JP4446744B2 - 位置の調節が可能であるx線検出器を具備するx線装置 - Google Patents

位置の調節が可能であるx線検出器を具備するx線装置 Download PDF

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Description

本発明は円錐形X線ビームを放射するためのX線源と、オブジェクト軸に沿って配置される検査すべき対象物を通過した後のX線を検出するためのX線検出器とを含む一方、X線源及びX線検出器は軌道に沿って移動するX線装置に関する。本発明はX線画像を形成する対応する方法、及びこの方法を実行するためのコンピュータプログラムにも関する。本発明は特に平坦な矩形のX線検出器を有するCアーム型のX線システムに関する。
この種類のX線装置は一般に知られていて、X線画像を形成するのにしばしば使用されている。X線源及びこのX線源のX線検出器は通常互いに向かい合うようにCアームに設置され、検査すべき対象物、特に患者の検査区域のコーンビームの投影を取得するため、この検査すべき対象物の周りを既定の軌道に沿って移動する。この検査区域の3D画像は、これにより取得されるコーンビームの投影から復元されることができる。円形の検出器表面を持つアナログのX線蛍光増倍管(X-ray image intensifier)がX線検出器としてしばしば用いられている。しかしながら、今後は、矩形の、必ずしも正方形とは限らない検出器表面を持つデジタルの平坦なX線検出器がますます使用されるであろう。
特願平11−226001号は、平坦なX線検出器を持つCアームのX線装置を開示してあり、前記検出器は、Cアーム型のX線システムのLアームの調節角を補償するために、検出器表面に垂直、且つこの表面の中心を通り延在する回転平面の周りに回転されることができ、これによりX線を検出している間、X線検出器の方位が常に同じであることを保証する。
米国特許US 4,541,293は、固定されたX線検出器に対して移動可能となるように、X線源が湾曲したレール部材上に配置されることを開示してあり、これにより特殊なX線検査の実施を可能にする。
本発明の目的は、X線検出器の寸法を増大させることなく、復元可能な検査区域の寸法を最大にすることである。その上、復元される画像のできるかぎり高い画像品質を実現するように、オブジェクト軸を横断する方向への切頭(truncated)投影ができるかぎり多く避けられるべきである。
本目的は、本発明に従い、X線源に対してX線検出器の位置及び/又は方位を変更する手段と、さらにX線源及びX線検出器を軌道に沿って移動させ、X線を検出している間、このX線検出器の位置及び又は方位を制御する制御ユニットとを含むことを特徴とする前述した種類のX線装置を用いて達成される。
本発明は、例えばドイツ国特許出願100 63 442.7(出願人整理番号PHDE000232)に記載されるような多くの軌道では、X線を検出している間、X線源に対して矩形のX線検出器の位置及び/又は方位を変更する、つまり、復元され得る検査区域が最大となるようするのが有利であるという理想に基づいている。X線検出器の位置及び/又は方位の制御は、適当な制御ユニットにより供給され、この正確な制御は、例えば軌道のコース及びX線検出器の敏感検出表面の縁の比のような様々な要因に依存している。
本発明によるX線装置の有利な実施例が従属請求項において開示されている。請求項10は本発明によるX線装置を用いてX線画像を形成する方法を説明している。本発明は、コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行される場合、本発明による方法に従って請求項1に記載のX線装置をコンピュータに制御させるためのプログラミング手段を備えるコンピュータプログラムにも関する。本発明によるX線装置の第1の有利な実施例は、X線源の焦点とX線検出器の中心との間にある接続線の周りを回転可能である平坦な矩形のX線検出器を利用している。前記制御ユニットは、X線を検出している間、矩形のX線検出器の縁の一方がオブジェクト軸に対し直角に延在するようにして構成される。平坦なX線検出器は通常、正方形とならないので、このX線検出器の方位は、これにより、矩形のX線検出器の短い又は長い縁の一方がオブジェクト軸に対し直角、すなわち患者テーブル上に配置される患者を検査する場合、この患者の長軸に対し直角に延在するようにして制御される。
本実施例の好ましい他のバージョンは請求項3及び請求項4に記載されている。多数の軌道にとって、移動を始める前にX線検出器を所望の方位に調節し、移動中はその方位を一定に保つには十分である。他の軌道にとって、X線検出器の方位は、これら軌道を完成させる間、常に変更しなければならない。
本発明による第2の実施例においてX線検出器の位置及び/又は方位を変更する手段は、X線ビームの中心X線と、X線源の焦点とX線検出器の中心との間に延在する接続線との間の角度が零以外の値に仮定できるようにして構成され、制御ユニットは少なくとも2つの異なる角度位置がX線を検出している間、調節されるように構成される。
本実施例がより小さなX線検出器を使用可能にする一方、それでもより大きなX線検出器の効果を達成する、つまり、固定された位置に置かれるより小さなX線検出器の場合よりも多数の位置からX線の投影を達成する。検査区域全体はこれによりさらに増大することができるので、切頭投影により生じる問題も減少する。
本実施例の好ましい他のバージョンは、請求項6から請求項9に記載されている。これらにおいて、X線検出器はこの検出器の位置及び/又は方位を変更させるために、1つ以上のレールに搭載される。好ましくは、このX線検出器がCアームの平面から横方向にシフトされることを可能にするレールが設けられる。しかしながら、Cアームの平面内においてX線検出器をシフトすること、特にCアームの方向にシフトすることも実現可能である。このレールは直線となるように構成されてもよいが、好ましくはX線源に対してX線検出器の最適なアライメントを達成するために、X線源の焦点の周りに湾曲している。これにより、好ましくは特にX線検出器に取り付けられている散乱X線除去用グリッド(anti-scatter grid)が常にX線源上に焦点合わせされていることが達成される。
請求項9に従う他の実施例によれば、各軌道が何回も完成され、X線検出器は各ランに対し異なる角度位置に移動されるので、X線源に対して異なる位置及び/又は方位を持つことが有利に配される。これはX線の投影が所望の異なる方向から取得されることを可能にして、これによりできるかぎり大きい検査区域の復元を可能にする。
請求項2及び請求項5において提案されるステップは、X線装置において有利に組み合わせられることも可能である。
本発明は図を参照して以下に詳細に説明されるであろう。
図1aは本発明によるX線装置の第1の実施例を示している。このCアーム型のX線装置において、X線源2及びX線検出器3はこのCアーム1の向き合う端部に搭載されている。このCアーム1は、プロペラ軸4及びCアーム軸9の周りを、すなわちCアームマウント10を介して回転可能であるようにジャーナル軸受される(journaled)。このCアーム軸は、図の平面に対し垂直に配向し、この図においてアイソセンタ(isocenter)8を通過している。Cアーム1は、Lアーム軸7の周りを回転可能となるようにLアーム6を介してジャーナルされる。X線装置を制御するための制御ユニット11が設けられる。コーンビームの投影を取得することを可能にするために、検査すべき対象物、例えば患者は、この患者の長軸が示されるCアーム1の位置においてプロペラ軸4と一致するようにして患者台5の上に置かれる。
この種類のCアーム型のX線装置はしばしば、X線源が患者の検査区域を囲む既定の軌道に沿って動かされる間、この検査区域のコーンビームの投影の組を取得するのに使用される。検査区域の3D画像は次いで、取得されるコーンビームの投影の組から復元されることができる。このコーンビームの形状は、敏感検出器の表面の形状、X線源とX線検出器との間の距離、及びX線源と患者との間に場合によっては存在するコリメータにより決められる。X線源とアイソセンタとの間の距離は通常約80cmとなるのに対し、検出器とアイソセンタとの間の距離は通常約40cmとなる。現在では、その直径が通常40cmを越えない円形の敏感検出器の表面を慣例的に持つX線蛍光増倍管の形式のX線検出器をしばしば利用している。しかしながら将来的には、例えば40cm×30cmの寸法を持つ矩形の敏感検出器の表面を持つ平坦な動的X線検出器(flat dynamic X-ray
detector)がますます利用されるであろう。
Cアーム型のX線装置は一般的にアイソセンタとなるように構成される。結果として、X線源の軌道は、アイソセンタである球状の包絡線に限定されてしまう。X線源からX線検出器への中心X線は、このとき常にこのアイソセンタを通過する。X線検出器の軌道は、X線源の軌道により決められる。患者テーブル上に置かれる患者の長軸は、オブジェクト軸として以後は呼ばれる。このオブジェクト軸に垂直な方向は、以後は横方向と呼ばれる。
コーンビームの形状及び軌道は、その内容が十分な精度で復元され得る最大容積を決める。この容積は復元可能な容積と呼ばれる。復元すべき容積は、復元可能な容積と区別されなければならない。これらの2つの容積は、同じでもよいが、同じである必要はない。復元すべき容積は、前記復元可能な容積の副容積として選択されるべきである。
実際的な理由で、軌道は、横平面(transverse plane)においてアイソセンタを通り延在し、約220°の角度を囲む円弧としてしばしば構成される。この種類の軌道は図2に示されている。その軌道はX線装置のCアーム軸の周り又はプロペラ軸の周りの一方においてCアームを回転させることにより達成される。第1の場合、Cアーム型のX線装置のLアームは患者の側面に配置されるのに対し、第2の場合は、前記Lアームが患者の頭部に配置される。検出器がX線蛍光増倍管である場合、前記復元可能な容積は、円弧に沿って全てのコーンビームにより覆われる最大のアイソセンタの球体と特定される。この球体の直径は通常20から30cmに達する。X線検出器が平坦な動的検出器である場合、矩形の検出器の表面の長い縁は、Cアーム軸に垂直又は平行のどちらかで配向する。図1に示される軌道では、前記長い縁は次いでオブジェクト軸に垂直又は平行のどちらかで延在している。この場合、復元可能な容積は、円形軌道に沿う全てのコーンビームにより覆われる、大きくアイソセンタである、長軸方向に配向する円柱を有する。この円柱の直径は通常20から30cmに達し、その長さは15から20cmに達する。
両方の場合において、復元すべき容積は、前記復元可能な容積と同じになるように選択される。この復元自身は、Feldkamp Davis and Kressアルゴリズムを用いて行われ、現実は軌道が完全な円形ではなく、実際には理想的な円形からある程度ずれていることも考慮されなければならない。コーンビームが患者全体を覆わない事実を考慮する必要もあるので、実際に取得されるコーンビームの投影は切頭されている。
復元可能な容積の内容を正確に復元するために、患者のX線減衰係数の線積分の正確な概算を正確に知られる積分の線に沿って示すことを測定されるデータに必要である。測定されるコーンビームの投影の組は、それに従って量子化及びサンプリングされることも必要である。しかしながら、このようにして復元される画像は依然としてかなりの劣化を、特に復元可能な容積の縁に見せる。これら劣化は、円形軌道の場合、いわゆる完全性条件が満たされない、及びコーンビームの投影が切頭される事実に一部がよるものである。この種類の劣化の深刻さは、X線蛍光倍増管の場合、コーンビームのアパーチャの角度の関数として、又は平坦な矩形のX線検出器の場合、長軸方向におけるコーンビームのアパーチャの角度の関数として増大する。これらの角度自身は検出器の寸法に依存している。
前記完全性条件によれば、復元すべき容積を交差する各平面は、軌道とも交差すべきである。もっと正確に言うと、前記完全性条件を満たす又は満たさないことに関して、所与の軌道と所与の容積との間に交差が存在する。この完全性条件のより詳細な記載は、先に述べたドイツ国特許出願100 63 442.7(出願人整理番号PHDE000232)に記載されてあり、これは参照することによりここに明らかに含まれる。
円弧を含んでいる平坦な軌道は、如何なる容積に関して完全であることができない。しかしながら、その軸がアイソセンタにおいて交差し、図3に示されるような角度を囲む2つの円弧を使用することが可能である。この場合、軌道は実際に2つの別々のセグメントから成る。これにより、コーンビームの投影の取得は2つのランにおいて起こる。図3に示される軌道では、各円弧はCアームをこのCアーム軸の周りに回転させることにより生成され、Cアームマウントの位置は、その都度異なっている。Lアームは患者の側面に配置される。図4は代替的な可能性を示している。各円弧は、プロペラ軸の周りを回転することにより形成され、Lアームの位置はその都度異なる。完全であり、単一のセグメントだけから成る軌道を利用することもできるので、単一のランだけしか必要とされない。このような軌道は、ランの間、Cアーム軸が回転可能である、すなわちプロペラ軸の周り又はLアーム軸の周りを回転可能であるCアーム型のX線装置を必要とする。図5及び図6はこれら軌道の2つの例を示している。この種類の軌道及びこれら軌道を使用するのに適したX線装置は、引用されるドイツ国特許出願100 63 422.7(出願人整理番号PHDE000232)にも述べられている。
所与の非平坦な軌道及びコーンビームの所与の形状では、前記完全性条件が満たされるための最大の容積を見つけることが可能である。検査すべき対象物がこの容積内に完全に適合するかぎり、それは正確に復元されることができる。非平坦な軌道では、この容積が復元可能な容積であるとみなされる。一般的に言えば、前記復元可能な容積は、はっきりと特長付けするのが難しい複雑な形状である。
しかしながら、X線検出器がX線蛍光倍増管である場合、前記復元可能な容積は、この場合では平坦ではなく、好ましくは完全である軌道に沿う全てのコーンビームにより完全に覆われる最大のアイソセンタである球体と再びなる。記載される円弧の場合も同様に、復元すべき容積は前記復元可能な容積と同じになるように選択される。
他方では、X線検出器が平坦な矩形のX線検出器である場合、一般的に言うと、復元可能な容積はもはやアイソセンタである長軸方向に配向する円柱ではない。それにもかかわらず、復元すべき容積が患者の横方向の厚いスライスからなる三次元撮像に対応するので、この復元すべき容積は好ましくは上記円柱と同じくらい正確に選択される。所与の復元可能な容積では、できるかぎり大きなアイソセンタである長軸方向に配向する円柱がこのとき復元可能な容積内に存在する。つまりこの円柱は復元可能な円柱と呼ばれるべきである。確かに、復元可能な円柱又は容積の外側において復元を行うことも試みてもよいが、増大する数の劣化がこの復元可能な容積の外側に生じるだろう。
例えば図3から図6に示される軌道のような多くの軌道では、軌道を完成させる間、検出器の長い縁はオブジェクト軸に対しもはや垂直又は平行に配向されない。これは、復元可能な円柱の高さ又は直径を減少させることにつながる。所与の非平坦な軌道及び本発明による平坦な矩形のX線検出器の好ましい使用の場合、検出器の表面はこれにより復元可能な円柱の寸法が最大となるようにして配向すべきである。
これにより、本発明に従い、図1aに示されるX線装置は、前記平坦な矩形のX線検出器3がX線源2の焦点とX線検出器3の中心との間に延在する接続線13の周りに回転することができる手段12を具備する。この目的のために、前記手段12は例えば、前記接続線13に垂直な平面においてX線検出器の上記回転を可能にするモータ駆動のジョイントを含んでもよい。制御装置11は、矩形の検出器3の短い縁31又は長い縁32の一方(図1b参照)が常にX線検出器によるX線の検出中にオブジェクト軸に垂直に配向するようにして構成される。復元可能な円柱の直径は、X線検出器3の長い縁32がデータの取得中にオブジェクト軸に対し直角となるように常に配向する場合、最大となる。この復元可能な円柱の長さは、検出器3の長い縁32がオブジェクト軸に対し常に平行に配向する場合に最大となる。
Cアーム1に対してX線検出器3の方位を指定するために、その原点がアイソセンタ8に置かれる座標x,y,zを持つ右手カルテシアン座標系(right-handed cartesian co-ordinate system)、すなわち実験室系(laboratory system)を導入する。X線源2の軌道はこの実験室系におけるベクトルa(s)により説明され、パラメタsは前記軌道に沿う位置を説明している。類似には、矩形の検出器3の中心の軌道は、ベクトルb(s)により説明される。さらに、検出器3における座標U,V,Wを持つ局部的な右手カルテシアン座標系を導入する。この座標系の原点はベクトルb(s)により形成される。u軸は検出器の表面3の長い縁32に沿って向けられ、v軸は検出器の表面3の短い縁31に沿って向けられ、w軸はX線源2に向かっているので、w軸はコーンビームの中心光線13と一致する。Cアーム1の軸は全ての位置sにおける単位ベクトルにより説明されることができる。このベクトルに対し垂直に延在するアイソセンタ平面は、いわゆるCアーム平面である。u軸とCアーム平面との間の角度は、示されるCアーム1の位置における図の平面に対応している。u軸とCアーム平面との間の前記角度は、参照記号α(s)により示される。この角度はCアーム1に対してX線検出器3の方位を特徴付けるのに用いられる。
図2に示される軌道での場合のような軌道を完成させる間、Lアームが図1に示される基本位置にある場合、2つの方位だけしか実際に必要とされず、選択された方位が全データを取得している間一定に保たれる。第1の方位はα(s)=0であるので、検出器3の長い縁32は、Cアーム平面に平行に置かれ、故にオブジェクト軸にも平行であるのに対し、短い縁31はCアーム平面及びオブジェクト軸に垂直に置かれる。これは図1aに示されるようなCアーム1の位置での場合である。
第2の方位はα(s)=π/2であり、長い縁32はこのときCアーム平面に垂直に延在する一方、短い縁31はCアーム平面に平行に延在する。この長い縁32は次いで再びオブジェクト軸に平行に置かれる一方、短い縁31は再びオブジェクト軸に垂直に置かれる。これら2つの方位の選択は、Cアーム軸9の周り又はプロペラ軸4の周りを回転させることにより円形軌道が達成されるか、又は復元可能な円柱の高さ又はその円柱の直径が検査されるかに依存している。
図3から図6に示される軌道での場合のような軌道を完成させる間、Lアームが図1の基本位置に置かれない場合、一般的に言うと、X線検出器の方位は、データを取得している間、常に再調節されなければならない。所望の方位を供給する対応する角度α(s)は、次いで軌道を定義している間に予め計算される。データの取得中、X線検出器3の方位は、調節手段12及び制御ユニット11を用いて常に正確に調節されるので、X線検出器の長い縁又は短い縁の一方がオブジェクト軸に垂直に配置される。
図7及び図8は、本発明によるX線装置の第2の実施例を示す。図7はCアーム1の前面図、すなわちプロペラ軸4から見た図であるのに対し、図8はX線装置の側面図である。本実施例は、Cアーム全体を動かすことなく、X線検出器3をX線管2の位置に対して、その検出器の中心の通常位置からu軸又はv軸のどちらかに沿って“横方向に(laterally)”動かすための手段を具備している。X線検出器3はこれにより、中心のX線ビーム16とは非対称に配されることができる。X線検出器3は、図7及び図8に示されるような例として、スライド15を介してレール14の上に設置され、このレールはX線源2の焦点の周りの円弧の形状で湾曲している。レール14の湾曲は、このとき、普通はX線検出器3に搭載される散乱X線除去用グリッド(図示せず)は常にX線管に焦点が合わされていることを保証する。
中心軸16と、X線管2の焦点とX線検出器3の中心との間の接続線13との間の角度はこれにより0以外の値を仮定することができる。
最も簡単且つ最も一般的な場合、2つのランが軌道の各セグメントを介して実行され、X線検出器3は第1のランの間にレール15の一端にシフトされ、第2のランの間にレール15の他端にシフトされる。各ランにおいて、必要とされる大きなコーンビームの投影数の半分がそのたびに取得され、好ましくは2つの半分が僅かに重複している。シフト方向に2倍の寸法を持つX線検出器を用いて、単一のランの間に測定されたデータを効果的に生成するために、これら2つの半分は組み合わされる。
レール14に沿うX線検出器の2つ以上の位置及び軌道の各セグメントを介して対応する多数のランを使用することも可能である。図1aに示されるように、追加として回転可能であるように、X線検出器を構成することも可能であるので、このX線検出器は、横方向にシフトされるだけでなく、その中心軸の周りを回転可能であることも可能である
湾曲したレール14の代わりに、直線のレール、例えばCアーム軸9に平行に延在するレールが使用されることができ、この場合、散乱X線除去用グリッドはもはや常に焦点が合わされてはいない。
図7及び図8に説明されるように、X線検出器3の横方向へのシフトに対する可能性は、広いエリアのX線検出器の所望の効果が、かなり小さな表面エリアを持つX線検出器を用いて達成することができる。これは横方向への患者の厚いスライスを完全に囲むのに十分な大きさである復元可能な円柱を可能にする。横方向に切頭される投影はこれにより、検出器の表面をさらに増大させることなく、かなりの程度避けられる。
示されるX線装置の実施例において、好ましくは調節可能なコリメータがX線源と検査すべき対象物との間に配置される。さらに、データを取得している間、前記コリメータは、検出器に実際に入射することができるコーンビームの一部だけしか通過することができないように調節されるべきである。さらに、X線源が、全ての可能な方位及び位置にX線検出器を完全に曝させるのに十分な広さであるコーンビームを放射するように有利に配される。
さらに、検出器が中心のX線ビームに沿ってスライド可能であるように配置されてもよい。検出器とアイソセンタとの距離はこれにより変更されることができる。この距離は、軌跡を完成させる間、一定に保たれる。
本発明によるX線装置の第1の実施例である。 本発明によるX線装置の第1の実施例である。 本発明によるX線装置を利用して調節されることができる軌道を示す。 本発明によるX線装置を利用して調節されることができる軌道を示す。 本発明によるX線装置を利用して調節されることができる軌道を示す。 本発明によるX線装置を利用して調節されることができる軌道を示す。 本発明によるX線装置を利用して調節されることができる軌道を示す。 本発明によるX線装置の第2の実施例である。 本発明によるX線装置の第2の実施例である。

Claims (7)

  1. 円錐形X線ビームを放射するためのX線源と、オブジェクト軸に沿って配置される検査すべき対象物を通過した後の前記X線を多数検出するためのX線検出器とを含む一方、前記X線源及び前記X線検出器は軌道に沿って移動するX線装置において、前記X線装置は、前記X線源に対して前記X線検出器の位置及び/又は方位を変更する手段と、さらに前記X線源及び前記X線検出器を前記軌道に沿って移動させ、前記X線を検出している間、前記X線検出器の前記位置及び/又は方位を制御する制御ユニットとを含み、前記X線検出器は平坦な矩形のX線検出器であり、当該X線検出器は、前記X線源の焦点と当該X線検出器の中心との間に延在する接続線の周りを回転可能であり、
    前記X線検出器は、当該X線検出器の位置及び/又は方位を変更するために、前記中心光線に本質的に垂直に延在するレールであって、前記X線源の前記焦点の周りに湾曲するレール上に搭載されることを特徴とするX線装置。
  2. 請求項1に記載のX線装置において、前記X線検出器の前記方位を制御する制御ユニットは、前記軌道を完成させる間、前記X線検出器の縁の1つが常に前記オブジェクト軸に対し直角に置かれるよう制御するように構成されることを特徴とするX線装置。
  3. 請求項2に記載のX線装置において、円形軌道では、前記制御ユニットは、前記X線検出器の前記縁の1つが前記オブジェクト軸に対し直角に置かれ、前記軌道を完成させる間、前記X線検出器の前記方位が一定に保たれるようにして、各軌道に沿った移動が始まる前に、前記X線検出器の前記方位を調節するように配置されることを特徴とするX線装置。
  4. 請求項2に記載のX線装置において、前記X線装置は、軌道を完成させる間、前記X線源の前記位置の如何なる変更にも応じて前記方位を調節するように配置されることを特徴とするX線装置。
  5. 請求項1又は2に記載のX線装置において、前記レールは、前記X線ビームの中心光線と、前記X線源の焦点と前記X線検出器の中心との間に延在する前記接続線との間の角度が零以外のすくなくとも2つの異なる値を呈することができるように構成され、前記制御ユニットは、前記すくなくとも2つの異なる値の前記角度が前記X線を検出している間に調節されるようにして構成されることを特徴とするX線装置。
  6. 請求項5に記載のX線装置において、前記制御ユニットは、検査すべき前記対象物へX線を照射しながら、一つの軌道に沿って前記X線源を複数回移動させて前記一つの軌道のそれぞれの完成毎に異なる角度位置に前記X線検出器を移動することを特徴とするX線装置。
  7. 円錐形のX線ビームを放射するX線源と、
    前記X線源と対向して配置され、前記X線ビームを検出する平坦で矩形のX線検出器と、
    オブジェクト軸に沿って配置された検査対象の周りで軌道に沿って、前記X線源と前記X線検出器とを回転させる第1回転機構と、
    前記X線検出器を、前記X線源の焦点と当該X線検出器の中心とを結ぶ軸の周りで回転させる第2回転機構と、
    を有し、
    前記X線検出器が、前記X線源の焦点の周りに湾曲し第1回転機構に取り付けられたレール上に搭載されるX線装置。
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