CN114768418A - 一种生化仪防污染过滤系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物生化实验医疗卫生技术领域，具体涉及一种生化仪防污染过滤系统及控制方法，包含处于负压环境的工作台，所述工作台顶部包含顶板，所述顶板的上方为系统的盖板，所述顶板与盖板之间形成负发生压腔，所述负压发生腔包括出风口和进风口；还包括设置于负发生压腔进风口的风机以及设置于负压发生腔出风口的过滤器，所述负压发生腔用于为所述工作台提供负压环境；其有益效果为：本发明提出了一种生化仪防污染过滤系统，通过工作台上方位置的负压发生腔在工作台的区域产生负压，配合过滤网的过滤将内部可能存在的污染物进行滤除，保证整个工作台不至于受到气溶胶的污染，也保证了仪器具有对于外部环境污染更小的效果。

Description

一种生化仪防污染过滤系统及控制方法

技术领域

本发明涉及生物生化实验医疗卫生技术领域，具体涉及一种生化仪防污染过滤系统及控制方法。

背景技术

随着快速疾病检测、基因测序、高通量生物制药等领域的快速发展，人们需要在短时间内处理大量的生物样本，传统手段多采用手动处理，成本高、耗时长，且存在人工操作参与较多时可能存在的污染风险高等问题。随着自动化控制技术的发展，用于处理生物样本的自动化操作平台代替繁琐的人工劳动已成为生物生化、医疗领域发展的趋势。其中核酸检测作为一种常规的分子生物学技术，广泛应用在疾病控制、临床疾病诊断、输血安全、法医学鉴定、环境微生物检测、食品安全检测、畜牧业和分子生物学研究等多种领域。自1985年首次发表论文以来,聚合酶链反应已转变为无数种方法和诊断分析方法。特别是对于血液遗传病，感染性疾病和遗传背景分析，荧光PCR技术已经成为不可或缺的基本技术。然而，在处理核酸样本作业中，存在不可忽视的气溶胶污染问题，容易导致检测结果的假阳性，因此，开发一种适用于自动化生物样本处理设备的防污染系统成为分子诊断领域的一个迫切需要解决的问题。

CN212293545U专利文献公开了一种应用于核酸提取纯化设备的防污染洁净系统，通过在设备外壳外设置导风罩、风扇和过滤片，工作时风扇向设备外排气，从而在导风罩与过滤片之间形成负压舱，使得空气只能从两侧的过滤片进入隔离舱室内，保证了核酸提取区的洁净度，提供了一个减少气溶胶污染的洁净解决方案，但导风罩和隔离舱的设计导致设备体积庞大，不适用于生化仪等自动化操作平台，并且该设计未进行整流等优化操作，可能造成污染物滤除不彻底与负压分布不均匀等问题。CN207130244U专利文献公开了一种工作站防污染过滤系统，通过在工作站的左、右侧板上分别安装进气滤网和排气滤网，并在排气滤网上安装排气风扇，当工作站运行维护时，排气风扇向外抽气，使得整个系统形成一个封闭的空气循环通路，待抽吸结束后可有效清除工作站中残留的气溶胶等污染物，但这种普通形式的排风由于缺少智能化控制，无法满足实验整体的负压调整和洁净要求，负压方案中也并不一定采用最高或者预设固定转速就能达到最优效果，因为持续过大风机转速可能造成污染物吸附过滤不充分而造成额外污染，并且持续高转速将导致更大噪音使得原本繁重的工作状态下操作人员或者维护人员不能高效持续输出可靠结果，不同场景下用户可能需要调整所需负压也是需要被满足的需求。

因此，如何满足分子诊断等生物生化、医疗领域内自动化设备的智能化防污染控制需求，是本领域亟待需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种生化仪防污染过滤系统及控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种生化仪防污染过滤系统，其特征在于：包含处于负压环境的工作台，所述工作台顶部包含顶板，所述顶板的上方为系统的盖板，所述顶板与盖板之间形成负压发生腔，所述负压发生腔包括出风口和进风口；还包括设置于负发生压腔进风口的风机以及设置于负压发生腔出风口的过滤器，所述负压发生腔用于为所述工作台提供负压环境。

优选的，所述风机的出风口与所述过滤器之间包含预设的整流通道，用于使所述风机送出的气流充分发展，以更均匀地经由所述过滤器流入外界环境。

优选的，还包括设置于工作台顶板的风压传感器，以及电性连接所述风机和所述风压传感器的控制器。

优选的，所述控制器包含由负压参数关联的所述风机转速控制单元。

优选的，所述风机转速控制单元由预设负压参数和/或所述风压传感器获取的当前负压参数进行所述风机转速的控制。

优选的，所述控制器还包含故障诊断单元，能通过所述风机运转过程中的电流、电压等至少之一参数判断所述风压传感器是否正常。

优选的，所述过滤器为HEPA高效过滤网。

一种使用上述生化仪防污染过滤系统的控制方法，其特征在于，包含预设负压获取单元获取预设负压参数，所述控制器以与所述预设负压参数相关联的第一模式调整所述风机转速至第一目标转速，所述风压传感器获取所述工作台内的当前负压参数并输出。

优选的，所述第一模式为与使用时间、使用环境洁净度、出风口堵塞状况等至少之一相关联的自适应调整的关联模式。

优选的，所述风压传感器获取所述工作台内的当前负压参数能作为所述风机转速调整的控制参数，所述控制器以当前负压参数调整所述风机以不同于所述第一目标转速的转速运转。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明提出了一种生化仪防污染过滤系统，通过工作台上方位置的负压发生腔在工作台的区域产生负压，配合过滤网的过滤将内部可能存在的污染物进行滤除，保证整个工作台不至于受到气溶胶的污染，也保证了仪器具有对于外部环境污染更小的效果；进一步通过预设的整流通道使得经过风机的气流在其中充分发展从而形成较稳定的流动状态，从而保证所述风机出风可以更均匀地经过所述过滤器，一方面保证了更高的过滤效率，另一方面也保证了系统设计的流动阻力最优化设计更好地符合流动特性。

2、本发明通过配合的控制器和风压传感器设置，可以建立工作台区域所需负压与风机运转转数的关系，从而实现仪器内部负压可以按照需求设置的效果，进一步该运转关系模式可以与仪器使用时间、使用环境洁净度、出风口堵塞状况等至少之一建立自适应的修正关系保证了仪器能够始终工作在最高效的控制状态下。

3、配合的风压传感器能获取所述工作台内的当前负压参数，并且控制器能以当前负压参数调整所述风机以不同于所述第一目标转速的转速运转，从而保证了仪器能够具备自校准型控制而非呆板地始终以预设模式运行，进一步控制器还包含诊断模式能够判断风压传感器是否能够正常工作，并且在传感器异常的状态下控制器仍能以预设模式控制风机正常运转，保证了系统的可靠性。

附图说明

为了更加清晰的理解本发明，通过结合说明书附图与示意性实施例，进一步介绍本公开，附图与实施例是用来解释说明，并不构成对公开的限定。

图1是本发明所提供的一种包含防污染过滤系统的生化仪示意图一；

图2是本发明所提供的一种包含防污染过滤系统的生化仪示意图二；

图3是本发明所提供的一种防污染过滤系统的组成示意图；

图4是本发明所提供的一种可拆卸的出风口结构示意图；

图5是本发明所提供的一种防污染过滤系统的空气流动示意图；

图6是本发明所提供的一种预设负压与风机运行转速的第一模式关系示意图；

图7是本发明所提供的一种风机转速控制流程示意图；

图8是本发明所提供的一种配合使用的终端GUI交互界面示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例1

本实施例的一种生化仪防污染负压过滤系统适用于生物、生化实验，疾病诊断等方向，例如可以为核酸工作站或移液工作站等样本处理自动化操作平台，其具体结构如下：

如图1与图2所示，包括左侧板、右侧板2、前侧板1、后侧板3、底板和顶板4，四个所述侧板围绕工作平台四周形成工作室，其内部设置的工作台可以为核酸提取和/或样本移液工作台，顶板4位于四个侧板上方，使得工作室形成良好的气密性，如此当顶部的负压发生腔工作时，能保证整个工作台处于负压的环境中。

为了减少液体样本处理过程中的气溶胶污染，所述工作室的顶板4上方为仪器的盖板5，所述顶板4与盖板5之间形成负发生压腔，负发生压腔内设置一定数量的风道(图中未示出)用于连接外界环境与工作室内环境，所述风道的进风口朝向工作站内工作平台，风道的出风口朝向工作站外界环境。当负压发生腔工作时，使得工作室内的气压低于外界环境气压，从而将工作台周围的空气动态化地更新，即使内部操作过程中产生少量的气溶胶，负压环境也使得空气由工作室外部环境的高压侧流向工作室内的低压侧，从而实现了工作台新风的补给，可能遭受污染的空气被负压发生腔内部的过滤器8所处理达到了减少工作室内气溶胶污染的目的。为了保证过滤网8的可拆卸性与维护性方便的目的，出风口6与仪器盖板5采用可拆卸的结构进行连接，例如利用螺钉连接，铆接，卡接等等方式，当出风口6与仪器盖板5分离时可直接从盖板5的缺口处方便地去除过滤网8进行更换或者维护。

图3中生化仪防污染过滤系统还包括设置在负发生压腔进风口处的风机7，所述风机7通过螺钉固定在顶板4上。风机7的数量可以根据工作站的容积以及实验要求设置，为了维持相对较好的负压环境，本实施例在负压腔室内等距离设置三个风道，并在每个风道的进风口处分别设置风机7，当然本发明设置三个独立的风机形成并排的三个风道可以保证系统的工作可靠性更高，当之一风机发生故障时其他风机可正常或者增加运转转速来保障工作台负压环境基本稳定，同时控制器可以利用异常电机的工作电流、电压等工作参数来给出风机故障的判定并进一步可给出警报信息，可以告知用户故障内容也保证了正在进行的工作不至于中断或者停止。在这里，为了达到向工作站外动力排风以形成工作室负压环境的效果，本实施例中风机7选择离心风机，气体在离心力的作用下甩出并改变流向(例如可以选择最常用的中心设置进气口而圆周切向设置出风口的离心风机)，从负压腔的进风口排出空气，空气在叶轮与蜗壳之间实现能量转化，从而使得空气获得更高的动能并且具有更大的静压头，通过过滤器8排出至环境中，而外界新风可以通过仪器各处缝隙在内外压差的作用下补入到工作台内部，如此出现了整个的动态平衡，保证了仪器工作台能够在工作中始终处于负压状态下，从而实现了在工作台中的操作能最大限度地避免气溶胶污染风险。

为了在风机7排气的过程中有效过滤掉工作室内实验产生的气溶胶、有害颗粒等污染物，还可以在负压腔的出风口处设置高效过滤器，避免空气的污染。本实施例中，采用HEPA高效过滤网8，所述HEPA高效过滤网8通过螺钉固定在顶板4上，当然也可以采用其他方式可拆卸地设置，过滤网可采用单面或双面金属网进行强化，当然也可以通过设置金属条等进行固定以保证高效的过滤效果。所述HEPA高效过滤网8是指符合GB/T 13554-2008《高效空气过滤器》、GB/T 14295-2008《空气过滤器》、JB/T 6417-1992《空调用空气过滤器》、GB/T 6165-2008《空气过滤器性能试验方法过滤效率和阻力》，检测方法包括钠焰法、油雾法和计数法三种，以钠焰法为基准方法的高效过滤网，此处的过滤等级并不限定，例如可以选择G4等级的过滤网，当然本发明的风机为离心风机因此可以适配更高等级的过滤网从而实现更好的过滤效果同时保证了出风的畅通性。同时，为了对工作站室内进行有效消杀，顶板4的两侧并列设置紫外消毒灯12用以祛除气溶胶中可能存在的病毒，紫外消毒灯12也可以为多个并联设置，当然为了更好地确保杀菌消毒作用可进一步地在风机与过滤网之间设置紫外消毒灯此处并不限定。

经HEPA高效过滤网8过滤后的气体经设置于所述盖板5上的过滤器出风口6排出扩散，如图4所示，所述过滤器出风口6的开口朝向后侧板方向，避免实验人员直接吸入或接触气体，同时利用凸出的帽型设计可以保证即使出风口上被堆积有东西，出风依然可以比较顺利地进行，不至于产生顶部存在堆积物的情况下机器无法运转的状况，当然此时可以依靠仪器内部设置的风压传感器来获取内外压差关系从而判定出风口是否堵塞等状况，并给出警告信息。

本实施例中，当工作站工作时，三个风机7同时启动向外鼓风，转速可调整为3500rpm，每分钟风量可达1m³，这样整个工作站内就形成负压环境，保证空气有序流向，同时辅以HEPA高效过滤网8用于排气过滤，工作室产生的固体颗粒物、细菌及气溶胶等污染物可被清除干净。

优选地，为了实时控制工作室内的负压并维持在一定范围内，所述负压系统还设置有用以检测工作室内与外界大气环境气压值的风压传感器9，所述风压传感器9设置在顶板4内，并与设置在顶板4的两个气孔相连，气孔一10朝向工作站室内，用以探测内部气压(优选地所述气孔一10与所述风机的入口存在预设的间距，从而保证其能够更真实地反映出工作台周围的真实负压)；气孔二11朝向外部环境，用以探测外界大气气压(优选地所述气孔二设置在非顶板的后侧板位置，如此保证了取压口最大限度避免受到所述出风口6的影响保证了检测的准确性)。风压传感器9电性连接控制器，可将检测到的压差输出为电信号并发送至控制器(图中未示出)，并且控制器电性连接风机控制风机转速，直至工作室内压差满足要求为止。

本实施例中，风压传感器9连接控制器的信号输入接口，风机7连接控制器的信号输出接口，所述控制器可采用PLC控制器，风压传感器9将采集到的压差经计算处理后转化成电压或电流信号传递至控制器，控制器根据实验设定的压差范围按控制程序实时调节风机排风量，防止污染物扩散。此外，本实施例中工作站还设置有交互装置(图中未示出)用以实时显示当前工作运行状态和负压数据，所述交互装置与控制器相连，交互装置可以为电容屏类型的控制终端例如Pad，其可设置在仪器中构成仪器的一部分，当然也可以通过网络构建连接至用户的手机终端进行控制此处并不限定。

图5示意了本发明提供的生化仪防污染过滤系统在工作中空气流动示意图，工作中仪器的风机7转速控制单元由预设负压参数和/或所述风压传感器获取的当前负压参数进行所述风机转速的控制，在风机的作用下工作台14周围的空气在负压的作用下被吸入风机的入口，在其中通过风机电机输出的能量传递至空气，从而提升了其速度压头和静压头，在所述风机7的出风口与所述过滤器8之间包含预设的整流通道13，用于使所述风机送出的气流充分发展，以更均匀地经由所述过滤器流入外界环境，可以通过数值模拟(CFD仿真计算)计算出该预设整流通道的容积等等参数，如此可以将风机出风口形成的紊流涡进行规整使得整个流动的湍动耗散最大限度减少，当然此处可以利用耗散系数来优化预设整流通道13的具体参数设计，尤其是对于本发明的多风机并行运行的场景而言，由于不同风机本身运行差异更有必要优化设计预设的整流通道13，最优地本发明的多风机出口之间通道不设置任何物理隔板，如此可以利用不同风机出风口送出风的差异在预设整流通道13内充分相互作用，从而实现自整流效果，如此也实现了流动湍动耗散最小的设计，使得出风能够更均匀地分配到过滤器8的各个地方，如此也保证了过滤器的最大过滤效果，过滤之后的气流经过出风口6被排出设备之外，配合控制器所采用的预设控制方法，保证了系统最大效率地在风机入口产生最佳的负压值，环境的新风可通过仪器的各处间隙补充进入仪器内部，从而动态地更新工作台14周围环境，最大限度降低了气溶胶污染风险，当然在整流通道13中可额外设置紫外灯进行杀菌，进一步降低污染的可能性。

图6为本发明的风机运转转速与负压关系示意图，本发明的控制器包含由负压参数关联的所述风机转速控制单元，所述风机转速控制单元由预设负压参数和/或所述风压传感器获取的当前负压参数进行所述风机转速的控制，其中风机转速可以与预设负压之间存在如图6a所示的线性关系C01例如其关系可以为预设负压ΔP＝k₁*r+β₁，其中r为风机转速，此可以理解为控制器以与所述预设负压参数相关联的第一模式调整所述风机转速的依据，第一模式为线性关联模式，随着使用时间的增加或者其他一些状况的出现，所述第一模式与使用时间、使用环境洁净度、出风口堵塞状况等至少之一具有关联关系，此时控制器可以自适应地修正运转的第一模式为另一线性关系C02，例如表示为ΔP＝k₂*r+β₂。当然此处控制器也可以自适应地修改为非线性关系C03，例如可表示为ΔP＝f₁(r，δ)的形式，其中δ为修正变量可以实验获得而预置于控制器内，当然此处的关联关系中控制参数自变量和因变量可以为无量纲化后的物理量此处并不限定。当然也可以如图6b所示，实验中采用非线性的关联关系C04作为初始的第一模式，控制器以与所述预设负压参数相关联的非线性第一模式调整所述风机转速的依据，随着使用时间和使用环境等的改变该第一模式可以自适应地修正为线性的C05模式或者依旧保持为非线性形态的C06类型，此处并不限定。当然预设负压参数可以由任何终端输入系统中，此种预设负压参数控制可以作为系统的阶段性控制依据也可作为全程控制依据，当然在一种更优的实施方案中所述风压传感器获取所述工作台内的当前负压参数能作为所述风机转速调整的控制参数，所述控制器以当前负压参数调整所述风机以不同于所述第一目标转速的转速运转，此种情况出现在一些例如出风口部分被堵塞导致出风非理想的条件下，此时控制器能配合风压传感器获取的工作台的前负压参数，在此基础上实现两者的配合从而调整负压参数达到或者接近用户设定的预设负压参数。当然控制器还包括故障诊断单元，一方面可以通过电机电流电压等参数来判断系统是否存在堵塞，风机运行是否正常等参数，另一方面也可以配合风压传感器对于一些特殊的故障状态进行判断，例如风压传感器是否正常，系统风阻是否过大等等问题，此时若出现部分风机损坏不能正常运转，控制器可控制其他正常工作的风机转速以最大限度地维持工作台的负压，当然若风压传感器处于故障状态，此时风机可被按照系统内存储的第一模式继续控制保证了在操作过程中不会出现因为某个部件故障而导致实验中止或中断的情况，最大限度地保障了系统的可靠性，其余场景不再进行列举阐述。

如图7所示，本实施例提供一种负压控制方法，所述负压控制方法由所述的负压过滤系统实现，具体工作流程包括：

S1获取风压传感器检测到的仪器内外压差值；

优选地，风压传感器采集两个气孔探测到的工作室内以及外部环境的气压差值。

S2风压传感器反馈信号至控制器；

优选地，本实施例的风压传感器同时具有信号采集和信号处理功能，经过对传感器的偏移、灵敏度和非线性进行补偿后，直接输出经过校准、温度补偿后的数字信号，其他实施例中也可以选择其他传感器模块，输出模拟信号经处理模块转换为数字信号后反馈至控制器。

S3控制器根据预设负压范围执行相对应的控制程序调节风机转速；

优选地，控制器在接收到负压传感器反馈的信号后，根据实验所属的预设负压范围选择相对应的调节量，并发送执行指令至风机，风机调整转速直至负压维持在预设范围内。

本实施例中，控制器可以选择PLC控制器，采用压差闭环控制算法动态调节风机转速。另外，将实验设定的负压值划分为-10Pa～-6Pa/-6Pa～-3Pa/-3Pa～0Pa等多段范围，控制器根据反馈的信号选择程序相对应的调节范围，经压差闭环控制算法计算后发送执行指令至风机电机，调节风机转速直至工作站的负压维持在实验程序所对应的范围内。

即：

设定-10Pa～-6P控制，调节风机转速直至维持工作站内外压差在-10Pa～-6Pa范围；

设定-6Pa～-3Pa控制，调节风机转速直至维持工作站内外压差在-6Pa～-3Pa范围；

设定-3Pa～0Pa控制，调节风机转速直至维持工作站内外压差在-3Pa～0Pa范围。

其他实施例也可以根据实验程序需要，设定不同的负压值及划分不同的负压范围(例如-20Pa-0Pa的被控范围等)，使得工作站负压维持在程序所设定的范围内，上述均属于本发明的保护范围。

S4控制器反馈交互装置显示当前工作状态及实时数据；

优选地，为了便于实验者查看工作站运行状态及相关操作，仪器还设有与控制器相连的人机交互装置，本实施例中交互装置采用触摸显示屏，可显示检测到的传感器数据及设定的实验程序。实验者可以通过交互装置启动负压控制程序，以实现工作站的负压环境。如图8所示，实验者通过在触摸显示屏操作运行程序，并获取信号接口所接收的实时传感数据。当然上述控制过程中用户输入的负压需求可直接理解为预设负压，从而将本实施例中阐述的多段控制关系转化为线性或者非线性的第一模式来预先控制风机转速，而在过程中如果出现第一模式控制下始终无法达到用户设定负压需求的情况，此时风压传感器的值可被使用作为风机转速的调整依据，从而逼近甚至达到用户设定的负压需求，此处并不限定。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种生化仪防污染过滤系统，其特征在于：包含处于负压环境的工作台，所述工作台顶部包含顶板，所述顶板的上方为系统的盖板，所述顶板与盖板之间形成负压发生腔，所述负压发生腔包括出风口和进风口；还包括设置于负发生腔进风口的风机以及设置于负压发生腔出风口的过滤器，所述负压发生腔用于为所述工作台提供负压环境。

2.根据权利要求1所述的一种生化仪防污染过滤系统，其特征在于：所述风机的出风口与所述过滤器之间包含预设的整流通道，用于使所述风机送出的气流充分发展，以更均匀地经由所述过滤器流入外界环境。

3.根据权利要求1所述的一种生化仪防污染过滤系统，其特征在于：还包括设置于工作台顶板的风压传感器，以及电性连接所述风机和所述风压传感器的控制器。

4.根据权利要求3所述的一种生化仪防污染过滤系统，其特征在于：所述控制器包含由负压参数关联的所述风机转速控制单元。

5.根据权利要求4所述的一种生化仪防污染过滤系统，其特征在于：所述风机转速控制单元由预设负压参数和/或所述风压传感器获取的当前负压参数进行所述风机转速的控制。

6.根据权利要求3所述的一种生化仪防污染过滤系统，其特征在于：所述控制器还包含故障诊断单元，能通过所述风机运转过程中的电流、电压等至少之一参数判断所述风压传感器是否正常。

7.根据权利要求1所述的一种生化仪防污染过滤系统，其特征在于：所述过滤器为HEPA高效过滤网。

8.一种使用权利要求3所述的生化仪防污染过滤系统的控制方法，其特征在于，包含预设负压获取单元获取预设负压参数，所述控制器以与所述预设负压参数相关联的第一模式调整所述风机转速至第一目标转速，所述风压传感器获取所述工作台内的当前负压参数并输出。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述第一模式为与使用时间、使用环境洁净度、出风口堵塞状况等至少之一相关联的自适应调整的关联模式。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述风压传感器获取所述工作台内的当前负压参数能作为所述风机转速调整的控制参数，所述控制器以当前负压参数调整所述风机以不同于所述第一目标转速的转速运转。

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