斷創(chuàng)新的知識集 成系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需要對硬件和軟件進行裁剪,以滿足應(yīng)用系統(tǒng)對 功能、可靠性、成本、體積和功耗的要求。 1 3 1 2 嵌入式系統(tǒng)的組成 通常來說,嵌入式系統(tǒng)可以劃分成硬件和軟件兩部分。嵌入式硬件由嵌入式 微處理器、片內(nèi)周邊電路和外部設(shè)備三部分組成。嵌入式微處理器是嵌入式硬件 系統(tǒng)的核心,直接影響嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用范圍和開發(fā)復(fù)雜度。典型的嵌入式微處 理器有m o t o r o l a 公司的p o w e rp c 系列、i n t e l 公司的s t r o n ga r m 系列、a m d 公 司的x 8 6 系列以及e p s o n 公司的s i c 3 3 系列等。嵌入式軟件一般由連接硬件和應(yīng) 用程序的嵌入式實時操作系統(tǒng)( r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ,簡稱r t o s ) 和 在其上運行的應(yīng)用軟件構(gòu)成畸1 。 嵌入式處理器 嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件,是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元, 其功能和性能影響著整個系統(tǒng)的功能、性能和設(shè)計。嵌入式處理器的選擇也制約 著其配套的外圍器件及操作系統(tǒng)的選擇口1 。 嵌入式處理器的種類繁多、數(shù)量龐大。目前世界上嵌入式處理器的種類數(shù)量 已經(jīng)超過1 0 0 0 種,流行的體系結(jié)構(gòu)有3 0 多個系列。嵌入式微處理器具有體積小、 重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點,因此得到了廣泛應(yīng)用。目前這樣的嵌入式處 理器類型有a r m 、m i p s 、m c 6 8 0 0 、3 8 6 e x 、p o w e r p c 等系列。其中以a r m 的應(yīng)用最 為廣泛。 嵌入式處理器可以分為四類,即 嵌入式微處理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ,e m p u ) ,如a r m 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ,m c u ) 嵌入式d s p 處理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ,e d s p ) 8 第一章緒論 嵌入式片上系統(tǒng)( s y s t e mo nc h i p ) 嵌入式外圍設(shè)備 這里所說的嵌入式外圍設(shè)備,指在一個嵌入式硬件系統(tǒng)中,除了中心控制部 件( m c u ,d s p ,e m p u ,s o c ) 以外的完成存儲、透信、保護、調(diào)試、顯示等輔助功能 的其他部件口。根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下三類,即: 存儲器類型:靜態(tài)易失型存儲器( r a m ,s 燃) 、動態(tài)存儲器( d r a m ) 、非 易失型存儲器( r o m ,e p r o m ,e e p r o m ,f l a s h ) 。其中,因為f l a s h 可以 擦寫多次,存儲速度快,容量大,價格便宜在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 接口類型:目前存在的所有接口在嵌入式領(lǐng)域都應(yīng)有廣泛,如r s 一2 3 2 ( 串 口) 、i r d a ( 紅外線接囂) 、s p i ( 宰行鈐露設(shè)備接嗣) 、1 2 c ( 現(xiàn)場總線待 定) 、u s b ( 通用串行接口) 、e t h e r n e t ( 以太接口) 和普通并口。 顯示類型:c r t ,l c d 和觸摸屏等外圍設(shè)備。 1 3 1 。3 嵌入式系統(tǒng)的特點 嵌入式系統(tǒng)具有以下幾個重要特征瞄1 : 系統(tǒng)肉核小,由于嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用于小型電子裝置,系統(tǒng)資源相對有 限,所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如,e n e a 公司的o s e 分布式系統(tǒng), 內(nèi)核只有5 k b ,而w i n d o w s 的內(nèi)核劉要大褥多。 專用性強,嵌入式系統(tǒng)的個性化很強,其中的軟件系統(tǒng)和硬件結(jié)合非常緊 密,一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植;同時針對不同的任務(wù),往往需要對系統(tǒng)進行 較大的更改。另外,程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合。 嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分,不要求其功能的設(shè) 計及實現(xiàn)過于復(fù)雜,這樣既利于控制系統(tǒng)成本,也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全。 離實時性的操作系統(tǒng)軟件是嵌入式軟件的基本要求,而且軟件要求固化存 儲,以提高速度軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。 嵌入式軟件開發(fā)要想走向標準化,就必須使用多任務(wù)操作系統(tǒng)。嵌入式系 統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)麗直接在芯片上運行,但為了更合理的調(diào)度多任 務(wù),利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù),用戶必須自行選配r t o s 開發(fā)平臺。 執(zhí)行的實時性、可靠性,并減少開發(fā)時間,保障軟件質(zhì)量。嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 9 基于a r m 的心j n l 管參數(shù)檢測系統(tǒng)的實現(xiàn) 需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境。由于嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力,即使完 成設(shè)計后,用戶通常也不能對其中的程序功能進行修改,因此必須有一套基于通 用計算機的開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。 1 3 2 嵌入式l i n u x 簡述 l i n u x 是一個類似u n i x 的操作系統(tǒng),其代碼是完全公開的,內(nèi)核功能強大, 實現(xiàn)簡潔。它提供了類似u n i x 的編程接口和系統(tǒng)調(diào)用,可以方便的將u n i x 系統(tǒng) 上的應(yīng)用程序,移植到l i n u x 上運行。l i n u x 內(nèi)核支持多種體系結(jié)構(gòu)的處理器, 包括目前流行的i n t e lx 8 6 ,m o t o r o l a i b mp o w e r p c ,c o m p a qa l p h a ,s u ns r a r c 等處理器體系結(jié)構(gòu)哺1 。 要把l i n u x 用于嵌入式環(huán)境,就必須修改l i n u x 滿足嵌入式系統(tǒng)的要求。主 要集中在兩個方面:一是體積,而是實時性。與目前上的眾多商業(yè)的r t o s ( 實 時操作系統(tǒng)) 相比,嵌入式l i n u x 擁有以下的特點如1 : 完全開放源代碼 嵌入式l i n u x 開放源代碼,這使得學(xué)習(xí),修改,剪裁l i n u x 成為可能,嵌入 式系統(tǒng)的設(shè)計者可以對嵌入式l i n u x 進行二次開發(fā),去掉操作系統(tǒng)的附加功能, 只保留必須的操作系統(tǒng)功能,并且可以根據(jù)實際應(yīng)用的需要優(yōu)化操作系統(tǒng)的源代 碼,從而降低整個操作系統(tǒng)的開銷與消耗。 成本低 g p l 協(xié)議保證了源自l i n u x 的嵌入式l i n u x 也是開放源代碼的自由軟件,也 就是說,只要遵守g p l 協(xié)議,嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)的源代碼可以自由獲得。另 外,大多數(shù)嵌入式l i n u x 使用的開發(fā)工具也是遵守g p l 協(xié)議的,同樣可以免費獲 得。 豐富的實用軟件支持 l i n u x 操作系統(tǒng)是一個完整的,功能強大的操作系統(tǒng),提供了大量的實用程 序和各種各樣的應(yīng)用軟件。這些軟件的正確性和有效性都經(jīng)過了實際應(yīng)用檢驗, 可以根據(jù)需要,利用l i n u x 提供的豐富的軟件支持,迅速構(gòu)建嵌入式應(yīng)用的軟件 環(huán)境。這樣可以極大地減小嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的時間和費用,提高系統(tǒng)的可靠 性。 l o 第一章緒論 嵌入式l i n u x 的可移植性 將l i n u x 移植到新的微處理器體系j # 常快捷,一般是將其移植到一種新型的 目標板,其中包含有獨特的外設(shè)。大部分的內(nèi)核代碼都是相同的,因為它們與微 處理器無關(guān),所以,移植的工作多集中在一些存儲器管理及中斷處理程序上。一 旦完成,它們將非常穩(wěn)定。 嵌入式l i n u x 的應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)的涵蓋面是非常廣泛的,其中,家電市場包括機頂盒、數(shù)字電視、 可視電話、家庭網(wǎng)絡(luò)等信息家電;工監(jiān)市場包括工業(yè)控制設(shè)備、儀器;商用市場 包括掌上電腦、瘦客戶機、p o s 終端等;通信市場包括w a p 手機、無線p d a 等。 霉前被廣泛看好的是信息家電市場,國內(nèi)有很多開發(fā)廠商燕加大投入、開發(fā)和研 制新的產(chǎn)品,嵌入式l i n u x 將是他們首選的操作系統(tǒng)。嵌入式l i n u x 系統(tǒng)的基本 構(gòu)架如圈董一2 所示: 圖1 - 2 嵌入式系統(tǒng)示意圖 b o o t l o a d e r :負責l i n u x 內(nèi)核的啟動,它用于初始化系統(tǒng)資源,包括s d r a m 。 這部分代碼用于建立l i n u x 內(nèi)核運行環(huán)境和從f l a s h 中裝載初始化r a m d i s k 。 內(nèi)核初始化:l i n u x 內(nèi)核的入口點是s t a r t k e r n e l0 函數(shù)。它初始化內(nèi)核的 其他部分,包括捕獲,i r q 通道,設(shè)備驅(qū)動,標定延遲循環(huán),最重要的是能夠f o r k 高巫一困副 基于a r m 的心血管參數(shù)柃測系統(tǒng)的實現(xiàn) “i n i t ”進程,以啟動整個多任務(wù)環(huán)境。系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)捕獲函數(shù):在執(zhí)行完“i n i t ” 程序后,內(nèi)核對程序流就不再有直接的控制權(quán),此后,它的作用僅僅是處理異步 事件( 例如硬件中斷) 和為系統(tǒng)調(diào)用提供進程。 設(shè)備驅(qū)動:設(shè)備驅(qū)動占據(jù)了l i n u x 內(nèi)核很大部分。同其他操作系統(tǒng)一樣,設(shè) 備驅(qū)動為它們所控制的硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)提供接口。 文件系統(tǒng):l i n u x 最重要的特性之一就是對多種文件系統(tǒng)的支持。這種特性 使得l i n u x 很容易地同其他操作系統(tǒng)共存。文件系統(tǒng)的概念使得用戶能夠查看存 儲設(shè)備上的文件和路徑而無須考慮實際物理設(shè)備的文件系統(tǒng)類型。l i n u x 透明的 支持許多不同的文件系統(tǒng),將各種安裝的文件和文件系統(tǒng)以一個完整的虛擬文件 系統(tǒng)的形式呈現(xiàn)給用戶。 1 4 論文的主要內(nèi)容 隨著醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展,家庭醫(yī)療監(jiān)護成為一個重要的內(nèi)容。便攜式的醫(yī) 療儀器由于其體積小、使用方便、價格低等特點容易為大部分家庭所接受,因此, 家庭醫(yī)療儀器有著巨大的市場空間。 本論文立足于家庭醫(yī)療監(jiān)護,使用壓力脈搏傳感器和$ 3 c 2 4 1 0 為核心的嵌入 式系統(tǒng)研制了基于a r m 的心血管參數(shù)檢測系統(tǒng)。論文主要闡述了基于脈搏波的心 血管參數(shù)檢測的原理和方法;嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程和實現(xiàn),主要包括開發(fā)環(huán)境 的建立、硬件平臺的搭建、軟件系統(tǒng)的實現(xiàn);系統(tǒng)的實驗結(jié)果和分析等等。 在論文的組織結(jié)構(gòu)如下: 第一章是緒論部分,通過查閱大量文獻主要介紹心血管參數(shù)檢測系統(tǒng)的 研究意義和實現(xiàn)方法;嵌入式系統(tǒng)的概述:嵌入式l i n u x 系統(tǒng)的概述。 第二章主要介紹嵌入式平臺的搭建。主要闡述嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程; 嵌入式l i n u x 開發(fā)環(huán)境的建立;為了調(diào)試的方便,系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)( n f s ) 的配置。 第三章主要闡述硬件平臺的搭建。主要介紹了硬件設(shè)備$ 3 c 2 4 1 0 、壓力 脈搏傳感器、網(wǎng)卡、l c d 和觸摸屏。同時闡述了壓力脈搏傳感器、l c d 、觸摸屏 和網(wǎng)卡與核心處理器s 3 c 2 4 1 0 的硬件連接方式。 第四章主要分析了嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)流程。主要包括b o o t l o a d e r 的分 1 2 第一章緒論 析與移植;嵌入式l i n u x 內(nèi)核的裁減與移植;嵌入式l i n u x 設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)與移 植,主要講述了網(wǎng)卡驅(qū)動、l c d 驅(qū)動、a d 和觸摸屏驅(qū)動;應(yīng)用程序的開發(fā),主 要包括對采集的脈搏信號進行的處理、脈搏波的檢測和心血管參數(shù)的計算;嵌入 式文件系統(tǒng)的分析、根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建與移植。 第五章主要介紹了基于q t 的圖形界面開發(fā),包括q t 圖形界面開發(fā)概述、 觸摸屏為q t 庫所支持、q t 在a r m 板上的移植和基于q t 的應(yīng)用程序開發(fā)。 第六章主要分析了系統(tǒng)的運行結(jié)果。 第七章主要對所作的工作進行總結(jié)并提出幾個研究方向。 1 3 基于a r m 的心m 管參數(shù)檢測系統(tǒng)的實現(xiàn) 第二章嵌入式平臺搭建 2 1 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程 在嵌入式在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中,根據(jù)用戶的應(yīng)用需求,首先選擇相應(yīng)的嵌入 式處理器及外圍接口電路來搭建硬件平臺,然后選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng),在 此基礎(chǔ)上進行相應(yīng)的用戶應(yīng)用程序開發(fā),最后是整個系統(tǒng)的調(diào)試運行口1 。系統(tǒng)開 發(fā)流程如圖2 - 1 所示: 圖2 - 1 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程圖 2 2 嵌入式l i n u x 開發(fā)環(huán)境的建立 建立和安裝交叉開發(fā)環(huán)境通常是在開發(fā)嵌入式軟件之前要做的第一件事情。 因為針對嵌入式程序的編譯、連接與通常的l i n u x 程序開發(fā)不同,在嵌入式系統(tǒng) 中,由于其硬件能力所限,不可能再嵌入式系統(tǒng)上安裝編譯器和連接器,然后再 嵌入式系統(tǒng)上編寫代碼、編譯并連接程序。于是就出現(xiàn)了交叉編譯器 1 4 第二章嵌入式甲臺搭建 ( c r o s s - c o m p i l e r ) 。交叉編譯器是指運行在某臺功能足夠強大的宿主機( h o s t ) 上,可用來編譯某個源程序,然后生成針對特定目標平臺( t a r g e t ) 的代碼的編 譯器。除了交叉編譯器,在開發(fā)過程還需要以下幾種工具: 相關(guān)二進制工具( 連接器、歸檔工具、符號剝離器等) 。 針對目標平臺的c 頭文件。不同的目標平局具有自身特有的函數(shù)庫及對應(yīng) 的頭文件,這樣,在宿主機上,我們就需要保留一份針對該目標平臺的頭文件, 以便用來交叉編譯c 程序。 針對目標平臺的c 函數(shù)庫。和頭文件一樣,在宿主機上,我們也要保留一 份針對特定目標平臺的函數(shù)庫,以便連接生產(chǎn)最終的目標程序。 以上這些開發(fā)嵌入式系統(tǒng)軟件所使用的工具通常就被稱為交叉開發(fā)鏈或交 叉開發(fā)環(huán)境。目前,開發(fā)嵌入式l i n u x 系統(tǒng)首選的開發(fā)工具是自由軟件基金組 織f s f ( f r e es o f t w a r ef o u n d a t i o n ) 提供的g n u 開發(fā)上具。g n u 開發(fā)工具已經(jīng)集成到 各l i n u x 發(fā)行版中,它與l i n u x 內(nèi)核一脈相承,作為開發(fā)l i n u x 內(nèi)核及應(yīng)用軟件 的標準開發(fā)工具,因為其效率高、功能強大而被移植到多種平臺之上。 跨平臺的g n u 開發(fā)工具鏈組件包括:二進制工具b i n u t i l s ,編譯器g c c ,c 函數(shù)庫g l i b c 以及l(fā) i n u x 內(nèi)核頭文件。 交叉編譯環(huán)境的建立步驟如下f 8 】f 9 】【1 0 】: 下載源代碼:下載包括b i n u t i l s 、g c c 、g l i b c 以l i n u x 內(nèi)核的源代碼( g l i b c 和內(nèi)核源代碼的版本必須與目標機上實際使用的版本保持一致) ,并設(shè)定s h e l l 變 量p r e f i x 指定可執(zhí)行程序的安裝路徑。 編譯b i n u t i l s 運行c o n f i g u r e 文件,并使用- p r e f i x = $ p r e f i x 參數(shù)指定安裝路徑,使用 t a r g e t = a r m 1 i n u x 參數(shù)指定目標機類型,然后執(zhí)行m a k e i n s t a l l 。 配置l i n u x 內(nèi)核文件 首先執(zhí)行m a k em r p r o p e r 進行清理工作,然后執(zhí)行m a k ec o n f i ga r c h = a r m ( 或m a k em e n u c o n f i g x c o n f i ga r c h = a r m ) 進行配置,這一步需要根據(jù)目標機 的實際情況進行詳細的配置。 配置完成之后,需要將內(nèi)核文件拷貝到安裝目錄: # c p d rin c lu d e a s m a r m $ p r e f i x a r m - l i n u x i n c l u d e a s m 1 5 基于a r m 的心i f l l 管參數(shù)檢測系統(tǒng)的實現(xiàn) # c p d rin cl u d e l i n u x $ p r e f i x 8 1 t 1 1 。l i n u x i n c l u d e l i n u x 第一次編譯g c c 首先運行c o n f i g u r e 文件,使用一p r e f i x = $ p r e f i x 參數(shù)指定安裝路徑,使用 一t a r g e t = a r m 1 i n u x 參數(shù)指定目標機類型,并使用d i s a b l e t h r e m s 、一d i s a b l e s h a r e d 、 一e n a b l e 1 a n g u a g e s = c 參數(shù),然后執(zhí)行m a k ei n s t a l l 。這樣將生產(chǎn)一個最簡單的g e e 。 由于編譯整個g c c 是需要目標機的g l i b c 庫的,它現(xiàn)在還不存在,因此需要首先 生產(chǎn)一個最簡單的g e e ,它只需要具備編譯目標機g l i b c 庫的能力即可。 交叉編譯g l i b c 這個步驟生成的代碼是針對目標機c p u 的,因此它屬于一個交叉編譯過程。 該過程要用到l i n u x 內(nèi)核頭文件,默認路徑為$ p r e f i x a r m 1 i n u x s y s l i n u x ,因 而需要在$ p r e f i x a r m 1 i n u x 中建立一個名為s y s l i n u x 的軟連接,使其指向內(nèi)核 頭文件所在的i n c l u d e 目錄;或者,也可以在接下來要執(zhí)行的c o n

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