CN110604566B - 柔性可变形降解脑检测治疗装置、系统及制造、使用方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种柔性可变形降解脑检测治疗装置、系统及制造、使用方法。该装置包括介电层、功能层和形状记忆衬底，功能层和介电层依次设置于形状记忆衬底上，形状记忆衬底贴附于生物体大脑皮层的目标位置；功能层包括多个脑信号检测治疗部件，脑信号检测治疗部件包括第一电极、第二电极、连接第一电极和第二电极的互连导线，第一电极与目标位置接触，并在外部设备的控制下对目标位置进行检测和/或治疗，第二电极用于连接外部设备，以使外部设备确定生物体的脑信号和/或确定治疗效果；介电层设置于功能层上方用于覆盖多个互连导线。本公开所提供的装置结构简单、延展性稳定性好，精度和分辨率高，便于手术操作，可降解，对生物体的副作用小。

Description

柔性可变形降解脑检测治疗装置、系统及制造、使用方法

技术领域

本公开涉及医疗技术领域，尤其涉及一种柔性可变形降解脑检测治疗装置、系统及制造、使用方法。

背景技术

电活动普遍存在于生物体中，大脑中众多神经元有规律的电活动产生脑电信号，直观反映了各类大脑活动。1929年，H.Berger首次在人头皮表面测量了脑电信号，并记录了癫痫等脑部疾病的脑电图(Electroencephalogram,EEG)，揭示了脑电信号在脑部疾病诊治方面的重要作用。相比于脑电图，脑皮层电图(ECoG)具有更高的时间和空间分辨率，是更理想的脑电监测及刺激对象。其可在脑外科手术前用于病灶定位，术后用于治疗效果的评估，对脑部疾病的诊治意义重大；也可用于特定人体功能及活动的脑区定位，从而解析思维活动。

迄今为止，学界在研究大脑认知方面的突破，绝大多数都来自于对脑皮层电图的测量，亟需高性能的硬件支持；近年来，脑科学、人工智能、脑机交互等行业蓬勃发展，也对脑电信号的采集设备提出了更高的要求。相关技术中，ECoG的测量电极需要植入于生物体内部，放置电极的手术创口大小取决于器件的尺寸，且在检测完成后还需进行二次手术移除器件，对病人有较大伤害，且增加了风险和成本。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种柔性可变形降解脑检测治疗装置、系统及制造、使用方法。

根据本公开的一方面，提供了一种柔性可变形降解脑检测治疗装置，用于植入生物体的内部，对所述生物体的大脑进行检测和/或治疗，所述装置包括：介电层、功能层和形状记忆衬底，

所述功能层和所述介电层依次设置于所述形状记忆衬底上，所述形状记忆衬底贴附于所述生物体大脑皮层的目标位置；

所述功能层包括多个脑信号检测治疗部件，所述多个脑信号检测治疗部件之间存在间隔，每个脑信号检测治疗部件包括第一电极、第二电极、连接所述第一电极和所述第二电极的互连导线，所述第一电极与所述目标位置接触，用于在外部设备的控制下对所述目标位置进行检测和/治疗，得到检测信号和/或生物响应信号，所述第二电极用于连接外部设备，以使所述外部设备根据获取到的所述检测信号确定所述生物体的脑信号和/或根据所述生物响应信号确定治疗效果；

所述介电层，设置于所述功能层上方，用于覆盖所述多个互连导线；

其中，所述形状记忆衬底的材料包括柔性可降解形状记忆材料，所述介电层、功能层的材料包括柔性可降解材料。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述互连导线的形状包括可延展形状，所述第一电极的形状包括圆形、椭圆形和多边形中的任一种，所述第二电极的形状包括条状和带状中的任一种。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述多个脑信号检测治疗部件呈阵列式分布。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述多个第一电极和所述多个第二电极呈阵列式分布，且所述第二电极用于连接所述外部设备的一端依次相邻。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述功能层位于所述装置的中性层。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述互连导线的宽度小于或等于50μm，所述功能层的厚度小于或等于200nm，所述装置的厚度小于或等于5μm，所述装置的面积小于或等于4cm²。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述形状记忆衬底的转变温度与所述生物体大脑皮层的目标位置的温度相匹配，以使得所述装置以永久形状安装于所述生物体内部。

根据本公开的另一方面，提供了一种柔性可变形降解脑检测系统，所述系统包括：

上述柔性可变形降解脑检测治疗装置；

外部设备，通过所述检测治疗装置的多个第二电极与所述检测治疗装置连接，用于执行以下至少一项处理：

获取所述检测治疗装置的第一电极所检测到的检测信号，并根据所述检测信号确定所述生物体的脑信号；

通过所述第一电极将治疗信号作用于目标位置，并通过所述第一电极获取所述目标位置的针对所述治疗信号的生物响应信号，确定治疗效果。

根据本公开的另一方面，提供了一种柔性可变形降解脑检测治疗装置的制造方法，其特征在于，用于制造上述柔性可变形降解脑检测治疗装置，所述方法包括：

在基底上依次生成牺牲层和下介电层；

在所述下介电层上制备多个脑信号检测治疗部件，形成功能层，每个脑信号检测治疗部件包括第一电极、第二电极、连接所述第一电极和所述第二电极的互连导线；

在所述功能层上生成上介电层；

对所述上介电层进行刻蚀，形成待转印层；

将所述待转印层转印至印章，并对所述下介电层进行刻蚀，得到刻蚀后待转印层；

将所述待刻蚀后转印层转印至形状记忆衬底上，形成待定型装置；

将所述待定型装置加热至塑性变形温度，形成柔性可变形降解脑信号检测治疗装置。

根据本公开的另一方面，提供了一种柔性可变形降解脑检测治疗装置的使用方法，其特征在于，用于使用上述一种柔性变形降解脑检测治疗装置，所述方法包括：

将所述装置加热至转变温度，将所述装置弯折成待植入形状后冷却；

将具有所述待植入形状的装置，植入生物体大脑皮层上的目标位置；

将植入所述生物体的装置加热至转变温度，使得具有待植入形状的所述装置转变为永久形状，以利用所述具有永久形状的装置获取所述生物体的脑信号。

本公开所提供的柔性可变形降解脑检测治疗装置、系统以及制造、使用方法，提供的装置的结构简单、延展性好、稳定性好、精度和分辨率高、信号传输质量好，与目标位置的贴合度和匹配度高，能够与生物体组织共形贴附，便于进行植入生物体内的手术操作，且可以在生物体内降解无需进行移除手术，对生物体的副作用小。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1、图2示出根据本公开一实施例的柔性可变形降解脑检测治疗装置的结构示意图。

图3示出根据本公开一实施例的柔性可变形降解脑检测治疗装置的使用示意图。

图4示出根据本公开一实施例的柔性可变形降解脑检测治疗装置的制造方法的流程图。

图5示出根据本公开一实施例的柔性可变形降解脑检测治疗装置的制造方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1、图2示出根据本公开一实施例的柔性可变形降解脑检测治疗装置的结构示意图。其中，图2是检测治疗装置按照图1中直线a所在的位置进行剖切的剖面图。如图1、图2所示，该装置可以植入于生物体内部，对生物体大脑进行检测和/或治疗。该装置包括介电层1、功能层和形状记忆衬底3。

功能层包括多个脑信号检测治疗部件21，多个脑信号检测治疗部件21之间存在间隔，以防止部件之间相互导通。每个脑信号检测治疗部件21包括第一电极211、第二电极212、连接第一电极211和第二电极212的互连导线213，第一电极211与生物体大脑皮层上的目标位置接触，用于在外部设备的控制下对目标位置进行检测和/或治疗，得到检测信号和/或生物响应信号。第二电极212用于连接外部设备，以使外部设备根据获取到的检测信号确定生物体的脑信号和/或根据生物响应信号确定治疗效果。

介电层1位于功能层上方，用于覆盖多个互连导线213。以使得第一电极211和第二电极212处于暴露状态，使其能够分别于目标位置接触、与外部设备相连。

形状记忆衬底3用于承载介电层1和功能层，功能层和介电层1依次设置于形状记忆衬底3上，形状记忆衬底3贴附于生物体大脑皮层的目标位置。

其中，形状记忆衬底3的材料可以包括柔性可降解形状记忆材料，以使得装置可以贴附在目标位置上。介电层1、功能层的材料可以包括柔性可降解材料。

在本实施例中，介电层的材料可以是可降解聚合物、水凝胶、SiO₂纳米薄膜等柔性可降解材料。脑信号检测治疗部件的材料可以是镁等金属、导电聚合物等导电材料。脑信号检测治疗部件的数量可以是9、12、16等。装置的材料可以选择与生物体兼容性强、弹性模量与生物体接近、在生物体内可降解的材料，以保证装置与生物体的贴合度和匹配度。

在本实施例中，可以根据目标位置所需检测的区域大小、位置等对脑信号检测治疗部件的数量、尺寸、分布进行设置，本公开对此不作限制。

在本实施例中，柔性可降解形状记忆材料可以是形状记忆聚合物(shape memorypolymer，简称SMP)等具备柔性、可降解、形状记忆功能的材料，有关形状记忆聚合物的相关性能可参考文献《医用可降解形状记忆聚合物研究进展》(作者：邱超、周潘宇、许硕贵，中华损伤与修复杂志(电子版)，2017年第12卷第4期第306-308页)。具备形状记忆功能的聚合物材料具有可塑性，以便对装置的形状进行设计和永久形状固定。形状记忆衬底可在外部刺激下实现永久形状和临时形状之间的转变，外部刺激可以是温度变化、光照变化、电流电压变化、磁场变化等，本公开对此不作限制。

举例来说，形状记忆衬底的可塑性可以是可在较高温度下固定成一定的形状，冷却至室温时形状保持不改变，获得其永久形状。永久形状为具备形状记忆功能的聚合物材料可以永久记忆、保持的形状，即在温度高于其形状记忆转变温度时可自由恢复至的永久形状。装置的永久形状可以设置为于目标位置相匹配的弧状。

在一种可能的实现方式中，形状记忆衬底3的转变温度与生物体大脑皮层的目标位置的温度相匹配，以使得装置以永久形状安装于生物体内部。

在该实现方式中，将装置的转变温度设置为与生物体大脑皮层的目标位置的温度相匹配，可以使得装置植入生物体后可以以其永久形状放置于目标位置，其转变温度可与生物体的体温相近，其弹性模量在其温度处于转变温度以上时应不高于1MPa。例如，在生物体为人类的情况下，转变温度可以在35℃～40℃之间。

本公开所提供的柔性可变形降解脑检测治疗装置，结构简单、延展性好、稳定性好、精度和分辨率高、信号传输质量好，与目标位置的贴合度和匹配度高，能够与生物体组织共形贴附，便于进行植入生物体内的手术操作，且可以在生物体内降解无需进行移除手术，对生物体的副作用小。

本公开还提供一种柔性可变形降解脑检测治疗装置的使用方法，以使用上述装置，该方法包括：

将装置加热至转变温度，将装置弯折成待植入形状后冷却；

将具有待植入形状的装置，植入生物体大脑皮层上的目标位置；

将植入生物体的装置加热至转变温度，使得具有待植入形状的装置转变为永久形状，以利用具有永久形状的装置获取生物体的脑信号。

在该实现方式中，图3示出根据本公开一实施例的柔性可变形降解脑检测治疗装置的使用示意图。可将装置弯折成如图3所示的待植入形状后冷却。该待植入形状可以是任意便于植入生物体内部的形状，本公开对此不作限制。将具有待植入形状的装置植入生物体后可以对装置进行加热，使得装置在生物体内转变为永久形状。

在一种可能的实现方式中，互连导线213的形状可以包括可延展形状。可延展形状可以是蛇形、S形、之字形等易于延展的形状。将互连导线设置为可延展形状，可以使得装置具有良好的延展性，在装置因生物体等而受到外力时，可延展形状的互连导线会在外力作用下而发生离面屈曲，进而消除一部分外力，减少外力对装置本身的损害，提高装置的可靠性。且将互连导线设置为可延展形状，也提高了装置的延展性，使得装置能够更好的与目标位置贴合在一起，减少因装置的植入对生物体所带来伤害。

在一种可能的实现方式中，第一电极211的形状可以包括圆形、椭圆形和多边形中的任一种，第二电极212的形状可以包括条状和带状中的任一种。

在该实现方式中，多个第一电极可以是任意统一的形状，本公开对此不作限制。多个第二电极可以是条状(如图1所示)，也可以是不规则带状，本公开对此不作限制。可以根据目标位置的位置、检测区域大小等对第一电极、第二电极的形状、尺寸等进行设置，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，多个脑信号检测治疗部件21可以呈阵列式分布。其中，多个第一电极211和多个第二电极212呈阵列式分布，且第二电极212用于连接外部设备的一端依次相邻。

在该实现方式中，多个第一电极可以呈正方形(如图1所示)、圆形、椭圆形等形状的阵列分布。多个第二电极连接外部设备的一端依次相邻能够保证外部设备能够更简便地与第二电极连接。其中，多个第二电极连接外部设备的一端依次相邻，可以是将多个第二电极如图1所示按照“梳子”的形式设置于装置中，或者按照其他与“梳子”相类似的形状分布，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，功能层位于装置的中性层。

在该实现方式中，中性层可以是装置在弯曲变形时，既不受拉力也不受压力的过渡层，该层中应力为零。可以根据装置中各层的厚度确定出装置中性层所在的位置，并将功能层设置于装置的中性层中，有关中性层的位置计算方法可参考教材：李东平.材料力学[M].武汉:武汉大学出版社,2015:99-100。可以将功能层中脑信号检测治疗部件所在的位置设置于中性层，还可以将功能层的中心所在的层设置于中性层。这样，将功能层设置于中性层中可以减少脑信号检测治疗部件的受力，提高装置的稳定性和可靠性。

在一种可能的实现方式中，互连导线213的宽度小于或等于50μm，功能层的厚度小于或等于200nm，装置的厚度小于或等于5μm，装置的面积小于或等于4cm²。

在该实现方式中，可以根据在生物体中植入的位置、在生物体中所需存留的时间对装置中各层、脑信号检测治疗部件的尺寸进行设置，本公开对此不作限制。其中，装置的尺寸越大，装置在生物体中存留的时间越长。

需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了柔性可变形降解脑检测治疗装置如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各部件，只要符合本公开的技术方案即可。

图4示出根据本公开一实施例的柔性可变形降解脑检测治疗装置的制造方法的流程图。图5示出根据本公开一实施例的柔性可变形降解脑检测治疗装置的制造方法的流程示意图。如图4、图5所示，该方法可以包括步骤S11至步骤S16。

在步骤S11中，在基底上依次生成牺牲层和下介电层(如a1)。

在本实施例中，基底的材料可以是单晶硅等质地硬、热膨胀系数小、表面平整与牺牲层粘性好的材料。牺牲层的材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，简称PMMA)等材料，本公开对此不作限制。可以将下介电层的材料旋涂在牺牲层上，并在旋涂后对下介电层进行固化。

在步骤S12中，在下介电层上制备多个脑信号检测治疗部件，形成功能层，每个脑信号检测治疗部件包括第一电极、第二电极、连接第一电极和第二电极的互连导线(如a2)。

在本实施例中，可以直接在下介电层上采用物理或化学气相沉积的方式生成镁等金属层，对其进行图案化处理后得到多个脑信号检测治疗部件。

在步骤S13中，在功能层上生成上介电层(如a3)。可以将上介电层的材料旋涂在功能层上，并在旋涂后对上介电层进行固化。

在步骤S14中，对上介电层进行刻蚀，形成待转印层(如a4、a5)。

在本实施例中，可以在上介电层上采用物理或化学气相沉积的方式生成金属或其他材料的掩膜层，并对其进行图案化处理，得到具有特定形状的掩膜版(如a4)，并以掩膜版为掩膜对上介电层进行刻蚀，并去除掩膜版(如a5)。掩膜层的材料可以是铜等。对上介电层刻蚀后，保留的上介电层至少需覆盖互连导线。

在本实施例中，上介电层和下介电层的材料可以相同，也可以不同，本公开对此不作限制。

在步骤S15中，将待转印层转印至印章，并对下介电层进行刻蚀，得到刻蚀后待转印层(如a6、a6’)。可以将下介电层完全刻蚀掉。

在本实施例中，也可以在步骤S14之后直接执行步骤S16，保留待转印层中的下介电层。其中，若直接在步骤S14之后执行步骤S16，那么在步骤S14中在对上介电层进行刻蚀的同时，也需对下介电层进行刻蚀，使得下介电层的形状与功能层的形状相匹配。可以是保持刻蚀后下介电层的形状与功能层的形状完全相同；也可以是保持刻蚀后下介电层中与互连导线相对应的部分的形状与互连导线的形状相同，刻蚀后下介电层中的其余部分至少覆盖第一电极和第二电极。

在步骤S16中，将刻蚀后待转印层转印至加热后的形状记忆衬底上，形成待定型装置(如a7)。

在本实施例中，可以利用由聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，简称PDMS)等材料制备的印章，将待转印层转印从基底上“撕起”(如a6)，并刻蚀下介电层，而后“印刷”至预先制备好的、已加热的形状记忆衬底上(如a7)。其中，对形状记忆衬底进行加热是为了增强形状记忆衬底与刻蚀后待转印层之间的粘附性，使得形状记忆衬底与刻蚀后待转印层之间(也即形状记忆衬底与功能层之间、或者形状记忆衬底与下介电层之间)的粘性大于印章与刻蚀后待转印层之间(也即印章与上介电层之间)的粘性，保证“印刷”过程的顺利进行。对形状记忆衬底进行加热的温度可以根据各层材料的特性进行设置，本公开对此不作限制。

在步骤S17中，将待定型装置加热至塑性变形温度，形成柔性可变形降解脑信号检测治疗装置(如a8)。

在本实施例中，还可以根据运输、或者植入的需求，将柔性可变形降解脑信号检测治疗装置弯折为待植入形状、便于运输的形状等临时形状；或者，在运输允许的情况下，也可以将装置弯折为永久形状进行运输。

本公开所提供的柔性可变形降解脑检测治疗装置的制造方法，制造柔性可变形降解脑检测治疗装置的工艺流程简单、成本低。

需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了柔性可变形降解脑检测治疗装置的制造方法如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各步骤，只要符合本公开的技术方案即可。

本公开还提供一种柔性可变形降解脑检测治疗系统，该系统包括：

上述柔性可变形降解脑检测治疗装置；

外部设备，通过检测治疗装置的多个第二电极与检测治疗装置连接，用于执行以下至少一项处理：

获取检测治疗装置的第一电极所检测到的检测信号，并根据检测信号确定生物体的脑信号；

通过第一电极将治疗信号作用于目标位置，并通过第一电极获取目标位置的针对治疗信号的生物响应信号，确定治疗效果。

需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了柔性可变形降解脑检测治疗系统如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各部件，只要符合本公开的技术方案即可。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种柔性可变形降解脑检测治疗装置，其特征在于，用于植入生物体的内部，对所述生物体的大脑进行检测和/或治疗，所述装置包括：介电层、功能层和形状记忆衬底，

所述功能层和所述介电层依次设置于所述形状记忆衬底上，所述装置利用所述形状记忆衬底贴附于所述生物体大脑皮层的目标位置；

所述功能层包括多个脑信号检测治疗部件，所述多个脑信号检测治疗部件之间存在间隔，每个脑信号检测治疗部件包括第一电极、第二电极、连接所述第一电极和所述第二电极的互连导线，所述第一电极与所述目标位置接触，用于在外部设备的控制下对所述目标位置进行检测和/或治疗，得到检测信号和/或生物响应信号，所述第二电极用于连接外部设备，以使所述外部设备根据获取到的所述检测信号确定所述生物体的脑信号和/或根据所述生物响应信号确定治疗效果；

所述介电层，设置于所述功能层上方，用于覆盖所述多个互连导线；

其中，所述形状记忆衬底的材料包括柔性可降解形状记忆材料，所述介电层、功能层的材料包括柔性可降解材料，

所述功能层位于所述装置的中性层，用于减少所述脑信号检测治疗部件的受力。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述互连导线的形状包括可延展形状，所述第一电极的形状包括圆形、椭圆形和多边形中的任一种，所述第二电极的形状包括条状和带状中的任一种。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个脑信号检测治疗部件呈阵列式分布。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述多个第一电极和所述多个第二电极呈阵列式分布，且所述第二电极用于连接所述外部设备的一端依次相邻。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述互连导线的宽度小于或等于50μm，所述功能层的厚度小于或等于200nm，所述装置的厚度小于或等于5μm，所述装置的面积小于或等于4cm²。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述形状记忆衬底的转变温度与所述生物体大脑皮层的目标位置的温度相匹配，以使得所述装置以永久形状安装于所述生物体内部。

7.一种柔性可变形降解脑检测治疗系统，其特征在于，所述系统包括：

权利要求1至6任一项所述的柔性可变形降解脑检测治疗装置；

外部设备，通过所述检测治疗装置的多个第二电极与所述检测治疗装置连接，用于执行以下至少一项处理：

获取所述检测治疗装置的第一电极所检测到的检测信号，并根据所述检测信号确定所述生物体的脑信号；

通过所述第一电极将治疗信号作用于目标位置，并通过所述第一电极获取所述目标位置的针对所述治疗信号的生物响应信号，确定治疗效果。

8.一种柔性可变形降解脑检测治疗装置的制造方法，其特征在于，用于制造权利要求1至6任一项所述的装置，所述方法包括：

在基底上依次生成牺牲层和下介电层；

在所述下介电层上制备多个脑信号检测治疗部件，形成功能层，每个脑信号检测治疗部件包括第一电极、第二电极、连接所述第一电极和所述第二电极的互连导线；

在所述功能层上生成上介电层；

对所述上介电层进行刻蚀，形成待转印层；

将所述待转印层转印至印章，并对所述下介电层进行刻蚀，得到刻蚀后待转印层；

将所述刻蚀后待转印层转印至加热后的形状记忆衬底上，形成待定型装置；

将所述待定型装置加热至塑性变形温度，形成柔性可变形降解脑信号检测治疗装置。

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