CADCAM系统在义齿领域的应用现状（精编版）

1、1 cad/cam系统在义齿领域的应用现状刘恒利（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）摘要： 随着科学和技术的飞速发展，计算机辅助设计和计算机辅助制作（cad/cam ）技术在口腔医学领域中的应用也越来越广泛深入。该技术以其高效、美观、便捷和多媒体的特征向传统口腔医学注入新的活力，使传统的口腔医学正逐步迈入计算机信息化时代。本文就cad/cam系统在口腔修复领域的应用现状作一综述。关键词： 计算机辅助设计计算机辅助制作口腔修复体the status of the application of cad/cam system in the dental field liu hengli

2、 (school of electrical engineering and automation ,shanghai university, shanghai 200072, china) abstract: with the rapid development of science and technology, computer-aided design and computer aided manufacturing (cad/cam) technology in the field of oral medicine has become increasingly extensive.

3、 the technology for its efficiency, appearance, convenience and multimedia features makes the traditional oral medicine own new vitality ,as the traditional oral medicine is gradually entering the computer information age.in this paper, the status of application of cad/cam system in the dental field

4、 is reviewed. key words:computer-aided design,computer-aided manufacturing, dental prosthesis 1 前言计算机辅助设计 （computer aided design， cad ） 与计算机辅助制作 （computer aided manufacture， cam ）技术，融合了数学、光学、电子学、计算机图像识别与处理、自动控制与自动化加工等多学科的知识与技术，在 20 世纪 70 年代被广泛应用于工业自动化和航空航天领域。1983 年，法国 duret 研制的第一台牙科cad/cam系统样机问世1；19

5、85 年在法国国际牙医学术会议上duret 教授利用该设备制作出首个后牙瓷全冠体并成功地用于患者口腔，使得cad/cam用于口腔医学领域成为现实。在进入90 年代后，随着现代光电子技术、 计算机技术图像分析处理技术等进一步发展，越来越多的牙科cad/cam系统问世。 目前，已有 10 余种 cad/cam系统问世，可制作嵌体、贴面、全冠、部分冠、固定桥等。而在可摘局部义齿及全口义齿仍处于研究阶段，并没有成熟的系统。一门新兴的口腔修复技术开始形成，cad/cam 系统使口腔修复学跨入了现代高科技领域。2 义齿 cad/cam系统技术义齿 cad/cam系统通常由数据采集(数字化印模 )、 计算机

6、辅助设计 （cad ） 、 计算机辅助制作 （cam ）三部分子系统组成2。在技术层面上对国内外义齿cad/cam技术简要回顾，包括数据采集、数据库、数据处理和数控加工技术及装备等。2 2.1 数据采集技术数据采集3是义齿 cad/cam的前端技术，主要任务为采集待修复牙齿的原始数据，以便为医生或技师诊断和修复体制作提供必要的信息。目前，可利用的数据采集技术主要有激光扫描、光学反射、机械式采集和噪声探测技术等。（1） 激光扫描术的基本原理利用激光探测器获取所需部位图像，通过光感受器将光信号转换为数字量，储存于计算机， 并在屏幕上显示清晰的图像。因该技术测量精度较高而制作简单，故现在已得到广泛应

7、用。（2） 光学反射技术信息获取的另一途径是运用光学反射原理并借助口腔视频相机得到牙齿表面三维信息。例如， 西门子公司研制的cerec cad/cam系统便采用红外线口腔照相机获取牙齿的数据信息。该系统由发光二极管、透镜组和分辨率为256256 像素的 ccd 组成。由光源将一系列格栅化光束投射到涂过反光剂的待测牙齿上，然后用视频相机沿光束方向捕捉反射光束。与光学探头相连的计算机将反射光信号转换为电压强度，经a/d 转换得到窝洞深度值，并在屏幕上显示三维图像。（3）机械式采集利用细小探针离线测量牙模三维表面信息。明尼苏达州大学研制的探测系统便采用了这种技术。如图4 所示，该系统将测头与待测牙模

8、表面接触，控制测头沿其断面方向移动，并由计算机自动记录测头尖端的坐标，从而获得牙齿的三维表面数据。获取的数字化模型可反映牙模表面深度、面积和体积，精度可达0.5m，且可在windows 环境下成像。（4）噪声探测技术虽然上述技术可获得连续光滑表面的精确信息，但无法处理不连续部位，以致产生失真现象，为此可采用噪声探测法解决这一问题。该方法通过获取、分析牙齿的反射声波信号得到解剖面的三维曲面信息，测量精度可高达510m，但如何甄别虚假噪声信号有待研究。2.2 数据库技术数据库技术是义齿cad/cam技术的重要组成部分。目前，数据库的开发主要是围绕标准牙冠几何建模展开的，而建模的首要任务是获取标准牙

9、冠的型面数据。获取数据可采用下述途径：(1)机械式采集，即利用细小探针离线测量牙模三维表面信息，从而获得牙齿表面的三维点云数据；(2)激光扫描，即由激光扫描器测得标准牙的数据信息，通过光感受器将光信号转换成相应的三维数字信息。2.3 数据处理技术数据处理技术4是义齿cad/cam技术的核心部分，涉及数据重构及修形等内容，进而为生成cam刀位文件奠定基础。早期的数据处理通常采用编码技术，通过移动光标，直接对屏幕上的“模型”操作，修改修复体的外形轮廓， 整个过程需 210min。 目前数据处理通常采用自动重构技术，即通过调用 cad/cam系统中的数据库自动形成牙齿重构模型。由于从数据库中调用的是

10、标准牙模，故仍需修改调整部分的牙冠外形，并根据约束条件与标准牙冠数据自动匹配。2.4 数控加工技术数控加工技术是义齿最终成形的必要手段，也是cad/cam优越性的最终体现。牙齿信息经计算机数据处理后，将修复体数据转换成刀位文件，对陶瓷或金属毛坯进行加工。3 目前主要 cad/cam系统目前商业化的口腔cad/cam系统中，数控铣床是重要的组成部分之一。修复体加工采用数控铣削方式，用切削工具切除多余材料，以获得符合形状、尺寸和表面粗糙度要求的修复体。该技术本质上属于去材制作范畴，即“减法”。3.1 cerec 系统cerec系统由德国西门子公司（siemens ）牙科部，即现在的德国西诺德（si

11、rona ）牙科设备有限公司开发完善。 cerec系统能够进行口内照相，因而快捷、简便、技术含量高。cerec 系统使用可切削陶瓷制3 作修复体， 目前已经成为应用最为广泛的cad/cam系统，其产品系列包括有cerec、cerec和 cerec以及 cerec in lab5。（1）cerec： 1986 年由 mo rmann 和 brandetini 共同研制的cerec系统在瑞士苏黎士首次展出，其内置液压装置驱动单个金刚石磨盘进行切削，只能切削长石质瓷制作简单的嵌体与前牙贴面6。（2）cerec： 1994 年 cerec系统装备了更快的微处理器和更高分辨率的摄像头，切削系统也增加了切

12、削车针， 经过之后 3 年软件的发展， 使 cerec可以切削强化白榴石玻璃陶瓷制作全瓷基底冠和牙合面形态完整的全瓷冠7。（3）cerec8：2000 年诞生的 cerec系统基于windows 平台，切削系统与图象采集系统各自独立工作，软件系统也有了极大的提高使得cerec系统可以制作嵌体、高嵌体、贴面、部分冠和全冠。但是cerec软件系统也只能在平面上进行设计，很难显示修复体的整体形态。2003 年 3 月在美国亚特兰大的hinman 牙科大会上cerec 3d 系统首次展出， 它在设计修复体时可引入了多维视角9，可以从 3 维的角度直观修复体以及基牙的形态。cerec 3d 软件系统加入

13、了framewor 等 3d 设计软件，实现了全瓷固定桥的修复。cerec系统主要针对牙科椅旁操作进行设计，由口内三维测量照相机、计算机设计主机和磨切设备构成，磨切设备和计算机主机之间采用无线传输连接。应用 cerec使嵌体、 贴面和全冠能够在一次治疗中制作完成，而不需要进行传统的口内取模、石膏模型灌注等制作，也不必进行临时义齿修复。（4）cerec in lab：2002 年 sirona 公司推出了cerec in lab 系统，是专门为技工室所设计的，它使用激光扫描系统收集牙颌数据。和前3 种系统相比其扫描范围更大，修复体制作速度更快，适用范围更广，并且可以使用更高强度的二氧化铝、二氧化

14、锆陶瓷材料。3.2 celay 系统celay 系统由苏黎世牙学院设计并于1990 年在慕尼黑第一次展出，现由瑞士mikroma 公司生产。该系统不是完全意义上cad/cam系统，其原理类似于一个小型钥匙复制机，由两部分组成，接触式传感器和微型铣床，传感头“读”出在口内或代型上制作的具有一定硬度的蜡或树脂修复体表面外形数据，并将数据同时传递到铣床上，同步加工出瓷修复体。该系统组成简单，自动化程度很低。工作时，必须先在口内或者代型上制作一个临时修复体，作为获取数据的信息源。celay 系统主要利用二氧化铝可切削陶瓷加工具有牙合面形态的嵌体或高嵌体，还可以加工全冠或固定桥的基底冠10。3.3 pr

15、ocera 系统procera系统为瑞典系统，由nobel biocare 公司于 1993 年推向市场。起初该系统只是一个复制系统，其工作原理是利用描记针读取代型表面数据，利用电火花蚀刻，机床磨削和焊接等方法来加工冠桥的钛底层冠11。随着科技的发展procera 系统加入了 cad 设计软件，可以对冠桥等进行设计，主要用于procera全瓷冠桥的制作。该系统利用procera piccolo 或者更加先进的procera forte 扫描仪收集牙颌模型上数据，医师通过 procera lofrwore 2.0 软件对修复体进行设计， 完毕后将数据通过互联网传送至procera 系统指定的4

16、个生产中心（ stockholm，sweden；fair lawn ，nj，usa；karlskoga，sweden；tokyo ，japan）进行修复体的加工。 加工中心可根据医师要求直接加工成最终的氧化锆、氧化铝全瓷冠桥， 也可只加工成氧化锆、氧化铝基底待邮回后再进行表面饰瓷。procera系统除可以用于制作天然牙牙冠外，还可以用于种植领域。procera系统可以制作纯钛或氧化锆的单牙基台，其可以对基台的高度、角度和边缘线的形态外形进行个性化设计； procera系统还可以制作纯钛或氧化锆的种植桥，其最多可以提供14 个单位的种植桥，拥有极好的生物相容性、卓越的强度和美学效果。3.4 ce

17、rcon 系统cercon 系统由美国dentsply 公司于 2001 年推出，初期该系统没有cad 部分，需要先在代型上完成蜡型的制作后通过激光扫描系统收集蜡型表面数据，传递到数控铣床上同步制作修复体。近年来 cercon 系统加入了 cad 部分，其通过cercon eye scanner 3维激光扫描牙颌模型上数据，传输给cercon art cad 部分对修复体进行设计，然后将设计好的信息传递给cercon brain 部分对修复体进行切削加工或者将信息通过4 互联网传递到位于york 的制作中心对修复体进行加工制作。因此对于一些小型牙科诊所或者技工中心可以仅购买 cercon 系统

18、的 cercon art cad 部分 （已经包含了cercon eye scanner 扫描仪）， 从而降低成本。 cercon art cad 可以对修复体边缘、合面进行精细的设计。cercon 系统以二氧化锆结构陶瓷为加工对象，可制作桩核、种植体基台、全冠和固定桥。3.5 lava 系统lava 系统由美国3m 公司于 2001 年推出，新一代的 lava 系统由 lava c.o.s.临床口内扫描仪、 lava scan st 技工室扫描仪、 lava cnc500 切削机、 lava furnace200 烧结炉等部分组成。牙医可利用lava c.o.s.临床口内扫描仪收集口腔数据，

19、技师可利用lava scan st 技工室扫描仪收集模型数据，然后运用 lava design 5.0 软件进行修复体全冠设计，完成后首先通过切削预烧结的二氧化锆瓷块获得基底冠，平均每单位牙冠需要 20 分钟。切削完成后对牙冠基底冠进行完全烧结，lava 二氧化锆基底冠有8 种颜色选择，前牙基底冠厚度可以切至0.3mm。饰面瓷部分可以选用传统的上瓷步骤，也可以选择全冠设计软件设计的自动切削饰面瓷。该饰面瓷瓷块有4 种颜色选择， 用于粘接基底冠和自动切削饰面瓷的熔合瓷有10 种颜色， 选色可参照 vita 比色系统。 lava 系统制作的修复体拥有最接近天然牙的色泽和透光性，该系统可用于制作单冠

20、、嵌体、连桥以及种植体基台。3.6 everest 系统everest系统统由德国kavo 公司于 2002 年推向市场。该系统由everest scan，everest engine，everest therm，everest elements四个构件组成。首先由everest scan数据扫描系统（使用ccd 相机）采集牙颌模型上数据，操作者利用energy cad软件对修复体进行3 维设计，然后cam 部分在 x、y、z、a、b 五个轴上进行切削加工修复体。因此everest 系统制作的修复体具有良好的加工精度以及清晰的解剖结构。everest系统可加工的材料非常广泛，包括氧化锆、氧化铝

21、、纯钛、玻璃陶瓷、金、树脂等，可制作种植体、贴面、嵌体、高嵌体、单冠和固定桥12。3.7 open mind hyperdent系统open mind hyperdent牙科医疗整体解决方案13将包括：丹麦 3shape 公司的扫描器及牙科设计软件，德国 open mind 公司的全 open mind hyperdent进军中国医疗义齿加工新领域自动牙科cam 系统 hyperdent 和 hypermill ，德国 dmg 公司的 us20 和 dental10 数控加工中心。 协议旨在提高中国口腔工艺的技术水平，促进中国口腔工艺学的发展，并在国内口腔制造领域推广先进的制造技术。协议的签订

22、标志着世界上最先进的口腔工艺加工技术将正式引入中国，并首次使用工业级机床配合开放的牙科cam 系统 hyperdent 进行口腔数字化精确加工。基于此系列解决方案，牙科医疗领域的用户可以从口腔模型的扫描、设计，直接过渡到cam 辅助编程和实际加工。解决方案中的亮点是来自open mind 公司的hyperdent ，这是一套牙齿修复组件生产专业解决方案，它能使口腔加工的质量和效率大幅提高。hyperdent 在加工效率、避让干涉检查和后处理等方面优势明显，而且，hyperdent 具有完全开放的cad/cam组件，可以和任何牙科扫描仪及cad 系统协同工作， 并且其结果可通过后处理模块，输出到

23、任何机床及加工中心，对牙科行业的各类加工设备均能提供完善的技术方案支持。因此，客户完全可根据需要在 hyperdent 平台的基础上，搭配不同的设计软件和设备，组成理想的完整牙科生产线，实现从设备到材料的完全开放。此外，这套开放式的cam 软件拥有基于向导的用户界面，使新接触cad/cam 技术的牙科医疗用户也能迅速进入这个充满活力的市场，从而在中国范围加速“牙科技术革命”的进程。3.8 开放式系统开放式系统是近年来市场上出现的“ 组装 ” 型 cad/cam系统，其数据采集系统、cad 系统、 cam 系统可由不同的公司制作后组装形成。目前市场上比较成熟的开放式系统有两种方案：（1）3sha

24、pe牙科专用扫描仪+cad 软件 +德国研磨仪，其可以加工所有品牌的氧化锆、塑料，不受品牌的限制；5 （2）3shape牙科专用扫描仪 +cad 软件 +美国 3d system 蜡型机，在制作完蜡型后可以包埋铸造金属也可以进行全瓷冠的制作。和其他 cad/cam系统相比， 开放式系统的优点在于：能加工的材料更加广泛，制作成本也更加低廉。4 增材制造的 cad/cam系统无法切削具有复杂结构（如带有中空结构）的修复体以及切削过程中造成材料的浪费等成为口腔修复先进制造技术中急需解决的关键问题14。快速成型技术，简称rp 或 rpm 技术（ rapid prototyping / rapid pr

25、ototyping manufacturing ），是 20 世纪 80 年代末发展起来的一项先进制造技术。该技术将计算机辅助设计（cad），计算机辅助制造（cam ），计算机数字控制（cnc），精密伺服驱动，激光和材料科学等先进科学集于一体，采取离散-叠层堆积的思想，基本构思是：任何三维零件都可以看作是许多二维平面轮廓沿某一坐标方向叠加而成。但 rp 技术不能直接制作金属修复体以满足口腔修复的需要。20 世纪 90 年代末由 rp 技术和激光涂覆技术相结合建立的快速制造技术(rapid manufacturing ， rm)采用预置铺粉或者同步送粉的方式由激光将粉末材料逐层熔覆堆积得到三维实

26、体零件。其制作的成形件具有优秀理化性能，且不受复杂结构的限制。rp 技术和 rm 技术从本质上说均属于增材制作，即“加法”。目前快速原型过程的主流有4 种15：sla 是最著名和最早商业化的快速原型过程之一。大多数已有的医学模型都是采用这个过程制造的。用激光束选择性固化一层层的液态光敏树脂，最终形成模型；sls 用激光选择性地烧结热的金属粉末层而形成金属模型；lom 通过粘结和切割一层层的纸或金属箔片，形成纸质模型； fdm 用磁浮定位式挤出头（一个喷射模型材料，另一个喷射支撑材料）选择性喷射丝状材料，形成模型。现在已开发出一种“水溶性”支撑材料，有效地解决了复杂、小型孔洞中的支撑材料难去除或

27、无法去除的难题。4.1 在固定修复中的应用2004 年 bennett 采用基于 slm 技术的 mcp realizer 设备分别制作了钴铬合金和不锈钢材料的基底冠、固定冠和固定桥，制作后的牙冠外型良好。2005 年，法国学者nadine 应用自己研发的phenix slm 系统设计并制作了镍铬合金的基底冠，制成的基底冠外形、精度均良好，熔覆烤瓷后，制作的烤瓷牙冠具有非常好的颜色匹配性和边缘适合性16。4.2 在可摘局部义齿中的应用2006 年 williams 等通过 cad/cam技术在 slm realizer 2 机器上制作了可摘局部义齿的金属支架。国内吴琳等初步实现了对肯氏类牙列缺

28、损模型的计算机辅助设计，并用激光快速成形机加工出可摘局部义齿支架的树脂铸型17。2009 年诸森阳等对肯氏类牙列缺损可摘局部义齿支架进行了计算机辅助设计与制作18。4.3 在全口义齿中的应用全口义齿形态复杂， 且组成义齿的材料多样，全口义齿 cad/cam研究相对滞后。 高勃等通过surfacer软件，设计出上颌半口金属基托义齿，并利用激光立体成形技术初步加工出上半口基托19。2008 年高勃等通过 rm 技术制作了上颌半口纯钛基板，并对其适合性进行了研究。5 cad/cam 临床应用中的思考cad/cam技术在口腔领域的应用大大提高了修复效率，缩短了患者治疗周期，减少了患者的痛苦并且降低了技

29、师的劳动强度，使得口腔修复学取得了革命性的发展。但在临床应用过程中还存在以下问题：（1）目前 cad/cam系统主要应用于固定修复领域，而在可摘局部义齿以及全口义齿中应用较少的原因主要为 cad 系统的局限性。需不断研发软件系统以扩充cad 系统对复杂义齿的设计能力。（2）目前 cad/cam系统多以切削为主，这不单造成材料的浪费，也使得制作的修复体种类单一。而发展的方向是增材制造，这样既节约材料，也拓宽了cad/cam系统的应用范围。6 （3）目前 cad/cam系统不能在临床广泛推广的一个重要原因是价格昂贵。如何降低成本成为cad/cam系统发展的一个重要环节，随着开放式系统的出现以及更加

30、低廉材料的应用其成本会有所降低。6.今后的发展趋势展望未来，借助cad/cam技术，基于各种经过改性后性能更加优越的氧化锆类材料制作冠、桥，基于纯钛金属材料制作种植义齿上部结构将成为研究的热点20。无论 cad/cam是否会令口腔修复技师这个行业彻底消失， 目前，至少越来越多地口腔修复技师正在帮助全球口腔修复医师制作高质量的口腔修复体。在数据获取方面，口内扫描可以最大限度地避免印模、模型等中间环节带来的误差，是理想的研发方向，但由于口内空间的局限性，如何准确、 高效地完成多单位牙齿的口内扫描，是亟待解决的问题。在 cad 方面，人类牙齿微细解剖结构的完全数学表达、个性化特征信息的更高程度的提取

31、与应用，将使修复体的设计更加符合个体生理功能的需要。在cam 方面，烤瓷修复体的饰瓷层，目前仍以口腔修复技师手工分层雕塑、烧结、打磨制作为主，由于各瓷层的材料种类、机械强度、色度、透明度和表面光滑度等均不相同，采用预成可切削材料块显然不行，如能应用快速成形技术，结合牙齿颜色数字化测量分析软件，实现多层陶瓷材料的三维精确表达，将推动口腔修复体全数字化制作技术的进一步发展。在 cad/cam技术整体方面，出现了先进制造技术(advancedmanufacturing technology，amt) 的概念，是由美国在 80 年代末期首先提出的一个综合性、交叉性前沿学科， 是制造技术和信息技术以及其

32、他现代高技术相结合而产生的一个完整的技术群，并被公认为是面向21 世纪的主要技术手段。一般来说，比较被人们接受的定义是：“先进制造技术是以人为主体，以计算机为重要工具，不断吸收机械、光学、电子、信息(计算机和通信、控制理论、人工智能等)、材料、环保、生物以及现代系统管理等最新科技成果，涵盖产品生产的各个环节的先进工程技术的总称”。先进制造技术的特点是：制造模式将朝着快速响应的智能化制造系统发展，设计和制造工艺紧密结合，统一在一个人身上，这也是口腔临床的一种理想工作模式。先进制造技术目前包括了cad/cam和 rp 两大技术平台，但又是这些技术平台的升华和综合进步。目前的 cad/cam技术加工

33、精密度高，但成形能力受加工对象的形状复杂性制约；快速成形不受加工对象的形状复杂性制约，但目前的加工精度偏低。此外，尽管口腔cad/cam技术大幅度提高了口腔修复工艺的水平，在一定程度上“解放了口腔技师的双手”，但口腔医生的临床诊疗理念仍在延续传统。在今后相当长的时期内，研发口腔临床诊疗辅助设备和手术机器人技术，或将成为世界口腔医学技术应用研究的新起点。用自然科学领域的最新成果“解放医生的双手”，将使口腔临床诊疗工作发生新的质的飞跃。7 结束语牙科 cad/cam系统应用现代计算机技术取代了近百年来传统的口腔修复体手工制作过程，因而被国内外的口腔专家认为该技术是一项划时代的里程碑，是牙科技术未来

34、的发展方向。可以相信，随着现代科技的发展和系统自身的完善，牙科cad/cam技术一定会更加贴近生活，为保障人类的口腔健康做出应有的贡献。总之，口腔修复追求的最终目标是：美观、高效、简便地为患者设计、制作各类修复体，而随着cad/cam技术的不断发展这一目标终将实现。但是义齿 cad/cam技术虽然在国外得到广泛应用，但国内相关技术研究尚处于起步阶段。全国牙病防治指导组织办公室提供的信息表明，我国目前有十亿颗病牙需要医治。尽管近年来引进了少数义齿cad/cam系统，但由于价格昂贵，不可能大量引进。为此，尽快开发具有我国自主知识产权的义齿cad/cam系统，对缓解医患供需矛盾具有重要的社会效益。为

35、此，建议在义齿设计与制作理论、关键技术和系统集成方面侧重开展以下工作：(1)数据库技术。获取不同人种不同年龄阶段的标准牙模型，丰富数据库内容，并科学管理数据库，以便在应用中更快更准地调用库中标准牙模型。(2)模型快速自动重构技术。目前，自动重构技术还处于研究起步阶段，需对其进行进一步研究，建立更准确的数值算法，更快更有效地进行模型自动重构。7 (3)控制数控系统。数控技术是cad/cam技术优越性的最终体现。因此，数控系统除需具有更高精度和可靠性，还应在集成化和小型化等方面作进一步研究。例如采用一把铣刀代替多把铣刀进行多面铣削，从而减小了加工系统的体积。8 参考文献：1韦荣智 ,张松林 .我国

36、自主固定义齿cad/cam系统应用研究进展j.中国煤炭工业医学杂志, 2006,9(4):315-317. 2宋雅丽 ,李佳 ,黄田等 .cad/cam技术在义齿快速成形中的应用与发展j.机械设计 , 2004,21(4):8-10(13). 3吕培军 ,李彦生 ,等.国产口腔修复cad/cam系统的研究与开发j.中华口腔医学杂志,2002, 37: 367-370.4george a. hazelrigg jr. engineering design- integration engineeringdb/ol. national science foundation,http:/www.en

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