TWI532475B - 多點雷射探頭 - Google Patents

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Description

多點雷射探頭 發明領域
本申請案係關於一用於眼科程序的雷射探頭，且更特定地，關於一用於光凝結術中的多點雷射探頭。
 發明背景
雷射光凝結術療法解決眼睛疾病，諸如視網膜脫離及撕裂，以及由於疾病諸如糖尿病導致的增殖性視網膜病變。一糖尿病患者體內不正常的高血糖刺激視網膜血管釋放生長因子，該等生長因子繼而促進視網膜表面上血管及微血管的不良增生。此等增生血管非常脆弱且血液易於流入玻璃體內。身體對受損血管的反應是產生疤痕組織，這進而可導致視網膜脫離以最終導致失明。
在雷射光凝結術中，一雷射探頭被使用於在視網膜上以各種不同雷射燃燒點燒灼血管。因為雷射也將損害存在於視網膜中產生視覺的桿狀及錐狀細胞，故除血管外視力受到影響。因為視覺在視網膜中心黃斑上最敏銳，外科醫生將產生的雷射燃燒點佈置在視網膜周邊區域。以此方式，一些周邊視覺被犧牲以保護中心視覺。在該程序期間，外科醫生驅動具有一非燃燒瞄準光束的探頭，使得欲被光凝結的視網膜區域受照。由於低功率紅色雷射二極體的效用，該瞄準光束大體上是一低功率紅色雷射光。一旦外科醫生定位該雷射探頭來照射一所需視網膜光點，該外科醫生透過一腳踏開關或其他裝置啟動雷射，以進而光凝結受照區域。燃燒一視網膜點之後，外科醫生重新定位該探頭，用瞄準光照射一新光點，啟動該雷射，重新定位該探頭等等，直到一合宜燃燒雷射光點陣列被分佈在視網膜上為止。
任何一種視網膜治療所需要的雷射光凝結的數目都很大─例如，通常燃燒1000-1500點。因此易於被理解的是，如果雷射探頭是一能夠同時燃燒多點的多點探頭，光凝結程序會更快(假設雷射源電力充足)。因此，多點雷射探頭被研發且可被劃歸成兩類。第一類在本文稱為一「多點/多光纖」雷射探頭，透過一相應光纖陣列產生其之多個雷射光束。第二類僅使用一單光纖，在本文稱為一「多點/單光纖」雷射探頭。無論雷射探頭是單光纖還是多光纖探頭，其應與將探頭連接至雷射源的配接器相容。在這點上，習知地一雷射源具有一標準化互連結構諸如一超小型A型(SMA)互連結構。例如，雷射源可具有一容納耦合至雷射源驅動的任一儀器之公SMA連接器的母SMA連接器。對於一習知單點/單光纖雷射探頭而言，其公SMA連接器將包含一單光纖。雷射源對公SMA連接器提供一稱為雷射腰束之聚焦光束。這對單光纖探頭非常有利，因為其光纖端面受腰束照射而能夠有效耦合至雷射源。但如果一多點/多光纖雷射探頭使用相應的複數個光纖以驅動其之多個光點，因為雷射腰束太窄而不能耦合至多個光纖中，故無法以此一習知單光纖方式簡易地使雷射探頭的多個光纖接收來自雷射源的聚焦光束。取而代之地，雷射源必須改變習知的互連結構或被修改成使得探頭的多個光纖不僅只提供雷射腰束。但是此等修改昂貴且麻煩。
因此，一多點/多光纖探頭已被研發，使得雷射源驅動一連接至一單光纜的單光纖互連結構，進而驅動一單光纖/多光纖光耦合在雷射探頭機頭內。因為希望雷射探頭是用後即棄的以限制病人之間的污染，產生的機頭內光學元件增加成本。例如，該等光學元件包括一將來自單光纖的雷射光束分裂成多束以分配至多個光纖的繞射分光鏡。需要平凸透鏡來將源自單光纖的雷射光束對準到分光鏡上，且進而將產生的多個束聚集到多個光纖上。但是將此等透鏡移到雷射源，而使探頭餘部可由於互連結構之相對較小內徑具有較低價格是困難的。
多點/多光纖雷射探頭的另一問題在於從多光纖頂部發射的遠心雷射光束應被導向不同角度方向，以將產生的雷射光束點適當分佈在視網膜上。為了提供此分佈，研發一多點/多光纖雷射探頭，該等光纖遠端彎成所需角度方向。但是此彎曲麻煩且還增加成本。
為了避免與使用多光纖相關聯的問題，來自一單光纖雷射探頭的光束可被導向一繞射分光鏡上，該分光鏡將該束分裂成多個發射至視網膜的繞射光束。然而，該繞射分光鏡進而必須聚焦產生的繞射光束，這要求光柵規格在整個元件上有空間變化。此種複雜化不僅增加成本，產生的空間變化的繞射分光鏡將降低總性能。此種設計還使光纖遠端與繞射元件之間的距離難以改變。
因此，在該技藝中有一改良多點雷射探頭的需求。
 發明概要
依據本揭露一第一層面，提供一多點/多光纖雷射探頭，包括一第一配接器，該第一配接器可操作以與一雷射源上的一相對第二配接器連接；一在該第一配接器內的第一梯度折射率(GRIN)透鏡，該第一GRIN透鏡被配置以接收該第一GRIN透鏡一近端之雷射源的一雷射光束，且向該GRIN透鏡一遠端轉發該接收的雷射光束；及一光纖陣列，該光纖陣列具有一被配置成接收轉發雷射光的近端。
依據本揭露之一第二層面，提供一多點/單光纖雷射探頭，包括一套管；一佈置在該套管內的光纖；一在該套管內的繞射分光鏡；及一在該套管內，且被安排在該光纖之一遠端與該繞射分光鏡之間的GRIN透鏡，其中該繞射分光鏡被配置成將來自GRIN透鏡的一聚焦雷射光束分裂成多個繞射雷射光束。
依據本揭露之一第三層面，提供一種將來自一雷射源的一光束分裂成多個雷射光束以供光凝結術療法使用的方法，其包括將從雷射源經由一GRIN透鏡傳送的雷射光束聚焦到一繞射分光鏡上，其中該GRIN透鏡及繞射分光鏡繼而被佈置在一雷射探頭套管內；且調整GRIN透鏡與繞射分光鏡之間的間隙，以調整由繞射分光鏡產生之多繞射光束的一聚焦點尺寸。
依據本揭露之一第四層面，提供一多點/單光纖雷射探頭，包括一套管；一在該套管內的光纖陣列；及一在該套管內且與該陣列一遠端相鄰的GRIN透鏡，該GRIN透鏡被配置成將來自該光纖陣列的多數個雷射光束聚焦成在一視網膜上的聚焦雷射光點。
依據本揭露之一第五層面，提供一多點/多光纖雷射探頭，包括一第一配接器，該第一配接器可操作以與在一雷射源上的一相對第二配接器連接；一在該第一配接器內的第一GRIN透鏡，該第一GRIN透鏡被配置成在該GRIN透鏡一近端接收來自該雷射源的一雷射光束，且向該GRIN透鏡的一遠端轉發該接收的雷射光束為一準直波前；一在第一配接器內與第一GRIN透鏡之遠端相鄰的繞射分光鏡，其中該繞射分光鏡被配置成接收該準直波前，以提供多個繞射光束；及一在該第一配接器內與該繞射分光鏡之一遠端相鄰的第二GRIN透鏡，其中該第二GRIN透鏡可操作以將該等繞射光束聚焦到一光纖陣列的一近端面上。
圖式簡單說明
第1圖是一被耦合至一配接器元件的雷射源之縱向截面圖，該配接器元件包含一GRIN透鏡用於耦合至一多點/多光纖雷射探頭之一近端。
第2圖繪示一在第1圖之探頭近端內的一多光纖陣列之徑向截面。
第3圖是一被耦合至一配接器元件的雷射源之縱向截面圖，該配接器元件包括一用以耦合至一多點/多光纖雷射探頭的一近端的繞射分光鏡。
第4圖是在第3圖之探頭近端內的一多光纖陣列之徑向截面圖。
第5圖繪示一將從第4圖多光纖陣列發射的投射多光束成角分離的GRIN透鏡。
第6圖是一多點/單光纖雷射探頭套管遠端的縱向截面圖，該套管包含一繞射分光鏡。
第7圖是第6圖之多點/單光纖雷射探頭套管，被修改成在繞射分光鏡與該單光纖之間具有一氣隙的縱向截面圖，產生的多雷射光束聚焦在視網膜上。
 較佳實施例之詳細說明
提供一與習知雷射源互連結構相容的改良多點/多光纖雷射探頭。另外，提供一改良多點/單光纖雷射探頭，其不需要一空間變化繞射分光鏡，且亦允許該單光纖相對一GRIN透鏡便於實體移動，以便能夠調節光點尺寸。每一實施例具有其獨特的優勢。例如，該改良多點/單光纖雷射探頭使外科醫生能調節雷射燃燒點尺寸。與此對照，該改良多點/多光纖雷射探頭將在瞄準光束提供的照明與產生的雷射光點之間具有一固有對齊。因此相當有助於對齊，因為外科醫生將確知瞄準光束產生的光點準確地代表產生的雷射燃燒點的所在位置，首先討論該多點/多光纖雷射探頭。
多點/多光纖雷射探頭
現在就各圖式說明，第1圖繪示一多點/多光纖雷射探頭100。如本文進一步所述，雷射探頭100不需要任何繞射光學元件。一雷射源105透過一合宜互連結構驅動探頭100。一用於雷射源105的常見標準互連結構是一超小型A型(SMA)配接器。因此，雷射源105包括一母SMA配接器110。然而，將瞭解只要雷射源的互連結構存在一從雷射探頭到一公連接器近端的聚焦雷射光束點，諸如雷射腰束115，則雷射探頭100即適於與任一習知標準光學互連結構對接。因此，下文將不失一般性地假定雷射探頭100經由一客製SMA配接器120連接至雷射源105。
為了容納雷射腰束115，SMA配接器120之內孔包括一梯度折射率(GRIN)透鏡125。GRIN透鏡125可以是一易於插入至此一內孔的簡單、單元件GRIN柱狀透鏡。GRIN透鏡125被設計成將聚焦光束轉發至一第二聚焦點130，且進而至其遠端的一準直光束波前。如在SMA技藝中所知，SMA配接器120經由一螺紋柱135及扣環140固定至SMA配接器110。SMA配接器120不僅具有一插入到SMA配接器110內的公端，還有一容納一習知光學互連結構諸如公SMA 905光纖連接器145的母端。連接器145經由一螺紋柱或環160及扣環165固定至配接器120。連接器145在其內孔內包括一光纖陣列150。陣列150之一近端151以一合宜氣隙諸如一220μm氣隙與GRIN透鏡125之遠端分隔。如同雷射探頭技藝中所習知地，連接器145連接至一通向一機頭及套管的柔性電纜包裝光纖150。
第2圖繪示一光纖陣列150的實施例。第1圖近端151的雷射光束邊界所示係為源105的一綠色雷射光束邊界205，亦為一紅色瞄準光束邊界210。陣列150包括一有六個外部光纖分佈在周圍的中心光纖。在一實施例中，每一光纖220具有一0.22的數值孔徑(NA)，由一75μm的玻璃芯部圍封在一101μm套管所圍繞的90μm護套內實現。為了使進入陣列150中的非耦合雷射能大小最小化，GRIN透鏡125被配置成使雷射光束邊界205剛好包圍該六個外部光纖。因為雷射光束及陣列是軸對稱的，陣列150相對雷射光束的同步不是問題。與關於第5圖的討論類似，陣列150延伸至雷射探頭之一遠端。
可立即瞭解此種一近端互連結構的有利性質在於不需要複雜、多透鏡轉發系統。相反地，GRIN透鏡125易於被插入配接器120的內孔，這使一標準配接器諸如公SMA配接器145能夠附接一容納光纖陣列150的用後即棄雷射探頭。在沒有GRIN透鏡125及其配接器120的情況下，雷射源105上的標準配接器110必須被更改，這顯然是不理想的，因為源150的其他附件必須一致更改。可選擇地，該源之配接器可被標準化但還需要一多透鏡轉發系統。然而，SMA配接器120及GRIN透鏡125消除了此種困難。雖然SMA配接器120因此非常有利，可瞭解大約50%雷射能量被傳送至陣列150中光纖之間的間隙，如第2圖所示。此一雷射能量因此不能被利用於光凝結中，因此增加產生雷射燃燒點所需要的雷射源功率及/或時間量。
現在討論第3圖，圖中繪示一不照射光纖陣列間隙的繞射實施例。如關於第1圖討論的，客製SMA配接器120使一使用者能方便地將一用後即棄探頭附接至配接器120以將雷射能送至一光纖陣列。然而，配接器120在其內孔中包括一被佈置在一第一GRIN透鏡301與一第二GRIN透鏡310之間的繞射分光鏡305。
GRIN透鏡301被配置成使從雷射腰束115分叉的雷射光束對準成一提供至繞射分光鏡305的準直波前。GRIN透鏡310被配置成將由分光鏡305產生的繞射多雷射光束聚焦到容納在公SMA配接器145內孔中的一光纖陣列320之一近端151上。光纖陣列320包括複數個依據繞射分光鏡305之繞射性質佈置的光纖。例如，如果繞射分光鏡產生一對稱五邊形分佈的五繞射光束，則光纖陣列320被佈置成一對應的五邊形分佈。第4圖繪示光纖束320在其近面151的此一配置。
在一實施例中，每一光纖400具有一75μm的玻璃芯部包覆在一90μm護套中，該護套進而由一101μm的套管圍繞，以實現一0.22的NA。由分光鏡305產生之繞射綠色雷射光束的投射由邊界405表示。因為繞射取決於波長，所以瞄準光束之投射將具有與光纖陣列302不同的對齊。因此，分光鏡305與光纖陣列320被佈置成使邊界405與每一光纖400軸向對齊，而一紅色瞄準光束之邊界410相對於每一光纖之中心或軸成放射狀佈置。
在一實施例中，分光鏡305對每一綠色繞射光束提供的離軸佈置是1.45度。GRIN透鏡310將產生的準直及繞射光束聚焦至陣列320中每一光纖400的入射面上。藉由陣列320相對於繞射光束之一種適當同步，達成各別繞射光束與進入每一光纖400的瞄準光束的有效耦合。在這點上，通常用於電信工業的其他類型的配接器，諸如一套管連接器(FC)或一標準連接器(SC)可代替SMA配接器120被使用以支援最佳的同步。如關於第1圖所討論者，光學元件組裝到SMA配接器120中是有利方便的，因為GRIN透鏡301及310以及介於中間的繞射分光鏡305可被施用光學黏合劑，接著被滑動至配接器120之內孔中，且端對端地彼此相靠。相反地，折射透鏡的對準相比之下麻煩且困難。
如上文關於第1圖或第3圖所述，從源分裂出且經由光纖陣列遠心傳送的雷射光束仍然有源自雷射探頭的角投射聚焦雷射光點的問題。一關於第3圖之光纖陣列320的GRIN透鏡解決方法在第5圖中揭露，但將瞭解一類似實施例是於針對第1圖之光纖陣列150被建構的。
如第5圖所示，一雷射探頭套管500，例如一不鏽鋼套管在其遠端容納一GRIN透鏡505。光纖陣列320的一遠端被佈置在該套管中，以將分叉光束510投射在GRIN透鏡505的一近端面。GRIN透鏡505進而將該等光束聚焦在視網膜表面520上。產生的聚焦光束在視網膜上的分佈決取於光纖在陣列320遠端的分佈。
在這點上，雖然在陣列320(第3圖)近端的分佈應軸對稱，但光纖可在遠端佈置作任意適當佈置。例如，如第5圖所示，陣列320被線性佈置在遠端。產生的雷射光點因此是呈現到GRIN透鏡505之影像(在此實施例中，是一線性陣列)的一放大型式。在一實施例中，GRIN透鏡505以一距套管500遠端4mm的距離聚焦該等角分佈光束。有利地，GRIN透鏡505排除了對下列者之需要：使光纖彎曲成所需角度分佈(且避免此種彎曲的相關聯問題)，使光纖之遠端面成斜面，或在該等遠端面添加光學元件。該等光纖甚至可在陣列320中彼此接觸而GRIN透鏡505仍將是有效的。現在將討論多點/單光纖雷射探頭實施例。
多點/單光纖雷射探頭
因為一單一光纖將傳送一單一雷射光束，提供一繞射分光鏡來產生所需之多個雷射光束以實現同時多個雷射燃燒點。為了避免增加繞射分光鏡中之光功率的需求，第6圖的一雷射探頭600包括一對準GRIN透鏡605，其近端鄰接在一探頭600之套管615內的一單一玻璃光纖610的遠端。一定心柱620圍繞在光纖610以保持該光纖在該套管中央。GRIN透鏡605對繞射分光鏡630提供一準直雷射光束波。在一實施例中，分光鏡630被配置以產生5個成11度角距的繞射及準直光束，它們以距套管615一4mm的距離被聚焦，如關於第3圖所作的類似討論。探頭600的組裝有利方便，因為該光纖610及其定心柱620在末端縮在套管內。GRIN透鏡605，在光學黏合劑施加於其外表面上之後，接著被推入套管內孔，直到其鄰接光纖610之一遠端及柱620為止，接著插入分光鏡630，分光鏡630之側壁上也有光學黏合劑。光纖610及柱620接著可在遠端被佈置在套管內孔中，以將分光鏡630之一遠端與套管615之遠端對齊，隨之黏合劑被容許凝固。另外，折射率匹配黏合劑可被用在光纖610與GRIN透鏡605接合處，以及透鏡605與分光鏡630之間，以消除任何菲涅爾反射損失。
第7圖繪示一可選擇實施例，其中光纖610之遠端與GRIN透鏡605之間的間隔不固定。以此方式，藉由致動光纖620與柱620的一機械耦合(圖未示)，一外科醫生可調節光纖610與透鏡605之間的一間隙700之尺寸。在無間隙的情況下，諸如第6圖所示，繞射光束準直。然而，因導入間隙700，繞射光束被會聚而非被對準，這在視網膜上產生較小的聚焦雷射光點。因此，藉由將機械耦合佈置在遠端或近端，一外科醫生可因應治療目標即時調節視網膜上雷射光束點尺寸。雖然此種調節有其優勢，可觀測到繞射分光鏡605將必然地將一紅色瞄準光束繞射成不同於第6圖及第7圖所示綠色雷射光之分離角度的角度方向。此一取決於波長的佈置與第4圖中所示關於個別光纖端面上的紅色及綠色雷射光點邊界的佈置類似。此種配置相當不理想，因為瞄準光束之意義是要指示對應雷射燃燒點產生的位置。相反地，關於第1圖及第3圖討論的多點/多光纖實施例在瞄準光束點與雷射光束點之間不會有此種佈置。
上述實施例說明但不限制本發明。亦應理解依據本發明之原理可能有許多修改及變化。因此，本發明之範圍僅由下列申請專利範圍界定。
100．．．多點/多光纖雷射探頭
105．．．雷射源
110．．．母超小型A型(SMA)配接器
115．．．雷射腰束
120．．．客製SMA配接器
125、505．．．梯度折射率(GRIN)透鏡
130．．．第二聚焦點
135．．．螺紋柱
140、165．．．扣環
145．．．連接器
150、320．．．光纖陣列
151．．．150之近端
160．．．螺紋柱/環
205、405．．．綠色雷射光束邊界
210、410．．．紅色瞄準光束邊界
220、400．．．光纖
301．．．第一GRIN透鏡
305、630．．．繞射分光鏡
310．．．第二GRIN透鏡
500、615．．．探頭套管
510．．．分叉光束
520．．．視網膜表面
600．．．雷射探頭
605．．．準直GRIN透鏡
610．．．玻璃光纖
620．．．定心柱
700．．．間隙
θ1．．．角
第1圖是一被耦合至一配接器元件的雷射源之縱向截面圖，該配接器元件包含一GRIN透鏡用於耦合至一多點/多光纖雷射探頭之一近端。
第2圖繪示一在第1圖之探頭近端內的一多光纖陣列之徑向截面。
第3圖是一被耦合至一配接器元件的雷射源之縱向截面圖，該配接器元件包括一用以耦合至一多點/多光纖雷射探頭的一近端的繞射分光鏡。
第4圖是在第3圖之探頭近端內的一多光纖陣列之徑向截面圖。
第5圖繪示一將從第4圖多光纖陣列發射的投射多光束成角分離的GRIN透鏡。
第6圖是一多點/單光纖雷射探頭套管遠端的縱向截面圖，該套管包含一繞射分光鏡。
第7圖是第6圖之多點/單光纖雷射探頭套管，被修改成在繞射分光鏡與該單光纖之間具有一氣隙的縱向截面圖，產生的多雷射光束聚焦在視網膜上。
100．．．多點/多光纖雷射探頭
105．．．雷射源
110．．．母超小型A型(SMA)配接器
115．．．雷射腰束
120．．．客製SMA配接器
125．．．梯度折射率(GRIN)透鏡
130．．．第二聚焦點
135．．．螺紋柱
140、165．．．扣環
145．．．連接器
150．．．光纖陣列
151．．．150之近端
160．．．螺紋柱/環

Claims (11)

  1. 一種眼用雷射探頭，包含：一第一配接器，該第一配接器可操作以與一雷射源之一相對第二配接器連接；一在該第一配接器內的GRIN透鏡，該GRIN透鏡被配置成在該GRIN透鏡之一近端接收來自該雷射源的一雷射光束，且將該接收的雷射光束轉發向該GRIN透鏡之一遠端，該GRIN透鏡被位設在該第一配接器內，用以接收來自該雷射源之一第一聚焦光束點的雷射光束，且用以將該接收的雷射光束經由一第二聚焦光束點轉發成一準直波前；及一光學纖維陣列，該等光學纖維具有一被配置成接收該轉發雷射光的遠端。
  2. 如請求項1所述之雷射探頭，其中該光學纖維陣列被位設為鄰近該GRIN透鏡的該遠端，使得該陣列中每一光學纖維接收該準直波前的一部份。
  3. 如請求項2所述之雷射探頭，其中該第一配接器可操作以與一第三配接器連接，且其中該光學纖維陣列在該第三配接器內。
  4. 如請求項3所述之雷射探頭，其中該第一、第二及第三配接器是SMA配接器。
  5. 如請求項3所述之雷射探頭，進一步包含一將該第一配接器連接至該第二配接器的第一螺紋柱。
  6. 如請求項5所述之雷射探頭，進一步包含一將該第一配 接器連接至該第三配接器的第二螺紋柱。
  7. 一種眼用雷射探頭，包含：一第一配接器，該第一配接器可操作以與一雷射源之一相對第二配接器連接；一在該第一配接器內的第一GRIN透鏡，該第一GRIN透鏡被配置成在該第一GRIN透鏡之一近端接收來自該雷射源的一雷射光束，且將該接收的雷射光束向該GRIN透鏡之一遠端轉發為一準直波前，該第一GRIN透鏡被安置該第一配接器內的一位置，以在該第一配接器與該第二配接器連接時，接收來自該雷射源之一第一聚焦光束點的雷射光束；一在第一配接器內與該第一GRIN透鏡之該遠端相鄰的繞射分光鏡，其中該繞射分光鏡被配置成接收該準直波前以便提供多個繞射光束；一在該第一配接器內的第二GRIN透鏡，與該繞射分光鏡之一遠端相鄰，及一光學纖維陣列，其中該第二GRIN透鏡可操作以將來自該繞射分光鏡之該等繞射光束聚焦在該陣列之一近端面上。
  8. 如請求項7所述之雷射探頭，其中每一來自該第二GRIN透鏡的聚焦繞射光束實質上集中在該陣列中該等光學纖維之一個別者上。
  9. 如請求項7所述之雷射探頭，其中該第一配接器可操作以與一第三配接器連接，且其中該光學纖維陣列是在該 第三配接器中。
  10. 如請求項9所述之雷射探頭，其中該第一、第二及第三配接器是SMA配接器。
  11. 一種將來自雷射源之光束分裂成多個用於光凝結治療之雷射光束的方法，包含：將來自該雷射源的該雷射光束經由一GRIN透鏡聚焦至一繞射分光鏡上，其中該GRIN透鏡及該繞射分光鏡依序被佈置在一雷射探頭套管中；且調節該GRIN透鏡與該繞射分光鏡之間的一間隙尺寸，以調節由該繞射分光鏡所產生的多個繞射光束的一聚焦點尺寸，其中調節該間隙尺寸包括將該GRIN透鏡於該雷射探頭套管中的下列兩位置之間移動：一第一位置，其中該GRIN透鏡被位設成使得該等多個繞射光束準直；及一第二位置，其中該GRIN透鏡被位設成使得該等多個繞射光束會聚。
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