基于醫(yī)學(xué)圖像拼接的微表面三維測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)

引言

對(duì)于消化道疾病的診斷，目前最常用的方法是采用內(nèi)窺鏡，但傳統(tǒng)1. 引言

MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、信息、生化、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空航天和國防軍事等各個(gè)領(lǐng)域[1] [2]。隨著MEMS器件的迅速發(fā)展，對(duì)其測(cè)試技術(shù)也相應(yīng)的提出了更高的要求，如應(yīng)最大可能同時(shí)具有大視場(chǎng)、橫向和縱向分辨率高等性能[3]。干涉測(cè)量技術(shù)和光學(xué)顯微鏡相結(jié)合，具有表面信息直觀、測(cè)量精度高和全視場(chǎng)三維測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，常被用于表面顯微結(jié)構(gòu)的測(cè)量[4]；尤其是引入相移干涉技術(shù)后，使得干涉顯微鏡的測(cè)量精度大為提高。而為了取得高分辨率，視場(chǎng)會(huì)非常小。如果要保持分辨率為一個(gè)常數(shù)，則需要使用更大的檢測(cè)器陣列，但最多也只能得到二倍的區(qū)域；還有一個(gè)途徑可以得到更大的視場(chǎng)，就是將一些較小范圍視場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行拼接[5]。

本文基于計(jì)算機(jī)微視覺和顯微干涉技術(shù)測(cè)試平臺(tái)，加入電控二維平移系統(tǒng)；利用重疊區(qū)域的匹配對(duì)被測(cè)件子區(qū)域圖像進(jìn)行拼接，并對(duì)不同比例的重疊區(qū)域做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行誤差分析和平面度評(píng)價(jià)。

2. 基本原理

2.1相移顯微干涉檢測(cè)原理

相移顯微干涉系統(tǒng)的主要構(gòu)架如圖1所示。系統(tǒng)采用中心波長(zhǎng)為617nm的orange-red LED提供連續(xù)照明。分光路干涉顯微鏡選用Mirau型干涉[6]：從光源出發(fā)的光束經(jīng)顯微物鏡后透過參考板，被分光板上的半透半反膜分成兩路。一路透過分光板后透射到被測(cè)面上，反射后經(jīng)分光板和參考板回到顯微物鏡。另一路被分光板反射到參考板上表面的小鏡面上，從小鏡面上反射回的光束再次被分光板反射，然后穿過參考板到達(dá)顯微物鏡。兩束光在顯微物鏡視場(chǎng)中會(huì)合并發(fā)生干涉。使用CCD采集干涉圖樣并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理工作。將干涉物鏡與納米定位儀的執(zhí)行部分組合固定，定位儀施加不同的電壓，其執(zhí)行部分PZT（壓電陶瓷傳感器）帶動(dòng)干涉物鏡產(chǎn)生垂直于載物平臺(tái)方向的步進(jìn)位移。PZT帶動(dòng)干涉物鏡每移動(dòng)一次，計(jì)算機(jī)進(jìn)行一次圖像采集[7]。

相位提取算法本文將采用五步相移算法（Hariharan）[8]。每次相移90°，一共五次，得到五幅連續(xù)的相移干涉條紋圖。通過以下公式，可以用五幅干涉圖的光強(qiáng)得到每一個(gè)像素點(diǎn)的包裹相位值。

其中 是像素點(diǎn)（x，y）的包裹相位值， 為第i幅干涉圖在（x，y）點(diǎn)的光強(qiáng)。而由于物體表面高度的相位變化范圍通常超過一個(gè)周期相位變化的范圍，得到的相位分布被包裹，形成呈階躍分布的不連續(xù)的相位分布圖樣。因此需要進(jìn)行相位展開（或相位解包裹，phase unwraping），將多個(gè)截?cái)嘞辔坏膮^(qū)域拼接展開成連續(xù)相位 。本文相位展開后的圖像，其元素包含的數(shù)據(jù)是相位 信息，需要經(jīng)過相位－高度轉(zhuǎn)換才能得到每個(gè)像素點(diǎn)的離面高度數(shù)據(jù)：

其中 是光源的波長(zhǎng)。

2.2微表面三維測(cè)試系統(tǒng)概述

測(cè)量系統(tǒng)分為以下四個(gè)子系統(tǒng)，如圖2所示：

相移顯微干涉系統(tǒng)：為本文系統(tǒng)的測(cè)試基礎(chǔ)，其基本原理在上一節(jié)講明，實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)內(nèi)被測(cè)件表面高度信息的測(cè)量。

二維電控平移系統(tǒng)：主要包括二維電控平移臺(tái)、控制平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器、靈活設(shè)計(jì)脈沖的單片機(jī)以及提供合適電壓的直流穩(wěn)壓電源，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)件的面內(nèi)平移，擴(kuò)大了被測(cè)表面的測(cè)量范圍，解決了物鏡視場(chǎng)局限的問題。并加入精密升降臺(tái)一個(gè)，以方便被測(cè)件的調(diào)焦對(duì)準(zhǔn)。

采集系統(tǒng)：包括CCD和圖像采集卡，用于圖像信息的采集。

圖像處理系統(tǒng)：為本文系統(tǒng)的核心部分，對(duì)采集的圖像信息進(jìn)行拼接、相位提取、相位展開等處理，輸出對(duì)被測(cè)表面測(cè)量的結(jié)果。

3. 拼接測(cè)量

為了保證一定的分辨率，采用較高倍率的顯微鏡，因而視場(chǎng)范圍很小。比如，放大倍率為50×，又CCD使用800×800像素的陣列，實(shí)測(cè)的范圍僅為173.6×173.6 。，為得到高分辨率大視場(chǎng)的結(jié)果，將測(cè)得的較小范圍視場(chǎng)的結(jié)果進(jìn)行拼接。被測(cè)件分割成有重疊部分的區(qū)域分別測(cè)量，利用重疊區(qū)域?qū)⑧徑膬煞鶊D拼接，需要知道在測(cè)量時(shí)樣品被移動(dòng)的精確距離，可通過電控平移臺(tái)的精確定位實(shí)現(xiàn)。通過單片機(jī)設(shè)定的脈沖可以控制平移臺(tái)移動(dòng)的距離：

其中，S是電機(jī)步距角： ；L是螺桿導(dǎo)程：1mm；P是脈沖數(shù)；F是電控平移臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)。最大可取128細(xì)分，平移臺(tái)的最小位移量可達(dá)39nm。

本文將被測(cè)件分為四個(gè)鄰接的表面按2×2陣列分開。由于每個(gè)子區(qū)域的測(cè)量都使用了相移技術(shù)，經(jīng)過相位展開的處理后，子區(qū)域在離面位置上有偏差，其灰度圖很明顯的可以看出子區(qū)域平面的不一致。選取第一個(gè)子區(qū)域的底面部分作為基準(zhǔn)建立平面方程：

a（1）x+a（2）y+a（3）+z=0 （4）

將其它子區(qū)域的底面分別按照此基準(zhǔn)進(jìn)行修正。然后，對(duì)得到的表面信息通過平面度的評(píng)定，以了解拼接對(duì)被測(cè)表面平面度的影響。

4. 實(shí)驗(yàn)分析

本文使用美國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局（NIST）認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)三角形臺(tái)階作為被測(cè)件進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。圖3是重疊度為35% 時(shí)利用式（1）得到的子區(qū)域的包裹相位圖。圖4是拼接后的未調(diào)平的灰度圖。圖5是調(diào)平后的灰度圖。圖6是調(diào)平后的3D形貌圖。

分別對(duì)其三角臺(tái)階表面和底面的平面度進(jìn)行評(píng)定，得到臺(tái)階表面平面度為4.100nm，底面平面度為2.725nm?？紤]重疊區(qū)域比例大小對(duì)拼接的影響，又分別在重疊度為20%和35%的情況下進(jìn)行拼接測(cè)量，得到對(duì)比數(shù)據(jù)如表1。

在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)重疊比例越大，拼接效率越高，據(jù)以上數(shù)據(jù)分析顯示平面度也越好。但是，若針對(duì)較大型的被測(cè)件，重疊度越大，則子區(qū)域數(shù)量越大，拼接次數(shù)也越多，拼接過程造成的誤差累積也越大，且影響了拼接的速度。綜合考慮以上因素，可選取重疊度20%進(jìn)行拼接。

5.小結(jié)

本文對(duì)微表面三維測(cè)量進(jìn)行系統(tǒng)的研究和探討，搭建了測(cè)試平臺(tái)、設(shè)計(jì)了相關(guān)圖像處理程序，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，并進(jìn)行一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同重疊度的影響進(jìn)行了有益的探討。

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本文來自： 賽微電子網(wǎng)-電子工程師社區(qū)  原文地址：http://www.srvee.com/med/apply/jyyxtxpjdwbmswcsxtkf_3401.html內(nèi)窺鏡使用插入導(dǎo)管的方式，存在著諸多弊端，例如操作困難；屬于有創(chuàng)檢測(cè)，給病人帶來很大的肉體痛苦；診察范圍有限，僅限于診斷上消化道及大腸的病變，而對(duì)小腸疾病的診斷存在很大的盲區(qū)等等。[1]鑒于此，近十年來，世界各國有不少科研機(jī)構(gòu)在從事人體消化道無創(chuàng)檢測(cè)設(shè)備的研究開發(fā)工作，而本文所提到的無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)就是其中有代表性的設(shè)備之一。

本論文重點(diǎn)介紹了一種無線膠囊內(nèi)窺鏡診斷系統(tǒng)體外接收器的原理與結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用雙片高速單片機(jī)（Silicon Laboratory 8051F130）與FPGA、FIFO相結(jié)合的架構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了將體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡傳輸出的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收存儲(chǔ)的功能。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上則采用了Sandisk公司的4G大容量高速CF卡SDCFH-4096對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，滿足了實(shí)時(shí)非壓縮數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)大容量存儲(chǔ)空間的要求。

1 體外無線接收存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成

無線膠囊內(nèi)窺鏡體外接收存儲(chǔ)系統(tǒng)的接口框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)接收與同步模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊兩大基本模塊。

1.1 數(shù)據(jù)接收與同步模塊

數(shù)據(jù)接收與同步模塊包括模擬射頻接收器、低通濾波器、箝位電路、視頻放大器、同步檢測(cè)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器MCU1等。

從模擬射頻接收器接收的幀模擬信號(hào)經(jīng)過低通濾波器濾掉高頻干擾分量。低通濾波器采用無源三階巴特沃斯濾波器實(shí)現(xiàn)。射頻接收器輸出的是交流耦合信號(hào)，經(jīng)低通濾波器后仍為交流耦合信號(hào)，為了恢復(fù)信號(hào)的直流分量，必須對(duì)通過箝位電路對(duì)其進(jìn)行箝位。經(jīng)箝位電路后，信號(hào)的直流分量將為0.38V。視頻放大器的作用是對(duì)箝位電路輸出的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，一方面提高信?hào)的幅值，便于進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，另一方面，可以提高驅(qū)動(dòng)能力，帶動(dòng)后級(jí)負(fù)載。同步檢測(cè)器的功能是從輸入的信號(hào)中分離出幀同步和行同步信號(hào)，使得可以采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)。同步檢測(cè)采用對(duì)信號(hào)幅值進(jìn)行比較的方法實(shí)現(xiàn)，其具體結(jié)構(gòu)是一個(gè)電壓比較器。信號(hào)處理器MCU1的作用在于通過檢測(cè)同步檢測(cè)器的輸出信號(hào)判定幀同步信號(hào)與行同步信號(hào)，據(jù)此控制AD轉(zhuǎn)換器的CLK信號(hào)，向后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊提供相應(yīng)的同步標(biāo)志位SYNC，同時(shí)控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的部分電路。

1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包括CF控制器MCU2、FIFO、FPGA、CF卡等部分，詳細(xì)結(jié)構(gòu)及原理過程將在第3部分作進(jìn)一步介紹。

2 CF卡簡(jiǎn)介

2.1 CF卡結(jié)構(gòu)與工作模式

CF卡是體外接收存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。CF卡全稱Compact Flash卡，由控制器與Flash存儲(chǔ)器兩大部分組成?？刂破髦饕脕韺?shí)現(xiàn)與主機(jī)的接口并控制數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)模塊中的傳輸，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)?？刂破魍ㄟ^協(xié)議轉(zhuǎn)換，將外設(shè)對(duì)Flash Memory的讀寫轉(zhuǎn)化成對(duì)控制器的訪問，統(tǒng)一了讀寫訪問的標(biāo)準(zhǔn)（符合PC機(jī)內(nèi)存卡國際聯(lián)合會(huì)PCMCIA和ATA接口規(guī)范），從而保證了不同CF卡的兼容性。[2]同時(shí)CF卡采用了緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，使CF卡與外界通信的同時(shí)可以對(duì)內(nèi)部Flash Memory進(jìn)行操作，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/p>

CF卡支持包含Memory Mapped、I/O Card和True IDE在內(nèi)的三種訪問模式。本系統(tǒng)采用的是True IDE模式。上電時(shí)，將OE-腳置為低電平，則CF卡進(jìn)入True IDE模式。上電時(shí)，OE-為高電平，CF進(jìn)入PCMCIA模式，即Memory Mapped模式或I/O Card模式。然后可以通過配置選項(xiàng)寄存器進(jìn)入相應(yīng)的模式。

2.2 CF卡的操作方式

CF卡與硬盤類似，采用柱面/磁道/扇區(qū)的方式組織存放數(shù)據(jù)。[3]其扇區(qū)尋址方式有邏輯尋址（LBA）和物理尋址（CHS）兩種。物理尋址方式（CHS）使用柱面、磁頭、扇區(qū)號(hào)來表示一個(gè)特定的扇區(qū)；邏輯尋址方式（LBA）將整塊CF 卡進(jìn)行同一尋址，在訪問連續(xù)的扇區(qū)時(shí)，操作速度比物理尋址方式要快，而且也簡(jiǎn)化了對(duì)磁盤的訪問。文中使用邏輯尋址方式（LBA）。二者的換算關(guān)系為邏輯LBA地址=（柱面號(hào)×磁頭數(shù)+磁頭號(hào)）×扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)號(hào)-1。

3.1 FIFO與FPGA、MCU2協(xié)同工作流程

作為該體外接收存儲(chǔ)系統(tǒng)接收信號(hào)的發(fā)射源，無線膠囊內(nèi)窺鏡使用的是由Omnivision公司提供的OV6650微型圖像傳感器。其輸出圖像大小設(shè)定為CIF格式（352×288），圖像格式為Raw RGB。[4]為降低功耗，膠囊內(nèi)窺鏡采用輸出一幀圖像后即進(jìn)入休眠狀態(tài)的工作方式。每幀圖像的持續(xù)時(shí)間約為63ms，兩幀之間的休眠時(shí)間約為430ms。單幀圖像的數(shù)據(jù)量在90K左右。圖像數(shù)據(jù)的每幀數(shù)據(jù)量大，傳輸速率快，在圖像傳感器的PCLK管腳輸入為2MHz的情況下，每個(gè)像素點(diǎn)的傳輸時(shí)間為500ns?？紤]到今后提高傳輸速率的需要，采用在膠囊工作時(shí)用MCU1控制FIFO，直接將一幀圖像數(shù)據(jù)緩存，在膠囊休眠期間將FIFO中的圖像寫入CF卡的解決方案。另外考慮到以后擴(kuò)展的方便，在設(shè)計(jì)中采用了FPGA作為FIFO與高速單片機(jī)MCU2 （8051F130）之間的讀操作時(shí)鐘源，完成單片機(jī)對(duì)FIFO的讀時(shí)序控制。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的具體電路連接圖如圖3所示。該部分結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于圖1的虛線框。FIFO采用Cypress公司的CY7C4291V。該低電壓FIFO芯片的緩存為128K×9。[5]AD轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司的ADS931。MCU采用Silicon Laboratory公司的8051F130，經(jīng)過倍頻后可達(dá)到100MIPS的處理速率，可為以后系統(tǒng)升級(jí)預(yù)留足夠的空間。

濾波箝位后的模擬幀數(shù)據(jù)信號(hào)在MCU1產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)CLKIN的控制下，經(jīng)過ADS931轉(zhuǎn)換為8位數(shù)據(jù)。MCU1同時(shí)向CY7C4291V提供WCLK、/WEN1、WEN2引腳的輸入控制，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù)緩存入FIFO。在檢測(cè)到SYNC_IN管腳輸入的一幀結(jié)束標(biāo)志后，MCU1停止向ADS931及FIFO輸出時(shí)鐘，并向FPGA的SYNC管腳提供一個(gè)脈沖。此時(shí)對(duì)FIFO的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給FPGA。在FPGA產(chǎn)生的RCLK，/REN1，/REN2，ADCLK1的時(shí)序控制下，MCU2將FIFO中所緩存一幀圖像以較低的速率讀入，并寫入CF卡緩存，達(dá)到了與CF Card寫入周期的匹配。[6]

FPGA各引腳時(shí)序圖如圖4所示。

3.2 向CF中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

對(duì)CF卡的操作只需讀寫任務(wù)寄存器即可。CF卡共有30條指令，數(shù)據(jù)讀寫的最小單位為1個(gè)扇區(qū)。8位格式訪問時(shí)對(duì)應(yīng)1個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)量為512字節(jié)，16位格式訪問是對(duì)應(yīng)1個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)量為256字。連續(xù)存取字節(jié)兩次則依次存取數(shù)據(jù)寄存器的偶字節(jié)和奇字節(jié)。本系統(tǒng)中采用8位模式進(jìn)行操作。在MCU2對(duì)CF卡進(jìn)行寫入操作之前，先向命令寄存器寫入0Efh，將默認(rèn)的16位模式改為8位模式。每次執(zhí)行CF卡命令前，需要讀取狀態(tài)寄存器（偏移量為07H）來確定當(dāng)前CF卡所處的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器D7位為零，表示控制空閑；D6，D4均為1，表示CF卡準(zhǔn)備好接收下一條指令。執(zhí)行命令前，程序要寫7個(gè)寄存器，其中前6個(gè)為參數(shù)，最后1個(gè)為命令碼。[7]讀扇區(qū)命令字為20H或21H，寫扇區(qū)命令字為：30H或31H。其中扇區(qū)讀寫流程如圖5所示。

在實(shí)際的程序運(yùn)行過程中，在FIFO存儲(chǔ)完一幀圖像數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA開始向MCU2提供ADCLK1時(shí)鐘。在MCU2檢測(cè)到第一個(gè)時(shí)鐘下降沿時(shí)，向CF卡任務(wù)寄存器寫入寫卡指令，之后讀CF卡狀態(tài)寄存器，當(dāng)返回值為58H時(shí)，表明CF卡已進(jìn)入等待數(shù)據(jù)寫入狀態(tài)。在之后的每個(gè)ADCLK1的下降沿，對(duì)應(yīng)一個(gè)像素點(diǎn)的8位數(shù)據(jù)從FIFO讀入MCU2，隨后即時(shí)送入CF卡的緩存。當(dāng)一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)，即512Bytes的數(shù)據(jù)寫入緩存后，CF卡需要一定的響應(yīng)時(shí)間等待寫扇區(qū)指令的執(zhí)行。所以FPGA在產(chǎn)生連續(xù)512個(gè)周期為200us的ADCLK1后將產(chǎn)生一個(gè)800us的延時(shí)，從而保證CF卡有足夠時(shí)間寫入一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)，避免丟失數(shù)據(jù)的情況發(fā)生。在此同時(shí)，程序查詢狀態(tài)寄存器的值，若為50H，說明一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)已被寫入CF卡。此時(shí)FPGA繼續(xù)產(chǎn)生ADCLK1時(shí)鐘，MCU2則繼續(xù)在時(shí)鐘下降沿查詢FIFO的輸入，并將其寫入CF數(shù)據(jù)緩存，如此重復(fù)寫入數(shù)扇區(qū)，直至一幀圖像數(shù)據(jù)完全寫入CF卡為止。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

（1） 采用4G的CF卡（SDCFH-4096）實(shí)現(xiàn)了連續(xù)6.2小時(shí)的圖像錄制，與膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)在人體內(nèi)由SR69W氧化銀電池供能條件下可連續(xù)工作時(shí)間（7小時(shí)左右）相近，基本滿足了實(shí)時(shí)存儲(chǔ)內(nèi)窺鏡圖像的要求。在對(duì)膠囊端的工作頻率進(jìn)行提高后，有望達(dá)到更高的圖像接收速率。

（2） 圖6為使用該系統(tǒng)接收的一幀CIF格式8位色Raw RGB圖像數(shù)據(jù)在PC上還原得到的圖像，圖像質(zhì)量較為理想。這說明接收器可以正確接收同步圖像信號(hào)并正確寫入CF卡。

（3） 由于受模擬傳輸干擾的影響，接收?qǐng)D像會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)同步位錯(cuò)誤造成的圖像失真（圖7），具體出現(xiàn)概率主要取決于接收器的接收頻率是否準(zhǔn)確，總體上對(duì)接收?qǐng)D像的影響不大。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，按此種方案設(shè)計(jì)的無線膠囊內(nèi)窺鏡體外接收存儲(chǔ)系統(tǒng)可以滿足實(shí)時(shí)接收并存儲(chǔ)WCE（Wireless Capsule Endoscopy）模擬圖像數(shù)據(jù)的要求。

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