CN117481835A - 一种外视镜系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种外视镜系统,其包括:台车、机械臂、照明装置、图像获取装置、图像显示装置;台车包括存储器、处理器;照明装置包括一个或更多个照明单元;图像获取装置包括物镜组件和至少一个成像单元;经第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和第二偏振器的偏振方向之间的夹角设置为预定值,或者经第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和第二偏振器的偏振方向之间的夹角可以调节从而改变第一光电转换器接收到的光线强度;机械臂的第一端部与台车连接机械臂的第二端部与图像获取装置连接,通过机械臂可以调控所述图像获取装置的位置;图像显示装置可以展示所述图像获取装置得到的图像信息。
Description
技术领域
本申请涉及医疗器械领域,更具体地,涉及一种外视镜系统。
背景技术
成像技术的进步对于手术外科的发展具有重要贡献,对术区进行照明和放大,是完成外科手术的有力辅助。然而在成像过程中,由于组织液或者其他液体(生理盐水等)、手术工具的存在,导致照明过程中产生局部过亮的区域(即镜面反射导致的过曝),会导致无法清晰的看到术区,干扰医生的判断,阻碍手术进行。由于手术过程中术区环境复杂,存在组织液,血液,器官血管膜层等一系列可能对照明光造成反射的区域,导致医生在使用过程中图像会有很多眩目的光斑,这大大影响了手术的准确性和安全性。
目前,通常通过改变照明强度和方向,或者算法图像处理的手段,把超过阈值的光消除,但是现有手段降了手术的可靠性,容易丢失重要的信息。所以表面局部过曝给医生手术和算法识别造成的困难并没有得到解决。
为了解决或部分解决以上问题,本发明提供了一种消除反光的外视镜系统及其使用方法。
发明内容
为解决上述技术问题,本申请提供了一种外视镜系统,其包括:
台车、机械臂、照明装置、图像获取装置、图像显示装置;
所述台车包括存储器、处理器;所述存储器可以存储程序代码和数据,所述处理器可以调用所述程序代码;
所述照明装置包括一个或更多个照明单元,所述照明单元包括照明组件和第一偏振器;
所述图像获取装置包括物镜组件和至少一个成像单元,至少一个所述成像单元为可见光成像单元,所述可见光成像单元包括聚焦镜组、第二偏振器、和第一光电转换器;
经所述第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和经所述第二偏振器的偏振方向之间的夹角设置为预定值,或者经所述第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和经所述第二偏振器的偏振方向之间的夹角可以改变从而调节所述第一光电转换器接收到的光线强度;
所述机械臂的第一端部与所述台车连接,所述机械臂的第二端部与所述图像获取装置连接,通过所述机械臂可以调控所述图像获取装置的位置;
所述图像显示装置可以展示所述图像获取装置得到的图像信息。
本发明的外视镜系统中,偏振器包括偏振片,第一偏振器包括偏振片且第二偏振器包括偏振片。
可选地,在一些实施例中,第一偏振器的偏振片和所述第二偏振器的偏振片分别设置为预设的偏振方向,将经所述第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和所述第二偏振器的偏振方向之间的夹角设置为预定值。即第一偏振器和第二偏振器在一起生产阶段已经安装调试到最佳位置,在使用过程中无需调整即可使用。该夹角可以对过曝的光线进行较大幅度的衰减,而对其他光线只有很少的衰减,从而消除过曝造成的影响,使得视野内的目标区域基本不受过曝影响。
可选地,在一些实施例中,述第一偏振器和/或所述第二偏振器还包括调节单元,调节单元用于调节对应的偏振片的偏振方向,即所述调节单元用于调节经所述第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和所述第二偏振器的偏振方向之间的夹角。
进一步地,各偏振器的调节单元分别选自机械调节结构或液晶偏振旋转器,用于调节对应的偏振片的偏振方向。
可选地,各调节单元是机械调节结构;可选地,各调节单元是液晶偏振旋转器。
可选地,本发明的外视镜系统还包括反馈调节模块,反馈调节模块根据所述第一光电转换器接收到的光线强度通过调节单元反馈调节经所述第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和第二偏振器的偏振方向之间的夹角。
进一步地,调节可以通过手动调节、自动调节、或自动调节加手动调节来进行。
手动调节使得使用者可以根据个人对画面亮度的需求进行手动调节,通过脚踏、手柄、声控、手势等多种方法发出指令,进行调节。
处理器执行自动调节的步骤包括:
A、对图像获取装置采集到的图像进行分析,判定是否有过曝;
B、在出现过曝的情况下,通过调节单元调节照明装置的第一偏振器和/或图像获取装置的第二偏振器,直至目标范围内过曝比例低于阈值。
其中,判定可以仅对目标区域进行,例如根据视野区域内的中心区域进行判定。
或者通过混合调节模式,即自动调节加手动调节来进行,先通过自动调节,然后使用者再根据自己的需求进行个性化的调节。
可选地,在同一类偏振器之间设置有联动结构,所述联动结构使得所述同一类偏振器的偏振方向保持相同。进一步地,所述联动结构是机械结构或者电子控制模块,当调节单元是机械调节结构时,联动结构是机械结构;调节单元是液晶偏振旋转器时,联动结构是电子控制模块。
可选地,在一些实施例中,照明装置的照明单元围绕所述图像获取装置设置,或者所述照明装置的照明单元与图像获取装置同轴设置;优选地,照明装置的照明单元围绕图像获取装置轴对称设置或中心对称设置。
本发明的图像获取装置包括至少一个可见光成像单元,所述可见光成像单元包括聚焦镜组、第二偏振器、和第一光电转换器;在一些实施例中,图像获取装置包括两个可见光成像单元。进一步地,两个可见光成像单元共用同一第二偏振器。
可选地,本发明的图像获取装置中,物镜组件是可变焦物镜组件。
可选地,本发明的图像获取装置中,可见光成像单元还包括变倍镜组件。
可选地,图像获取装置还包括至少一个非可见光成像单元,所述非可见光成像单元包括滤光片和第二光电转换器;进一步地,非可见光成像单元还可包括第三偏振器。
本发明的外视镜系统,使用过程中,调节照明装置可以包括调节以下的一个或多个:调节第一偏振器、调节第二偏振器。
在另一些实施例中,本发明的外视镜系统的光源可以是复合光源,即可以产生多种不同波长的光,例如可见光、荧光激发光,荧光激发光照射到目标区域后,目标组织受到激发产生荧光,可见荧光通过可见光成像单元被捕获,非可见荧光可以通过非可见光成像单元成像。
本发明的外视镜系统中,机械臂包括第一端部、第二端部、以及所述第一端部和所述第二端部之间的多个关节和连杆,每个所述关节设置有关节传感器。
可选地,关节传感器包括力传感器和/或角度传感器,力传感器可以感受到外力以及运动中遇到障碍物时受到的阻力。
可选地,机械臂具有7个或更多个自由度,机械臂保持图像获取装置位置不变的情况下,可以改变其他关节和关节臂的空间位置,从而为医师提供方便的操作空间。
机械臂还可以具有位置记忆功能(例如,一键置位/复位),开启时获取此刻机械臂末端的空间位置和姿态并记录,在被拖拽或执行其他操作之后,再次按键,即可将机械臂末端恢复至记录的位置和姿态。
本发明方法的优点包括但不限于以下:
1、能够基本消除照明光反射导致的过曝,使得医生可以不间断的对目标部位进行清楚的观察;
2、可以对偏振器进行调节,从而防止光电转换器接收到的光强过高,可以根据光电转换器接收到的光强或者图像显示装置中目标区域范围中的亮度进行反馈调节,从而使得可以在不同的条件下对目标区域进行清晰的观测,并且提供了多种支持反馈调节的方案;
3、可以自动识别是否过曝,进行自适应的反馈调节,减轻操作负担;
4、可以结合非可见光成像单元(例如荧光成像),提供多模态的图像数据,提升观察效果,在一些情况下,成像单元还可以共用第二偏振器,减小了外视镜系统的体积、成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请中一个实施例提供的外视镜系统的示意图;
图2为本申请中一个实施例提供的外视镜系统局部的示意图;
图3为本申请中一个实施例提供的外视镜系统的示意图;
图4为本申请中一个实施例提供的外视镜系统的示意图;
图标:
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具体实施方式
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,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
本发明提供了一种外视镜系统,包括:
台车、机械臂、照明装置、图像获取装置、图像显示装置;
台车包括存储器、处理器、输入装置;存储器可以存储程序代码和数据,处理器可以调用程序代码;
照明装置包括一个或更多个照明单元,每个照明单元包括照明组件和第一偏振器;
图像获取装置包括物镜和至少一个成像单元,其中,至少一个成像单元是可见光成像单元,每个可见光成像单元包括聚焦镜组、第二偏振器、和第一光电转换器;
经第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和第二偏振器的偏振方向之间的夹角设置为预定值,或者经第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和第二偏振器的偏振方向之间的夹角可以调节从而改变第一光电转换器接收到的光线强度;
机械臂的第一端部与台车连接,机械臂的第二端部与图像获取装置连接,通过机械臂可以调控图像获取装置的位置;
图像显示装置可以展示图像获取装置得到的图像信息。
实施例:
参见图1和图2,图1示意性地示出了外视镜系统的一个实施例的示意图,其中示出了:
台车100,台车100中设置了存储器、处理器、输入装置,台车100还设置有轮子和升降装置,可以通过轮子移动至需要的位置并通过安装在底部非升降装置完成固定,图像显示装置500的一个实例是3D显示器;
机械臂200,其一端与台车100连接,另一端用于连接照明装置300和图像获取装置400,照明装置300和图像获取装置400连接可以称为一个整体。
机械臂200可以有多个关节臂和关节,从而具有多个自由度,例如可以有4个、5个、6个、7个自由度,优选地具有至少6个自由度;机械臂上可以设置一种或多种传感器,例如机械臂末端可以通过法兰设置六维力传感器,也可以在每个关节也设置力传感器和/或角度传感器,从而监测每个关节处的旋转,完成运动控制和感知外力。
在优选实施例中,处理器根据以下模式中的一种模式来控制机械臂:
-自动模式,
-协作模式,
在自动模式中,处理器通过自动计算当前位置与位置设定点之间的轨迹来将机械臂从其当前位置和取向移动到位置设定点和取向设定点,从而使得图像获取装置400移动到需要的位置。
在协作模式中,处理器使机械臂200在操作者施加的力的方向上移动,这些力可以施加在图像获取装置400或施加机械臂200的一个轴上。借助于装配在机械臂200的端部和/或其每个轴的一个或多个传感器来测量和计算这些力。在协作模式中可以整合几何约束,以限制机械臂200的运动,并且因此有助于医疗程序。例如,运动可以约束为在某一区域内、某一区域外、沿某一轴线或曲线、围绕某一点等。约束可以由任何类型的几何形状和相关行为来限定。在协作模式中,处理器控制机械臂200将图像获取装置400放置成预设的位置设定和取向设定。简而言之,拖拽机械臂200末端或与机械臂200末端连接的图像获取装置400,机械臂200可以根据力的大小和方向进行辅助运动,使得机械臂200末端或者图像获取装置400移动到需要的位置。
参见附图2,对一个实例的照明装置300和图像获取装置400进行描述,其中照明装置300包括照明单元301和302,可以理解,照明装置300可以包括其他数量的照明单元,例如1个、3个、4个、5个、6个、7个、8个等,照明单元可以围绕图像获取装置400设置,优选地,可以围绕图像获取装置400设置中心对称设置或轴对称设置;在该实例中照明单元301包括一个照明组件3011和一个第一偏振器3012,照明单元302包括一个照明组件3021和一个第一偏振器3022;图像获取装置400包括物镜401、可见光成像单元402和403,可见光成像单元402包括第一光电转换器4021、第二偏振器4022、聚焦镜组4023,可见光成像单元403包括第一光电转换器4031、第二偏振器4032、聚焦镜组4033;第一光电转换器4021和4031的信号传输至图像显示装置500可以实现对手术区域的3D展示。
在前述实例的基础上,在一些实施例中,偏振器包括偏振片,第一偏振器(3012,3022)包括偏振片且第二偏振器(4022,4032)包括偏振片;第一偏振器的偏振片和第二偏振器的偏振片分别设置为预设的偏振方向,即实现了经第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和第二偏振器的偏振方向之间的夹角设置为预定值。第一偏振器和第二偏振器在一起生产阶段已经安装调试到最佳位置,在使用过程中无需调整即可使用。在成像过程中,照明组件发出的光经第一偏振器调制后输出偏振光,偏振光到达组织后在组织表面产生漫反射被图像获取装置400采集成像,当组织表面因镜面反射产生过曝时,其镜面反射光依然是偏振光,设定夹角的第二偏振器可以对导致过曝的偏振光线进行较大幅度的衰减,而对其他光线只有很少的衰减,从而消除过曝造成的影响,使得视野内的目标区域基本不受过曝影响。
在另一些实例中,第一偏振器和/或第二偏振器还包括调节单元,调节单元用于调节对应的偏振片的偏振方向,即调节单元用于调节经第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和第二偏振器的偏振方向之间的夹角。第一偏振器和第二偏振器可以单独或者同时进行调节。调节单元是机械调节结构或液晶偏振旋转器,用于调节对应的偏振片的偏振方向,每个调节单元的结构可以是单独选择的。
进一步地,在这个实例的基础上,在一些实施例中,第二偏振器4022和4032之间设置有联动结构,可以同步地对所有第二偏振器的角度进行调节。当调节单元是机械调节结构时,联动结构可以是例如铰接结构,同步带、同步链接结构等,可以保证第二偏振器保持相同的偏振方向;调节单元是液晶偏振旋转器时,联动结构是电子控制模块。
在前述实施例的基础上,参照附图3,在一些实施例中,图像获取装置400还可以包括一个荧光成像单元404,荧光成像单404包括滤光片4043和第二光电转换器4041,4024是半透膜,对于荧光波长反射,对于其他波长的光线通过,通过反射结构4044,将组织产生的荧光反射至滤光片4043,确保仅荧光可以到达第二光电转换器4041;可选地,可以在半透膜4024和第二光电转换器4041之间光路的某一位置设置第三偏振器4042(未示出),例如在滤光片4043与第二光电转换器4041之间设置第三偏振器4042,又例如,在半透膜4024与反射结构4044之间设置第三偏振器4042。荧光图像可以与可见光成像单元402叠加成为复合图像,然后可见光成像单元403的图像再与复合图像生成显示荧光图案的三维图像。
参照附图4,在一些实施例中,图像获取装置400还可以包括两个荧光成像单元405和406,荧光成像单元405包括滤光片4053和第二光电转换器4051,荧光成像单元406包括滤光片4063和第二光电转换器4061。4024和4034是半透膜,对于荧光波长反射,对于其他波长的光线通过,通过反射结构4054和4064进行反射,将组织产生的荧光分别反射至滤光片4053和4063,使得仅荧光可以到达第二光电转换器4051和4061,可以形成3D荧光。
在一些实例中,第一偏振器具有相同的偏振方向度,第二偏振器具有相同的偏振方向度,第三偏振器具有相同的偏振方向度;第一偏振器与第二偏振器的夹角,以及第一偏振器与第三偏振器的夹角是预先设置好的固定值,该实施例中偏振器均为固定安装,在使用前进行验证完毕,无需在使用过程中进行调节。
在另一些实例中,第一偏振器具有相同的偏振方向度,第二偏振器具有相同的偏振方向度,第三偏振器具有相同的偏振方向度;还设置有偏振器调节模块,具体可以包括第一偏振器调节模块、第二偏振器调节模块、第三偏振器调节模块,第一偏振器调节模块可以单独或同步调节第一偏振器,第二偏振器调节模块可以单独或同步调节第二偏振器,第三偏振器调节模块可以单独或同步调节第三偏振器。偏振器调节模块可以通过手动调节。
具体地,手动调节可以是这样实现的,使用者观察图像显示装置中目标区域的图像,如果过曝区域过多,没有达到预期,对偏振器调节,调节第一偏振器调节模块和/或第二偏振器调节模块,从而改变显示装置中目标区域的图像,直至达到可以接受的程度。可以理解的是,调节第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和第二偏振器的偏振方向之间的夹角,可以通过调节第一偏振器的偏振方向度、调节第二偏振器的偏振方向度、或调节第一偏振器的偏振方向度和第二偏振器的偏振方向度来实现,因此调节过程可以仅对第一偏振器的偏振方向度或第二偏振器的偏振方向度来实现。
手动调节可以通过机械结构实现,例如可以通过旋钮实现,也可以通过软件界面的操作实现,例如在图像显示装置上的图形界面中,输入调节命令,通过控制电路调节第一偏振器的偏振方向度或第二偏振器的偏振方向度。
在一些实例中,外视镜还包括反馈调节模块,反馈调节模块根据目标区域的图像亮度可以对照明装置300和/或图像获取装置400进行反馈调节,从而将图像显示装置中目标区域的图像亮度控制在预设范围;对照明装置300的调节包括对照明装置300和/或图像获取装置400进行调节。对光源进行调节可以改变因光强过高导致的过曝,通过对照明装置300和/或图像获取装置400中的偏振片进行调节,可以减少或消除因反光导致的目标区域过曝。
本发明的外视镜中,对于过曝的感知是在光电转换器或者图像显示装置(例如3D屏幕)上进行的,
对于视野中的区域进行亮度评估或人工判断,发现或判定有过曝存在时,对照明装置300和/或图像获取装置400进行调节;
其中,判断为出现过曝时,通过偏振器进行调节,在一些实例中,可以通过人工进行调节,调节可以通过机械机构或者控制电路进行,改变第一偏振器和/或第二偏振器的偏振方向,从而调节第一偏振器的调制的偏振光的偏振方向和第二偏振器的偏振方向之间的夹角,实现对过曝的矫正,根据前述记载,本领域技术人员可以理解的是,导致过曝的镜面反射光的光强受前述夹角的影响,夹角不同,则光强不同,例如在0-90°的范围内,夹角越大,光强越小。
在另一些实例中,调节可自动进行,当过曝时,逐渐调节偏振器的角度,减少光强,直至消除过曝。
进一步地,对于过曝的判定可以进行预处理和/或辅助判定,预处理用于选择手术的目标视野区域,即可以排除不影响手术的区域中发生的过曝;外视镜系统的辅助判定可以通过设定目标视野中过曝范围的比例来便利于调节,加快调节的过程,减少人在调节过程中对于图像的观察时间,减少过曝给眼镜带来的不适感,当过曝的范围占目标视野降低到预设的比例之下时再进行手动调节。
具体地,光电转换器采集图像并传输给处理器,处理器对采集的图像数据进行分析,判断图像的过曝情况,例如在设定的目标视野中计算过曝范围的比例,结合设定的过曝阈值来判断当前是否过曝,如果过曝则给出信息提示,方便医生进行手动调节,减少观察时间,或者处理器在识别到过曝情况时控制反馈调节模块调节第一偏振器和/或第二偏振器的偏振方向之间的夹角,减少曝光量。当过曝的范围占目标视野降低到预设的比例之下时,医生还可以进行手动调节。
本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (16)
1.一种外视镜系统,其特征在于,包括:
台车、机械臂、照明装置、图像获取装置、图像显示装置;
所述台车包括存储器、处理器;所述存储器可以存储程序代码和数据,所述处理器可以调用所述程序代码;
所述照明装置包括一个或更多个照明单元,所述照明单元包括照明组件和第一偏振器;
所述图像获取装置包括物镜组件和至少一个成像单元,至少一个所述成像单元为可见光成像单元,所述可见光成像单元包括所述聚焦镜组、第二偏振器、和第一光电转换器;
经所述第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和所述第二偏振器的偏振方向之间的夹角设置为预定值,或者经所述第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和所述第二偏振器的偏振方向之间的夹角可以调节从而改变所述第一光电转换器接收到的光线强度;
所述机械臂的第一端部与所述台车连接,所述机械臂的第二端部与所述图像获取装置连接,通过所述机械臂可以调控所述图像获取装置的位置;
所述图像显示装置可以展示所述图像获取装置得到的图像信息。
2.根据权利要求1所述的外视镜系统,其特征在于,所述第一偏振器包括偏振片且所述第二偏振器包括偏振片。
3.根据权利要求2所述的外视镜系统,其特征在于,所述第一偏振器的偏振片和所述第二偏振器的偏振片分别设置为预设的偏振方向,将经所述第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和所述第二偏振器的偏振方向之间的夹角设置为预定值。
4.根据权利要求2所述的外视镜系统,其特征在于,所述第一偏振器和/或所述第二偏振器还包括调节单元,各调节单元分别选自机械调节结构或液晶偏振旋转器,用于调节经所述第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和所述第二偏振器的偏振方向之间的夹角。
5.根据权利要求4所述的外视镜系统,其特征在于,所述各调节单元是机械调节结构,用于调节对应的偏振片的偏振方向。
6.根据权利要求4所述的外视镜系统,其特征在于,所述各调节单元是液晶偏振旋转器。
7.根据权利要求4所述的外视镜系统,其特征在于,还包括反馈调节模块,所述反馈调节模块根据所述第一光电转换器接收到的光线强度通过所述调节单元反馈调节经所述第一偏振器调制的偏振光的偏振方向和所述第二偏振器的偏振方向之间的夹角。
8.根据权利要求4所述的外视镜系统,其特征在于,设置成可以通过调节单元用以下一种或更多种方式对所述偏振器进行调节:手动调节、自动调节。
9.根据权利要求8所述的外视镜系统,其特征在于,所述处理器执行所述自动调节的步骤如下:
A、对所述图像获取装置采集到的图像进行分析,判定是否有过曝;
B、在出现过曝的情况下,通过所述调节单元调节所述照明装置的第一偏振器和/或所述图像获取装置的第二偏振器,直至目标范围内过曝比例低于阈值。
10.根据权利要求5所述的外视镜系统,其特征在于,在同一类偏振器之间设置有联动结构,所述联动结构使得所述同一类偏振器的偏振方向保持相同。
11.根据权利要求10所述的外视镜系统,其特征在于,所述联动结构是机械结构或者电子控制模块。
12.根据权利要求1所述的外视镜系统,其特征在于,所述物镜组件是可变焦物镜组件。
13.根据权利要求1所述的外视镜系统,其特征在于,所述可见光成像单元还包括变倍镜组件。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的外视镜系统,其特征在于,所述图像获取装置包括两个可见光成像单元。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的外视镜系统,其特征在于,所述两个可见光成像单元共用同一第二偏振器。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的外视镜系统,其特征在于,所述图像获取装置还包括至少一个非可见光成像单元,所述非可见光成像单元包括滤光片和第二光电转换器。
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