JP4898270B2 - 液面検知装置および自動分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定の容器に収容された液体の液面を検知する液面検知装置および当該液面検知装置を備えた自動分析装置に関する。

従来、検体と試薬とを反応させることによってその検体の成分を分析する自動分析装置において、検体や試薬等の液体を細管状のプローブによって吸引する際にその液体の液面を検知する技術として、プローブ自身またはプローブの近傍に設けられる電極と、液体を収容する容器と一体にまたは容器の近傍に配設される電極との間の静電容量の変化を検出することによって液面を検知する技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平６−２４１８６２号公報

上述した従来の液面検知技術では、プローブの端部が液面よりも上方に発生している液泡に接触した場合や、そのプローブの端部が液体を収容する容器の開口部に接触してしまった場合、あるいは対をなす電極のいずれかが静電気の影響を受けた場合などに、液体の液面を誤検知してしまうことがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、液体の液面を精度よく検知することができる液面検知装置および当該液面検知装置を備えた自動分析装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１記載の発明は、容器に収容された液体の液面を検知する液面検知装置であって、導電性を有し、前記液体を吸引または吐出するプローブと、前記容器と一体にまたは前記容器の近傍に配設される電極と、前記プローブと前記電極との間の静電容量の変化に基づいて前記液体の液面を検知する液面検知手段と、前記プローブの端部と前記液体とが接触することによって生じる前記プローブ内部の圧力の変化を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段で検出した前記プローブ内部の圧力の変化の態様を参照して前記液面検知手段で検知した液面が前記液体の真の液面であるか否かを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明における「液体」には、微量の固体成分を含有する液体も含まれる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記判定手段は、前記液面検知手段で前記プローブと前記電極との間の静電容量の変化を検出し始めてから所定時間以内に前記圧力検出手段で前記プローブ内部の圧力の変化を検出し始めた場合、前記液面検知手段で検知した液面が前記液体の真の液面であると判定することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記プローブは、フッ素系樹脂とカーボン粉体とを含むことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、検体と試薬とを反応させることによって前記検体の成分の分析を行うため、前記検体を分注する検体分注手段と、前記試薬を分注する試薬分注手段と、を備えた自動分析装置であって、前記検体分注手段および前記試薬分注手段は、請求項１〜３のいずれか一項に記載した液面検知装置をそれぞれ有することを特徴とする。

本発明に係る液面検知装置および自動分析装置によれば、導電性を有し、容器に収容された液体を吸引または吐出するプローブと、前記容器と一体にまたは前記容器の近傍に配設される電極と、前記プローブと前記電極との間の静電容量の変化に基づいて前記液体の液面を検知する液面検知手段と、前記プローブの端部と前記液体とが接触することによって生じる前記プローブ内部の圧力の変化を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段で検出した前記プローブ内部の圧力の変化の態様を参照して前記液面検知手段で検知した液面が前記液体の真の液面であるか否かを判定する判定手段と、を備えたことにより、液体の液面を精度よく検知することが可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以後、「実施の形態」と称する）を説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る液面検知装置の構成を模式的に示す図である。同図に示す液面検知装置１は、液体の吸引または吐出を行うプローブの先端部が液体の液面に到達したか否かを検知する装置である。なお、ここでいう「液体」には、微量の固体成分を含有する液体も含まれる。

液面検知装置１は、金属等の導電性材料から成る細管状のプローブ２と、プローブ２に鉛直方向の昇降動作や水平方向の回転動作を行わせることによってプローブ２を移送するプローブ移送部３と、液体の試料Ｓｐを収容する容器４の近傍に設けられた電極５と、プローブ２と電極５との間の静電容量の変化を検出することによって試料Ｓｐの液面を検知する液面検知部６と、プローブ２の端部と試料Ｓｐの液面とが接触することによって生じるプローブ２内部の圧力の変化を検出する圧力検出部７と、液面検知部６で検知したプローブ２と電極５との間の静電容量変化の態様と圧力検出部７で検出したプローブ２内部の圧力変化の態様とを比較することによってプローブ２が試料Ｓｐの真の液面と接触したか否かを判定する判定部８と、液面検知装置１の動作を制御するためにＣＰＵ（Central Processing Unit）等を用いて構成される制御部９と、を備える。

液面検知部６は、所定の周波数の交流信号を発振して印加する発振回路６１と、プローブ２と電極５との間の静電容量を検出する静電容量検出回路６２と、静電容量検出回路６２からの出力に対して所定の信号処理を施すことによって生成した液面検知信号を制御部９へ出力する信号処理回路６３とを有する。

圧力検出部７は、プローブ２の基端部付近に設けられ、プローブ２の先端部と試料Ｓｐの液面との接触によるプローブ２の先端部の詰まりをプローブ２内部の圧力変化として検出する。この圧力検出部７は、プローブ２内部の圧力を検出する圧力センサ７１と、圧力センサ７１からの出力に対して所定の信号処理を施すことによって生成した圧力検出信号を制御部９へ送出する信号処理回路７２とを有する。

なお、図１では、電極５が平板状をなす場合を示しているが、電極５の形状はこれに限られるわけではなく、例えば容器４を覆うような形状でもよい。また、容器４を導電性材料によって形成することによって電極５の機能を兼備させてもよい。さらに、液面検知装置１の筐体を構成する金属部分（板金）の一部を電極５としてもよい。

引き続き、液面検知装置１の構成を説明する。液面検知装置１は、洗浄液Ｌｑの流路をなすチューブ１０と、試料Ｓｐを吸引または吐出するためにプローブ２に加えられる圧力であってチューブ１０内を流れる洗浄液Ｌｑを介して加えられる圧力を発生するシリンジ１１とを備える。シリンジ１１は、シリンダ１１ａとピストン１１ｂとを有し、ピストン駆動部１２によってピストン１１ｂがシリンダ１１ａの内部を図１で上下方向に摺動することにより、洗浄液Ｌｑを介してプローブ２に伝達すべき圧力を変化させる。圧力伝達用液体としての洗浄液Ｌｑは、イオン交換水や蒸留水等の非圧縮性流体から成る。

また、液面検知装置１は、シリンジ１１に端部が接続される別の流路であるチューブ１３を備える。このチューブ１３には、洗浄液Ｌｑの流れを制御する電磁弁１４および洗浄液Ｌｑの吸排動作が行われるポンプ１５が順次介在している。チューブ１３のシリンジ１１に接続される側と異なる端部は、洗浄液Ｌｑを収容する洗浄液タンク１６内部に到達している。電磁弁１４およびポンプ１５の動作は、制御部９によって制御されている。

以上の構成を有する液面検知装置１は、試料Ｓｐの吸引または吐出を行う前に電磁弁１４を開き、ポンプ１５によって洗浄液Ｌｑを吸引し、チューブ１３、シリンジ１１、チューブ１０およびプローブ２の順に洗浄液Ｌｑを順次流入させた後、電磁弁１４を閉じてポンプ１５の動作を終了する。その後、試料Ｓｐの吸引または吐出を行う際には、制御部９の制御のもと、シリンジ１１のピストン１１ｂが移動することにより、洗浄液Ｌｑを介してプローブ２の先端部に適当な吸引圧または吐出圧を発生させる。なお、プローブ２の先端部で試料Ｓｐを吸引した状態で、試料Ｓｐと洗浄液Ｌｑとの間に空気層が介在する。このため、試料Ｓｐを吸引または吐出するときに試料Ｓｐが洗浄液Ｌｑと混合することはない。

次に、液面検知装置１が行う液面検知処理の概要を、図２に示すフローチャートを参照して説明する。まず、制御部９からの制御信号に応じてプローブ移送部３が駆動してプローブ２の下降を開始し（ステップＳ１）、プローブ２を下降させる（ステップＳ２）。

プローブ２の下降を開始してからその下降を停止するまでのプローブ２の下降量Δｈが所定の上限値ｈ_maxに達していなければ（ステップＳ３でＹｅｓ）、続くステップＳ４に進む。他方、プローブ２の下降量Δｈが上限値ｈ_maxを超えた場合には（ステップＳ３でＮｏ）、プローブ２の下降を停止し（ステップＳ５）、液面検知処理を終了する。この意味で、ステップＳ３で判定する上限値ｈ_maxは、容器４に試料Ｓｐが収容されていない場合であっても下降を停止すべき値である。

ステップＳ３でΔｈ≦ｈ_maxの場合（ステップＳ３でＹｅｓ）、プローブ２は下降を続けるが、その下降の最中に液面検知部６がプローブ２と電極５との間の静電容量の変化を検出した場合（ステップＳ４でＹｅｓ）、制御部９は、プローブ移送部３にプローブ２の下降を停止させる制御を行う（ステップＳ６）。図３は、液面検知部６で検出する静電容量検出信号Ｐ₁（縦軸）とプローブ２の下降時間ｔ（横軸）との関係を示す図である。同図に示す場合、静電容量検出信号Ｐ₁は液面に近づくとともに急激に増加し、やがて一定値をとる。以後、静電容量検出信号Ｐ₁が変化し始めた時間をｔ₀とする。

プローブ２の先端部が真の液面に到達した場合、プローブ２の先端部の開口は試料Ｓｐの液面によってふさがれ、その結果、プローブ２内部の圧力が上昇する。図４は、プローブ２が真の液面に到達した場合に圧力検出部７で検出する圧力検出信号Ｐ₂（縦軸）とプローブ２の下降時間ｔ（横軸）との関係を示す図である。同図に示す場合、プローブ２内部の圧力を負圧として測定している。図４に示すように、プローブ２の先端部が真の液面に到達した場合の圧力検出信号Ｐ₂は、静電容量検出信号Ｐ₁よりも時間的に遅れて時間ｔ₁（＞ｔ₀）に変化し始める。これは、プローブ２の先端部が試料Ｓｐの液面に到達したとき、プローブ２と電極５との間の静電容量変化の方が、プローブ２の先端部の詰まりによる圧力変化よりも迅速に応答するためである。

判定部８では、圧力検出信号Ｐ₂が変化し始めた時間ｔ₁と静電容量検出信号Ｐ₁が変化し始めた時間ｔ₀との時間差（ディレイ）Δｔ＝ｔ₁−ｔ₀を算出し、この算出した時間差Δｔを所定時間Ｔと比較することにより、液面検知部６で検知した信号が真の液面であるか否かを判定する。

液面検知部６でプローブ２と電極５との間の静電容量変化を検出し始めてから、圧力検出部７でプローブ２内部の圧力変化を検出し始めるまでの時間差Δｔが所定時間Ｔ以内（Δｔ≦Ｔ）である場合（ステップＳ７でＹｅｓ）、判定部８は、液面検知部６で検知した液面を真の液面であると判定する（ステップＳ８）。この場合には、ピストン１１ｂを駆動してプローブ２の先端部に吸引圧（負圧）を発生させ、所定量の試料Ｓｐを吸引する。その後、プローブ移送部３がプローブ２を所定の位置まで移送し、ピストン１１ｂを駆動してプローブ２の先端部に吐出圧（正圧）を発生させ、プローブ２の先端部で保持している試料Ｓｐを所定の容器へ吐出する。

これに対して、液面検知部６で静電容量の変化を検出し始めてから所定時間Ｔ以内に圧力検出部７で圧力変化を検出し始めない場合（ステップＳ７でＮｏ）、判定部８は液面検知部６で検知した液面を真の液面ではないと判定する（ステップＳ９）。この場合、制御部９は、ステップＳ１に戻って上述した処理を繰り返す制御を行う。

以上説明した液面検知装置１によれば、液体の吸引を行う際に、静電容量方式による液面検知に加えてプローブ２内部の圧力変化を検知することにより、より高精度な液体の液面検知を実現することができる。

本実施の形態に係る液面検知装置１は、検体の成分の分析を行う自動分析装置に適用することができる。図５は、本発明の一実施の形態に係る自動分析装置要部の構成を模式的に示す図である。同図に示す自動分析装置１００は、試料Ｓｐに相当する検体と試薬とを所定の容器にそれぞれ分注し、その容器内部に収容された液体に対して光学的な測定を行う測定機構１０１と、この測定機構１０１を含む自動分析装置１００の制御を行うとともに測定機構１０１における測定結果の分析を行う制御分析機構１０２とを有し、これら二つの機構が連携することによって複数の検体の成分の生化学的な分析を自動的かつ連続的に行う装置である。

最初に、自動分析装置１００の測定機構１０１について説明する。測定機構１０１は、主として一般検体を収容する検体容器２１が搭載された複数のラック２２を収納して順次移送する検体移送部３１と、一般検体以外の各種検体（検量線作成用のスタンダード検体、精度管理検体、緊急検体、ＳＴＡＴ検体、再検査用検体等）を収容する検体容器２３を保持する検体容器保持部３２と、試薬容器２４を保持する試薬容器保持部３３と、検体と試薬とを反応させる容器である反応容器２５を保持する反応容器保持部３４と、反応容器２５の内部に収容された液体を攪拌する攪拌部３５と、反応容器２５内部を通過した光の波長成分ごとの強度等を測定する測光部３６と、を備える。

また、測定機構１０１は、検体移送部３１上の検体容器２１や検体容器保持部３２上の検体容器２３に収容された検体を反応容器２５に分注する検体分注部３７と、試薬容器保持部３３上の試薬容器２４に収容された試薬を反応容器２５に分注する試薬分注部３８と、反応容器２５の洗浄を行う洗浄部３９と、を備える。このうち、検体分注部３７および試薬分注部３８は、上述した液面検知装置１と同様の機能構成を有しており、反応容器２５内部に収容されている液体の液面を検知することができる。

検体容器２１および２３には、内部に収容する検体を識別する識別情報をバーコードまたは２次元コード等の情報コードにコード化して記録した情報コード記録媒体がそれぞれ貼付されている（図示せず）。同様に、試薬容器２４にも、内部に収容する試薬を識別する識別情報を情報コードにコード化して記録した情報コード記録媒体が貼付されている（図示せず）。このため、測定機構１０１には、検体容器２１に貼付された情報コードを読み取る情報コード読取部ＣＲ１、検体容器２３に貼付された情報コードを読み取る情報コード読取部ＣＲ２、および試薬容器２４に貼付された情報コードを読み取る情報コード読取部ＣＲ３が設けられている。

検体容器保持部３２、試薬容器保持部３３、および反応容器保持部３４は、検体容器２３、試薬容器２４および反応容器２５をそれぞれ収容保持するホイールと、このホイールの底面中心に取り付けられ、その中心を通る鉛直線を回転軸としてホイールを回転させる駆動手段とを有する（図示せず）。

各容器保持部の内部は一定の温度に保たれている。例えば、試薬容器保持部３３内は、試薬の劣化や変性を抑制するために室温よりも低温に設定される。また、反応容器保持部３４内は、人間の体温と同程度の温度に設定される。

測光部３６は、白色光を照射する光源と、反応容器２５を透過してきた白色光を分光する分光光学系と、分光光学系で分光した光を成分ごとに受光して電気信号に変換する受光素子とを有する。

なお、検体の成分の生化学的な分析を行う際には一つの検体に対して２種類の試薬を用いることが多いため、第１試薬用の試薬容器保持部３３と第２試薬用の試薬容器保持部３３とを別個に設けてもよい。この場合には、個々の試薬容器保持部３３に対応した試薬分注部３８を２個設ければよい。より一般には、試薬容器保持部３３や試薬分注部３８を複数個設けることもできる。

また、検体または試薬の分注後の適当なタイミングで複数の反応容器２５内部の液体の攪拌を同時に行うために、攪拌部３５を複数個設けてもよい。

ところで、図１では、測定機構１０１の主要な構成要素を模式的に示すことを主眼としているため、構成要素間の位置関係は必ずしも正確ではない。正確な構成要素間の位置関係は、試薬容器保持部３３の数や分注動作のインターバルにおける反応容器保持部３４のホイールの回転態様などの各種条件に応じて定められるべき設計的事項である。

次に、引き続き図１を参照して、自動分析装置１００の制御分析機構１０２について説明する。制御分析機構１０２は、検体の分析に必要な情報や自動分析装置１００の動作を指示する動作指示信号などを含む情報の入力を受ける入力部５１と、検体の分析に関する情報を出力する出力部５２と、測定機構１０１における測定結果に基づいて検体の分析データを生成するデータ生成部５３と、検体の分析に関する情報や自動分析装置１００に関する情報を含む各種情報を記憶する記憶部５４と、制御分析機構１０２内の各機能または各手段の制御を行うとともに測定機構１０１の駆動制御を行う制御部５５と、を備える。

入力部５１は、キーボードやマウスを有する。また、入力部５１として、トラックボール、トラックパッドなどのポインティングデバイスや、音声入力用のマイクロフォン等のユーザインターフェースをさらに具備してもよい。

出力部５２は、各種情報を表示する液晶、プラズマ、有機ＥＬ、ＣＲＴ等のディスプレイ装置を有する。また、出力部５２として、音声出力用のスピーカや、紙などに情報を印刷して出力するプリンタを具備させてもよい。

データ生成部５３は、測定機構１０１の測光部３６から受信した測定結果の分析演算を行う。この分析演算では、測光部３６から送られてくる測定結果に基づいて反応容器２５内部の液体の吸光度を算出したり、吸光度の算出結果と検量線や分析パラメータ等の各種情報とを用いて反応容器２５内部の液体の成分を定量的に求める成分量算出処理等を行ったりすることにより、検体ごとの分析データを生成する。このようにして生成された分析データは、出力部５２から出力される一方、記憶部５４に書き込まれて記憶される。

記憶部５４は、さまざまな情報を磁気的に記憶するハードディスクと、自動分析装置１００が処理を実行する際にその処理に係るプログラムをハードディスクからロードして電気的に記録するメモリとを用いて実現され、分析項目、検体情報、試薬の種類、検体や試薬の分注量、検体や試薬の有効期限、分析に使用する検量線に関する情報、検量線の有効期限、各分析項目の参照値や許容値などの分析に必要なパラメータ、およびデータ生成部５３で生成した分析データなどを記憶、管理する。

制御部５５は、制御および演算機能を有するＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって実現され、記憶部５４で記憶されるプログラムを記憶部５４から読み出すことによって自動分析装置１００の各種動作の制御および演算を実行する。このため、制御部５５は、液面検知装置１の制御部９の機能を兼備している。

以上説明した本実施の形態に係る自動分析装置１００によれば、プローブ２の先端部が検体や試薬の液面を精度よく検知することが可能となるため、プローブ２が空吸いや空まき（実際に吸引していないのに吐出してしまう）等の誤動作を行わずに済む。したがって、分析データの信頼性を向上させることができる。

以上説明した本発明の一実施の形態に係る液面検知装置および自動分析装置によれば、導電性を有し、容器に収容された液体を吸引または吐出するプローブと、前記容器と一体にまたは前記容器の近傍に配設される電極と、前記プローブと前記電極との間の静電容量の変化に基づいて前記液体の液面を検知する液面検知手段と、前記プローブの端部と前記液体とが接触することによって生じる前記プローブ内部の圧力の変化を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段で検出した前記プローブ内部の圧力の変化の態様を参照して前記液面検知手段で検知した液面が前記液体の真の液面であるか否かを判定する判定手段と、を備えたことにより、液体の液面を精度よく検知することが可能となる。

ここまで、本発明を実施するための最良の形態を詳述してきたが、本発明は上記一実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。例えば、本発明においては、プローブとして、４フッ化エチレン等のフッ素系樹脂とカーボン粉体とを混合することによって形成したものを適用してもよい。一般に、フッ素系樹脂は撥水性に優れており、金属製のプローブを適用する場合と比較して、たんぱく質等の汚れが付着しにくい。したがってこの場合には、プローブの汚れに起因するコンタミネーションを低減するとともに分注不良を防止することができ、半永久的に使用することが可能となる。

なお、フッ素系樹脂とカーボン粉体とを混合することによってプローブを形成する場合には、製造ロットによって導電性が異なる場合があり、液面を検知する検知感度にばらつきが生じる恐れがある。そこで、液面検知部に対してプローブの検知感度を所定の感度に補正する機能を具備させておけばより好ましい。具体的には、液面検知部に対してプローブの検知感度を検出する感度検出手段と、この感度検出手段による検出結果をフィードバックすることによって所定の検知感度への補正を行う感度補正手段とを具備させればよい。これにより、プローブの製造ロットの違いによる検知感度のばらつきを解消し、液面検知精度を適確に維持することが可能となる。

また、本発明に係る液面検知装置を免疫分析用の自動分析装置の分注機構に適用してもよい。この場合、自動分析装置には、不均一系反応を用いた免疫分析に必要なＢ／Ｆ洗浄を行うＢ／Ｆ洗浄部と、測光部として発光物質の発光量をカウントする光電子増倍管とを設ければよい。これらの点を除く自動分析装置の構成は、上述した自動分析装置の構成とほぼ同様である。

以上の説明からも明らかなように、本発明は、ここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。

本発明の一実施の形態に係る液面検知装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施の形態に係る液面検知装置が行う液面検知処理の概要を示すフローチャートである。 プローブが液面と接触する場合のプローブと電極との間の静電容量の時間変化を示す図である。 プローブが液面と接触する場合（真の液面である場合）のプローブ内部の圧力の時間変化を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る自動分析装置要部の構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 液面検知装置
２ プローブ
３ プローブ移送部
４ 容器
５ 電極
６ 液面検知部（液面検出手段）
７ 圧力検出部（圧力検出手段）
８ 判定部（判定手段）
９、５５ 制御部
１０、１３ チューブ
１１ シリンジ
１１ａ シリンダ
１１ｂ ピストン
１２ ピストン駆動部
１４ 電磁弁
１５ ポンプ
１６ 洗浄液タンク
２１、２３ 検体容器
２２ ラック
２４ 試薬容器
２５ 反応容器
３１ 検体移送部
３２ 検体容器保持部
３３ 試薬容器保持部
３４ 反応容器保持部
３５ 攪拌部
３６ 測光部
３７ 検体分注部
３８ 試薬分注部
３９ 洗浄部
５１ 入力部
５２ 出力部
５３ データ生成部
５４ 記憶部
６１ 発振回路
６２ 静電容量検出回路
６３、７２ 信号処理回路
７１ 圧力センサ
１００ 自動分析装置
１０１ 測定機構
１０２ 制御分析機構
ＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３ 情報コード読取部
Ｌｑ 洗浄液
Ｓｐ 試料

Claims (3)

1. 容器に収容された液体の液面を検知する液面検知装置であって、
   導電性を有し、前記液体を吸引または吐出するプローブと、
   前記容器と一体にまたは前記容器の近傍に配設される電極と、
   前記プローブと前記電極との間の静電容量の変化に基づいて前記液体の液面を検知する液面検知手段と、
   前記プローブの端部と前記液体との接触による前記プローブの端部の詰まりを前記プローブ内部の圧力の変化として検出する圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段の検出結果に基づいて、前記液面検知手段によって検知された液面が前記液体の真の液面であるか否かを判定する判定手段と
   を備え、
   前記判定手段は、前記液面検知手段が前記静電容量の変化を検出し始めてから所定時間以内に前記圧力検出手段が前記プローブ内部の圧力の変化を検出し始めた場合に、前記液面検知手段によって検知された液面が前記液体の真の液面であると判定する、液面検知装置。
2. 前記プローブは、フッ素系樹脂とカーボン粉体とを含む、請求項１に記載の液面検知装置。
3. 検体と試薬とを反応させることによって前記検体の成分の分析を自動的に行う自動分析装置であって、
   前記自動分析装置は、
   前記検体を分注する検体分注手段と、
   前記試薬を分注する試薬分注手段と
   を備え、
   前記検体分注手段および前記試薬分注手段のそれぞれは、請求項１または請求項２に記載の液面検知装置を有する、自動分析装置。

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