活动计数在学龄前儿童体力活动强度诊断中最佳临界值的校准、验证与运用

常振亚 王树明

摘    要：基于錄像观察分析的视角，以儿童体力活动强度等级评价量表为工具校准并验证基于加速度计测量的活动计数在学龄前儿童体力活动强度诊断中的最佳临界值（简称切点），然后采用重复测量方差分析和频数分析等研究8种切点和6种采样间隔时间组合情况下不同强度体力活动的差异及相关推荐量的满足程度。结果：1）SB的切点为0～116次/15 s，LPA的切点为117～551次/15 s、MPA的切点为552～997次/15 s，VPA的切点为≥998 次/15 s;2）SB、MVPA随着体力活动采样间隔时间的增加而减少，相反，LPA和TPA则随着采样间隔时间的增加而增加;3）6种采样间隔时间情况下，本研究切点和李堃切点在SB和TPA上的差异均不显著，其余切点在SB和TPA上均存在显著性差异;4）6种采样间隔时间情况下，8个切点在LPA上均存在显著性差异;5）采用1 s采样间隔时间时，Cauwenberghe切点和Evenson切点的MVPA未见显著性差异，采用60 s采样间隔时间时，ButtleVM切点和Buttle切点的MVPA未见显著性差异，其他采样间隔时间情况下不同切点之间的MVPA均存在显著性差异;6）MVPA推荐量满足情况随着采样间隔时间变长而下降，TPA推荐量满足情况随着采样间隔时间变长而上升。为此，当使用Actigraph加速度计测量中国学龄前儿童的不同强度体力活动时，建议国内学者选择本研究切点和15 s的采样间隔时间。

关键词：学龄前儿童;体力活动强度;活动计数;临界值

中图分类号：G 804.2          学科代码：040302           文献标识码：A

Abstract：From the perspective of video observation and analysis， CARS is used as a tool to calibrate and verify the best cut off value of the activity count based on accelerometer measurement in the preschool children's physical activity intensity diagnosis （referred to as cut point）， then， using repeated measures analysis of variance and frequency analysis to explore the differences of physical activity of different intensities and the satisfaction of related recommended quantities under the conditions of 8 kinds of cut points and 6 kinds of sampling intervals. The results showed that： 1） The cut points of SB， LPA， MPA and VPA were 0-116 counts/15 s， 117-551 counts/15s， 552-997 counts/15 s and≥998 counts/15 s respectively; 2） SB and MVPA decrease with the increase of sampling interval of physical activity. On the contrary， LPA and TPA increase with the increase of sampling interval; 3） Under the six sampling intervals， the difference between the cut point of this study and the Li cut point in SB and TPA was not significant， while the other cut points were significantly different in SB and TPA; 4） Under the six sampling interval conditions， there are significant differences among the eight cutoff points on the LPA; 5） When using the 1s sampling interval， there is no significant difference between the Cauwenberghe cut point and the Evenson cut point on MVPA. When using the 60 s sampling interval， there is no significant difference between the ButtleVM cut point and the Buttle cut point on MVPA. While under other sampling intervals， they all have significant differences on MVPA between different cut points. 6） MVPA recommendation satisfaction decreased with the increase of sampling interval， while TPA recommendation satisfaction increased with the increase of sampling interval. Therefore， when using the ActiGraph accelerometer to measure different intensity physical activities of Chinese preschool children， it is recommended that domestic scholars choose the cut point of this study and the sampling interval of 15 seconds.

1.2  研究工具

1.2.1  三轴加速度计

加速度计由一个或多个压电传感器组成，一个压电传感器由一个压电原件和一个震动体组成[20]。本研究运用三轴加速度计Actigraph GT3X-BT（Pensacola，FL，USA）对学龄前儿童的PA强度进行监测。当前，Actigraph设备已经被超过60个国家的几百所大学和研究机构所采用，主要的实验室包括美国国立卫生研究院、英国儿童健康研究所和瑞典卡罗林斯卡医学院等。

1.2.2  儿童PA强度等级评价量表（CARS）

CARS量表（Childrens Activity Rating Scale，简称“CARS”[21]）由Puhl提出，主要采用直接观察的方式对学龄前儿童的PA强度进行评估，其将学龄前儿童PA分为5个等级，分别为静坐、静坐伴随四肢或躯干活动、低强度体力活动、中等强度体力活动和高强度体力活动。每个体力活动等级均有详细的计分项目和清晰的计分规则，还将不同体力活动强度的等级用心率和摄氧量等进行了校准，使CARS量表的不同体力活动强度等级可以更好地反映运动强度和能量消耗。后来有学者对CARS量表中的计分规则和计分方式进行了适当调整[15]，使CARS量表变得更加完善。CARS量表在基于加速度计的PA强度最佳临界值的校验研究[11，15，18]及其他相关研究中被广泛使用[22]。

1.2.3  佳能单反摄像机和Dartfish运动视频分析软件

由于研究过程对学龄前儿童的体力活动过程要求十分清晰且能够反复观察，因此，本研究需要佳能单反摄像机（vEOS 200D II）和瑞士Dartfish运动视频分析软件（v4.5.2.0）。高清摄像机用于对学龄前儿童的体力活动情况进行录制。Dartfish运动视频分析软件被认为是当今世界上最先进的、应用最广泛的专业运动视频分析系统，曾多次应用于奥运会项目。本研究运用此软件对录制视频进行反复观察，确定相应体力活动类型，以秒或分钟为单位进行视频切割。

1.3  研究流程

首先，对学龄前儿童PA强度最佳临界值进行校准。1）测试前，按15 s采样间隔设置加速度计，录入学龄前儿童的姓名、性别、出生日期、身高和体质量等信息，完成充电工作，并于测试前1 d交给班主任，让班主任给受试儿童提前1 d佩戴，以便受试儿童提前适应加速度计的佩戴;2）测试当天，受试儿童佩戴加速度计按规定时间依次参加本研究指定类型的体力活动（见表2），教师在进行相关活动时要配合课题组成员引导受试幼儿按照本研究的要求进行，尤其是快走和跑步，要明确快走和跑步的动作要领，快走速度控制在4.5～5 km/h，跑步速度控制在6～6.5 km/h;3）使用佳能高清摄像机全程跟踪拍摄受试儿童，且尽量不影响到受试儿童的自然活动状态。

其次，采用类似校准研究的步骤对受试儿童PA强度最佳临界值进行交叉验证，区别在于体力活动类型不同，交叉验证阶段体力活动类型为自由活动（非结构化活动），自由活动的类型和强度没有必须要求，但研究人员应鼓励受试儿童尽可能多地进行不同强度的PA，时间为10 min[11]。

最后，基于最佳临界值对360名学龄前儿童的体力活动水平进行测量，从2018年4月开始测试，2018年12月测试结束，前后历时8个月。主要包括以下3个步骤。

1）测试前。①走访并向幼儿园园长介绍本项目争取合作;幼儿园园长同意后对合作幼儿园的教师进行培训，介绍本研究项目的内容、测试流程和注意事项等。②召开家长会，向家长介绍本项目的内容，进而与家长签订《家长知情同意书》，并发放《加速度计使用说明》等相关资料。

2）测试中。①学龄前儿童在一周内连续7 d（5个工作日和2个周末）佩戴加速度計，期间除洗澡、游泳、睡觉外其他时间均要求佩戴。②测试过程中反复提醒家长在离园后，尤其是周末给孩子佩戴加速度计。

3）测试后。对测量数据不符合要求或者有缺失的部分要求受试者及时进行补测。

1.4  数据分析

1.4.1  PA强度临界值的校准分析

首先，采用“Dartfish”运动视频分析软件确认学龄前儿童的运动状态，去除不符合要求的活动录像片段，同时详细记录该片段的前后时间，并具体到秒。其次，使用加速度计专用分析软件“Actilife 6.13.3”提取相应时段的PA强度数据。数据提取的标准是，同一活动状态下的佩戴时长至少1 min，采样间隔为15 s [11，14-18]，未佩戴的时间计算方式为Choi算法[7，23]。再次，按照不同类型体力活动对各个强度体力活动进行编码。计算SB和LPA的最佳临界值时，将SB编码为1，LPA、MPA和VPA一律编码为0;计算LPA和MPA的最佳临界值时，将SB和LPA均编码为1，将MPA和VPA都编码为0;确定MPA和VPA的最佳临界值时，将SB、LPA和MPA均编码为1，将VPA编码为0。最后，利用“Medcalc17.8.5”软件中ROC曲线对加速度计测量的受试儿童PA相应时段的活动计数（activity count）和对不同类型体力活动各强度编码进行分析，校准活动计数在受试儿童PA强度诊断中的最佳临界值。

1.4.2  PA强度临界值的交叉验证分析

首先，按照CARS量表的计分规则对自由活动中受试儿童的PA强度进行评估。每15 s计算一次受试的PA等级，称为15 s间隔活动等级。其次，将15 s间隔活动等级对照CARS等级转换规则进行转换，转换为与加速度计监测相对应的活动等级。具体来说分为SB（1-2）、LPA（2.1-3）、MPA（3.1-4）和VPA（4.1-5），如表3所示。强度等级SB和VPA在转换等级中次数为0，所以等级比例均为0%;LPA有3次即占3/4，所以等级比例为75%;MPA有1次即占1/4，所以等级比例为25%。最后，将加速度计监测到的强度等级比例和CARS评估的强度等级比例一致性进行卡方检验，并计算Kappa系数，以验证建立切点的有效性。

1.4.3  PA强度临界值的适用性分析

首先，提取360名学龄前儿童的PA监测数据。提取的标准是，采样间隔15 s[11，14-18]，每周佩戴时长至少3 d（工作日2 d+周末1 d），每天至少480 min，未佩戴的时间计算方式同样为Choi算法[7，23]。其次，将适用性研究中被试的有效PA强度数据在Antilife 6.13.3中进行转换，转换为1 s、5 s、10 s、15 s、30 s和60 s的数据集。再次，采用重复测量方差分析探究8种切点、6种采样间隔（48种组合）条件下SB、LPA、MVPA和TPA的差异情况。最后，采用频数分析探究48种组合条件下受试儿童的体力活动推荐量的满足程度。

2   研究结果

2.1  不同PA强度水平的最佳临界值校准

受试儿童SB、LPA、MPA和VPA的最佳临界值分别是0～116次/15 s、117～551次/15 s、552～997次/15 s、≥998次/15 s。使用ROC曲线分析在不同体力活动强度水平上的灵敏度分别为91.28%、88.08%和91.39%，特异度分别为89.16%、87.16%和98.01%（见表4）。

2.2  不同PA强度水平的最佳临界值验证

依次从60名学龄前儿童的自由活动中截取了4～5 min的视频，这样就形成了119个1 min样本，476个epoch（15 s）。卡方检验显示，2位PA领域专家计分等级一致性具有统计学意义（p<0.001），K=0.873（见表5），在此基础上对有争议的计分点对照视频进行确认，形成一致的专家评估等级。卡方检验显示，专家等级评估与加速度计等级评估一致性同样具有统计学意义（p<0.001），K=0.410（见表6）。

2.3  不同切点与不同采样间隔时间情况下5～6岁受试儿童的体力活动测评情况

采樣间隔时间变化时，SB除Cauwenberghe切点和Sirard切点外，其他切点均随着采样间隔时间的增加而显著下降;MVPA除Pate切点外，其他切点均随着采样间隔时间增加而显著下降;LPA除Cauwenberghe 和Sirard切点外，其他切点均随着采样间隔时间增加而显著上升;TPA除Cauwenberghe切点和Sirard切点外，其他切点均随着采样间隔时间的增加而显著上升（见表7）。

6种采样间隔时间情况下，本研究切点和李堃切点在SB和TPA上的差异均不显著，其余切点在SB和TPA上均存在显著性差异;6种采样间隔时间情况下，8个切点在LPA上均存在显著性差异。采用1 s采样间隔时间时，Cauwenberghe切点和Evenson切点的MVPA未见显著性差异;采用60 s采样间隔时间时，ButtleVM切点和Buttle切点的MVPA未见显著性差异，其他情况下不同切点之间的MVPA均存在显著性差异（见表7）。

2.4  不同切点与不同采样间隔时间情况下5～6岁受试儿童体力活动的推荐量满足情况

MVPA推荐量满足情况随着采样间隔时间变长而下降，但李堃切点和Sirard切点由于测量数据过低，变化幅度较小;TPA推荐量满足情况随着采样间隔时间变长而上升，但Cauwenberghe切点和Sirard切点由于测量数据过低，变化幅度较小，ButtleVM切点测量数据则由于测量数据过高，变化幅度同样较小（见表8）。

2.5  不同切点与不同采样间隔时间情况下3～4岁受试儿童PA的推荐量满足情况

基于Antigraph加速度计佩戴腰部时适用于3～4岁受试儿童的切点有5个（见表9）。MVPA满足量随采样间隔时间变长而降低，TPA则随采样间隔时间变长而提高。MVPA满足量由高到低依次为ButtleVM切点、Pate切点、Buttle切点、本研究切点和Siard切点。TPA满足量由高到低依次为ButtleVM切点、Buttle切点、本研究切点、Pate切点和Siard切点。

3   讨论

3.1  本研究切点的有效性

本研究SB和LPA的最佳临界值与国内李堃的切点相同，但高于Buttle切点（60 次/15 s）和Everson切点（26次/15 s），低于本研究罗列的其他切点。本研究中的LPA和MPA的最佳临界值低于李堃的切点（781 次/15 s）、ButtleVM切点（977 次/15 s）、Cauwenberghe切点（585 次/15 s）、Everson切点（574  次/15  s）和siard切点（891 次/15 s），但高于Buttle切点（530 次/15 s）和Pate切点（420 次/15 s）。本研究MPA和VPA的最佳临界值高于Pate切点（842 次/15 s）和Cauwenberghe切点（881 次/15 s），但低于Siard切点（1 255 次/15 s）、Everson切点（1 003 次/15 s）、ButtleVM切点（1 528 次/15 s）、Buttle切点（1 112.5 次/15 s）和李堃的切点（1 006 次/15 s）。

不同学者建立的最佳临界值存在差异，主要原因有2点。第一，校准工具的差异。当前，学龄前儿童体力活动的切点建立主要有3种方式。一是以CARS量表为校验工具得出切点，例如：Cauwenberghe切点和Sirard切点。二是以VO2（便携式代谢测量系统）为校验工具得出切点，例如：Pate切点和Everson切点。三是综合运用2个及2个以上工具进行校验得出切点，例如：李堃切点和Butte切点，李堃综合运用了CARS和心率带建立了国内5～6岁儿童的体力活动切点，而Buttle则综合运用了心率加速度计、双标水和室内量热器材建立了3～5岁儿童体力活动切点。以上3种方式各有其优劣势，本研究运用儿童PA强度等级评价量表作为校标工具，是因为CARS量表在评价儿童PA中有广泛的使用率，成为一种被认可的PA测评工具。虽然该量表作为加速度计校标工具只是常见的方法之一，严谨性不及能量代谢法，但量表作为校验工具生态效度较高，且易于在实践中推广和应用。第二，校准体力活动的差异。学前阶段，多数研究均是采用严格控制体力活动类型和体力活动速度来校准切点，例如，Siard切点的校准活动为“坐（肢体不动/动）、慢走（3.2±0.6 mph）、快走（4.3±0.6 mph）和慢跑（6.9±3.9 mph）”;再如，Pate切点的校准体力活动为“坐、慢走（2 mph）、快走（3 mph）和慢跑（4 mph）”。以上研究所采用的校准体力活动均存在速度控制的问题，虽然研究者尽力控制了学龄前儿童的活动速度，但由于学龄前儿童自身条件的限制，控制效果往往不理想。后来，学者开始采用跑台来精准控制学龄前儿童的速度，然而跑台毕竟属于人为创设的运动环境，不太符合儿童日常实际的运动情境。因此，本研究将校准活动自然地融入学龄前儿童一日的日常生活中，虽然在中高强度类型体力活动中本研究和已往研究一样尽量控制学龄前儿童的活动速度，但毕竟控制力较弱，实际上很难精准控制学龄前儿童的活动速度，所以对照录像确认学龄前儿童的活动速度和体力活动状态，能更精确地评估学龄前儿童不同强度的体力活动。本研究切点的交叉验证结果也表明，录像观察分析视角下，基于CARS评估的自由体力活动强度等级与加速度计测量的体力活动强度等级具有中等强度的一致性。

3.2  切点对PA数据采集的影响

不同校验工具得出的PA切点存在差异，进而会导致对学龄前儿童PA水平的判断出现偏差。以CARS为校验工具得出的切点评估的PA水平易出现“地板效应”，例如，Cauwenberghe切点和Sirard切点得出的LPA和TPA与其他切点之间相差甚远（见表7），且会发生LPA小于MVPA的现象，与目前公认的学龄前儿童以LPA为主的体力活动特点截然相反。李堃切点虽然综合了心率测量校准，但是和Sirard切点测量的MVPA水平结果相近，与其他切点测量的MVPA结果相比，PA推荐量满足程度相去甚远（见表8和表9）。本研究切点虽然与以VO2为校验工具建立的切点及综合手段建立的切点具有一定的相近性，但与这些切点测量的不同强度PA依然存在诸多差异。目前尚未发现完全不存在显著性差异的切点，因此，学者未来以加速度计评估学龄前儿童PA水平时，一定要阐述选用的切点，否则很难厘清学龄前儿童真实的PA水平。

另外，到目前为止，虽然诸多学者在研究中运用了三轴加速度计，但依然更加依赖并使用垂直轴为基础的PA切点，上述8个切点中仅Buttle等建立了三轴综合的矢量切点，从结果来看，利用三轴综合切点进行测量的SB明显更少，PA量也明显高于其他切点。

3.3  采样间隔时间对PA数据采集的影响

Obeid等[24]认为，与3 s采样间隔时间相比，15 s、30 s、60 s分别作为采样间隔时间的情况下MVPA依次减少了2.9 min、9.0 min和16.7 min。Vale等[25]研究认为，5 s的采样间隔时间测量的MVPA比60 s多17 min。Colley等[26]则在这一研究的基础上发现，相比60 s、15 s的采样间隔时间可以捕获更多的MVPA，平均高64.9  min，然而测量的TPA较少，也就是说测量的LPA大大减少。

本研究纳入常见的学龄前儿童PA切点及采样间隔时间，更加系统地揭示了不同采样间隔时间情况下PA和SB之间的关联。总体来看，SB、MVPA随着PA采样间隔时间的增加而减少，相反，LPA和TPA则随着采样间隔时间的增加而增加，该结果与国外已有研究结果一致，但本研究呈现了我国受试学龄前儿童基于加速度计测量的PA水平在不同采样间隔时间情况下的具体差异情况（见表7），这些差异信息可以为我国其他学者开展相关研究选择合理的采样间隔时间提供参考。

当前，学龄前儿童PA的特点已得到公认，“以LPA为主，中间夹杂MVPA”。由此推论，随着采样间隔时间的增加，会更容易造成MVPA测量效能的下降。从本研究结果来看，不仅MVPA，SB同样也随着PA采样间隔时间增加而减少，其原因可能是受试儿童SB虽然较长，但却呈现零星分布的特点。此外，由于學龄前儿童以LPA为主，在评估PA时，随着采样间隔时间的增长，观测到LPA的概率相对也会更高，以此来推断的LPA水平也势必会增加，而LPA增加，会导致TPA的增加，虽然MVPA增加也可以导致TPA的增加，但相比LPA的增加量，MVPA对TPA的增加量作用较小，因此，TPA和LPA均呈现出“随着采样间隔时间增长而增大”的特点。

当前，研究者更加倾向于使用较短的采样间隔时间对学龄前儿童的PA进行测量，主要是基于MVPA对健康的效益基本已得到公认，以更短的采样间隔时间可以发现更多的MVPA。

3.4  国内学龄前儿童体力活动测评中的切点和采样间隔时间选择的思考

3.4.1  对于切点选择的思考

较多国内研究选用Pate切点作为学龄前儿童PA强度的最佳临界值。赵星 等选择Pate切点的理由是，Pate切点将加速度计测量的活动计数值与耗氧量进行关联，校验工具更加客观科学[27];赵广高等在其相关研究中同样选用了Pate切点，其理由是Pate切点在世界范围内使用次数最多，但其对Pate的切点进行了更改，SB与LPA的分界值选用了Treuth切点和Evenson切点的SB与LPA分界值（100 次/60 s），而放弃了Pate切点原本的799 次/60 s[7，20，23，28]，可能是发现了单独采用Pate切点时LPA数据或TPA数据的明显异常，与公认的学龄前儿童PA特点不符。具体来说，利用Pate切点分析国内学龄前儿童时，LPA小于或略高于MVPA，不符合国际公认的学龄前儿童PA以LPA为主的体力活动特点，由此导致TPA推荐量满足情况也很差。此外，采用2个切点融合的方式进行研究在国际研究中并不常见，且缺乏依据。路飞扬在研究中同样采用了Pate切点，研究结果表明，南京体育学院附属幼儿园学龄前受试儿童日均MVPA为54.4 min，LPA为54.2 min，MVPA大于LPA，显然不符合学龄前儿童PA的特点[29]。

也有国内学者在研究中使用了其他切点，例如，徐风娅选用Buttle切点对学龄前儿童PA进行研究[30]。此外，还有国内学者虽然使用加速度计对学龄前儿童PA特征进行研究，但没有具体说明研究所选用的切点[31]。可见，国内学者基于加速度计对学龄前儿童PA进行研究时，在切点选择上并不一致。由此，在已有学者研究的基础上，从实用主义角度出发，对这些切点在国内的适用性进行探究，可以更好地推动以加速度计为测评工具的学龄前儿童PA相关研究的开展。

3.4.2  对于采样间隔时间的思考

基于加速度计的学龄前儿童PA采样间隔时间对测评结果的影响，国内较多学者还没有意识到，在相关研究中虽然使用了加速度计，但却没有阐明采样间隔时间[29-31]。赵星 等认为Pate等[17]的研究将Actigraph加速度计所得计数值与耗氧量进行关联，得出了15 s采样间隔时间情况下不同体力活动强度级别对应的计数值，因此，其本人的研究也应该选择15 s的采样间隔时间[27]。然而，赵广高 等在学龄前儿童PA相关研究中却均使用了1 s的采样间隔时间，认为1 s采样间隔时间是学龄前儿童PA研究中使用较多的、较为合理的数值对参数赋值[7，20，23，28]。同样，王玉龙也表明较短的数据采样间隔时间可以更好地捕捉学龄前儿童经常发生的短促的间歇性的PA，但其最终选用的采样间隔为时间5 s [32]。由此可见，国内目前对于学龄前儿童PA的采样间隔时间并没有达成共识，由此导致的结果是诸多研究结果之间很难进行直接比较。本研究系统梳理了不同采样间隔时间对学龄前儿童的影响差异，有利于推动国内学龄前儿童PA研究的进一步开展。

由本研究结果可知，1 s的采样间隔时间相比其他采样间隔时间，只是最大化地测量了学龄前儿童的MVPA水平，但却严重低估了学龄前儿童的TPA水平，实质是低估了LPA水平，由此分析PA对学龄前儿童身心健康的效益，往往只能发现MVPA的效益，而相对低估LPA的健康效益。同理，对于SB来说，相对被高估了，由此导致了关于学龄前儿童SB水平过高的系列研究，其原因可能是由于采用较短的采样间隔时间导致的。

采样间隔时间的选择应立足于“测准”，并非基于研究者的研究内容和目的。以此为据，既然目前基于加速度计的学龄前儿童PA切点均是在15 s的采样间隔时间基础上建立的，那么研究者在运用时也应选择与切点建立时相同的采样间隔时间，即15 s，以保证测量结果的准确性，也便于不同研究之间进行比较。

3.5  本文研究结果对于3～4岁儿童的适用性

已往不同切点之间进行比较时往往忽略了切点建立时的适用年龄范围[13，25-26]，本研究则弥补了这一缺憾。首先，以适用于5～6岁儿童切点为基础探讨了其在国内的适用性。然而5～6岁儿童的研究结果不一定适用于3～4岁儿童。对于3～4岁儿童来说，主要有5个切点，分别为Pate切点、Siard切点、Buttle切点和ButtleVM切点和本研究切点。但本研究发现3～4岁和5～6岁儿童的体力活动强度在不同切点和采样间隔时间情况下的变化规律基本相同，因此，在文中未加以呈现。对比表8和表9可知，3～4岁儿童体力活动推荐量满足情况变化规律与5～6岁儿童也基本相同。

4   结论

不同采样间隔时间和切点均会显著影响基于Antigraph加速度计的学龄前儿童PA的测量，当使用Actigraph加速度计测量中国学龄前儿童的不同强度PA时，建议使用的采样间隔时间为15 s，建议使用的切点依次为0～116次/15 s、117～551 次/15 s、552～997 次/15 s、≥998 次/15 s。

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