高 低 衝 擊 階 梯 有 氧 之 下 肢 生 物 力 學 分 析 研 究 生 : 謝 秀 美 指 導 教 授 : 王 苓 華 共 同 指 導 教 授 : 吳 鴻 文 2008.12.12
大 綱 1 序 論 2 文 獻 探 討 3 研 究 方 法 和 步 驟
1. 序 論 研 究 背 景 研 究 目 的 研 究 假 定 研 究 假 設 操 作 性 定 義 研 究 限 制 研 究 重 要 性
研 究 背 景 有 氧 舞 蹈 於 1969 年 由 Jacki Sorenson 發 明 Legwold,1982 加 上 音 樂 舞 蹈 動 作 及 多 種 組 合 的 有 氧 運 動, 適 合 不 同 年 齡 層 課 程 有 趣 豐 富, 並 可 增 進 心 肺 功 能, 更 具 有 心 理 層 面 的 效 益 Rockefeller & Burke, 1979 有 氧 舞 蹈 的 益 處 提 升 心 肺 循 環 系 統 增 加 肌 肉 骨 骼 適 能 降 低 膽 固 醇 減 低 壓 力 和 緊 張 對 於 老 年 女 性 改 善 平 衡 增 加 協 調 和 靈 敏 性 減 少 跌 倒 風 險 Egger & Champion, 1992; Cullum,& Mowbray, 1992 Shigematsu & Chang, et.al, 2002
研 究 背 景 有 氧 舞 蹈 課 程 (30-60 分 鐘 ) 暖 身 主 運 動 ( 心 肺 訓 練 ) 肌 力 和 柔 軟 度 訓 練 緩 和 高 低 衝 有 氧 階 梯 有 氧 拳 擊 有 氧 拉 丁 有 氧 爵 士 有 氧 瑜 階 梯 音 樂 節 奏 : 暖 身 緩 和 (130BPM ) 主 運 動 (130-160BPM) 低 衝 擊 vs 高 衝 擊 低 衝 擊 有 氧 動 作 過 程 中 至 少 有 一 隻 腳 在 地 上 高 衝 擊 有 氧 有 雙 腳 同 時 離 地 的 騰 空 時 期
研 究 背 景 有 氧 舞 蹈 如 同 其 他 舞 蹈 類 的 運 動 傷 害 的 比 例 也 很 高 James & Garrick, 1985; Lew, Schon, Steven & Weinfeld, 1996 過 去 更 多 的 研 究 調 查 有 氧 舞 蹈 的 傷 害, 大 多 以 下 肢 為 主, 而 且 也 是 以 過 度 使 用 的 傷 害 發 生 率 最 高 Richie, Kelso & Bellucci, 1985; Vetter, Helfet, Sear & Matthews, 1985; Mutoh, Sawai, Takanashi & Skurko, 1988; Francis, Francis & Welshons-Smith, 1985) 過 去 的 研 究 認 為 造 成 有 氧 舞 蹈 受 傷 的 原 因 跟 高 強 度 高 衝 擊 及 長 時 間 運 動 有 關 Francis et al., 1985 確 切 的 何 種 原 因? 以 生 物 力 學 的 觀 點 加 以 探 討
研 究 目 的 有 氧 舞 蹈 是 非 常 盛 行 的 有 氧 運 動 之 一, 但 是 造 成 的 下 肢 傷 害 頻 率 也 很 高, 所 以 為 了 瞭 解 造 成 有 氧 舞 蹈 下 肢 傷 害 的 原 因 機 轉, 本 研 究 的 目 的 分 成 兩 個 部 分 : 一 評 估 階 梯 有 氧 四 種 基 本 動 作 ( 後 勾 踏 踢 曼 波 L 字 步 ) 對 於 下 肢 關 節 力 量 的 影 響 二 探 討 階 梯 有 氧 採 行 不 同 衝 擊 程 度, 對 於 下 肢 關 節 受 力 的 影 響
研 究 假 設 本 研 究 對 於 階 梯 有 氧 在 不 同 衝 擊 強 度 及 動 作 方 面 之 下 肢 生 物 力 學 參 數 作 出 以 下 假 設 : 一 一 H 0 虛 無 假 說 : 高 衝 擊 階 梯 有 氧 的 下 肢 關 節 負 荷 等 於 低 衝 擊 階 梯 有 氧 H 1 對 立 假 說 : 高 衝 擊 階 梯 有 氧 的 下 肢 關 節 負 荷 大 於 低 衝 擊 階 梯 有 氧 二 H 0 虛 無 假 說 : 四 種 不 同 動 作 所 得 到 的 關 節 負 荷 結 果 是 一 樣 H 1 對 立 假 說 : 四 種 不 同 動 作 所 得 到 的 關 節 負 荷 結 果 有 明 顯 不 一 樣
操 作 性 定 義 一 低 衝 擊 : 在 動 作 過 程 中 至 少 有 一 隻 腳 在 地 上, 例 如 踏 倂 步 (Step touch) V 字 步 (V step) 等 二 高 衝 擊 : 在 動 作 的 過 程 中, 有 雙 腳 同 時 離 地 的 騰 空 時 期 (Flight phases), 例 如 跳 躍 (Jumping) 單 腳 (Hopping) 或 雙 腳 的 開 合 跳 (Jumping jack) 等
三 後 勾 動 作 四 踏 踢 動 作 預 備 動 作 4 2 1 3 預 備 動 作 4 1 2 3
五 曼 波 動 作 預 備 動 作 1 2 5 6 7 3 4 8 5 預 備 動 作 1 4 2 5 3 8 6 7
六 L 字 步 預 備 動 作 1 2 3 4 5 6 7 8
研 究 限 制 避 免 使 用 不 同 階 梯 而 造 成 實 驗 差 異, 本 研 究 採 用 的 階 梯 是 有 氧 課 程 最 常 使 用 規 格, 而 且 此 彈 性 材 質 較 能 吸 收 能 量 減 少 下 肢 的 衝 擊, 但 是 使 用 階 梯 從 力 板 所 獲 得 的 地 面 反 作 用 力 參 數 不 能 代 表 實 際 踩 在 力 板 上 所 獲 得 的 數 據, 所 以 使 用 特 定 的 階 梯 為 此 研 究 一 項 限 制 另 外 避 免 個 體 間 穿 鞋 的 不 同 造 成 量 測 出 來 的 參 數 有 誤 差, 所 以 統 一 使 用 同 一 款 式 有 氧 舞 蹈 鞋, 此 為 另 一 項 研 究 的 限 制
研 究 重 要 性 比 較 階 梯 有 氧 舞 蹈 在 不 同 衝 擊 強 度 和 動 作 在 下 肢 的 生 物 力 學 特 性, 其 目 的 在 於 找 出 造 成 下 肢 傷 害 的 影 響 機 轉, 其 結 果 對 於 預 防 下 肢 之 運 動 傷 害 很 有 幫 助 間 接 了 解 有 舞 蹈 課 程 裡 為 了 達 到 訓 練 心 肺 適 能 的 效 果, 利 用 增 加 衝 擊 來 成 目 的 方 面 是 否 會 造 成 另 一 種 傷 害 的 造 成 是 否 有 特 定 動 作 在 初 學 者 階 梯 有 氧 的 課 程 設 計 上 必 須 考 量 或 避 免 的, 藉 此 對 於 運 動 課 程 的 設 計 提 供 建 議
2. 文 獻 探 討 有 氧 舞 蹈 常 見 傷 害 一 般 有 氧 舞 蹈 的 生 物 力 學 研 究 階 梯 有 氧 的 生 物 力 學 研 究 文 獻 總 結
有 氧 舞 蹈 常 見 傷 害 最 常 發 生 傷 害 的 部 位 膝 蓋 以 下 ( 約 60-80%)- 膝 蓋 脛 骨 腳 踝 和 足 部 下 背 (7-13%) 最 主 要 為 下 肢 Richie, et al., 1985; Vetter, et al., 1985; Mutoh, et al., 1988; Lorna, et al., 1985 傷 害 類 型 - 過 度 使 用 傷 害 (80%) 脛 骨 疼 痛 原 因 包 括 骨 膜 炎 (Periostitis) 應 力 性 骨 折 或 是 肌 肉 的 慢 性 間 隔 症 候 群 (Chronic compartment syndrome) 臏 骨 周 邊 疼 痛 (Peripatellar pain) 足 部 應 力 性 骨 折 或 足 底 筋 膜 炎 (Plantar fasciitis) 腳 踝 扭 傷 du Toit, 2001; Belt, 1990
有 氧 舞 蹈 常 見 傷 害 強 度 和 傷 害 的 關 係 低 衝 擊 < 跑 步 < 高 衝 擊 Harnischfeger et al., 1988 運 動 時 間 頻 率 和 傷 害 的 關 係 教 練 (60-76%) > 學 生 (23-49%) 高 運 動 頻 率 ( 過 度 使 用 ) > 低 運 動 頻 率 ( 不 適 當 技 巧 ) Rothenberger et al.,1988; et al. 8.8282 月 >4.16 月 Richie et al., 1985 和 經 驗 無 關 Mutoh et al.,1988
有 氧 舞 蹈 常 見 傷 害 有 氧 舞 蹈 加 入 跑 步 或 跳 躍 動 作 (3BW) 被 認 為 是 造 成 傷 害 的 原 因 有 氧 舞 蹈 傷 害 包 含 舞 蹈 和 跑 步 的 傷 害 在 跑 步 時, 力 學 上 的 應 力 被 腳 跟 吸 收 有 氧 舞 蹈 方 面 則 是 前 腳 掌 部 份 吸 收 負 荷 此 種 承 受 負 荷 大 於 跑 步 du Toit et al., 2001 即 使 低 衝 擊 有 氧 課 程 授 課 頻 率 較 高 還 是 出 現 下 肢 傷 害 ( 不 管 是 類 型 或 強 度 ) du Toit et al., 2001
有 氧 舞 蹈 常 見 傷 害 造 成 傷 害 的 原 因 地 面 地 板 鞋 子 肌 力 不 足 柔 軟 度 不 佳 暖 身 不 足 或 伸 展 使 用 彈 震 式 課 程 進 度 太 快 運 動 環 境 和 器 材 忽 視 傷 害 身 體 結 構 ( 足 部 型 態 ) Rothenberger et al (1988); Francis et al(1985)
一 般 有 氧 舞 蹈 的 生 物 力 學 研 究 (1/8) 高 衝 (HI) vs. 低 衝 (LI) 負 荷 率 (Loading rate) 和 衝 擊 力 (peak impact force) Ricard & Veatch, 1990
一 般 有 氧 舞 蹈 的 生 物 力 學 研 究 (2/8) 最 大 衝 力 被 動 衝 量 (BW.s) 最 大 負 荷 率 (BW/s ) 達 到 最 大 負 荷 速 率 的 時 間 低 衝 擊 比 較 長 被 動 衝 量 50 毫 秒 內 的 衝 量 * 肌 肉 神 經 系 統 反 應 時 間 50-70 毫 秒 Jones & Watt, 1971; Nigg, 1985
一 般 有 氧 舞 蹈 的 生 物 力 學 研 究 (3/8) 垂 直 地 面 反 作 用 力 有 氧 舞 蹈 vs. 跑 步 跑 步 速 度 : 2.4, 24 2.8, 28 3.2, 32 3.6 36 & 4.0 40 m/s 跳 躍 高 度 :0, 2, 4, 6 & 8 cm 高 衝 擊 有 氧 舞 蹈 : 最 大 衝 力 大 於 跑 步 跑 步 : 達 到 最 大 衝 力 時 間 比 較 短 而 衝 量 也 較 大 有 氧 舞 蹈 所 造 成 的 壓 力 會 比 跑 步 少 Ricard & Veatch, 1994
一 般 有 氧 舞 蹈 的 生 物 力 學 研 究 (4/8) 測 試 不 同 動 作 的 地 面 反 作 用 力 ( 垂 直 和 側 向 ) 垂 直 的 地 面 反 作 用 力 HI>LI HI vs. LI ( 側 向 ) The maximal lateral active peak force HI 開 合 跳 LI 後 勾 & 麻 花 步 都 大 於 跑 步 側 邊 的 剪 力 或 許 是 造 成 傷 害 的 重 要 原 因 LI 造 成 的 垂 直 負 荷 會 較 但 卻 在 側 邊 的 剪 力 所 造 成 的 下 肢 傷 害 卻 無 特 別 指 出 LI 會 比 較 小 Michaud, et al.,1993
一 般 有 氧 舞 蹈 的 生 物 力 學 研 究 (5/8) 比 較 性 別 垂 直 和 側 向 的 地 面 反 作 用 力 LI 身 高 右 腳 體 有 重 較 大 腿 的 長 垂 有 直 大 力 的 轉 動 慣 量 較 長 的 步 伐 左 腳 有 產 較 生 大 較 的 大 側 的 側 向 向 力 力 量 Cavanagh & Cram,1989 HI ( 雙 腳 ) 垂 直 力 : > 側 向 力 : > Rousanoglou & Boudolos, 2005
一 般 有 氧 舞 蹈 的 生 物 力 學 研 究 (6/8) 在 HI 垂 直 的 作 用 力 有 顯 著 大 於 LI 但 側 向 卻 無 在 HI, 方 面 不 管 是 垂 直 或 側 向 力 的 時 間 參 數 都 比 較 短 Rousanoglou & Boudolos, 2005
一 般 有 氧 舞 蹈 的 生 物 力 學 研 究 (7/8) 和 舞 蹈 相 關 的 研 究 另 一 項 和 下 肢 關 節 力 量 相 關 的 研 究, 針 對 跳 舞 之 跨 跳 動 作 的 距 離, 和 著 地 時 踝 關 節 與 膝 關 節 受 力 的 影 響 分 別 從 軸 向 力 (axial force) 和 側 向 力 (shear force) 進 行 探 討 請 六 名 女 性 舞 者 進 行 施 測, 利 用 力 板 和 高 速 攝 影 機, 以 逆 向 動 力 學 獲 得 數 據 採 取 側 向 跨 跳 動 作, 跨 跳 距 離 分 別 為 最 大 跳 躍 距 離 的 30 % 60 % 和 90 % 軸 向 受 力 : 距 離 膝 蓋 和 踝 關 節 關 節 力 量 股 四 頭 肌 峰 值 和 負 荷 頻 率 側 向 受 力 / 剪 力 : 距 離 膝 和 踝 關 節 力 量 及 股 四 頭 肌 鋒 值 Simpson & Kanter, 1997; Simpson & Pettit, 1997 關 節 軟 骨 退 化 是 受 到 側 向 力 / 剪 力 和 軸 向 力 的 負 荷, 尤 其 是 過 度 的 關 節 力 量 大 小 和 關 節 的 負 荷 頻 率 Anderson, Brown, Yang & Radin, 1990
最 大 被 動 衝 力 (PPIF:Passive peak impact force 在 ;50 毫 秒 內 產 生 ) 最 大 衝 力 (PIF; Peak impact force)
階 梯 有 氧 的 生 物 力 學 研 究 (1/5) LI > 50 毫 秒 有 足 夠 的 時 間 藉 由 髖 膝 和 踝 關 節 的 彎 曲 去 吸 震 被 動 衝 量 : LI 被 動 衝 量 軟 組 織 傷 害 王 思 宜 黃 長 福,2002
階 梯 有 氧 的 生 物 力 學 研 究 (2/5) 關 節 貢 獻 角 度 LI: 髖 總 關 功 節 HI: 踝 關 節 髖 關 節 階 梯 高 度 在 推 蹬 期 : 髖, 膝 和 踝 的 關 節 角 度 階 梯 有 氧 & 一 般 高 衝 有 氧 < 一 般 低 衝 有 氧 LI 髖 關 節 (52%) 階 梯 有 氧 和 高 衝 有 氧 需 要 較 大 的 彈 性 位 能 著 地 期 : HI 踝 關 節 (45%) 髖 關 節 角 度 無 差 異 膝 和 踝 關 節 角 度 高 衝 擊 和 階 梯 > 低 衝 HI 和 階 梯 有 氧 >LI 3.7 倍 HI 和 階 梯 有 氧 需 要 更 多 的 能 量 Step 10cm 20cm : 髖 關 節 31% 36% 36% 王 思 宜 黃 長 福,2002
階 梯 有 氧 的 生 物 力 學 研 究 (3/5) 向 前 下 階 向 後 下 階 & 分 腿 下 階 高 度 (4 8 英 吋 ) 音 樂 節 拍 : 125, 136 & 142 BPM 節 奏 & 高 度, 最 大 衝 力 和 最 大 負 荷 率 節 奏 腿 後 肌 EMG 高 度 EMG EMG: 教 練 > 學 生 教 練 組 有 較 佳 的 肌 肉 活 動 以 吸 收 地 面 對 人 體 的 衝 擊 高 度 四 英 吋 時, 改 變 過 階 方 向 可 能 是 安 全 的, 高 度 八 英 吋 時, 下 階 為 較 適 宜 的 方 式, 向 前 踩 階 為 危 險 方 向 運 動 頻 率 不 宜 超 125BPM; 高 度 增 加 時, 不 宜 再 增 加 運 動 頻 率 或 變 換 方 向 曾 玉 寬,2001
階 梯 有 氧 的 生 物 力 學 研 究 (4/5) 採 取 高 衝 擊 和 低 衝 擊 階 梯 有 氧 的 抬 膝 弓 箭 步 轉 步 和 過 階 關 節 力 量 : 高 低 衝 擊 有 氧 舞 蹈 比 爬 樓 梯 高 出 2-3 倍 關 節 力 矩 : 高 衝 擊 有 氧 比 爬 樓 梯 高 出 10 倍 之 多 高 衝 擊 的 最 大 關 節 力 量 和 力 矩 高 出 低 衝 擊 有 氧 兩 倍 之 多 高 衝 擊 有 氧 比 低 衝 擊 有 氧 容 易 造 成 傷 害 有 關, 因 為 很 多 運 動 傷 害 是 跟 太 大 的 關 節 受 力 所 造 成 過 階 動 作 造 成 的 負 荷 大 於 其 他 動 作 Hsu, et al., 2007
階 梯 有 氧 的 生 物 力 學 研 究 (5/5)
文 獻 總 結 垂 直 地 面 反 作 用 力 (BW) 走 路 : 跑 步 : 衝 刺 (45/ ) (4.5m/s ) : 0.5-1.25 1.3-2.5 3-3.6 LI :1-1.5 HI: 2-2 2.7 階 梯 (10-20cm):1 20cm):1.8-2 最 大 作 用 力 : HI > 階 梯 >LI, HI > 跑 步 達 到 最 大 作 用 力 的 時 間 ( 毫 秒 /ms) LI:99-276ms HI:59-106ms 跑 步 :30-40ms 有 氧 舞 蹈 ( 一 般 & 階 梯 ) 達 到 最 大 作 用 力 的 時 間 超 過 50ms 有 足 夠 的 時 間 讓 下 肢 吸 收 地 面 造 成 的 衝 擊 側 向 地 面 反 作 用 力 (BW) 衝 刺 (0.8)>HI (0.36) 和 LI(0.45) > 走 路 (0.2) HI 開 合 跳 > 跑 步 LI 後 勾 和 麻 花 > 跑 步 HI vs. LI 依 動 作 而 定 跑 步 4.5m/s(0.3) 相 當 於 有 氧 舞 蹈
文 獻 總 結 高 度 和 音 樂 節 奏 髖 關 節 ( 階 梯 高 度 ) 最 大 作 用 力 衝 量 最 大 負 荷 率 達 到 最 大 作 用 力 EMG 運 動 學 HI: 踝 關 節 角 度 LI: 髖 關 節 最 大 關 節 力 量 階 梯 > 爬 樓 梯 高 衝 > 低 衝 性 別 有 較 大 側 向 力 量
文 獻 總 結 有 氧 舞 蹈 傷 害 下 肢 過 度 使 用 目 前 有 關 研 究, 大 部 份 著 重 在 地 面 反 作 用 力 所 造 成 的 衝 擊 力, 鮮 少 研 究 是 從 下 肢 關 節 受 力 的 探 討 許 多 肌 肉 骨 骼 的 傷 害 都 與 關 節 承 受 的 力 量 有 關, 包 括 關 節 力 量 關 節 力 矩 階 梯 有 氧 目 前 研 究 地 面 反 作 用 力 肌 電 活 動 的 情 形 下 肢 關 節 受 力 的 研 究, 研 討 會 發 表 的 研 究 結 果 動 作 限 於 抬 膝 弓 箭 步 轉 步 以 及 過 階
1 序 論 2 文 獻 探 討 3 研 究 方 法 和 步 驟
研 究 對 象 具 有 YMCA 團 體 體 適 能 有 氧 教 練 證 照 預 計 收 集 二 十 位 受 測 者 都 必 須 對 高 低 衝 有 氧 的 動 作 非 常 熟 練 過 去 並 沒 有 下 肢 或 脊 椎 開 過 刀 的 病 史 半 年 內 無 下 肢 受 傷
實 驗 儀 器 與 設 備 VICON612 動 態 分 析 量 測 系 統 6 台 VICON 攝 影 機 取 樣 頻 率 250 Hz AMTI 力 板 2 塊 力 板 取 樣 頻 率 1000 Hz 投 影 機 播 放 約 30 分 鐘 的 階 梯 有 氧 教 學 影 帶 REEBOK STEP: 長 110cmx 寬 40cmx 高 15cm TOUCH AERO 有 氧 舞 蹈 鞋 (Touch Aero R Co., Ltd. Taiwan. Style No. TAC-018.)
模 型 之 建 立 薦 骨 上 緣 (sacrum) 兩 側 之 髁 骨 前 上 棘 (Anterior superior iliac spine) 大 腿 外 側 (Lateral thigh) 股 骨 外 髁 (Lateral epicondyles of femur) 股 骨 內 髁 (Medial epicondyles of femur) 小 腿 (Shank) 腳 跟 (Calcaneus) 腳 踝 內 外 (Medial and lateral malleolus) 第 二 腳 掌 趾 基 部 (Base of second metatarsal bone )
實 驗 佈 置 教 學 影 片
實 驗 流 程 實 驗 場 地 佈 置 與 安 排 儀 器 架 設 與 校 正 精 確 度 檢 驗 否 填 寫 資 料 量 測 身 體 肢 段 長 度 身 高 和 體 重 安 置 受 試 者 反 光 標 記 收 集 自 然 站 姿 資 料 擷 取 正 常 走 路 動 作 資 料 擷 取 階 梯 有 氧 動 作 資 料 資 料 處 理 與 分 析
實 驗 動 作 設 計 過 的 有 氧 舞 蹈 影 帶 5 分 鐘 暖 身 動 作,10 分 鐘 低 衝 擊 有 氧,10 分 鐘 高 衝 擊 有 氧,5 分 鐘 緩 和 運 動, 共 30 分 鐘 音 樂 節 拍 128-135BPM 四 種 常 見 階 梯 有 氧 動 作 : 後 勾 踢 腳 曼 波 低 衝 擊 L 字 步 高 衝 擊 四 個 八 拍 動 作 連 續 擷 取 約 12-14 秒 再 從 擷 取 到 的 資 料 選 取 自 己 所 要 的 範 圍 每 個 動 作 各 3 筆 資 料
資 料 處 理 和 分 析 VICON VCON 系 統 軟 體 進 行 標 記 (label) 後, 儲 存 成 c3d 檔 案 格 式 後, 轉 成 txt 文 字 檔 輸 出, 反 光 球 軌 跡 再 經 generalized cross-validation spline smoothing(gcvspl) 以 6Hz 低 通 濾 波 (low pass filter) 使 資 料 平 滑 化 (smoothing) 並 過 濾 雜 訊 實 驗 中 所 量 測 得 之 肢 體 運 動 的 資 料, 必 須 進 一 步 分 析 才 能 獲 得 本 研 究 所 需 要 的 動 力 學 的 參 數, 其 資 料 分 析 如 下 : ( 一 ) 地 面 反 作 用 力 參 數 經 標 準 化 之 地 面 反 作 用 力 之 最 大 峰 值 ( 二 ) 動 力 學 參 數 計 算 階 梯 有 氧 動 作 中 下 肢 之 關 節 力 量 以 及 關 節 力 矩, 包 括 髖 關 節, 膝 關 節 以 及 踝 關 節
資 料 處 理 和 分 析 關 於 下 肢 髖 關 節 膝 關 節 和 踝 關 節 的 力 量 和 力 矩, 可 以 使 用 逆 向 動 力 學 (Inverse dynamic approach) 來 定 義
統 計 分 析 所 有 資 料 以 SPSS 13.0 中 文 版 統 計 軟 體 處 理 two-way ANOVA repeated measures, 分 別 比 較 低 衝 擊 有 氧 及 高 衝 擊 有 氧 在 不 同 有 氧 舞 蹈 動 作 的 上 述 參 數 差 異 Tukey k 事 後 檢 定 本 實 驗 之 統 計 水 準 為 α =.05
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