CN111803216A - 一种支气管手术机器人及支气管手术系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支气管手术机器人及支气管手术系统，属于医疗设备技术领域。本发明的支气管手术机器人包括：柔性导管，包括至少两个控制段；检测部件，所述检测部件包括主体以及活检部，所述主体设于所述柔性导管内，所述活检部从所述柔性导管的端部伸出；至少两组驱动组件，分别驱动对应的所述控制段产生变形，以使所述柔性导管产生预设的运动。本发明的支气管手术机器人，能够提高支气管手术的精准度，降低医务人员的手术难度。

Description

一种支气管手术机器人及支气管手术系统

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种支气管手术机器人及支气管手术系统。

背景技术

支气管镜检查是将细长的支气管镜经口或鼻置入患者的下呼吸道，即经过声门进入气管、支气管甚至更远端，直接观察气管、支气管甚至更远端的病变，并根据病变进行相应的检查和治疗。在检查的过程中，还会对病患的病灶处进行取样，该取样的方式多为使用粘性较好的物质粘在支气管镜头上，当支气管镜寻找到相应的病灶后，医务人员调动支气管镜将病灶取样。目前，支气管镜检查及取样主要是通过医务人员手工操作器械，对医务人员的要求十分严格，操作过程容易产生误差。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明实施例提供一种支气管手术机器人及支气管手术系统，用于辅助医务人员执行支气管手术，以提高支气管手术的精准度。

第一方面，本发明实施例提供一种支气管手术机器人，包括：

柔性导管，包括至少两个控制段；

检测部件，所述检测部件包括主体以及活检部，所述主体设于所述柔性导管内，所述活检部从所述柔性导管的端部伸出；

至少两组驱动组件，分别驱动对应的所述控制段产生变形，以使所述柔性导管产生预设的运动。

可选地，所述驱动组件包括：

多个驱动电机；

多个法兰盘，所述法兰盘套设于对应的所述控制段上，所述多个法兰盘沿对应的所述控制段的长度方向依次设置；

多个驱动绳，所述驱动绳依次穿过多个所述法兰盘，所述驱动绳的一端与对应的所述驱动电机相连，所述驱动绳的另一端固定设置于所述控制段远离所述驱动电机的一端的所述法兰盘上。

可选地，所述多个法兰盘呈螺线状，所述多个法兰盘依次首尾相连形成弹簧装。

可选地，还包括机械臂，所述机械臂与所述柔性导管相连，所述机械臂包括：

高度调节臂，在高度方向可升降；

水平调节臂，与所述高度调节臂相连，所述水平调节臂相对所述高度调节臂可在水平面上转动；

角度调节臂，分别与所述水平调节臂以及所述柔性导管相连，所述角度调节臂可沿自身轴线转动。

第二方面，本发明实施例提供一种支气管手术系统，包括如上所述的支气管手术机器人。

可选地，还包括：

磁感圆环，设置于所述柔性导管的端部；

手术平台，所述手术平台内设置有与所述磁感圆环相对应的磁定位系统。

可选地，所述柔性导管上设置有传感组件，所述传感组件包括：

弯曲传感器，检测所述柔性导管的弯曲度；

微力传感器，检测所述柔性导管的受力大小；

OCT探头，获取所述活检部的末端距离待取样组织之间的距离。

可选地，还包括操作臂，与所述驱动组件相连。

可选地，所述操作臂内设置有约束部件，所述约束部件与所述传感组件相连。

可选地，还包括显示装置，所述显示装置与所述传感组件相连。

本发明的有益效果：

本发明公开了一种支气管手术机器人，包括：柔性导管，包括至少两个控制段；检测部件，所述检测部件包括主体以及活检部，所述主体设于所述柔性导管内，所述活检部从所述柔性导管的端部伸出；至少两组驱动组件，分别驱动对应的所述控制段产生变形，以使所述至少两个控制段的变形合成为预设的运动。本发明的支气管手术机器人，在进入患者的气管、支气管甚至更远端的过程中，至少两个控制段在对应的驱动组件的驱动下，分别产生变形，各个控制段的变形最终形成柔性导管整体的合运动，从而能够精准的控制柔性导管伸入到患者的气管、支气管甚至更远端，检测部件在柔性导管伸入到病灶处后，沿着柔性导管伸入到患者病灶处，活检部从柔性导管的端部伸出，以执行对患者病灶处的取样。本发明的支气管手术机器人，能够提高支气管手术的精准度，降低医务人员的手术难度。

附图说明

本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的支气管手术系统的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的支气管手术机器人的柔性导管部分的结构示意图；

图3是本发明实施例的支气管手术机器人的柔性导管一个状态的结构示意图；

图4是本发明实施例的支气管手术机器人的柔性导管另一个状态的结构示意图；

图5是本发明实施例的支气管手术机器人的柔性导管的横街面的结构示意图；

图6是本发明实施例的机械臂的结构示意图；

图7是本发明实施例的驱动箱的结构示意图。

其中图1至图7中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1、柔性导管；10、控制段；2、活检部；30、驱动电机；31、法兰盘；32、驱动绳；33、驱动箱；34、卡扣；35、驱动绳导管；310、过孔；4、机械臂；40、高度调节臂；41、水平调节臂；42、角度调节臂；50、弯曲传感器；51、微力传感器；52、OCT探头；6、磁感圆环；7、手术平台；70、升降部件；8、操作平台；80、显示装置；81、操作臂。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参照图1至图5，本发明实施例提供一种支气管手术机器人，包括柔性导管1，柔性导管1包括至少两个控制段10；检测部件，检测部件包括主体以及活检部2，主体设于柔性导管1内，活检部2从柔性导管1的端部伸出；至少两组驱动组件，分别驱动对应的控制段10产生变形，以使柔性导管1产生预设的运动。

在进行支气管手术时，首先将柔性导管1伸入到患者的病灶处，待柔性导管1伸入到预定的位置后，将检测部件伸入到柔性导管1内，并沿着柔性导管1的长度方向延伸，直至检测部件的活检部2从柔性导管1的端部伸出，活检部2用于对患者的病灶处取样，在柔性导管1伸入到预定位置时，柔性导管1通常是处于一定的弯曲状态下，检测部件可以选择为柔性的材质，其在沿着柔性导管1的长度方向伸入的过程中，可以随着柔性导管1的弯曲度而相应地产生变形，可以选择对检测部件进行预弯处理，以方便检测部件在柔性导管1内移动，在活检部2从柔性导管1的端部伸出后，可以在检测部件相对远离活检部2的一端轻微的旋转检测部件，以对活检部2的位置进行细微的调整，使活检部2能够精确地对准患者病灶处。

在伸入患者病灶处的过程中，通过驱动组件来对柔性导管1进行控制，以使柔性导管1产生预设的运动，在进入患者病灶处的过程中避免损伤患者体内其他组织。

柔性导管1可以选择为硅胶材质，以具有良好的生物接触性。

本发明实施例中，柔性导管1包括至少两个控制段10，至少两个控制段10沿柔性导管1的长度方向依次设置；驱动组件具有至少两组，其中，驱动组件的数量与控制段10的数量相对应，每个驱动组件用于驱动对应的控制段10，通过多段控制段10的变形集合，使柔性导管1产生预设的变形。

驱动组件包括：多个驱动电机30；多个法兰盘31，法兰盘31套设于对应的控制段10上，所述多个法兰盘31沿对应的控制段10的长度方向依次设置；多个驱动绳32，驱动绳32依次穿过所述多个法兰盘31，驱动绳32的一端与对应的驱动电机30相连，驱动绳32的另一端固定设置于控制段10远离驱动电机30的一端的法兰盘31上。可选地，控制段10远离驱动电机30的一端的法兰盘31位于该控制段10的末端处。本实施例中，在控制控制段10产生一个方向的弯曲时，对应的控制电机20工作，拉紧或放松对应的驱动绳32，使得该控制段10在多个驱动绳32的整体的作用下产生相应的弯曲。基于此，通过至少两个控制段10各自产生变形来集合形成柔性导管1整体的运动，可以提高柔性导管1的运动幅度和角度。

在图1至图5所示出的实施例中，每个驱动组件内，驱动绳32包括三个，对应的驱动电机30的数量也为三个，三个驱动绳32沿柔性导管1周向均匀排布，即相邻两个驱动绳32相差120度，在三个驱动绳32的控制下，该控制段10可以实现三个自由度上的运动。

驱动电机30可以选择为直线电机，直线电机与对应的驱动绳32相连，在直线电机工作时，产生作用力拉紧或放松驱动绳32。

柔性导管1包括两个控制段10。其中，每个控制段10通过三个驱动绳32来控制其产生弯曲。基于此，每个控制段10具有三个自由度，整体柔性导管1具有六个自由度，从而显著提高柔性导管1的运动能力。

此处需要注意，附图中示出而在本说明书中描述的仅仅为能够采用本发明原理的许多手术机器人中的一个示例。应清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的手术机器人的任何细节或手术机器人的任何部件。比如，在不同的实施例中，柔性导管1可以三个、四个甚至更多的控制段10，对于每个控制段10，也可以通过其他数量的驱动绳32以及对应的驱动电机30。

参照图5，示出了本发明实施例的支气管手术机器人的柔性导管的端面结构示意图。如图3，法兰盘31上设置有多个过孔310。其中，部分的过孔310用于供驱动绳32穿过，部分的过孔310用于设置传感组件(详见下文)。比如，在可选地实施例中，过孔310包括九个，九个过孔310分别沿法兰盘31的周向方向设置，其中，选取三个两两相隔120度的过孔310用于供一个控制段10的三个驱动绳31穿过，另外选择三个两两相隔120度的过孔120用于供另一个控制段10的三个驱动绳31穿过，剩下的三个过孔310用于设置传感组件。需要注意，在不同的实施例中，可以在不同的控制段10处，选择采用不同法兰盘31，比如，不同控制段10对应的法兰盘31的数量不一致，但是，优选为法兰盘31采用标准化设计。

在一个实施例中，法兰盘31呈螺线状结构，多个法兰盘31依次首尾相连形成弹簧装。即，针对单个控制段10，位于其上的多个法兰盘31呈螺线状，并依次首尾相连形成的弹簧装。多个法兰盘31相连形成的弹簧装形成一连续的弹性变形的整体，在控制段10变形时一同产生变形，以提高整体的刚度，减小整体的体积。

在可选地实施例中，柔性导管1外侧还设置有封装表面，封装表面将柔性导管1包覆于其内部，封装表面依次将多个法兰盘31连接，在封装表面与柔性导管1的外表面之间形成一空间，供驱动绳32以及传感组件穿过。

本发明实施例的支气管手术机器人还包括机械臂4，机械臂4与柔性导管1相连。在一个实施例中，如图6，机械臂4包括：高度调节臂40，在高度方向上可升降；水平调节臂41，与高度调节臂40相连，水平调节臂41相对高度调节臂40可在水平面上转动；角度调节臂42，分别与水平调节臂41以及柔性导管1相连，角度调节臂42可沿自身的轴线转动。在执行支气管手术时，通过机械臂4调节柔性导管1进入患者口腔的角度。比如，通过高度调节臂40和水平调节臂41分别调节柔性导管1的高度和位于水平面上的位置，使柔性导管1基本对准患者的口腔，通过角度调节臂42调节柔性导管1的角度，以调节柔性导管1进入患者口腔的角度。

本发明实施例的支气管手术机器人还包括驱动箱33，驱动箱33设置于机械臂4上，以随机械臂4的运动而运动，参照图7，多个驱动电机30分别设置于驱动箱33内，驱动箱33上设置有卡扣34，柔性导管1的一端通过卡扣34固定在驱动箱33上，以随驱动箱33的运动而一同产生运动，驱动箱33上还设置有驱动绳导管35，驱动绳32与对应的驱动电机30相连，并通过驱动绳导管35连接柔性导管1。

柔性导管1上还设置有传感组件，以实时获取支气管手术信息。在一个实施例中，传感组件包括：弯曲传感器50，弯曲传感器50设置于柔性导管1上，以检测柔性导管1的弯曲度；微力传感器51，设置于柔性导管1上，以检测柔性导管1的受力大小；OCT探头52，设置于柔性导管1上，以获取活检部2的末端距离待取样组织之间的距离。可选地，在柔性导管1的周向方向上，弯曲传感器50、微力传感器51以及OCT探头52分别对应剩余的三个过孔310设置。

弯曲传感器50的表面是一层特殊的电阻材料，当弯曲传感器受到应力发生弯曲变形时，表面的电阻值发生变化。弯曲的程度越大，电阻值越大。依次为依据可以检测柔性导管1的弯曲程度。弯曲传感器50的安装方式是通过对应的过孔310将所有的法兰盘31串联起来，当柔性导管1的弯曲度发生变化时，弯曲传感器50也会随之发生相同的弯曲度改变。

微力传感器51可以选择为FBG微力传感器。其工作原理为：当仅对光纤施加轴向应力时，光纤将产生轴向应变，应变一方面使得光栅周期变大，光纤芯层和包层半径变小，另一方面将通过光弹性效应改变光纤的折射率，这些都将引起光栅波长的偏移。FBG微力传感器的安装方式为：通过对应的过孔310，一号光栅区紧贴柔性导管1的末端，当活检部2与组织接触时，会产生微笑的形变，引起该光栅波长的偏移，通过FBG解调仪可以将光栅珊区受到的形变调节为受力大小，活检部2与组织的接触力；二号光栅区位于柔性导管1的两段控制段10的相接部分，三号光栅区位于柔性导管1远离活检部2的一端，两者分别用于检测两段控制段10以及柔性导管1远离活检部2的一端的受力情况。

OCT探头52，利用测量光脉冲在样品内部被散射和传播延时时，通过处理，形成高分辨率、深度的图像。OCT探头52的安装方式是通过对应的过孔310，通过术中光学相干断层扫描系统提供软组织解剖学的高分辨率术中成像，生成2D和3D OCT图像，通过计算光纤管与组织之间的距离，获取活检部2末端相对组织的位置。

本发明实施例的支气管手术机器人，采用上述传感组件，实时获取柔性导管1的弯曲信息、柔性导管1各段的受力状况以及活检部2相对组织之间的位置，以为医生提供实时的数据支持。

柔性导管1的末端还设置有磁感圆环6，磁感圆环6用于实时检测柔性导管1末端的姿态信息，以在执行手术时为医生体提供实时的数据支持。

基于上述支气管手术机器人，本发明实施例还提供一种支气管手术系统，包括如上所述的支气管手术机器人。

参照图1，本发明实施例的支气管手术系统包括支气管手术机器人、操作平台8以及手术平台7。支气管手术机器人作为支气管手术的执行部件，操作平台8则为医生的操作端，医生通过在操作平台上进行操作来控制手术机器人执行预设的动作，手术平台7作为患者的支撑平台。

手术平台7可以选择为手术床，进行手术时，患者平躺于手术床上，手术平台7可以选择为设置有升降机构部件70，以提高或降低手术平台7的高度。

在一个实施例中，柔性导管1的末端设置有磁感圆环6，手术平台7内设置有与磁感圆环6相对应的磁定位系统。磁感圆环6与磁定位系统相互配合，在手术时，实时获取柔性导管1末端的位置和角度。具体为：该磁定位系统包括发射器、接收器和数据处理板卡，可以提供接收器相对于发射器的包括位置和姿态在内的六自由度信息，在工作时，发射器不断地发射电磁波，生成覆盖患者上半身的磁场，工作区域可以选择为60*60*60cm，磁感圆环6里的接收器内具有三个相互正交的线圈，磁感圆环6在患者体内运动时，改变了磁铁周围磁场的分布，使穿过线圈的磁通量变化，线圈接收到电磁波时产生电磁感应就可以感知接收在三维空间内的运动轨迹，通过计算三个线圈感应的电磁场场强就可以计算出接收器相对于发射器的位置和角度的信息。

在一个实施例中，支气管手术机器人部分，柔性导管1上设置有传感组件，传感组件包括弯曲传感器50、微力传感器51以及OCT探头52，三个传感器分别对应于法兰盘31的三个过孔310设置。

弯曲传感器50可以实时获取柔性导管1的弯曲信息，医生可以根据柔性导管1的弯曲信息在操作平台部分调整对施加的作用力，同时，通过柔性导管1的弯曲信息，可以得知柔性导管1整体的姿态信息，以便于医生对柔性导管1整体的姿态进行调整。

微力传感器51用于实时获取柔性导管1的受力信息，若柔性导管1的受力过大，则表明可能会造成对患者的损伤，因此，医生通过柔性导管1的受力信息可以对施加的作用力进行调节，该调整包括对某一特定方向过大或过小的力进行相应的减小或增大。

OCT探头52用于实时获取活检部2距离患者取样组织之间的距离，以帮助医生实时对施加作用力进行调整。

在可选地实施例中，操作平台8上设置有显示装置80，显示装置80分别与弯曲传感器50、微力传感器51以及OCT探头52相连，以实时显示相应的信息，帮助医生在操作平台处实时了解手术执行信息。

在可选地实施例中，操作平台8上设置有操作臂81，操作臂81与驱动组件相连，以通过操作臂81控制驱动组件工作，进而控制柔性导管1使其产生预设的运动。

在一个实施例中，操作臂81连接有约束部件(未示出)，约束部还分别与弯曲传感器50、微力传感器51以及OCT探头52相连。约束部件的作用在于，当传感器检测到柔性导管1在某一个方向的力增大时，传感器将该信息反馈给约束部件，约束部件相应地增加操作臂81在该对应的方向上的约束力，当柔性导管1在某一方向上的力过大时，约束部件相应地给操作臂81施加一个很大的约束力，从而限制医生增加医生在该方向上继续移动操作臂81的难度，同时，医生在感知操作臂81的操作约束力增大后，也可以迅速感知到柔性导管1在该方向上的运动出现异常，以便于医生即使调整其操作，保证手术的安全性。

下面，详细介绍本发明实施例的支气管手术系统的操作过程：

在手术前，进行术前检查，建立患者人体三维模型，初步确定检测点，然后进行手术规划，确定柔性导管的运动路线，发送到显示装置，之后，调节机械臂将柔性导管对准口腔，在调整好柔性导管相对口腔的角度后，机械臂带动柔性导管直线、缓慢地进入到患者口腔内；

在柔性导管进入到患者口腔内后，磁定位系统与磁感圆环相互配合实时检测柔性导管的末端的姿态；弯曲传感器实时检测柔性导管的弯曲度信息，微力传感器实时检测柔性导管各部分的受力情况，OCT探头实时获取活检部与待取样组织之间的距离，对三种传感器所获取的信息进行分析，确定柔性导管的运动路径是否正确，匹配度如何，并将检测的信息反馈到显示装置上；

医生按照预先设定的运动路径操作操作臂，以控制驱动电机，六个直线电机驱动对应的驱动绳，以对柔性导管的位置和姿态进行调整，从而控制柔性导管进入对应的腔道内，并选择正确的分叉口运动，实现柔性导管在肺部支气管内的运动控制，用于实现柔性导管在预定运动路线上行走。其中，微力传感器实时检测柔性导管的受力大小，若受力过大，则将其反馈在操作臂上，增加操作臂的阻尼，限制医生的操作，医生根据该增加的阻尼可选择对操作进行修正；

到达检测点后，通过柔性导管上的传感器复核确认，从而精确选择检测点，最终判断是否达到预设规划的目标检测点，再通过OCT传感器对柔性导管达到位置的前端肺部组织进行检测复核，并对肺部检测点的肺部情况进行初步诊断。在确认该检测点为目标检测点后，锁定柔性导管以及驱动组件，同时，磁定位系统、磁感圆环相互配合，以及传感组件继续工作，实时监测柔性导管是否保持锁定位置。确定柔性导管处于锁定位置后，活检部从柔性短管的端部伸出，对目标检测点进行取样，取样后，活检部收缩；

最后，解除对柔性导管的锁定，按照预设规划的路径将柔性导管从患者支气管内退出。

本发明实施例的支气管手术系统具有如下优点：

1、支气管手术过程中，对患者目标组织的取样更加精确，取样更加容易；

2、医生在执行手术操作前，可以预先根据规划的路径进行训练，提高了医生手术时的熟练度，便于医生更精准地执行整个手术过程；

3、手术过程中可以实时获取位于患者体内部分的执行部件的受力、姿态以及位置信息，有助于帮助医生实时对手术的突然状况进行应对，显著地提高了手术的安全性；

4、取样前后，柔性导管以及相应的驱动组件能够保持锁定的状态，便于活检部精准取样目标检测点的组织，并且，在取样以及后续退出的过程中，能够避免活检部与患者内部其他组织以及支气管手术机器人的其他部件碰触，确保整个取样过程中所取样的样本不会受到污染。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种支气管手术机器人，其特征在于，包括：

柔性导管，包括至少两个控制段；

检测部件，所述检测部件包括主体以及活检部，所述主体设于所述柔性导管内，所述活检部从所述柔性导管的端部伸出；

至少两组驱动组件，分别驱动对应的所述控制段产生变形，以使所述柔性导管产生预设的运动。

2.根据权利要求1所述的支气管手术机器人，其特征在于，所述驱动组件包括：

多个驱动电机；

多个法兰盘，所述法兰盘套设于对应的所述控制段上，所述多个法兰盘沿对应的所述控制段的长度方向依次设置；

多个驱动绳，所述驱动绳依次穿过多个所述法兰盘，所述驱动绳的一端与对应的所述驱动电机相连，所述驱动绳的另一端固定设置于所述控制段远离所述驱动电机的一端的所述法兰盘上。

3.根据权利要求2所述的支气管手术机器人，其特征在于，所述多个法兰盘呈螺线状，所述多个法兰盘依次首尾相连形成弹簧装。

4.根据权利要求1所述的支气管手术机器人，其特征在于，还包括机械臂，所述机械臂与所述柔性导管相连，所述机械臂包括：

高度调节臂，在高度方向可升降；

水平调节臂，与所述高度调节臂相连，所述水平调节臂相对所述高度调节臂可在水平面上转动；

角度调节臂，分别与所述水平调节臂以及所述柔性导管相连，所述角度调节臂可沿自身轴线转动。

5.一种支气管手术系统，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一项所述的支气管手术机器人。

6.根据权利要求5所述的支气管手术系统，其特征在于，还包括：

磁感圆环，设置于所述柔性导管的端部；

手术平台，所述手术平台内设置有与所述磁感圆环相对应的磁定位系统。

7.根据权利要求5所述的支气管手术系统，其特征在于，所述柔性导管上设置有传感组件，所述传感组件包括：

弯曲传感器，检测所述柔性导管的弯曲度；

微力传感器，检测所述柔性导管的受力大小；

OCT探头，获取所述活检部的末端距离待取样组织之间的距离。

8.根据权利要求7所述的支气管手术系统，其特征在于，还包括操作臂，与所述驱动组件相连。

9.根据权利要求8所述的支气管手术系统，其特征在于，所述操作臂内设置有约束部件，所述约束部件与所述传感组件相连。

10.根据权利要求7所述的支气管手术系统，其特征在于，还包括显示装置，所述显示装置与所述传感组件相连。

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