CN1310619C - 投影数据校正方法和装置,和辐射层析成象方法和装置 - Google Patents

Abstract

为了提供在保持穿透辐射的低计数方向防止赝象生成的投影数据校正方法和装置，及使用这种投影数据校正方法的辐射断层分析成象方法以及包含投影数据校正装置的辐射断层分析成象装置，投影数据Proj_ij是用具有包含近似数据平均值(602)的加权加法指令(604，606，608)被逐一校正的。随着由之得出投影数据的穿透辐射的计数变小，投影数据的权重SGij降低。

Description

投影数据校正方法和装置， 和辐射层析成象方法和装置

本发明涉及投影数据校正方法和装置及辐射断层分析成象方法和装置，并且更具体地涉及用于逐一校正由穿透辐射构成待成象的物体投影的数据的方法和装置，以及使用这种投影数据校正方法的辐射断层分析成象方法和包含投影数据校正装置的辐射断层分析成象装置。

在使用X射线的辐射断层分析成象装置，即X射线CT(计算机化断层分析造影术)装置中，具有包含待成象范围宽度并具有在垂直于宽度方向上某一厚度的X射线束从X射线发射器被发射。X射线束的厚度能通过调节X射线通过的瞄准仪孔径的开放程度被变更，并且用于成象的切片厚度因而被调整。

X射线检测装置包含多通道X射线检测器以检测X射线，而检测器具有在X射线宽度方向被排列成阵列的繁多的(例如，1000的数量级)X射线检测器元件。

X射线发射/检测器围绕待成象的物体被旋转(或扫描)以在物体周围多个观察方向生成物体的X射线投影数据，并且断层分析图象根据投影数据由计算机生成(或重建)。

投影数据的信噪比(SNR)随穿透X射线的“计数”而变化，而且较低的计数引起较低的SNR。

如果待成象的物体取决于观察方向提供显著不同的计数，即投影数据显著不同的SNRs，则因为在保持不良的SNR方向上噪声图案的作用，重建的图象受到假的线性图象，或所谓的条纹赝象(streakingartifact)之害。

因而，当胸腔和腹部随着双臂放在身体两侧被成象时，例如，条纹赝象不可避免地出现在连接两臂的方向上，导致具有优质图象不能被获得的问题。

本发明是针对解决上述问题的，而本发明的目的是提供在保持穿透辐射的低计数方向防上赝象生成的投影数据校正方法和装置，以及使用这种投影数据校正方法的辐射断层分析成象方法和包含投影数据校正装置的辐射断层分析成象装置。

(1)按照本旭有解决上述问题的第一个方面，提供有投影数据校正方法，它包含步骤：逐一计算数据的平均值及其近似数据，该数据构成用穿透辐射待成象物体的投影；通过将数据乘以对应于数据由之得出的穿透辐射计数的第一个权重因数计算第一乘积；通过将平均值乘以第一个权重因数相对于1的补数的第二个权重因数计算第二个乘积；以及将第一个和第二个乘积相加。

(2)按照本发明解决上述问题的第二个方面，提供有投影数据校正装置，它包含：用于逐一计算数据平均值及其近似数据的平均值计算装置，该数据构成用穿透辐射待成象物体的投影；用于通过将该数据乘以对应于数据由之得出的穿透辐射计数的第一个权重因数计算第一个乘积的第一个乘积计算装置；用于通过将该平均值乘以该第一个权重因数相对于1的补数的第二个权重因数计算第二个乘积的第二个乘积计算装置；以及用于将第一个和第二个乘积相加的加法器装置。

(3)按照本发明解决上述问题的第三个方面，提供有辐射断层分析成象装置，它包含：用于沿多个观察方向朝着待成象物体发射辐射并检测穿透辐射的辐射发射/检测装置，及用于使用基于该辐射发射/检测装置所检测信号的投影来生成图象用的图象生成装置，其中该图象生成装置包括：用于逐一计算数据的平均值及其近似数的平均值计算装置，该数据构成该投影；用于通过将该数据乘以对应于该数据由之得出的穿透辐射计数的第一个权重因数计算第一个乘积的第一个乘积计算装置；用于通过将该平均值乘以该第一个权重因数相对于1的补数的第二个权重因数计算第二个乘积的第二个乘积计算装置；用于将该第一个和第二个乘积相加的加法器装置；以及用于使用由该求和得出数据组成的投影来重建图象的图象重建装置。

(4)按照本发明解决上述问题的第四个方面，提供有如(3)中所描述的辐射断层分析成象装置，其中X射线作为辐射被使用。

(5)按照本发明解决上述问题的第五个方面，提供有以上描述的投影数据校正方法，其中随着对应的计数变小，第一个权重因素降低。

(6)按照本发明解决上述问题的第六个方面，提供有以上描述的投影数据校正方法，它包含使用由探测扫描所得的数据或由轴向扫描的视图数据去确定第一个权重因数随着对应的计数变小而降低的变化率。

(7)按照本发明解决上述问题的第七个方面，提供有以上描述的投影数据校正装置，它包含供确定第一个权重因数以使第一个权重因数随着对应的计数变小而降低用的第一个权重因数确定装置。

(8)按照本发明解决上述问题的第八个方面，提供有以上描述的投影数据校正装置，其中第一个权重因数确定装置使用由探测扫描所获得的数据或由轴向扫描的视图数据去确定第一个权重因数随着对应的计数变小而降低的变化率。

(9)按照本发明解决上述问题的第九个方面，提供有上面描述的辐射断层分析成象装置，它包含供确定第一个权重因素以使第一个权重因数随着对应的计数变小而降低的第一个权重因数确定装置。

(10)按照本发明解决上述问题的第十个方面，提供有以上描述的辐射断层分析成象装置，其中第一个权重因数确定装置使用由探测扫描所获得的数据或由轴向扫描的视图数据去确定第一个权重因数随着对应的计数变小而降低的变化率。

在(1)至(10)的任一个中，最好是第一个权重因数可以用下式表示：

第一个权重因素＝1-exp{-C/α}，

在赝象实际上被制止的情况中，其中

C：由之得出数据的穿透辐射计数，而

α：由投影面积确定的常数。

最好是常数α使用由探测扫描所获得的数据或由轴向扫描的开始视图的数据被确定，并借助方程式或表格从那个数据的投影面积求出常数α的值。

按照本发明，投影数据借助加权的加法指令用含有近似数据的平均值被逐一校正。数据的权重被做成对应于由之得出数据的穿透辐射的计数。因而，有较低计数的数据具有那个数据较小的权重及平均值的较大的权重，它能补偿对SNR的降低。

另外，按照本发明，当随着计数变小，数据的权重降低而平均值的权重提高时，随着计数变小的数据权重降低的变化率和平均值权重提高的变化率使用由探测扫描所获得的数据或由轴向扫描的视图数据被确定。因而，当待成象物体的尺寸大而条纹赝象相应地被避免时(即当在投影数据的SNR方面的差别对观察方向的依赖较小时，校正能通过降低变化率被相对减弱；而当待成象物体的尺寸小而条纹赝象相应地趋于呈现时(即当在投影数据的SNR方面的差别对观察方向的依赖较大时)，校正能通过提高变化率被相对增强。于是，适合的校正能被做成而无论待成象物体的尺寸为多少。

因而，本发明能提供防止在保持穿透辐射的低计数方向赝象生成的投影数据校正方法和装置，以及包含这种投影数据校正装置的辐射断层分析成象装置。

本发明另外的目的和优点从如在附图中所说明的本发明的优选实施例的以下描述将会明显看到。

图1是按照本发明一种实施例的装置的方框图。

图2是示出图1所示装置中检测器阵列的示意图。

图3和图4是示出图1所示X射线发射/检测装置的示意图。

图5是关于投影数据校正函数的中央处理装置的方框图。

图6用图解说明待成象物体的投影概念。

图7是说明穿透X射线的计数与权重因数之间关系的图示。

图8是关于投影数据校正函数的中央处理装置的方框图。

图9和图10是图1所示装置的运转的操作程序图。

本发明的几种实施例现在将参照附图被更详细地描述。图1示出X射线CT装置的方框图，它是本发明的一种实施例。装置的构造代表按照本发明的装置的一种实施例，而装置的运转代表按照本发明的方法的一种实施例。

如图1所示，装置包含扫描台架2，成象台4和操作人员控制台6。扫描台架2是本发明的辐射发射/检测装置的一种实施例。扫描台架2具有X射线管20。从X射线管20发射的X射线(未示出)被瞄准器22构成，例如，扇形的X射线束，即扇束，并投射在检测器阵列24上。检测器阵列24具有沿扇形X射线束展开的方向被排列在一排的多个X射线检测器元件。检测器阵列24的结构将在后面被描述。

X射线管20，瞄准仪22和检测器阵列24一起构成X射线发射/检测装置，它将在后面被描述。检测器阵列24与用于获取被检测器阵24中单个的X射线检测器元件所检测数据的数据采集部件26连接。

从X射线管20出来的X射线发射由X射线控制器28控制。X射线管20与X射线控制器28之间的连接关系在附图中被略去。瞄准仪22被瞄准仪控制器30控制。瞄准仪22与瞄准仪控制器30之间的连接关系在附图中被略去。

以上描述的组件从X射线管20直到瞄准仪控制器30被支承在扫描台架2的转动部件34上。转动部件34的旋转被旋转控制器36控制。转动部件34与旋转控制器36之间的连接关系在附图中被略去。

成象台4用以运载待成象的物体(在图1中未示出)进入扫描台架中的X射线辐射区间以及从中出来。待成象物体与X射线辐射区间之间的关系在后面将被描述。

操作人员控制台6具有中央处理器60，它包含，例如，计算机。中央处理器60与控制接口62连接，后者本身又与扫描台架2及成象台4连接。中央处理器60通过控制接口62控制扫描台架2及成象台4。

扫描台架2中的数据采集部件26，X射线控制器28，瞄准仪控制器30和旋转控制器36通过控制接口62被控制。这些部件与控制接口62之间分别的连接在附图中被略去。

中央处理器60还与数据采集缓存器64连接，后者本身又与扫描台架2中的数据采集部件26连接。在数据采集部件26所获取的数据被输入到数据采集缓存器64，而缓存器64临时地存储输入数据。

中央处理器60执行用于通过数据采集缓存器64所获取的多个视图投影的数据校正，并使用被校正的投影数据进行图象重建。中央处理器60是图象生成装置的一种实施例，并且也是本发明的图象重建装置的一种实施例。图象重建，例如，使用已筛选的反向投影技术被实现。

中央处理器60还与用于存储若干数据，重建图象，程序等等的存储器件66相连接。而且中央处理器60与用于显示被重建的图象及从中央处理器60输出的其他信息的显示器件68以及被操作者操纵以传送一些指令和信息给中央处理器60的操纵器件70连接。

图2示意说明检测器阵列24的构造。检测器阵列24是具有大量排列成一排的X射线检测器元件24(i)的多通道X射线检测器。繁多的X射线检测器元件24(i)一起形成被弯曲成圆筒形凹面的X射线照射面。参考代号“i”表示通道系数，例如“i”＝1-1,000。

每个X射线检测元件24(i)由闪烁器和光电二极管的组合构成，例如。很容易被认识到X射线检测器元件24(i)不被限制在那里而可以是，例如，使用碲化镉(CdTe)等的半导体X射线检测器元件，或使用氙(Xe)气的电离室X射线检测元件。

图3图解说明X射线发射/检测装置在X射线管20，瞄准仪22和检测器阵列24之间的关系。图3(a)是从扫描台架2正面的视图而(b)是从扫描台架2侧面的视图。如所示，以X射线管20发射的X射线被瞄准仪22构成扇形X射线束400，并投射在检测器阵列24上。

在图3(a)中，扇形X射线束400的扩展，即X射线束400的宽度被图解说明。X射线束400的宽度的方向与检测器阵列24中通道行的方向相同。在图3(b)中，X射线束400的厚度被图解。

如在图4中示范性地示出，待成象的物体8搁置在成象台4上，并且被运载进入X射线辐射区间以物体的身轴横断X射线束400的扇面。扫描台架2具有在其中包含X射线发射/检测装置的圆筒形结构。

X射线辐射区间被形成在扫描台架2的圆筒形结构的内表面中。被X射线束400切开的待成象物体8的图象被投影在检测器阵列24上，并且检测器阵列24检测穿过物体8后的X射线。投射在待成象物体8上X射线束部分的厚度‘th’被瞄准仪22的孔径的开放程度调节。

图5示出中央处理器60关于投影数据校正的方框图。示于图5的每个方框各自的功能由，例如，计算机程序执行。示于图5的中央处理器60是本发明的投影数据校正装置的一种实施例。装置的构造代表按照本发明的装置的一种实施例，而且装置的运转代表按照本发明的方法的一种实施例。

如所示，中央处理器60具有一个移动求平均值单元602，它是本发明的平均值计算装置的一种实施例。移动求平均值单元602逐一计算用于构成如示范性地示于图6的待成象物体8投影的投影数据Proj_ij(其中‘i’＝通道指标而‘j’＝视图指标)在通道‘i’方向的移动平均值。供移动求平均值用的数据，例如，近似为7个通道。

投影数据Proj_ij在乘法器被乘以第一个权重因数SGij。乘法器604是本发明的第一个乘积计算装置的一种实施例。第一个权重因数SGij可以用下式表示：

$\mathrm{SGij}=1-\exp \left\{\frac{-\mathrm{Cij}}{\mathrm{\α}}\right\},---\left(1\right)$

其中Cij是投影数据Proj_ij由之得出的穿透X射线的计数。α是投影面积‘s’的函数，它可以用下式表示：

α＝f(s)。           (2)

特别是，α能从，例如，下式被得到：

α＝A/s，            (2’)

其中A是一个适当的系数。

应当注意，投影面积‘s’与常数α之间的对应可以事先列成表格。

依据式(1)的计数Cij与因数SGij之间的关系被用曲线示于图7。

某些具有小计数Cij的范围给出近似正比于Cij的第一个权重因数SGij。另外，α被约定作为投影面积‘s’的函数，且随投影面积变化。因而，适合于待成象物体的横截面积的第一个权重因数SGij能被获得。

投影数据Proj_ij的移动平均值在乘法器606中被乘以第二个权重因数(1-SGij)。乘法器606是本第二个乘积计算装置的一种实施例。

加法器608计算来自乘法器604和606的输出数据之和。加法器608是本发明的求和装置的一种实施例。

总的来说，示于图5的装置完成如下的计算：

Proj′ij＝SGij·Proj_ij+(1-SGij)ave7{Proj_ij}，(3)

其中

ave7{Proj_ij}

代表七个通道的近似于投影数据Proj_ij的数据的移动求平均值。

式(3)能被重写如下：

Proj′ij＝ave7{Proj_ij}+SGij(Proj_ij-ave7{Proj_ij}).  (4)

用于完成由式(4)所给出计算的装置的方框图示于图8。

在图8中，类似于那些示于图5的部件用相同的符号表示，并且其描述以下将被省略。

减法器612计算投影数据Proj_ij与其移动平均值ave7{Proj_ij}之间的差值。差值在乘法器被乘以第一个权重因数SGij。加法器616计算来自乘法器614的输出数据与来自移动求平均值单元602的输出数据，即移动平均值ave7{Proj_ij}，之和。

式(3)和式(4)都表明加权相加对投影数据并对包含近似数据的移动平均值被逐一完成。在相加结果中投影数据的权重随着由之得出投影数据的穿透X射线计数的变小而降低。

反之，移动平均值的权重被补偿地提高。因此，移动平均值的权重随着计数变小而提高。因而，尽管基于小计数的投影数据具有不良的SNR，SNR的降低能被提高对那个投影数据的移动平均值的权重补偿如上。

现在该装置的运转将被描述。图9示出该装置的操作的程序图。如所示，在步骤912操作者通过操作器件70输入扫描计划。扫描计划包括X射线被发射的条件，切片厚度，切片位置等等。据此，该装置由操作者在操作的控制下运转，并且中央处理器60遵循输入的扫描计划。

在步骤914，扫描的定位被完成。明确地讲，操作者操纵操作器件70以移动成象台4并用X射线发射/检测器的转动中心对准物体8待成象位置的中心(即，同中心)。

在步骤916，扫描被完成。具体地讲，X射线发射/检测器围绕待成象的物体8旋转并收集投影，例如，每一转有1000个视图，进入数据采集缓存器64。

在步骤917，校正的强度依赖于待成象物体的尺寸被确定以使当待成象物体的尺寸小时强的校正被施加，而当待成象的尺寸大时弱的校正被施加。特别是，常数α通过式(2)或(2’)由扫描的初始视图(或探测扫描的数据)的投影面积被计算，或者常数α从投影面积‘s’与被确定的常数α之间的对应表格中得出。当投影面积‘s’小时常数α变大，因而强的校正被施加。反之，当投影面积‘s’大时，常数α变小，因而弱的校正被施加。

在步骤918和920，数据校正和图象重建分别在扫描之后或与扫描同时被完成。

在步骤918，交正的详细流程图被示于图10中。如所示，在步骤932在扫描数据上偏移校正被完成，它用于校正被附加到穿透X射线计数的偏移。

下一步，在步骤934基准校正被作出，它用于借助在基准通道测得的X射线计数除以穿透的X射线计数来校正X射线强度。

然后，在步骤936，第一个权重因数SGij被计算。第一个权重因数SGij由式(1)使用偏移校正的和基准校准的计数Cij被计算，并被存储在存储器件66中。

下一步，在步骤938，计数Cij的负对数被计算。

下一步，在步骤940，执行灵敏度校正。

然后，在步骤942，射线束硬化校正被完成以生成投影数据Proj_ij。

在步骤944，在投影数据Proj_ij上投影数据校正根据式(3)或(4)被完成。用于校正计算的第一个权重因数SGij从存储器件66被读取供使用。

回到图9，在步骤920的图象重建是使用作为由这样被校正过的数据组成的多个视图的投影，借助，例如，已过滤的反向投影技术被完成。

在步骤922，重建的断层分析图象被显示在显示器件68上。显示图象是具有良好质量不含有条纹赝象等的断层分析图象。具体地讲，因为在图1-中步骤944投影数据校正了在具有低计数的部分中SNR的降低，定向噪声图案甚至当两臂放在身体两侧而胸腔或腹部被成象时也不会出现，例如，因此防止包含在重建图象中诸如条纹赝象的假图象。

尽管以前的描述是按X射线作为辐射被使用的情况做出的，辐射不限于X射线而可以是其他类型的辐射比如γ射线。然而，X射线在目前是较佳的，因为供X射线的生成，检测，控制等用的实际装置是改进得最好的。

本发明许多相差悬殊的实施例可被成形而不违反本发明精神和范围。应当理解，本发明不受所描述的具体的实施例的限制，除了在附加的权利要求中被确定的以外。

Claims (22)

1.投影数据校正方法，包含步骤：

单独计算第一数据及该第一数据的近似数据的平均值，该第一数据构成待用穿透辐射成象物体的投影；

通过将该第一数据乘以对应于穿透辐射计数的第一个权重因数来计算第一个乘积，该第一数据是由穿透辐射计数得出的；

通过将该平均值乘以该第一个权重因数相对于1的补数的第二个权重因数计算第二个乘积；

将该第一个和第二个乘积相加。

2.根据权利要求1的投影数据校正方法，其中所述计算第一个乘积包含步骤：

通过将该第一数据乘以该第一个权重因数来计算该第一个乘积，该第一个权重因数在低于该计数的预定值范围内与穿透辐射的该计数成正比，该第一数据是由该穿透辐射计数得出的。

3.根据权利要求1或2的投影数据校正方法，其中该第一个权重因数用以下式表示：

1-e^(-C/α)，

其中

C：穿透辐射计数，由该穿透辐射计数得出该第一数据，而

α：由投影面积确定的常数。

4.根据权利要求1的投影数据校正方法，其中该第一个权重因数随着相应的计数变小而降低。

5.根据权利要求4的投影数据校正方法，包含通过探测扫描所得的数据或轴向扫描的视图的数据以确定第一个权重因数随着相应的计数变小而降低的变化率。

6.投影数据校正装置，包含：

用于单独计算第一数据及该第一数据的近似数据的平均值的计算装置，该第一数据构成待用穿透辐射成象物体的投影；

用于通过将该第一数据乘以对应于穿透辐射计数的第一个权重因数计算第一个乘积的第一个乘积计算装置，该第一数据由穿透辐射计数得出；

用于通过将该平均值乘以该第一个权重因数相对于1的补数的第二个权重因数计算第二个乘积的第二个乘积计算装置；以及

用于将该第一个和第二个乘积相加的加法器装置。

7.根据权利要求6的投影数据校正装置，其中，设置该第一个乘积计算装置，用于通过将该第一数据乘以该第一个权重因数计算该第一个乘积，该第一个权重因数在低于该计数的预定值范围内与穿透辐射该计数成正比，该第一数据由穿透辐射计数得出。

8.根据权利要求6或7的投影数据校正装置，其中该第一个权重因数用下式表示：

1-e^(-C/α)

其中

C：穿透辐射计数，由该穿透辐射计数得出该第一数据，而

α：由投影面积确定的常数。

9.根据权利要求6的投影数据校正装置，包含用于确定第一个权重因数以使该第一个权重因数随着相应的计数变小而降低的第一个权重因数确定装置。

10.根据权利要求9的投影数据校正装置，其中该第一个权重因数确定装置使用通过探测扫描所得的数据或轴向扫描的视图数据以确定第一个权重因数随着相应的计数变小而降低的变化率。

11.辐射断层分析成象方法，用于沿多个观察方向朝着待成象物体发射辐射并检测穿透辐射，以及使用根据该发射/检测辐射的步骤所检测信号的投影生成图象，其中该生成图象的步骤通过下列步骤来执行：

单独计算第一数据及该第一数据的近似数据的平均值，该第一数据构成该投影；

通过将该第一数据乘以对应于穿透辐射计数的第一个权重因数来计算第一个乘积，该第一数据是由穿透辐射计数得出的；

通过将该平均值乘以该第一个权重因数相对于1的补数的第二个权重因数计算第二个乘积；

将该第一个和第二个乘积相加以产生额外输出；以及

使用包含该额外输出的投影来重建图象。

12.根据权利要求11的辐射断层分析成象方法，其中X射线作为该辐射被使用。

13.根据权利要求11的辐射断层分析成象方法，其中所述计算该第一个乘积包括以下步骤：

通过将该第一数据乘以该第一个权重因数计算该第一个乘积，该第一个权重因数在低于该计数的预定值范围内与穿透辐射该计数成正比，该第一数据由穿透辐射计数得出。

14.根据权利要求13的辐射断层分析成象方法，其中X射线作为辐射被使用。

15.根据权利要求11，12，13或14的辐射断层分析成象方法，其中该第一个权重因数用下式表示：

1-e^(-C/α)

其中

C：穿透辐射计数，由该穿透辐射计数得出该第一数据，而

α：由投影面积确定的常数。

16.辐射断层分析成象装置，包含：

用于沿多个观察方向朝着待成象物体发射辐射并检测穿透辐射的辐射发射/检测装置，以及

用于使用根据被该辐射发射/检测装置所检测信号的投影生成图象用的图象生成装置，其中该图象生成装置包含：

用于单独计算第一数据及该第一数据的近似数据的平均值的计算装置，该第一数据构成该投影；

用于通过将该第一数据乘以对应于穿透辐射计数的第一个权重因数计算第一个乘积的第一个乘积计算装置，该第一数据由该穿透辐射计数得出；

用于通过将该平均值乘以该第一个权重因数相对于1的补数的第二个权重因数计算第二个乘积的第二个乘积计算装置；

用于将该第一个和第二个乘积相加的加法器装置，以产生额外输出；以及

用于使用由该额外输出组成的投影重建图象的图象重建装置。

17.根据权利要求16的辐射断层分析成象装置，其中X射线作为该辐射被使用。

18.根据权利要求16的辐射断层分析成象装置，其中，

设置该第一个乘积计算装置，用于通过将该第一数据乘以该第一个权重因数计算该第一个乘积，该第一个权重因数在低于该计数的预定值范围内与穿透辐射该计数成正比，该第一数据由穿透辐射计数得出。

19.根据权利要求18的辐射断层分析成象装置，其中X射线作为该辐射被使用。

20.根据权利要求16，17，18或19的辐射断层分析成象装置，其中该第一个权重因数用下式表示：

1-e^(-C/α)

其中

C：穿透辐射计数，由该穿透辐射计数得出该第一数据，而

α：由投影面积确定的常数。

21.根据权利要求16的辐射断层分析成象装置，包含用于确定该第一个权重因数以使该第一个权重因数随着相应的计数变小而降低的第一个权重因数确定装置。

22.根据权利要求21的辐射断层分析成象装置，其中该第一个权重因数确定装置使用通过探测扫描所得的数据或轴向扫描的视图数据以确定第一个权重因数随着相应的计数变小而降低的变化率。

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