专利名称：大探测深度的频域光学相干层析成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光学相干层析成像，尤其是一种大探测深度的频域光学 相干层析成像装置。
背景技术：
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,简称OCT)是近年发 展起来的光学成像技术，能对散射介质如生物组织内部几个毫米深度范围内 的微小结构进行非接触的、在体的、高分辨率成像，在生物组织成像和医学 检测等领域具有重要的应用前景。
频域光学相干层析成像系统(Fourier Domain Optical Coherence Tomography,简称FD-0CT)是一种新型OCT系统，通过探测干涉谱并对其进 行逆傅立叶变换得到物体的层析图，相对于最初的时域光学相干层析成像系 统(Time Domain Optical Coherence Tomography, 简禾尔TD-OCT)， 具有无需 深度方向扫描、成像速度快和探测灵敏度高的优势，更适合生物组织的实时 成像。
OCT系统探测的深度范围首先是由样品的散射性质和光源强度决定的，对 于眼睛和胚胎等弱散射介质，探测深度可以超过2厘米，对于皮肤等强散射 介质，探测深度只有几个毫米。这里把样品性质决定的最大探测深度称为样 品的固有探测深度。在FD-OCT中，探测深度还受到的光谱分辨率的限制，这 里把系统决定的最大探测深度称为系统深度。FD-OCT利用光谱仪探测干涉谱 并对该干涉谱进行逆傅立叶变换得到物体的层析图，光谱仪由衍射光栅、成 像透镜和探测阵列(如CCD)组成。入射的干涉光信号经衍射光栅分光后，通过 一消色差透镜成像在CCD探测面上转换成电信号，然后通过模数转换器将干 涉谱数据送入计算机。为了达到理论的纵向分辨率，要求光谱仪的探测谱宽
AA满足AA = !AA，在这一条件下，系统深度^,=1，其中M为光谱 21n2 银仪探测的光谱分辨率，^为光源中心波长。且说=厶%， N为CCD的有效像
素数。可以看出，对于特定的光源，在满足OCT纵向分辨率的前提下，由于 CCD像素数N的限制，光谱分辨率说不能无限�。低成疃華4被限制在一定 范围之内。另外，在0CT系统中，纵向(深度)分辨率Az与光源谱宽A义的关
系为^ = ^1，由此式可以看出，纵向分辨率与光源谱宽A义成反比， ;r A义
实现高纵向分辨率需要使用具有更高谱宽的光源。但光源谱宽A义越大，光谱 仪的探测谱宽AA也越大，在CCD像素点N不变的情况下，光谱最小分辨率说
也就越大，探测深度A4越小。纵向分辨率越高，探测深度A4就越�。纾� 对于中心波长为人=830,，谱宽A/^20扁的超幅射二极管(SLD)，光谱仪采 用像素数N二2048的线阵CCD，此时纵向分辨率^ 15.2戶，所能探测的最大 深度为A4-7.8wm;对于中心波长/^=830" ，谱宽A义=144mw的钛宝石飞秒 激光器(Ti:Sapphire Laser),仍用像素数N=2048的线阵CCD,纵向分辨率 Aza2.1//W，所能探测的最大深度为A4^1.bwn。可以看出，对于钛宝石激光
器，由于其光源谱宽较宽，实现了较高的纵向分辨率，但系统探测深度很小， 甚至未能达到样品的固有探测深度。不仅如此，与样品的固有探测深度不同 的是，上述的系统探测深度是OCT系统中参考臂和样品臂的光程差的一半， 很多情况下，光程差要包含一部分空气或其它介质，而不是样品表面到样品 某一深度的绝对距离。对于某些用于观测体内组织的OCT系统(如内窥镜)， 很难控制组织与探测头之间的距离，为了保证所观测组织在探测光程差之内， 要求提高OCT系统所能探测最大光程差，即提高系统深度。同时，高分辨率 一直是OCT追求的目标和发展趋势，在追求高纵向分辨率的同时提高探测深 度成为高分辨率FD-OCT系统中一个突出的问题。 目前提高探测深度的方法有以下几种
提高光源强度提高光源的强度，探测光可以到达样品内部更大的深度， 样品的散射光强增强，系统的信噪比增加，探测深度增加。但是光源强度受 到工艺的限制，不能做到很高；同时，对于应用于生物样品的OCT系统，为了保证生物组织如人眼的安全，曝光剂量不能太大，所以依靠提高光源强度 来提高探测深度的方法受到限制。
分层探测这种方法也成为动态聚焦法，最初是为了解决横向分辨率与
光源探测焦深的矛盾而提出的(参见在先技术[l]， M.Pircher,E.GOtzinger,C. K. Hitzenberger, "dynamic focus in optical coherence tomography for retinal imaging," J. Biomed. Opt. 11(5),54013， 2006)。其思想是移动零光程差位置到样 品不同深度分别记录层析图，每次探测对应样品某一深度范围，然后把各个 层析图叠加形成一幅层析图，从而提高探测深度。但这种方法需要对样品多 次探测，降低了0CT系统的成像速度，而成像速度一直是0CT的追求目标。另 外，把多幅图融合成一幅图也存在定位准确的困难，融合过程也增加了较多 的运算，降低了OCT系统的成像速度。
光谱探测阵列亚像素采样技术(参见在先技术[2]， Z. Wang, Z. Yuan, H. Wang, Y. Pan, "increasing the imaging depth of spectral-domain OCT by using interpixel shift technique," Opt. Express 14(16), 7014-7023, 2006):对每一个横向 点，用线阵CCD探测一组干涉谱；然后通过旋转光栅或移动CCD的方式，使 光谱面或CCD探测面沿光谱分布方向移动半个像素，再探测一组干涉谱；把 两组干涉谱相互交叉叠加形成一组长度为原干涉谱两倍的干涉谱。这种方法 提高了干涉谱的采样率，相当于提高了CCD的像素数N，从而提高了光谱分辨 率和探测深度。但是这种方法同样需要移动CCD或旋转光栅对干涉谱进行多 次测量，降低了 OCT的成像速度；并且，由于系统包含机械运动装置，系统 复杂、误差大。
发明内容
为了克服背景技术光源强度受限、探测速度降低等不足，提供一种大探 测深度的频域光学相干层析成像装置，以提高光学相干层析成像系统的探测 深度和层析图的信噪比，简化系统，避免机械运动带来的误差。
本实用新型的技术解决方案如下
一种大探测深度的频域光学相干层析成像装置，其特点是包括一低相干 光源，在该低相干光源的照明方向上顺次放置准直透镜和迈克尔逊干涉仪，该迈克尔逊干涉仪包括分光器、样品臂和参考臂，参考臂包括参考臂物镜和 参考反射镜，样品臂包括反射镜、样品臂物镜、待测样品和一个置放该待测 样品的三维精密平移台；该迈克尔逊干涉仪的输出端连接一光谱仪，该光谱 仪由组合衍射光栅、环面聚焦镜和光谱探测阵列组成，所述的组合衍射光栅 由多块子光栅组成，每块子光栅所对应的波长窗口 的衍射光方向分布在相
同的范围之内，gP6>u+/u=^2+、=—=《, +、 ，式中6^表示第m块子光 栅对波长4的衍射角，/^表示第m块子光栅对波长A的入射角；所述的环面
聚焦镜，在与光谱分布平行的方向具有较小的焦距，在与光谱分布垂直的方 向具有较大的焦距，所述的光谱探测阵列位于所述的环面聚焦镜的较小焦距 所对应的焦面上，该光谱探测阵列通过多路图像采集与模数转换卡与计算机 相连。
所述的迈克尔逊干涉仪是体光学系统，或由2^2光纤耦合器组成的光纤光 学系统。
所述的低相干光源位于准直透镜的前焦面上，参考反射镜位于参考臂物 镜的后焦面上，样品位于样品臂物镜的后焦面上。
所述的光谱探测阵列可以是多个线阵CCD，也可以是一个面阵CCD。
该系统的工作过程如下
低相干光源发出的光经准直透镜准直后，在分光器处被分成两束， 一束 光进入参考臂经参考臂物镜聚焦在参考反射镜上，另外一束进入样品臂，经
反射镜和样品臂物镜聚焦在被测样品内；从参考镜表面反射回来的光和从被 测样品内不同深度处反射或背向散射回来的光被物镜收集并沿参考臂和样品 臂返回，在分光器处发生干涉；干涉光入射到组合衍射光栅表面发生衍射， 衍射光经环面聚焦镜成像在光谱探测阵列上转换成电信号，该电信号经多路 图像采集与模数转换卡转换成数字信号送入计算机；光谱数据经过光谱校准 和拼接得到宽带高分辨率光谱；对该光谱沿波矢k重抽样并去除噪声和干扰， 然后通过傅立叶逆变换得到层析图；通过三维精密平移台对样品沿与探测光 光轴垂直方向进行横向扫描，重复上述步骤，得到被测样品的二维或三维层 析图。
下面对本实用新型的原理说明如下
本实用新型大探测深度的频域光学相干层析成像装置工作的步骤如下1) 经准直的干涉光信号入射到具有多块子光栅的组合衍射光栅上，通过 旋转子光栅精确调整入射光对于每块光栅的入射角，使每块子光栅所对应 的波长窗口 A人,的衍射光方向分布在相同的范围之内。
对于反射型衍射光栅，光栅方程为<formula>formula see original document page 7</formula>其中，d是光栅常数，m是衍射级次，^为衍射角，/为入射角。
对于一级衍射(m二l)，波长窗口 分布在相应的衍射角《和《之间<formula>formula see original document page 7</formula>
旋转子光栅精确调整入射光对于每块子光栅的入射角〖,,，使每块子光栅所 对应的波长窗口 的衍射光方向分布在相同的范围之内。用《^表示第m块 子光栅对波长^的衍射角，衍射角满足以下关系<formula>formula see original document page 7</formula>即子光栅m对应人,的衍射方向与子光栅m+l对应Am+I的衍射方向相同。通 过环面聚焦镜成像，可以使第1块子光栅的^ ~ ^波段、第2块子光栅的^ ^ 波段，…，第n块子光栅的入 入+,波段成像在光谱探测阵列平面的不同行上， 以保证光谱的衔接。
2) 釆用环面聚焦镜将各谱段的衍射光成像在光谱探测阵列的探测面上
进行光谱采集，通过多路数据采集卡和模数转换卡将光谱数据输入给计算机。 该环面聚焦镜在光谱分布方向具有较小的焦距/,，在与光谱分布垂直的
方向具有较大的焦距人，保证在光谱成像在探测阵列上的时候，不同的光谱 段和AAm+1分布在不同的行上。
所述的光谱探测阵列可以采用面阵CCD，也可以采用多个线阵CCD。对于 线扫描并行探测方式的OCT系统采用面阵CCD，但由于每一个点对应一条光谱 线，线扫描探测方式折叠之前的光谱是一个二维光谱面，光谱折叠是对二维 光谱面沿光谱分布方向折叠，所以要保证相邻光谱段A人和Alm+1分开足够的距离，以避免线上最后一个点的光谱段A^与第一个点的光谱段A义^重叠。 对于点扫描方式的OCT系统，可以采用面阵CCD，此时折叠之前的光谱是一条 光谱线，但是由于面阵CCD的采集速率一般低于线阵CCD，所以这种方式会降 低OCT系统的成像速度，而采用多线阵CCD探测，将光谱线中不同的光谱段 成像在不同CCD上同时采集，这种方式不会影响OCT的成像速度。
3) 光谱校准
由于不同光栅的衍射效率不同，不同CCD的响应也是不同的，同时，由 于环面聚焦镜的色散，导致CCD像素与波长之间并不是线性关系，所以对于 每个谱段A^，计算每个像素对应的波长和响应，需要进行光谱校准。这里采 用 一个数学多项式来计算波长义与像素:c的对应关系
= g。 + + a2;c2 + ( 4 )
对每个波长的探测值/。(义)乘以一个对应的因子w义)来消除子光栅衍射效
率和CCD不同响应的影响，得到最终的探测值/(勾
/(义)"(;1)/0(义) (5)
对每个光谱探测段A人,事先要通过实验标定上述多项式的系数fl。、 ",、 "2、
A和因子p(义)的值，并存入计算机，以后每次探测的光谱值直接通过计算机 利用这些参数进行光谱校准。
4) 光谱拼接，将各个谱段拼接成一个连续的光谱
(义)=/A"(义)+ /M2 (义)+... + /AA (义) (6)
5) 由于FD-0CT通过对A域的干涉谱信号进行逆傅立叶变换得到物体的
层析图，而光谱探测得到的是义域的干涉谱信号，所以要对探测的光谱信号 /^(A)沿波矢A:重抽样得到/("。
6) 从/(A:)中消除背景噪声与样品内部不同层之间的自相干叠加项，得到 的光频域干涉信号/mt(/t)，然后对/c做傅立叶逆变换得到一幅探测深度得到提 高的层析图<formula>formula see original document page 9</formula>
7)计算机经数模转换卡驱动扫描振镜或扫描平台，对样品沿与探测光光 轴垂直方向进行横向扫描，重复1至6步，得到样品的三维光学相干层析图。
本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是
1、 本实用新型谱段的折叠通过多块不同放置的衍射光栅实现，通过旋转 子光栅精确调整入射光对于每块光栅的入射角、，使每块子光栅所对应的波长 窗口A人,的衍射光方向分布在相同的范围之内，然后通过一环面聚焦镜将各谱
段的衍射光聚焦在光谱探测阵列的探测面上。通过光谱折叠，增加了光谱探 测的有效探测像素数N，从而提高了光学相干层析成像系统的探测深度，提高 了层析图的信噪比；
2、 对线扫描并行探测的FD-0CT系统，采用面阵CCD探测方式，对于点 扫描的0CT系统，采用多线阵CCD探测方式，这些探测方式在实现高分辨率 宽光谱探测的同时不降低OCT系统的成像速度；
3、 实现折叠光谱探测不需要机械运动装置，系统简单，并且避免了机械 运动带来的误差；
4、 采用折叠光谱探测方式来提高系统的探测深度，对光谱数据进行拼接， 而不是对每个横向点不同深度的层析图数据进行融合，数值操作简单。
图1是本实用新型大探测深度的频域光学相干层析成像装置在水平面内 的体光学系统结构示意图。
图2是光谱仪11在垂直面内的光路示意图。
图中l一低相干光源，2 —准直透镜，3 —迈克尔逊干涉仪，4一分光器， 5 —参考臂物镜，6 —参考反射镜，7 —反射镜，8 —样品臂物镜，9一待测样品， IO —三维精密平移台，ll一光谱仪，12 —组合衍射光栅，13 —环面聚焦镜， 14一光谱探测阵列，15 —多路图像采集与模数转换卡，16 —计算机。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本 实用新型的保护范围。
下面以点扫描方式的FD-0CT系统为实施例，建立一套大探测深度的频域
光学相干层析成像装置。如图1所示，由图可见，本实用新型大探测深度的 频域光学相干层析成像装置，包括一低相干光源1，在该低相干光源1的照明
方向上顺次放置准直透镜2和迈克尔逊干涉仪3，该迈克尔逊干涉仪3包括分 光器4、样品臂和参考臂，参考臂包括参考臂物镜5和参考反射镜6，样品臂 包括反射镜7、样品臂物镜8、待测样品9和一个置放该待测样品的三维精密 平移台10;该迈克尔逊干涉仪3的输出端连接一光谱仪11，该光谱仪11由 组合衍射光栅12、环面聚焦镜13和光谱探测阵列14组成，所述的组合衍射 光栅12由多块子光栅组成，每块子光栅所对应的波长窗口A人,的衍射光方向
分布在相同的范围之内；所述的环面聚焦镜13，在与光谱分布平行的方向具 有较小的焦距，在与光谱分布垂直的方向具有较大的焦距，所述的光谱探测 阵列14位于所述的环面聚焦镜13的较小焦距所对应的焦面上，该光谱探测 阵列14通过多路图像采集与模数转换卡15与计算机16相连。
低相干光源1发出的光经准直透镜2准直后进入迈克尔逊干涉仪3，在分 光器4处被分成两束，透射光束进入参考臂经参考臂物镜5聚焦在参考反射 镜6上，另外一反射光束进入样品臂，经反射镜7和样品臂物镜聚焦8在被 测样品9内；从参考反射镜6表面反射回来的光和从被测样品9内不同深度 处反射或背向散射回来的光分别被物参考臂物镜5和样品臂物镜8收集并沿 参考臂和样品臂返回，在分光器4处发生干涉；干涉光进入光谱仪ll，入射到 组合衍射光栅12表面发生衍射，衍射光经环面聚焦镜13成像在光谱探测阵 列14上转换成电信号，该电信号经多路图像采集与模数转换卡15转换成数 字信号送入计算机16。通过三维精密平移台10对样品9沿与探测光光轴垂直 方向进行横向扫描，用来得到被测样品9的二维或三维层析图。
本实施例中，光源信号半高全宽为144nra，中心波长5二830nm，光谱仪11 的探测谱宽AA = 260nm ，对应波长范围为700 ~ 960nm 。将光谱折叠成两个窗口700 830nm和830 960nm进行探测，艮卩& = 700nrn ， 4=830鹏，；i3 =960nm， A从==130nm 。光栅密度为600 g/mm，采用两块衍射光栅构成组合衍射光 栅12，闪耀波长为750nm，光栅有效宽度为25mm，对于义=960誰的光，光栅
的最小光谱分辨率W， = 960nm 。 0.064nm 。采用两个线阵CCD作为光谱探测
9606 0 0 x 25
阵列14，每块CCD像素数N4024，每个像素的大小为20pmx2(^m。采用环面 聚焦镜13把光栅的衍射光成像在两块CCD上，环面聚焦镜13在光谱分布方 向的焦距厶为250mm，在垂直于光谱分布方向的焦距/±为500mm。由于环面聚
焦镜13在光谱分布方向(水平方向)与垂直于光谱分布方向具有不同的焦距， 使得光路在两个方向不相同，为了更好的解释环面聚焦镜13的成像原理，分 别画出了系统结构在水平面内的示意图(图l)和光谱仪在垂直面内的光路示 意图(图2)。参看图2，第一块光栅的衍射光在一个水平面内，对应一个波长 窗口 ，通过环面聚焦镜13成像在第一个CCD上；第二块光栅的衍射光在 另一个水平面内，对应另一个波长窗口A^ (虚线)，通过环面聚焦镜13成像 在第二个CCD上；由于环面聚焦镜在光谱分布方向即水平方向焦距小，而在 垂直方向焦距大，保证了两块光栅的衍射光在水平方向上聚焦在CCD平面上 的同时垂直方向是分离的，从而可以采用相应的CCD采集光谱数据。
本实用新型大探测深度的频域光学相干层析成像方法，其具体步骤为-
1)经准直的干涉光信号入射到具有两块子光栅的组合光栅上。旋转第一
块子光栅，调整其入射角/1= 50.40°;旋转第二块子光栅，控制其入射角/2，
使第一块子光栅在^ 4波段的衍射方向第二块子光栅在^-A3波段的衍射
方向相同，即衍射角《,, ,满足以下关系
z',+^ =/2+6>22 (8) 由上式和光栅衍射方程(l)可以计算第二块子光栅的入射角/2 =29.96° 。此 时CCD平面上的线色散约为6.4 nm/mm， 130nm谱宽对应的展开距离为 20.3mm; CCD探测阵列长度/为/ = 20/// ><1024 = 20.48附《7 ，对应的探测谱宽 基本充满了线阵CCD的像素，充分利用了线阵CCD。2) 采用环面聚焦镜13将各谱段的衍射光成像在光谱探测阵列14的探测
面上进行光谱采集，通过多路数据采集卡和模数转换卡15输入给计算机16。 由于此实施例采用两个线阵CCD探测，将光谱线中不同的光谱段A义,成像
在两块CCD上同时采集，这种方式不会影响OCT的成像速度。为了保证两个 线阵CCD采集的数据对应同一光谱，需要保证两块CCD同步，本实施例采用 两个相同的线阵CCD，对两个CCD进行相同的配置，采用相同的同步信号，从 而保证了 CCD采集的同步。
3) 光谱校准
采用数学多项式计算波长义与像素X的对应关系
义(x) =+ + "2x2 + "3x3 (9)
对每个波长的探测值/。(义)乘以一个对应的因子来消除光栅衍射效率和
CCD不同响应的影响，得到最终的探测值/(义)
/(义)=尸(义)/0(义) (10)
4) 光谱拼接。将两个谱段拼接成一个连续的光谱
5) 对探测的光谱信号/^(义)沿波矢yt重抽样得到/("。
6) 从/(A:)中消除背景噪声与样品内部不同层之间的自相干叠加项之后，
得到的光频域干涉信号/,n,Ot),然后对M故傅立叶逆变换得到一幅探测深度得
到提高了的层析图
/(勾=, 7{4,(^:)} (12)
7) 计算机经数模转换卡驱动扫描振镜或扫描平台，对样品沿与探测光光
轴垂直方向进行横向扫描，重复1至6步，可以得到三维光学相干层析图。
采用一个N=1024的线阵CCD作为探测器，探测谱宽为260nm，直接光谱 探测的光谱分辨率为^ 0.254nm ，探测深度ALZ 0.68mm ;按照实施例进行折叠光谱探测，把260nm探测带宽折叠成700 ~ 830nm和830 ~ 960nm两个窗口 进行探测，光谱分辨率为& = 0.12711111，探测深度A4al.36mm。所以通过折 叠光谱探测可以提高FD-OCT系统的探测深度，而且不影响FD-OCT系统的成 像速度。
权利要求1、一种大探测深度的频域光学相干层析成像装置，其特征在于包括一低相干光源(1)，在该低相干光源(1)的照明方向上顺次放置准直透镜(2)和迈克尔逊干涉仪(3)，该迈克尔逊干涉仪(3)包括分光器(4)、样品臂和参考臂，参考臂包括参考臂物镜(5)和参考反射镜(6)，样品臂包括反射镜(7)、样品臂物镜(8)、待测样品(9)和一个置放该待测样品的三维精密平移台(10)；该迈克尔逊干涉仪(3)的输出端连接一光谱仪(11)，该光谱仪(11)由组合衍射光栅(12)、环面聚焦镜(13)和光谱探测阵列(14)组成，所述的组合衍射光栅(12)由多块子光栅组成，每块子光栅所对应的波长窗口Δλm的衍射光方向分布在相同的范围之内，即θ1，1+i1，1＝θ2，2+i2，2＝...＝θn，n+in，n式中θm，k表示第m块子光栅对波长λk的衍射角，im，k表示第m块子光栅对波长λk的入射角；所述的环面聚焦镜(13)，在与光谱分布平行的方向具有较小的焦距，在与光谱分布垂直的方向具有较大的焦距，所述的光谱探测阵列(14)位于所述的环面聚焦镜(13)的较小焦距所对应的焦面上，该光谱探测阵列(14)通过多路图像采集与模数转换卡(15)与计算机(16)相连。
2、 根据权利要求l所述的大探测深度的频域光学相干层析成像装置，其 特征在于所述的迈克尔逊干涉仪是体光学系统，或由^2光纤耦合器组成的光纤光学系统。
3、 根据权利要求l所述的大探测深度的频域光学相干层析成像装置，其 特征在于所述的光谱探测阵列(14)是多个线阵CCD，或是一个面阵CCD。
4、 根据权利要求1所述的大探测深度的频域光学相干层析成像装置，其 特征在于所述的低相干光源(1)位于所述的准直透镜(2)的前焦面上，所 述的参考反射镜(6)位于参考臂物镜(5)的后焦面上，所述的待测样品(9) 位于样品臂物镜(8)的后焦面上。
专利摘要一种大探测深度的频域光学相干层析成像装置，包括一低相干光源，在该低相干光源的照明方向上顺次放置准直透镜和迈克尔逊干涉仪，该迈克尔逊干涉仪包括分光器、样品臂和参考臂，参考臂包括参考臂物镜和参考反射镜，样品臂包括反射镜、样品臂物镜、待测样品和一个置放该待测样品的三维精密平移台；该迈克尔逊干涉仪的输出端连接一光谱仪，该光谱仪由组合衍射光栅、环面聚焦镜和光谱探测阵列组成，该光谱探测阵列通过多路图像采集与模数转换卡与计算机相连。本实用新型通过组合衍射光栅进行光谱折叠，增加了光谱探测的有效探测像素数N，提高了光学相干层析成像系统的探测深度和层析图的信噪比。
文档编号G01N21/41GK201139554SQ20082005442
公开日2008年10月29日 申请日期2008年1月3日 优先权日2008年1月3日
发明者超 丁, 鹏 步, 王向朝 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所
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