JP2015099104A - 画像処理装置および画像処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ユーザが観察しやすい蛍光像を生成する。【解決手段】この画像処理装置は、蛍光色素により染色された試料に励起光をあてて蛍光をカラー撮像素子により撮像する撮像ユニットより像信号を入力するインタフェース部と、カラー撮像素子のカラーフィルター分光特性をもとに予め求められた、像信号における励起光の波長領域に対応する第1の色の成分に対する他の第2の色の成分および第3の色の成分の各々の割合の情報を保持し、入力された像信号から、第2の色の成分の割合相当分および第3の色の成分の割合相当分を各々削減する色補正回路とを具備する。【選択図】図8
Description
本技術は、撮像装置により撮影された蛍光像を処理する画像処理装置および画像処理方法に関する。
蛍光顕微鏡の観察像を撮像素子で捕え、電子的な画像データとして取得する画像処理装置は、例えば、医学、生物学の研究ならびに検査などの場で利用されている。
蛍光顕微鏡の観察像は微弱な蛍光による像であることから、蛍光染色された細胞部分の像と細胞が存在しない背景部分の像とのコントラスト(視覚的な差異)が得られにくい。
そこで、特許文献1では、観察画像から、ユーザによりマニュアルで指定された背景部分の輝度を差し引いて背景部分をさらに黒くすることによって、細胞部分の像と背景部分の像とのコントラストを上げるブラックバランス補正の技術について記載されている。
さらに、特許文献2には、ホワイトバランス補正やブラックバランス補正を、ユーザによる背景部分のマニュアル指定を受けることなく自動的に行うための技術が開示されている。
蛍光顕微鏡などの撮像装置によって得られる蛍光像を処理して観察用の画像を生成する画像処理装置の分野においては、ユーザにとって観察しやすい蛍光像を生成するための技術が今後益々重要となってきており、その対応が求められている。
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、ユーザが観察しやすい蛍光像を生成することのできる画像処理装置および画像処理方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本技術に係る一の形態の画像処理装置は、
蛍光色素により染色された試料に励起光をあてて蛍光をカラー撮像素子により撮像する撮像装置より像信号を入力するインタフェース部と、
前記カラー撮像素子のカラーフィルター分光特性をもとに予め求められた、前記像信号における前記励起光の波長領域に対応する第1の色の成分に対する他の第2の色の成分および第3の色の成分の各々の割合の情報を保持し、前記入力された像信号から、前記第2の色の成分の割合相当分および前記第3の色の成分の割合相当分を各々削減する色補正回路と
を具備する。
蛍光色素により染色された試料に励起光をあてて蛍光をカラー撮像素子により撮像する撮像装置より像信号を入力するインタフェース部と、
前記カラー撮像素子のカラーフィルター分光特性をもとに予め求められた、前記像信号における前記励起光の波長領域に対応する第1の色の成分に対する他の第2の色の成分および第3の色の成分の各々の割合の情報を保持し、前記入力された像信号から、前記第2の色の成分の割合相当分および前記第3の色の成分の割合相当分を各々削減する色補正回路と
を具備する。
前記色補正回路は、前記入力された像信号から、さらに前記第1の色の成分を削減するように構成されたものであってよい。
前記色補正回路は、リニアマトリクス変換回路であってよい。
本技術に係る画像処理装置は、前記色補正回路の前段で、前記入力された像信号から、前記第2の色の成分および前記第3の色の成分のうちいずれか一方を低減するホワイトバランス調整回路をさらに具備するものであってよい。
前記蛍光色素は、フルオレセインとすることができる。
本技術に係る他の形態である画像処理方法は、蛍光色素により染色された試料に励起光をあてて蛍光を撮像するカラー撮像素子のカラーフィルター分光特性をもとに、前記カラー撮像素子の像信号における前記励起光の波長領域に対応する第1の色の成分に対する他の第2の色の成分および第3の色の成分の各々の割合を求め、前記カラー撮像素子より入力された像信号から、前記第2の色の成分の割合相当分および前記第3の色の成分の割合相当分を各々削減する、というものである。
以上のように、本技術によれば、ユーザが観察しやすい蛍光像を生成することができる。
以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
<第1の実施形態>
図1は、本技術に係る第1の実施形態の蛍光観察システム1の構成を示す図である。
この蛍光観察システム1は、撮像ユニット10と画像処理ユニット20とを有する。撮像ユニット10と画像処理ユニット20とは画像伝送路30を通じて接続される。
<第1の実施形態>
図1は、本技術に係る第1の実施形態の蛍光観察システム1の構成を示す図である。
この蛍光観察システム1は、撮像ユニット10と画像処理ユニット20とを有する。撮像ユニット10と画像処理ユニット20とは画像伝送路30を通じて接続される。
[撮像ユニット10]
撮像ユニット10は、光源11と、励起フィルター12と、対物レンズ13と、
ビームスプリッター14と、接眼レンズ15と、CMOSイメージセンサー16などで構成される。
撮像ユニット10は、光源11と、励起フィルター12と、対物レンズ13と、
ビームスプリッター14と、接眼レンズ15と、CMOSイメージセンサー16などで構成される。
光源11は、ハロゲンランプ、キセノンランプなど、可視光の波長域を含む白色光を出射する。
励起フィルター12は、試料17の蛍光体を励起する波長の光を透過させる光学フィルターである。励起フィルター12を透過した光(励起光)は試料17に照射される。
試料17は、蛍光色素によって染色された生体組織片または細胞群などである。ここでは、蛍光色素としてフルオレセインを用いた場合を想定する。フルオレセインは、図2に示すように、中心波長が490nmの青色波長の光を当てると、中心波長が520nmの緑色を発光する蛍光色素である。
図3は励起フィルター12として主に青(B)の波長領域を透過するコバルトフィルターの分光特性と、このコバルトフィルターを透過して試料17に照射される光の成分を示す図である。このようにコバルトフィルターは、約350nmから約510nmまでのBの波長領域の光を透過させる光学フィルターである。ここで、Bは特許請求の範囲の「第1の色」に相当する。GとRは特許請求の範囲の「第2の色」、「第3の色」に相当する。
対物レンズ13は、試料17から発する光を入射する。対物レンズ13と接眼レンズ15との間の光路にはビームスプリッター14が配置されている。すなわち、対物レンズ13からの光は接眼レンズ15に向かう光とCMOSイメージセンサー16に向かう光に分配される。これにより、接眼レンズ15を通して観察者が見る観察像と同じ像がCMOSイメージセンサー16で撮像することができる。
なお、図示は省略したが、CMOSイメージセンサー16の前段にはIRカットフィルターが配置されている。IRカットフィルターは、赤(R)の波長領域である例えば680nm以上の波長成分を除去するための光学フィルターである。
CMOS(Complementary MOS)イメージセンサー16は、IRカットフィルターを透過した光を光学フィルターにより選択されるR、G、B毎に受けて電気信号を生成し、デジタル化してRawデータを生成する。生成されたRawデータは画像伝送路30を通じて画像処理ユニット20に伝送される。
[蛍光への混色と背景の色成分]
次に、撮像ユニット10による蛍光像の撮影において生じる、蛍光への混色、および背景の色成分について説明する。
次に、撮像ユニット10による蛍光像の撮影において生じる、蛍光への混色、および背景の色成分について説明する。
図4は、励起フィルター12によって制限された約350nmから約510nmまでのBの波長領域の光がフルオレセインによって染色されていない試料17に照射されたとき、試料17から発する光の成分を示す図である。このとき試料17から発する光は主に反射光である。反射光の成分は試料17に照射された光の成分(図3)と等しい。このとき撮影された像の色は濃い青色となる。
図5は、フルオレセインによって染色された試料17に、約350nmから約510nmまでのBの波長領域の光が照射されたとき試料17から発する光の成分を示す図である。この場合、フルオレセインによって染色された試料17にBの波長領域の光が当たることによって蛍光が発生する。図5において、G´は、その蛍光によるGの色成分を示す。
図6は、CMOSイメージセンサー16のカラーフィルター分光特性を示す図である。
このカラーフィルター分光特性から分かるように、CMOSイメージセンサー16のG、Rの各々の画素は、コバルトフィルターの透過領域である約350nmから約510nmまでのBの波長領域の光にも反応する。このため、CMOSイメージセンサー16によって検出される信号は、蛍光の成分に、約350nmから約510nmまでのBの波長領域の反射光に対してR、G、Bの各画素が反応した各成分(混色成分)が加わったものとなる。
このカラーフィルター分光特性から分かるように、CMOSイメージセンサー16のG、Rの各々の画素は、コバルトフィルターの透過領域である約350nmから約510nmまでのBの波長領域の光にも反応する。このため、CMOSイメージセンサー16によって検出される信号は、蛍光の成分に、約350nmから約510nmまでのBの波長領域の反射光に対してR、G、Bの各画素が反応した各成分(混色成分)が加わったものとなる。
このように、CMOSイメージセンサー16からは、蛍光に反応して生成されるGの成と、350nmから約510nmまでのBの波長領域の反射光に反応して生成されるR、G、Bの成分との和が出力される。したがって、真の蛍光像の色が得られないとともに、背景部分が濃い青色となり、背景部分と蛍光像との間で十分な色のコントラストが得られない。本技術は、少なくとも、このような点を改善するものである。
以下に、その詳細を説明する。
以下に、その詳細を説明する。
約350nmから約510nmまでのGの波長領域の光に対してCMOSイメージセンサー16により検出されるR、G、Bの各成分は次のように表される。
ここで、Eは光源11のエネルギー(定数)、HG(x)は光源11のエネルギー分布状態を示す特性(分光分布)、CB(x)はコバルトフィルターの分光特性、Db(x)、Dg(x)、Dr(x)は各々CMOSイメージセンサー16のB、G、Rのカラーフィルター分光特性、a、bはコバルトフィルターの透過領域(約350nmから約510nmまでのGの波長領域)である。
Ng%は約350nmから約510nmまでのGの波長領域において、CMOSイメージセンサー16のGの画素によって検出される成分の、Bの画素によって検出される成分に対する割合である。つまり、Ng%=G/Bで表される。
Nr%はコバルトフィルターにより制限された波長領域において、CMOSイメージセンサー16のRの画素によって検出される成分の、Bの画素によって検出される成分に対する割合である。つまり、Nr%=R/Bで表される。
前述したように、フルオレセインによって染色された試料17に約350nmから約510nmまでのGの波長領域の光が照射されたときにCMOSイメージセンサー16によって検出される成分は、蛍光に反応して生成されるGの成分と、350nmから約510nmまでのBの波長領域の反射光に反応して生成されるR、G、Bの各成分との和である。
したがって、CMOSイメージセンサー16によって検出されたR、G、Bの全体の成分からG=B*Ng%、R=B*Nr%、およびBの成分を削除すれば、図7に示すように、蛍光に反応して生成されたGの色成分G´のみが残る。
以上のような色成分の調整を行うことで、真の蛍光像のGの色が得られ、背景部分は色の成分が削除されることによって真の黒に近くなり、背景と蛍光部分との色のコントラストが改善される。
次に、CMOSイメージセンサー16の出力から上記の色成分の調整を行う回路について説明する。
[画像処理ユニット20の構成]
図8は画像処理ユニット20の構成を示す図である。
CMOSイメージセンサー16の出力であるRawデータは、センサーI/F21によって画像処理ユニット20に取り込まれる。
図8は画像処理ユニット20の構成を示す図である。
CMOSイメージセンサー16の出力であるRawデータは、センサーI/F21によって画像処理ユニット20に取り込まれる。
インタフェース回路21によって取り込まれたRawデータは、ホワイトバランス調整回路22に導入される。
ホワイトバランス調整回路22では、画像のホワイトバランスが調整される。光インタフェース回路(OP I/F)23は、ホワイトバランス調整回路22の出力をEV補正回路24に供給するとともに、色補間と、R、G、Bの各色信号の生成、さらにはG信号からエッジ処理用の輝度信号(Y)の生成などを行い、R、G、Bの各色信号と輝度信号(Y)は分離回路25に導入する。EV補正回路24は、画像の明るさ調整を行うためにCMOSイメージセンサー16の露出調整を行う回路である。
分離回路25は、R、G、Bの各色信号を色補正回路26に導入し、輝度信号(Y)をエッジ処理回路27に導入する。エッジ処理回路27では、輝度信号(Y)からのエッジ検出、検出されたエッジ成分の調整などが行われる。
色補正回路26は、リニアマトリクス変換により上記のR、G、Bの色成分の調整を行う回路である。リニアマトリクス変換は、R、G、Bの各色信号に対して行列演算によって色成分の調整を行う。
色補正回路26の出力はガンマ補正回路28に導入され、ここでガンマ補正され、YC変換回路29で輝度信号(Y)と色差信号(C)に変換される。輝度信号(Y)はエッジ処理回路27より導入されたエッジ成分と加算され、エッジが強調された輝度信号(Y)となる。このエッジが強調された輝度信号(Y)はYC処理回路31によってノイズ除去などの処理が行われて出力される。一方、色差信号(C)もYC処理回路31によってノイズ除去などの処理が行われて出力される。
なお、画像処理ユニット20は、具体的には、1つのLSI(Large Scale Integration)、あるいは複数のLSIやICなどで構成される。
[リニアマトリクス変換による色調整]
リニアマトリクス変換に用いられる行列演算式を示す。
リニアマトリクス変換に用いられる行列演算式を示す。
ここで、行列における9個の要素の係数RR、RG、RB、GR、GG、GB、BR、BG、BBのうち、RR、GG、BBは各々が属する行の3つの係数の値の和が各々"1"となるように自動計算される。したがって、実際に選定されるべき係数はRG、RB、GR、GB、BR、BGの6つである。
上記の6つの係数を選定するために、CMOSイメージセンサー16のカラーフィルター分光特性から導かれるR=B*Nr%、G=B*Ng%、およびBの成分の値が入力として用いられる。このとき、R、G、Bの各々の出力が"0"に近くなるように上記各係数が選定される。すなわち、下記の式を満足するように、各係数が選定される。
実際の運用時には、以上のようにして係数が選定された色補正回路26を用いて、入力されたR、G、Bの各々の成分に対して色調整が行われる。
[具体的な係数の設定例]
図9A、図9B、図9Cに具体的な係数の設定例を示す。
図9Aは、3つの設定例の中でR、G、Bの各々の出力が最も"0"に近い設定例であり、理論的には最適な設定例である。混色の低減、コントラストの改善の効果は期待通りであったが、低輝度環境の場合や、負の係数の値が大きい場合には、ノイズ量が増加する場合がある。
図9A、図9B、図9Cに具体的な係数の設定例を示す。
図9Aは、3つの設定例の中でR、G、Bの各々の出力が最も"0"に近い設定例であり、理論的には最適な設定例である。混色の低減、コントラストの改善の効果は期待通りであったが、低輝度環境の場合や、負の係数の値が大きい場合には、ノイズ量が増加する場合がある。
図9Bは、ノイズを抑えるためにGR、GG、GB、BR、BBの係数の値を変更した設定例である。この設定では、負の係数の値を小さくしたことで、混色の低減、コントラストの改善の効果は若干落ちたものの、ノイズ量の低減効果を確認することができた。
図9Cは、図9Bの設定例から、さらに、RR、RB、GG、GBの係数を変更した設定例である。この設定では、負の係数の値をさらに小さくしたことで、混色の低減、コントラストの改善の効果はさらに落ちたものの、ノイズ量の十分な低減効果を確認することができた。
なお、RR+RG+RB=1、GR+GG+GB=1、BR+BG+BB=1の関係から、行列の各行の1つの係数が決まれば、下記の式(6)(7)(8)によりもう一つの係数も決まる。
(1−RG−RB)*Nr%+RG*Ng%+RB=0
Nr%+(Ng%−Nr%)*RG+(1−Nr%)*RB=0
RG=−((1−Nr%)*RB−Nr%)/(Ng%−Nr%)・・・(6)
Nr%*GR+Ng%−Ng%*GR−Ng%*GB+GB=0
(Nr%−Ng%)*GR+(1−Ng%)*GB+Ng%=0
GR=((Ng%−1)*GB−Ng%)/(Nr%−Ng%)・・・(7)
Nr%*BR+Ng%*BG+1−BR−BG)=0
(Nr%−1)*BR+(Ng%−1)*BG+1=0
BR=(−1−(Ng%−1)*BG)/(Nr%−1)・・・(8)
Nr%+(Ng%−Nr%)*RG+(1−Nr%)*RB=0
RG=−((1−Nr%)*RB−Nr%)/(Ng%−Nr%)・・・(6)
Nr%*GR+Ng%−Ng%*GR−Ng%*GB+GB=0
(Nr%−Ng%)*GR+(1−Ng%)*GB+Ng%=0
GR=((Ng%−1)*GB−Ng%)/(Nr%−Ng%)・・・(7)
Nr%*BR+Ng%*BG+1−BR−BG)=0
(Nr%−1)*BR+(Ng%−1)*BG+1=0
BR=(−1−(Ng%−1)*BG)/(Nr%−1)・・・(8)
なお、ここでは、RR+RG+RB=1、GR+GG+GB=1、BR+BG+BB=1という制約がある場合を説明したが、本技術はこれに限らない。この制約がない場合には、より高い自由度で各係数の値を選定できる。
[ホワイトバランス調整回路でのR成分の低減]
上記の色補正は、そのすべてを色補正回路26でのリニアマトリクス変換により行うこととしたが、その一部をホワイトバランス調整回路で行うようにしてもよい。
上記の色補正は、そのすべてを色補正回路26でのリニアマトリクス変換により行うこととしたが、その一部をホワイトバランス調整回路で行うようにしてもよい。
例えば、ホワイトバランス調整回路22でRの成分を極力低減させるようにしてもよい。この場合、色補正回路26に設定される係数にかかる負担を抑えられるので、ノイズの発生を抑制できる効果がある。すなわち、リニアマトリクス変換において係数が負の大きな値となる場合には計算上のノイズの発生量が大きくなる。ホワイトバランス調整回路22でRの成分を削除した信号をリニアマトリクス変換の対象とすることによって、係数が負の大きな値となることを抑え、ノイズの発生量を低減できる。
以上のように、本実施形態の画像処理ユニット20では、色補正回路26などが、R、G、Bの色成分の調整を行うことによって、励起光として用いられるBの波長領域の反射光に対してCMOSイメージセンサー16のR、G、Bの各画素が反応した各成分(混色成分)を削除する。これにより、真の蛍光像のGの色が得られ、背景部分は色の成分が削除されることによって真の黒に近くなり、背景と蛍光部分との色のコントラストが改善される。
また、このように画像処理ユニット20内の色補正回路26などによる処理によって混色成分を削除できることによって、撮像ユニット10内に、Bの波長領域の反射光をカットするための吸収フィルターを配置する必要がなくなる。撮像ユニット10内の吸収フィルターが不要になることで撮像ユニット10の小型、軽量、低コスト化を実現できる。さらには、現状の撮像装置(スリットランプ)をそのまま利用することができる、という効果もある。
<変形例1>
上記の実施形態では、蛍光色素としてフルオレセインを用いた場合を想定した。しかし、本技術は、その他の蛍光色素を採用した場合にも同様に適用できるものである。
上記の実施形態では、蛍光色素としてフルオレセインを用いた場合を想定した。しかし、本技術は、その他の蛍光色素を採用した場合にも同様に適用できるものである。
<変形例2>
上記の実施形態では、色補正回路26でのリニアマトリクス変換によって、CMOSイメージセンサー16によって検出されたR、G、Bの全体の成分からG=B*Ng%、R=B*Nr%、およびBの成分を削除することとした。
上記の実施形態では、色補正回路26でのリニアマトリクス変換によって、CMOSイメージセンサー16によって検出されたR、G、Bの全体の成分からG=B*Ng%、R=B*Nr%、およびBの成分を削除することとした。
その変形としては、色補正回路26でのリニアマトリクス変換によって、CMOSイメージセンサー16によって検出されたR、G、Bの全体の成分からG=B*Ng%、R=B*Nr%だけを削除し、Bの成分については、色補正回路26の後段に、B成分の削除するための回路を設けて、ここで削除するようにしてもよい。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
(1)蛍光色素により染色された試料に励起光をあてて蛍光をカラー撮像素子により撮像する撮像装置より像信号を入力するインタフェース部と、
前記カラー撮像素子のカラーフィルター分光特性をもとに予め求められた、前記像信号における前記励起光の波長領域に対応する第1の色の成分に対する他の第2の色の成分および第3の色の成分の各々の割合の情報を保持し、前記入力された像信号から、前記第2の色の成分の割合相当分および前記第3の色の成分の割合相当分を各々削減する色補正回路と
を具備する画像処理装置。
(1)蛍光色素により染色された試料に励起光をあてて蛍光をカラー撮像素子により撮像する撮像装置より像信号を入力するインタフェース部と、
前記カラー撮像素子のカラーフィルター分光特性をもとに予め求められた、前記像信号における前記励起光の波長領域に対応する第1の色の成分に対する他の第2の色の成分および第3の色の成分の各々の割合の情報を保持し、前記入力された像信号から、前記第2の色の成分の割合相当分および前記第3の色の成分の割合相当分を各々削減する色補正回路と
を具備する画像処理装置。
(2)前記(1)に記載の画像処理装置であって、
前記色補正回路は、前記入力された像信号から、前記第1の色の成分を削減するように構成される
画像処理装置。
前記色補正回路は、前記入力された像信号から、前記第1の色の成分を削減するように構成される
画像処理装置。
(3)前記(1)または(2)のいずれか1つに記載の画像処理装置であって、
前記色補正回路は、リニアマトリクス変換回路である
画像処理装置。
前記色補正回路は、リニアマトリクス変換回路である
画像処理装置。
(4)前記(1)から(3)のいずれか1つに記載の画像処理装置であって、
前記色補正回路の前段で、前記入力された像信号から、前記第2の色の成分および前記第3の色の成分のうちいずれか一方を低減するホワイトバランス調整回路をさらに具備する
画像処理装置。
前記色補正回路の前段で、前記入力された像信号から、前記第2の色の成分および前記第3の色の成分のうちいずれか一方を低減するホワイトバランス調整回路をさらに具備する
画像処理装置。
(5)前記(1)から(4)のいずれか1つに記載の画像処理装置であって、
前記蛍光色素がフルオレセインである
画像処理装置。
前記蛍光色素がフルオレセインである
画像処理装置。
1…蛍光観察システム
10…撮像ユニット
11…光源
12…励起フィルター
13…対物レンズ
14…ビームスプリッター
15…接眼レンズ
16…CMOSイメージセンサー
17…試料
20…画像処理ユニット
21…インタフェース回路
22…ホワイトバランス調整回路
26…色補正回路
10…撮像ユニット
11…光源
12…励起フィルター
13…対物レンズ
14…ビームスプリッター
15…接眼レンズ
16…CMOSイメージセンサー
17…試料
20…画像処理ユニット
21…インタフェース回路
22…ホワイトバランス調整回路
26…色補正回路
Claims (6)
- 蛍光色素により染色された試料に励起光をあてて蛍光をカラー撮像素子により撮像する撮像装置より像信号を入力するインタフェース部と、
前記カラー撮像素子のカラーフィルター分光特性をもとに予め求められた、前記像信号における前記励起光に対応する第1の色の成分に対する他の第2の色の成分および第3の色の成分の各々の割合の情報を保持し、前記入力された像信号から、前記第2の色の成分の割合相当分および前記第3の色の成分の割合相当分を各々削減する色補正回路と
を具備する画像処理装置。 - 請求項1に記載の画像処理装置であって、
前記色補正回路は、前記入力された像信号から、前記第1の色の成分を削減するように構成される
画像処理装置。 - 請求項2に記載の画像処理装置であって、
前記色補正回路は、リニアマトリクス変換回路である
画像処理装置。 - 請求項3に記載の画像処理装置であって、
前記色補正回路の前段で、前記入力された像信号から、前記第2の色の成分および前記第3の色の成分のうちいずれか一方を低減するホワイトバランス調整回路をさらに具備する
画像処理装置。 - 請求項4に記載の画像処理装置であって、
前記蛍光色素がフルオレセインである
画像処理装置。 - 蛍光色素により染色された試料に励起光をあてて蛍光を撮像するカラー撮像素子のカラーフィルター分光特性をもとに、前記カラー撮像素子の像信号における前記励起光に対応する第1の色の成分に対する他の第2の色の成分および第3の色の成分の各々の割合を求め、
前記カラー撮像素子より入力された像信号から、前記第2の色の成分の割合相当分および前記第3の色の成分の割合相当分を各々削減する
画像処理方法。
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