CN101438182B - 用于电特性断层摄影的电场匀场 - Google Patents

Abstract

在电特性断层摄影(EPT，电阻抗断层摄影EIT，施加电位断层摄影APT)的背景下采用的射频线圈系统(34)在检查区域(14)内生成射频激励脉冲。所述射频线圈系统(34)包括生成磁场(H)和电场(E)的N个线圈元件(38)。权数设置装置(54)为所述线圈元件(38)的输入信号设置加权因子。发射系统(52)产生至少两组RF脉冲，每组采用不同加权输入信号生成，并且将所述至少两组RF脉冲发射至所述线圈元件(38)，从而使所发射的RF脉冲组中的每组生成具有彼此移位的零交叉点(120，122)的移位电场(110，112)。图像处理器(62)根据由具有不同的加权的所述至少两组RF脉冲诱发的共振计算电容率图。

Description

用于电特性断层摄影的电场匀场

技术领域

本申请涉及磁共振领域。其在电特性断层摄影(EPT)方面具有特定应用，因而将参考其进行具体说明。更一般而言，其在用于成像、光谱学等方面的磁共振系统中有应用。

背景技术

典型地，磁共振成像(MRI)扫描仪包括通常具有超导特性的主磁体，其生成贯穿检查区域的在空间和时间上恒定的磁场B₀。将诸如全身线圈、头部线圈等的射频(RF)线圈和发射器调谐至将在所述B₀场内成像的偶极子的共振频率。采用线圈和发射器激励并操作所述偶极子。通过采用电流驱动梯度线圈跨越所述检查区域沿各个方向建立除所述B₀场之外的磁场梯度，对空间信息进行编码。通过同一个RF线圈或独立的仅用于接收的RF线圈获取磁共振信号，并通过RF接收器对磁共振信号进行解调、滤波和采样，最后在专用的或者通用的硬件上将磁共振信号重建为图像。

最近，磁共振系统已经被用于导出成像对象的诸如电导率和电容率的电磁特性。对象的电导率和电容率是用于区分不同组织的可行特征，因为不同的生物组织表现为具有不同的电容率值。例如，电特性断层摄影方法可用于区分肿瘤和健康组织，因为肿瘤通常具有提高的电导率和电容率值。电特性断层摄影方法还可以用于区分脑水肿、心肌梗塞之后的坏死组织以及其他病变，这是因为病变组织将呈现出与周围组织的电介质对比。

在电特性断层摄影(EPT)系统中，根据从磁共振信号获得的磁感应场强分布导出成像对象中的电导率和电容率分布。由于已知所述磁共振系统具有异常空间分辨率，因而还能够借助所述异常空间分辨率导出患者体内的电导率和电容率分布。

但是，不能针对整个视场准确导出电容率的值。典型地，射频线圈将在视场内表现出作为一个或多个电场的零点零交叉(null pointS zerocrossings)。由于电容率与电场的z分量成反比，因而只有在电场值明显大于零的区域内才能准确地计算电容率。因而，妨碍了对于整层进行成像。

本申请提供了能够克服上述和其他问题的新的、改进的方法和设备。

发明内容

根据一个方面，公开了一种磁共振成像设备。射频线圈系统在检查区域内生成射频激励脉冲，所述射频线圈系统包括N个生成磁场和电场的线圈元件，其中，N为复数。权数设置装置设置所述线圈元件的输入信号的加权因子。发射系统产生至少两组RF脉冲，每组采用不同加权的输入信号产生，并将所述至少两组RF脉冲发送至所述线圈元件，从而使所发射的RF脉冲组中的每者生成零交叉点彼此移位的移位电场(shifted electricfield)。图像重建处理器根据由具有不同加权的所述至少两组RF脉冲诱发的共振计算电容率图。所述图像处理器(62)包括：保存采用所述RF脉冲组生成的ε图的存储器装置(152，154)；算法或处理器(140)，其对来自所述RF脉冲组的所述ε图进行组合，以生成针对如下区域进行了校正的校正ε图(142)，所述区域是所述ε图之一中电场接近零的区域。

根据另一方面，公开了一种用于确定对象的至少一种电磁特性的方法。所述方法包括(a)为每个独立的射频线圈元件的输入信号设置加权因子；(b)以所设置的加权因子将RF脉冲发射至对应的线圈元件，以生成共振数据组；(c)采用不同的加权因子重复步骤(a)和(b)，从而使零电场交叉点发生移位；(d)叠加所述移位电场；(e)计算值不等于零的总电场强度分布的z分量值；以及(f)根据所述叠加后的数据计算所述对象中的电容率分布。

根据另一方面，公开了一种用于导出成像对象的电磁特性的系统。主磁体生成贯穿检查区域的主磁场。邻近所述检查区域设置用于生成磁场和电场的多个RF线圈元件。权数设置装置为线圈元件的输入信号设置加权因子。发射系统根据所确定的输入信号生成RF脉冲，并将所述RF脉冲发射至对应的线圈元件，从而使所发射的RF脉冲在每个对应的线圈元件中至少生成移位电场，每个所生成的电场的z分量值具有移位的零交叉点。电容率图计算处理器使所述移位电场叠加，以接收总电场的非零z分量值，并根据叠加后的数据计算所述成像对象中的电容率分布。重建处理器根据所计算的电容率分布重建整个视场的体积数据表示。

一个优点在于能够准确地导出整个视场的电容率分布。

在阅读并理解了下述详细说明的同时，本领域技术人员将认识到本发明的其他优点。

附图说明

本发明可以采取各种部件和部件布置以及各种步骤和步骤布置的形式。附图的作用仅在于对优选实施例进行说明，不应将其视为对本发明构成限制。

图1是磁共振成像系统的示意图；

图2示出了电场的移位曲线；以及

图3是磁共振系统的另一实施例的示意图。

具体实施方式

参考图1，磁共振成像系统8包括扫描仪10，其包括界定了检查区域14的外壳12，在所述检查区域14内，将患者或其他成像对象16设置到患者支架或床18上。设置在外壳12内的主磁体20在所述检查区域14内生成主磁场。典型地，主磁体20是受到低温套24包围的超导磁体；但是，也可以采用电阻性或者永久性主磁体。将磁场梯度线圈28布置在外壳12内或者外壳12上，从而将选定磁场梯度叠加到所述检查区域14内的主磁场上。

在外壳12内布置诸如TEM线圈、SENSE线圈元件、鸟笼式线圈、混合TEM-鸟笼式线圈、共振器布置等的全身射频线圈30，从而向检查区域14内注入射频激励脉冲，并检测所生成的磁共振信号。为了生成对象16的有限区域的图像，可以在检查区域14的周围设置包括一个或多个射频线圈36的RF线圈系统或布置34。线圈36包括多个射频线圈元件、段、共振器或级(rung)38，其中的每者可以具有不同的尺寸和位置。线圈36可以是TEM线圈、混合TEM-鸟笼式线圈、鸟笼式共振器、共振器布置等。在示范性实施例中，线圈36包括多个位于预期的检查空间周围或之内的共振器38。例如，线圈36是圆筒形的，当然也可以具有其他的几何形状，例如，椭圆横截面、半圆形横截面、半椭圆形横截面等。RF屏蔽46将线圈30、36与周围元件屏蔽开。

所描述的磁共振成像系统8只是一个示范性的例子。一般而言，基本上任何磁共振成像扫描仪都能够结合所公开的射频线圈。例如，扫描仪10可以是开放磁体扫描仪、垂直腔扫描仪、低场扫描仪、高场扫描仪等。

继续参考图1，磁共振成像控制器48对耦合至梯度线圈28的磁场梯度控制器50进行操作，从而在检查区域14内的主磁场上叠加选定的磁场梯度，磁共振成像控制器48还对射频发射系统52进行操作，从而向检查区域14内注入用于成像的大致处于所述磁共振频率上的选定射频激励脉冲，其中，所述射频发射系统52包括每个耦合至所述一个或多个射频线圈段38的发射信道或发射器52₁、52₂……52_n。所述射频发射器52₁、52₂……52_n受到独立控制，并且可以具有不同的相位和幅度。例如，权数确定处理器、算法、装置或其他机构54为施加至线圈段38的信号设置加权因子，从而在每个线圈段38内感生出具有不同幅度的电流，由此生成最佳移位的电磁场。采用圆激励极化(circular excitation polarization)执行RF激励。所述射频激励脉冲在成像对象16内激励由所述选定磁场梯度空间编码的磁共振信号。此外，成像控制器48还对一个或多个射频接收器56进行操作，从而对所生成的和空间编码的磁共振信号解调，其中每个射频接收器56受到独立控制，并且与线圈系统34的独立的线圈段38中的各个或一组连接。在与所述激励极化相对的圆接收极化上获取所述磁共振信号。将所接收的空间编码的磁共振数据存储到磁共振或MR数据存储器60内。

根据Maxwell方程，能够导出下述含有复电容率(complex permittivity)的方程：

$\▿\×\underset{\‾}{\overset{\→}{H}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\mathrm{i\ω}\underset{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\underset{\‾}{\overset{\→}{E}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)---\left(1\right)$

其中，H是磁场强度，

E是电场，

r表示视场中的坐标，

ω是Larmor频率，

ε是电场的复电容率。

可以通过观察z分量解方程(1)得到未知的电容率ε：

$({\∂}_x{\underset{\‾}{H}}_y\left(\stackrel{\→}{r}\right)-{\∂}_y{\underset{\‾}{H}}_x\left(\stackrel{\→}{r}\right))/{\underset{\‾}{E}}_z\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\mathrm{i\ω}\underset{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)---\left(2\right)$

其中，H _x是x分量的磁场强度，

H _y是y分量的磁场强度，

E _z是z分量的电场，

ω是Larmor频率，

r表示视场中的坐标，

ε是电场的复电容率。

根据Ampere定律的Maxwell展开，

$\▿\×\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{r},t)=\stackrel{\→}{j}+{\∂}_t\stackrel{\→}{D}(\stackrel{\→}{r},t)---\left(3\right)$

其中，j表示电流密度，和D表示电位移场。

电位移场D为：

$\stackrel{\→}{D}=\mathrm{\ϵ}\stackrel{\→}{E}$

且电流密度为：

$\stackrel{\→}{j}=\mathrm{\σ}\stackrel{\→}{E}$

其中，ε是电场的电容率，且σ是电场的电导率。

假设电容率ε在时间上是常数，那么可以将方程(3)改写为：

$\▿\×\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{r},t)=\mathrm{\σ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\stackrel{\→}{E}(\stackrel{\→}{r},t)+\mathrm{\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r}\right){\∂}_t\stackrel{\→}{E}(\stackrel{\→}{r},t)---\left(4\right)$

如果 $\stackrel{\→}{E}(\stackrel{\→}{r},t)=\underset{\‾}{\overset{\→}{E^{\′}}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\exp \left(\mathrm{i\ωt}\right),---\left(5\right)$

那么可以将方程(4)写为方程(1)：

$\▿\×\underset{\‾}{\overset{\→}{H}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=(\mathrm{\σ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)+\mathrm{i\ω\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r}\right))\underset{\‾}{\overset{\→}{E}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\mathrm{i\ω}\underset{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\underset{\‾}{\overset{\→}{E}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)---\left(6\right)$

所述复电容率为：

$\underset{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\≡\mathrm{\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)-\mathrm{i\σ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)/\mathrm{\ω}---\left(7\right)$

其中ε是电场的复电容率，

σ是电场的电导率，

ω是Larmor频率，和

r表示视场中的坐标。

有时分别将方程(7)右侧的实部和虚部称为“涡电流”和“位移电流”。

如果激励线圈30或36包括N个线圈元件38，并且每个线圈元件38生成磁场Hⁿ和电场Eⁿ(n＝1……N)，那么方程(2)变为：

其中，

表示由N个线圈元件生成的x分量的总磁场，

表示由N个线圈元件生成的y分量的总磁场，

表示由N个线圈元件生成的z分量的总电场，

ω是Larmor频率，

r表示视场中的坐标，

ε是电场的复电容率。

方程(8)表示电场的电容率与电场的z分量的倒数成比例：

$\underset{\‾}{\mathrm{\ϵ}}~{\underset{\‾}{E}}_z^{-1}---\left(9\right)$

因而，对于电场的z分量可以忽略，即E _z≈0的区域不能准确地确定复电容率ε。

可以独立调整每个发射线圈元件38的幅度Aⁿ和相位Φⁿ。总电场E ^总为：

其中Aⁿ表示给予每个信号的幅度或权数，

Eⁿ表示由每个线圈元件生成的电场，

E^总表示由N个线圈元件生成的总电场，

r表示视场内的坐标。

总电场的z分量为：

其中，Aⁿ表示给予每个信号的幅度或权数，

表示由每个线圈元件生成的电场的z分量，

表示由N个线圈元件生成的z分量的总电场，

r表示视场内的坐标。

采用M像素使视场(FOV)内的空间坐标离散化，那么可以将方程(11)改写为矩阵矢量方程：

其中，

是含有

的M个空间值的矢量，

A是含有N个加权因子A ⁿ的矢量，

E _z是含有所述N个电场

的M个空间值的矩阵。

继续参考图1，加权处理器54设置不同的加权系数或因子A。图像处理器62包括E、H处理器64，其计算成像视场的每个像素的电场强度E和磁感强度H。具有不同的测量值的电场可能具有零区域。但是，加权处理器54使加权系数充分变换，从而使所得电场的零区域的空间位置不同。因而，对于FOV的每个空间位置

而言，至少存在一个电场明显不为零的测量值，即，

通过加权系数A影响磁场B₁。为了确保足够的自旋激励，磁场B₁的相关的圆极化分量必须足够大。

参考图2，示出了z分量的总电场

的两个移位曲线110、112。通过改变加权系数A ⁿ将曲线110的零点120移动几个像素到达曲线112的零点122。

再次参考图1，将所计算的成像视场的每个像素的电场强度E和磁感强度H的值存储在对应的E和H存储器130、132中。电容率图计算装置、处理器、算法或其他机构140通过叠加所生成的移位电场除去总电场的零值，并计算电容率或者ε图或分布142。可以针对整个视场准确地确定电容率ε。

参考图3，在这一实施例中，电容率或ε图计算器150根据具有设置的不同加权系数的电场和磁感应图计算两个或更多的移位电容率图152、154。电容率图计算装置140根据移位电容率图152、154的组合计算电容率图或分布142。因而，在该例子中，在两个不同的电容率图之间，能够确定整个视场的电容率ε。当然，也可以生成两个以上的移位电容率图。

当然，可以设想，将预期的电场

选择为在整个视场上满足E _o(r)≈常数。但是，对于鸟笼式线圈而言，只有在选择非常小的常数作为折衷的情况下这一点才存在可能。

通过这种方式，对于视场内的每个像素而言，所述线圈元件之一生成具有不等于0的z分量的电场。对于所有E_z接近零的移位像素而言，在所有图中，电容率值都应当保持一致。在存在两幅图的实施例中，当对应像素的电容率值不同时，尤其在一幅图中的值比相邻值高得多时，可以选择较低值作为该像素的真值。在借助不同移位的电场生成更多数量的电容率图的其他实施例中，能够基于对在选定偏差内匹配的每个像素的值求平均和组合而得到每个像素的电容率值。也可以预期采用其他各种用于选择每个像素的值的技术。

通过进一步估算适当的预期

预期进行进一步的电场优化(得到更强的零区域分离)。在所给出的例子中，为了简化起见，选择了线性的预期

通过沿一个方向圆极化的H分量给出了RF线圈的空间发射灵敏度分布，其中，可以将所述方向定义为“正”方向。如果所述静态磁场具有负z方向，那么所述发射分量为：

H ⁺＝(H _x+iH _y)/2    (13)

通过沿与所述发射情况相反的方向，即，沿“负”方向圆极化的H分量给出了RF线圈的空间接收灵敏度分布：

H ^-＝(H _x-iH _y)/2    (14)

因而，能够从方程(13)-(14)导出分量H _x和H _y。

能够将发射和接收灵敏度确定为：

$\underset{\‾}{S}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\≈{\underset{\‾}{M}}_0\left(\stackrel{\→}{r}\right){\underset{\‾}{H}}^{-}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\sin \left(k{\underset{\‾}{H}}^{+}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\right)---\left(15\right)$

其中，S是图像信号强度，和k是系统相关常数。

再次参考图1，并继续参考图3，电导率图计算装置、处理器、算法或其他机构160根据磁场强度分布计算成像对象内的电导率分布或σ图162。

重建处理器、算法、装置或其他机构164将磁共振数据重建成成像对象16或处于检查区域14内的其选定部分的重建图像。重建处理器164还根据电导率分布重建体积数据集或断层摄影截面图像。重建处理器164采用傅立叶变换重建技术或者其他与数据获取过程中采用的空间编码相适应的适当重建技术。重建图像存储在图像存储器166内，并且能够将重建图像显示在用户界面170上，通过局域网或因特网传输，通过打印机打印，或另作他用。在图示的实施例中，用户界面170还能够使放射医师或其他用户与成像控制器48进行交互，以选择、修改或执行成像序列。在其他实施例中，提供单独的用户界面来操作扫描仪10，以及显示重建图像或对重建图像进行其他操作。可以将电容率或电导率图142、162显示在用户界面170上，通过局域网或因特网对其进行传输，通过打印机对其进行打印或者另作他用。

已经参考优选实施例描述了本发明。对于本领域技术人员而言，在阅读并理解了前述详细说明的情况下可能想到变化和修改。应当将本发明视为包括所有落在权利要求及其等同要件的范围内的所有的此类变化和修改。

Claims (18)

1.一种磁共振成像设备(8)，包括：

用于在检查区域(14)内生成射频激励脉冲的射频线圈系统(34)，所述射频线圈系统(34)包括N个生成磁场(H)和电场(E)的线圈元件(38)，其中，N为复数；

权数设置装置(54)，其为所述线圈元件(38)的输入信号设置加权因子；

发射系统(52)，其产生至少两组RF脉冲，每组采用不同加权的输入信号而产生，并将所述至少两组RF脉冲发射至所述线圈元件(38)，从而使所发射的RF脉冲组中的每组生成具有彼此移位零交叉点(120，122)的移位电场(110，112)；以及

图像处理器(62)，其根据由具有不同加权的所述至少两组RF脉冲诱发的共振计算电容率ε图(142)，所述图像处理器(62)包括：

保存采用所述RF脉冲组生成的电容率ε图的存储器装置(152，154)；

算法或处理器(140)，其对来自所述RF脉冲组的所述电容率ε图进行组合，以生成针对如下区域进行了校正的电容率ε图(142)，所述区域是所述电容率ε图之一中电场接近零的区域。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电容率ε与所计算的值不等于零的总电场(E)的z分量的倒数成比例，从而按照下式计算整个视场的所述电容率分布：

其中，

表示由N个线圈元件生成的x分量的总磁场，

表示由N个线圈元件生成的y分量的总磁场，

表示由N个线圈元件生成的所述z分量的总电场，

ω是Larmor(拉莫尔)频率，

r表示所述视场中的坐标，和

ε是所述电场的复电容率。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述z分量的总电场为：

其中，A ⁿ表示所述线圈元件的加权因子，

表示由N个线圈元件生成的所述z分量的总电场，

表示所述线圈元件的电场，

r表示所述视场内的坐标。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述图像处理器(62)包括：

电容率图计算装置(140)，其使移位电场(110，112)叠加，以接收总电场的非零值，并根据所述叠加后的数据计算电容率ε图(142)。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，通过所述发射系统(52)的信道独立驱动所述线圈系统(34)的每个元件(38)，从而向所述检查区域(14)有选择地施加RF脉冲，以生成具有激励极化定向的圆极化磁感应场。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述线圈系统(34)的每个元件(38)为独立的接收元件，所述独立的接收元件连接至接收器(56)的信道，从而采用接收极化定向对所接收的圆极化磁感应场的MR信号进行解调。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述线圈系统(34)包括RF线圈(36)，所述RF线圈(36)包括多个平行于主磁场(B₀)延伸的共振器(38)。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述图像处理器(62)包括：

计算所述成像对象内的电导率分布的电导率图计算处理器(160)。

9.一种用于确定对象(16)的至少一种电磁特性的方法，所述方法包括：

(a)为每个独立的射频线圈元件(38)的输入信号设置加权因子；

(b)将具有所设置的加权因子的RF脉冲发射至对应的线圈元件(38)，以生成共振数据组；

(c)采用不同的加权因子重复步骤(a)和(b)，从而使零电场交叉点(120，122)发生移位；以及

(d)叠加所述移位电场；

(e)计算值不等于零的总电场强度分布的z分量值；以及

(f)根据所述叠加后的数据计算所述对象中的电容率分布。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电容率与所述电场的z分量的倒数成比例。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括：

通过所述发射系统的信道独立驱动每个线圈元件；

向所述检查区域有选择地施加RF脉冲；以及

生成具有激励极化定向的圆极化磁感应场。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

采用多个独立的接收元件沿接收极化定向接收所述圆极化磁感应场的MR信号；以及

对所接收的MR信号解调。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述线圈系统包括RF线圈，所述RF线圈包括多个平行于所述主磁场延伸的共振器。

14.根据权利要求9所述的方法，还包括：

计算所述成像对象内的电导率分布。

15.根据权利要求9所述的方法，还包括：

根据所述电容率分布重建体积数据图像表示。

16.一种磁共振成像系统(8)，包括

用于为每个独立的射频线圈元件(38)的输入信号设置加权因子的装置；

用于将具有所设置的加权因子的RF脉冲发射至对应的线圈元件(38)，以生成共振数据组的装置；

用于采用不同的加权因子重复为每个独立的射频线圈元件(38)的输入信号设置加权因子和将具有所设置的加权因子的RF脉冲发射至对应的线圈元件(38)的步骤，从而使零电场交叉点(120，122)发生移位的装置；以及

用于叠加所述移位电场的装置；

用于计算值不等于零的总电场强度分布的z分量值的装置；以及

用于根据所述叠加后的数据计算所述对象中的电容率分布的装置。

17.一种用于导出成像对象(16)的电磁特性的系统(8)，所述系统包括：

主磁体(20)，其生成贯穿检查区域(14)的主磁场(B₀)；

多个RF线圈元件(38)，其与所述检查区域(14)相邻设置且用于生成磁场和电场；

权数设置装置(54)，其为所述线圈元件(38)的输入信号设置加权因子；

发射系统(52)，其根据所确定的输入信号产生RF脉冲，并将所述RF脉冲发射至对应的线圈元件(38)，从而使所发射的RF脉冲在每个对应的线圈元件(38)内至少生成移位电场(110，112)，每个所生成的电场(110，112)的z分量值具有移位的零交叉点(120，122)；

电容率图计算处理器(140)，其使所述移位电场叠加，以接收总电场的非零z分量值，并根据叠加后的数据计算所述成像对象内的电容率分布；以及

重建处理器(164)，其由所计算的电容率分布重建整个视场的体积数据表示。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述电容率(ε)与所述总电场(E)的z分量的倒数成比例：

其中，

表示由N个线圈元件生成的x分量的总磁场，

表示由N个线圈元件生成的y分量的总磁场，

表示由N个线圈元件生成的所述z分量的总电场，

ω是Larmor频率，

r表示所述视场中的坐标，和

ε是所述电场的复电容率。

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