CN107850676A - 基于量子点的成像探测器 - Google Patents

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Abstract

一种成像系统(100)的辐射探测系统包括辐射敏感探测器阵列(112)。所述阵列包括具有光学透明封装材料(114)的探测器像素，所述光学透明封装材料具有支撑一种或多种不同闪烁材料(118)的一个或多个颗粒(116)，其中，每种闪烁材料是纳米至微米量子点的形式。一种方法包括：利用探测器像素接收辐射，其中，所述探测器像素包括具有一个或多个量子点的封装，其中，所述量子点中的每个包括闪烁材料；利用所述探测器像素生成指示所接收的辐射的信号；并且重建所述信号以构建图像。

Description

基于量子点的成像探测器
技术领域
以下内容总体上涉及成像探测器，并且更具体地涉及基于量子点的成像探测器，并且结合计算机断层摄影(CT)的具体应用进行了描述；然而，以下内容也适用于其他成像模态，例如，正电子发射断层摄影(PET)。
背景技术
计算机断层摄影探测系统采用了闪烁/光电二极管(间接转换)探测器。利用这些探测器，入射在闪烁体上的X射线辐射被其闪烁材料吸收，所述闪烁材料继而发射由光电二极管探测到的光子，所述光电二极管继而生成指示探测到的光子的信号。闪烁材料包括了全尺寸晶体，陶瓷或石榴石。遗憾的是，这些结构通常是刚性结构，限制了它们的形状。这些结构也相对昂贵。
能量分辨是通过不同闪烁材料的堆叠层来实现的，所述堆叠层吸收X射线辐射的不同能量带宽。一般来说，堆叠是从较靠近入射X射线辐射的较低能量吸收层到较靠近光电二极管的较高能量吸收层的。然而，每个附加层增大了探测器的厚度和闪烁材料的量，并且需要光电二极管。遗憾的是，这增大了探测器的总成本并且由此增大了CT扫描器的总成本。
直接转换探测器包括将入射X射线辐射直接转换成指示X射线辐射的能量的电信号的直接转换材料。直接转换材料的范例是碲锌镉(CZT)。遗憾的是，当今的直接转换材料是昂贵的并且由固体晶体制成，使得它们的形状刚性地结合到所选择的介质的晶体结构上。此外，晶体生长需要时间，这增大了制造直接转换探测器的成本。
鉴于至少以上情况，存在一种未解决的需求，其需要另一种探测器配置。
发明内容
本申请的各方面解决了上面提及的问题和其它问题。
根据一个方面，一种成像系统的辐射探测系统包括辐射敏感探测器阵列。所述阵列包括具有光学透明封装材料的探测器像素，所述光学透明封装材料具有支撑一种或多种不同闪烁材料的一个或多个颗粒，其中，每种闪烁材料是纳米至微米量子点的形式。
在另一方面中，一种方法包括：利用探测器像素接收辐射，其中，所述探测器像素包括具有一个或多个量子点的封装，其中，所述量子点中的每个包括闪烁材料；利用所述探测器像素生成指示所接收的辐射的信号；并且重建所述信号以构建图像。
在另一方面中，一种成像系统包括辐射探测系统，所述辐射探测系统包括具有多个探测器像素的辐射敏感探测器阵列，每个探测器像素包括光学透明封装材料，所述光学透明封装材料具有支撑一个或多个量子点的一个或多个具有孔的颗粒，其中，所述量子点包括闪烁材料，并且其中，所述量子点中的至少两个量子点具有不同闪烁材料。
本领域普通技术人员在阅读和理解了以下详细描述后将认识到本发明其他方面。
附图说明
本发明可以采取各种部件和各种部件的布置以及各个步骤和各个步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，并且不应被解释为对本发明的限制。
图1示意性图示了具有基于量子点的成像探测器阵列的范例成像系统。
图2示意性图示了用于具有单个闪烁层的闪烁体/光电传感器配置的基于量子点的成像探测器的像素的范例。
图3A示意性图示了图2的单个闪烁层的俯视图。
图3B示意性图示了图2的光电传感器的俯视图。
图4示意性图示了所形成的在其之间具有间隔的两个邻近的闪烁器/光电传感器像素。
图5示意性图示了用于具有多个闪烁层的闪烁体/光电传感器配置的基于量子点的成像探测器的像素的范例。
图6示意性图示了图5的配置的范例闪烁层。
图7示意性图示了具有带有三维光电感测表面的光电传感器的像素。
图8示意性图示了具有包括量子点的单个闪烁层的图7的配置的截面图。
图9示意性图示了具有形成多能量配置的堆叠的像素的图7的变型。
图10示意性图示了用于具有两个闪烁层的双能量配置的图8的变型。
图11示意性图示了用于直接转换配置的单块像素的范例。
图12示意性图示了来自图11的量子点的路由信号的范例。
图13示意性图示了用于直接转换配置的多层像素的范例。
图14图示了根据本文中的实施例的范例方法。
图15图示了根据本文中的实施例的另一范例方法。
具体实施方式
图1示意性图示了诸如计算断层摄影(CT)系统的范例成像系统100。然而，应当理解，成像系统100能够替代地为正电子发射断层摄影(PET)系统、X射线系统、混合式CT/PET系统、混合式CT/MR(磁共振)系统、混合式PET/MR系统和/或被配置为探测在一个或多个能带中的辐射并间接地或直接地将探测到的辐射转换为指示所述辐射的电信号的其他成像系统。
成像系统100通常包括静止机架102和旋转机架104，所述旋转机架104由静止机架102可旋转地支撑。所述旋转机架104关于纵向或z轴绕检查区域106旋转。诸如卧榻的对象支撑物108将人类或动物患者或目标支撑在检查区域106中。对象支撑物108能与扫描协同地移动，以便关于检查区域106引导对象或目标，以用于执行对所述对象或目标的检查。诸如X射线管的辐射源110由旋转机架104支撑并发射多能量/多色辐射。
辐射敏感探测器阵列112包括探测穿过检查区域106的X射线辐射的多个探测器像素120。辐射敏感探测器阵列112可以包括关于彼此沿着z轴方向布置的一行或多行探测器像素120。在一个实例中，辐射敏感探测器阵列112包括具有接收X射线辐射并将X射线辐射转换为光的闪烁材料的基于间接转换的像素120，以及感测光并生成指示所接收的辐射的电信号的对应的光电传感器。在另一实例中，辐射敏感探测器阵列112包括接收X射线辐射并将X射线辐射直接转换为电信号的基于直接转换的像素120。
闪烁和/或直接转换材料包括光学透明且非绝缘的封装材料114，所述封装材料114具有一个或多个多孔颗粒116，所述多孔颗粒116支撑嵌入其中的纳米至微米量子点形式的一种或多种不同闪烁材料118。不同量子点118的不同组被封装在材料114的相同层(例如，如图所示)或不同层(例如，图5等)中。量子点118能够被调谐(例如，经由密度、厚度、闪烁材料的类型等)为在不同的能量带宽(例如，20keV至140keV)中吸收和生成特性辐射和/或电信号。这样，本文中描述的探测器阵列112非常适合用于CT能量分辨，而不必增大闪烁材料和/或光敏面积的量以及探测器和/或扫描器的成本。
在一个非限制性实例中，例如通过施加热量将封装材料114熔化，并且将量子点180混合到熔化的封装材料114中。所得到的混合物形成预定数量的感兴趣层(例如，一层或多层)。由于小直径量子点118呈现无定形或非晶体固体，因此每个层可以遵从刚性结构的预定感兴趣形状(多面体、球体、球状体、圆柱体等)或独立于任何刚性结构的形状。后者可以允许降低生产成本和时间，并增大探测量子效率和/或谱分辨。在2014年9月23日提交的标题为“Encapsulated materials in porous particles”的序列号为EP 14186022.1的申请中描述了颗粒116的范例，通过引用将其整体并入本文。
预处理电路122处理来自探测器阵列112的信号。例如，在探测器阵列112是基于闪烁体/光电二极管的探测器阵列的情况下，脉冲整形器处理信号(其能够首先被放大)并生成具有指示探测到的辐射的能量的高度的脉冲(例如，电压、电流等)。在探测器阵列112包括直接转换探测器材料的情况下，每个像素直接生成并输出脉冲。在任一种情况下，能量分辨器通过例如一个或多个比较器对脉冲进行能量分辨，每个比较器具有与感兴趣能量相对应的不同能量阈值。计数器基于能量分辨器的输出针对每个阈值对计数值进行增量。分箱器基于计数将信号分箱到两个或更多个能量分箱中并由此将辐射分箱到两个或更多个能量分箱中，其中，能源分箱包含能量窗口。
重建器124被配置为选择性地重建探测到的信号。在一个实例中，重建器124针对特定能量范围重建信号。例如，重建器124能够重建20keV至140keV的诊断范围中的一个或多个能量或能量范围的信号。在另一实例中，重建器组合针对所有分箱的信号并重建经组合的信号以生成在所发射的辐射的能谱上的常规图像。操作者控制台126包括诸如监视器或显示器的人类可读输出设备以及诸如键盘和鼠标的输入设备。驻留在控制台126上的软件允许操作者经由图形用户接口(GUI)或以其他方式与扫描器100交互。这种交互可以包括选择扫描类型、选择成像协议、开始扫描等。
图2-10图示了闪烁器/光电二极管像素120的范例。应当理解，所图示的几何形状以及量子点密度和尺寸是用于解释目的的，而不是限制性的。
在图2中，材料114是闪烁材料114(“QD SCINTILLATOR”)的单个立方体形状的块。在该范例中，颗粒116并且因此量子点118(在图2中以黑点示出)被均匀地分布在闪烁材料114的单个立方体形状的块中。图3A示出了具有被均匀分布在其中的量子点1181、1182、……、118N的俯视图(其中，N是大于1的整数)。返回到图2，材料114的块被光学耦合到光电传感器202。光学耦合可以包括光学粘合剂。反射材料可以被设置在其他侧面上和/或旁边以将穿过离开光电传感器202的光子导向光电传感器202。
图3B示出了具有辐射敏感区域(2021,1、……、2021，M、……、202K，1、……、202K，M)的矩阵的光电传感器202。在该范例中，区域(2021,1、……、2021，M、……、202K，1、……、202K，M)中的每个与预定的感兴趣能带的集合中的一个相对应。封装材料114经由不同量子点118吸收不同能量的入射X射线光子204并发射指示所述入射X射线光子204的特性辐射。光电传感器202的区域(2021,1、……、2021，M、……、202K，1、……、202K，M)感测对应的发射光并生成指示所述发射光的电信号。电信号被路由到预处理电路122，所述预处理电路122如本文所述和/或以其他方式进行处理。
图4示出了两个邻近的闪烁体/光电二极管像素120。利用该实施例，在材料114的沉积或形成过程中能够包括闪烁体/光电二极管像素120的QD闪烁体之间的屏障402。这减轻了随后在形成闪烁体之后锯切这样的屏障的任何需要，例如，如对氧硫化钆(GOS)、石榴石和/或其他刚性闪烁体所做的那样。通常，屏障402能够被填充有反射涂料以减轻闪烁体/光电二极管像素120之间的串扰并将光子导向对应的光电传感器202。
转到图5和图6，像素120的材料114包括多个QD闪烁层5001、5002、……、500L(其中，L是大于一的整数)，每个层具有拥有相同的吸收和发射特性的量子点的组1181、……、118N中的一个。光电传感器200包括多个光电传感器2021、2022、……、202L。QD闪烁层5001、5002、……、500L中的每一个被耦合到光电传感器2021、2022、……、202L中的对应的一个。在另一实施例中，光电传感器2021、2022、……、202L被耦合在QD闪烁层的一侧处而不是在QD闪烁层下面。在2009年10月29日提交的标题为“Spectral Imaging Detector”的US 900382中示出了这样的配置。在一个实例中，在每个层之间设置有薄片封装材料。在另一实例中，这些层在没有被设置在其间的封装材料的薄片的情况下被耦合。通常，这些层是有顺序的，使得入射X射线首先撞击最低能量层并最后撞击最高能量层。这种配置是可扩展的，这是因为这些层能够堆叠以实现感兴趣的谱带宽。
转到图7和图8，光电传感器202包括具有三维内部光敏表面或壁的凹部702。在所图示的范例中，凹部702具有正方形的平截头体形状。本文中也预期到其它形状。图8示出了图7的光电传感器202的截面图，其中材料114被设置在凹部702中，其中，材料114适形于凹槽702的形状。在图8中，材料114是单层的并且包括具有相同吸收和发射特性的多个量子点。在2013年11月23日提交的标题为“Imaging Detector”的公开物WO2014/087295A1中描述了具有这种形状的光电传感器的范例，通过引用将其整体并入本文。
图9图示了具有多个接合的直接转换元件9021、9022、……、902P(其中，P是整数)的像素120，所述多个接合的直接转换元件以垂直配置进行堆叠，提供了多能量(谱)配置。在该范例中，直接转换元件9021、9022、……、902P中的每个包括多孔硅，其中量子点118在孔中，其中，量子点118针对不同的直接转换元件9021、9022、……、902P具有不同的吸收和发射特性。直接转换元件9021、9022、……、902P被成形为类似于图7的光电传感器202，具有凹部和三维感测表面。
直接转换元件9021被调谐到第一(最高)能带并且与(读出)电极9041电接触。直接转换元件9022被调谐到不同的能带并且与(读出)电极9042电接触，所述(读出)电极9042通过通道9061延伸穿过直接转换元件9021。直接转换元件902P被调谐到又一(最低)能带并且与(读出)电极904P电接触，所述(读出)电极904P通过通道9062延伸穿过直接转换元件9021和9022。在所图示的实施例中，凹部是空的。在另一实施例中，凹部被填充有填充材料。
图10图示了图8的双能量变型。在图10中，材料114包括层1141和1142，它们分别与由隔离层1000分开的光电传感器区域2021和2022相对应。层1141和1142包括具有不同吸收和发射特性的量子点，并且区域2021和2022具有不同的谱灵敏度。区域2021和2022中的每个具有其自己的读出电极10021和10022，其中电极10022通过通道1004被路由通过区域2022到达区域2021。在2013年11月23日提交的标题为“Imaging Detector”的公开物WO 2014/087295A1中描述了具有这种形状的多能量像素配置的范例，通过引用将其整体并入本文。
图11图示了被配置为直接转换像素的材料114的范例。类似于图2，在该实施例中，量子点与不同的能量带宽相对应并且遍布单个层进行分布。图12示出了来自个体颗粒116的示范性读出，其中，与相同的能量带宽相对应的颗粒的输出被路由到相同的路径，其中，针对不同的能量带宽的颗粒被路由到不同的路径。
图13图示了被配置为直接转换像素的材料114的范例，其中，与不同的能量带宽相对应的量子点被分布在不同的层中。这些层的顺序能够与结合图5和图9所描述的顺序和/或其他顺序相类似。针对每个层的读出能够与结合图9和图12所示出和描述的读出和/或其他方式的读出相类似。
对于图11和图13，其中封装材料包括多孔硅，并且量子点118填充硅的孔的至少部分、在其之间的电子-空穴对，从而允许入射X射线直接转换为电信号。被沉积在多孔硅中的量子点实现了具有非常高的QE的、低成本的直接转换X射线探测器，这是因为与用于直接转换器的其他材料相比，与材料接触的表面积增大并且响应度增大。
关于PET，颗粒116替代性地包括量子点118，其中闪烁材料吸收γ辐射带宽。如本文所述，能够采用单个层或堆叠层。通常，针对PET应用的材料114的厚度可以是针对CT应用的材料114的厚度的十倍的量级以吸收较高的能量辐射。
图14图示了利用探测器阵列112进行的成像。
应该意识到，以下动作的顺序是出于解释的目的而不是限制性的。正因如此，本文中也预期到其他顺序。另外，可以省略动作中的一个或多个和/或可以包括一个或多个其他动作。
在1402处，由X射线管生成发出X射线辐射。
在1404处，发出辐射穿过检查视场。
在1406处，探测器阵列112探测穿过检查视场的发出辐射。如本文所述，探测器阵列112包括具有量子点118的材料114。
在1408处，生成指示发出辐射的电信号。
在1410处，处理电信号以生成检查视场的图像，在其中包括患者的部分。
图15图示了利用探测器阵列112进行的成像。
应该意识到，以下动作的顺序是出于解释的目的而不是限制性的。正因如此，本文中也预期到其他顺序。另外，可以省略动作中的一个或多个和/或可以包括一个或多个其他动作。
在1502处，由患者摄取的药剂发射伽马辐射。
在1504处，发射辐射穿过检查视场。
在1506处，探测器阵列112探测穿过检查视场的发射辐射。如本文所述，探测器阵列112包括具有量子点118的材料114。
在1508处，生成指示发射辐射的电信号。
在1510处，处理电信号以生成检查视场的图像，在其中包括患者的部分。
本文已经参考各个实施例描述了本发明。他人在阅读本文中的说明的情况下可以想到修改和替代。本文旨在将本发明解释为包括所有这样的修改和替代，只要它们落入权利要求书及其等价方案的范围内。

Claims (28)

1.一种成像系统的辐射探测系统，包括：
辐射敏感探测器阵列(112)，其包括：
探测器像素(120)，其包括：
光学透明封装材料(114)，其具有支撑一种或多种不同闪烁材料的一个或多个颗粒(116)，其中，每种闪烁材料是纳米至微米量子点(118)的形式。
2.根据权利要求1所述的辐射探测系统，其中，所述一个或多个颗粒支撑不同闪烁材料，所述不同闪烁材料中的每种具有不同的能量吸收带宽。
3.根据权利要求2所述的辐射探测系统，其中，所述光学透明封装材料是单个闪烁层，并且所述一个或多个颗粒在所述单个闪烁层中。
4.根据权利要求3所述的辐射探测系统，还包括：
光电传感器(202)，其中，所述单个闪烁层被耦合到光电传感器。
5.根据权利要求4所述的辐射探测系统，其中，所述光电传感器包括光敏区域的矩阵，其中，至少一个区域与所述吸收带宽中的每个相对应。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的辐射探测系统，还包括：
第二探测器像素，其中，所述探测器像素的所述光学透明封装材料，并且其中，所述第二探测器像素的所述光学透明封装材料被具有非零宽度的无材料区域分开。
7.根据权利要求6所述的辐射探测系统，还包括：
被设置在所述无材料区域中的反射材料。
8.根据权利要求2所述的辐射探测系统，其中，所述光学透明封装材料包括至少两个层，其中，所述不同闪烁材料中的第一闪烁材料在所述层中的第一层中，并且所述不同闪烁材料中的不同的第二闪烁材料在所述层中的第二层中。
9.根据权利要求8所述的辐射探测系统，还包括：
第一光电传感器，其被耦合到所述不同闪烁材料中的所述第一闪烁材料；以及
第二光电传感器，其被耦合到所述不同闪烁材料中的所述第二闪烁材料。
10.根据权利要求9所述的辐射探测系统，还包括：
耦合层，其在所述第一光电传感器与所述不同闪烁材料中的第二闪烁材料之间。
11.根据权利要求10所述的辐射探测系统，其中，所述光电传感器包括光敏区域的矩阵，其中，至少一个区域与所述吸收带宽中的每个相对应。
12.根据权利要求1所述的辐射探测系统，还包括：
光电传感器，其具有凹部和三维感光表面，其中，所述光学透明封装材料被设置为在所述凹部中、抵靠所述三维感光表面。
13.根据权利要求12所述的辐射探测系统，还包括：
其中，所述一个或多个颗粒支撑不同闪烁材料，每种不同闪烁材料具有不同的能量带宽，其中，所述光学透明封装材料包括至少两个闪烁层以及在所述至少两个闪烁层之间的光电传感器，其中，所述不同闪烁材料中的第一闪烁材料在所述闪烁层中的第一闪烁层中，并且所述不同闪烁材料中的不同的第二闪烁材料在所述闪烁层中的第二闪烁层中。
14.根据权利要求12至13中的任一项所述的成像系统的辐射探测系统，其中，所述光学透明封装材料的外缘沿循所述凹部的外缘。
15.根据权利要求1所述的辐射探测系统，其中，具有支撑所述一种或多种不同闪烁材料的所述一个或多个颗粒的所述光学透明封装材料是直接转换材料，所述直接转换材料将吸收的辐射直接转换成指示所吸收的辐射的能量的对应的电信号。
16.根据权利要求15所述的辐射探测系统，还包括：
第一电接触，其与具有相同的第一闪烁材料的所述颗粒中的第一组的每个颗粒电接触；以及
第二电接触，其与具有相同的第二闪烁材料的所述颗粒中的第二组的每个颗粒电接触。
17.根据权利要求15至16中的任一项所述的辐射探测系统，其中，所述光学透明封装材料包括多孔硅，并且所述一个或多个颗粒被设置在所述多孔硅的孔中。
18.根据权利要求17所述的辐射探测系统，其中，所述孔中的所述一个或多个颗粒与硅相互作用以产生电子-空穴对。
19.根据权利要求1所述的辐射探测系统，其中，所述一个或多个颗粒支撑不同闪烁材料，每种不同闪烁材料具有不同的谱灵敏度，并且所述谱灵敏度在20keV至120keV的范围内。
20.根据权利要求1所述的辐射探测系统，其中，所述一个或多个颗粒支撑不同闪烁材料，每种不同闪烁材料具有不同的谱灵敏度，并且所述谱灵敏度在480keV至520keV的范围内。
21.根据权利要求20所述的辐射探测系统，其中，所述光学透明封装材料包括彼此堆叠的硅层的多个片。
22.一种方法，包括：
利用探测器像素接收辐射，其中，所述探测器像素包括具有一个或多个量子点的封装，其中，所述量子点中的每个包括闪烁材料；
利用所述探测器像素生成指示所接收的辐射的信号；并且
重建所述信号以构建图像。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述量子点中的至少两个量子点包括与不同能谱相对应的不同闪烁材料，并且所述至少两个量子点全部在所述封装的同一层中，并且所述方法还包括：
利用被耦合到所述封装的光电传感器的第一区域来生成与所述至少两个量子点中的第一量子点相对应的第一信号；
利用所述光电传感器的第二区域来生成与所述至少两个量子点中的第二量子点相对应的第二信号；并且
重建所述第一信号以构建第一谱图像，并且重建所述第二信号以构建第二谱图像。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述量子点中的至少两个量子点包括与不同能谱相对应的不同闪烁材料，并且所述至少两个量子点全部在所述封装的不同层中，并且所述方法还包括：
利用被耦合到所述封装的光电传感器的第一区域来生成与所述至少两个量子点中的第一量子点相对应的第一信号；
利用所述光电传感器的第二区域来生成与所述至少两个量子点中的第二量子点相对应的第二信号；并且
重建所述第一信号以构建第一谱图像，并且重建所述第二信号以构建第二谱图像。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述量子点中的至少两个量子点包括与不同能谱相对应的不同闪烁材料，并且所述至少两个量子点全部在多孔硅材料的同一层中，并且所述方法还包括：
经由所述多孔硅材料来生成与所述至少两个量子点中的第一量子点相对应的第一信号；
经由所述多孔硅材料来生成与所述至少两个量子点中的第二量子点相对应的第二信号；并且
重建所述第一信号以构建第一谱图像，并且重建所述第二信号以构建第二谱图像。
26.根据权利要求22所述的方法，其中，所述量子点包括被设置在三维感光表面上的相同闪烁材料，并且所述方法还包括：
利用被耦合到所述封装的光电传感器的第一区域来生成与所述至少两个量子点中的第一量子点相对应的第一信号；
利用所述光电传感器的第二区域来生成与所述至少两个量子点中的第二量子点相对应的第二信号；并且
重建所述第一信号以构建第一谱图像，并且重建所述第二信号以构建第二谱图像。
27.根据权利要求22所述的方法，其中，所述量子点包括被设置在三维感光表面上的至少两个层中的不同闪烁材料，并且所述方法还包括：
利用被耦合到所述封装的光电传感器的第一区域来生成与所述至少两个量子点中的第一量子点相对应的第一信号；
利用所述光电传感器的第二区域来生成与所述至少两个量子点中的第二量子点相对应的第二信号；并且
重建所述第一信号以构建第一谱图像，并且重建所述第二信号以构建第二谱图像。
28.一种成像系统(100)，包括：
辐射探测系统，其包括具有多个探测器像素的辐射敏感探测器阵列，每个探测器像素包括光学透明封装材料，所述光学透明封装材料具有支撑一个或多个量子点的一个或多个具有孔的颗粒，其中，所述量子点包括闪烁材料，并且其中，所述量子点中的至少两个量子点具有不同闪烁材料。
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