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文档简介

激光与物质相互作用朱海红武汉光电国家实验室激光部C204Tel13016467839Email:zhuhh@Laser-MatterInteraction第六章:激光与生物组织相互作用1、[德]MarkolfH.Niemz著张镇西等译,激光与生物组织相互作用-原理及应用,Springer2、孙承伟,激光辐照效应,国防工业出版社,20023、朱林泉,现代激光工程应用技术,国防工业出版社,20234、陈家璧,激光原理及应用,电子工业出版社,2004激光生物医学临床治疗医学测量和诊断显微外科手术激光手术刀、治疗视网膜裂孔、眼底病变、矫正屈光不正,清除血管堵塞物,激光结合光敏药物治疗恶性肿瘤,激光美容等。激光多普勒流速计可以非接触地法测量血流速度;激光流式细胞计技术能对大量细胞的多项指标进行快速测定;激光光谱分析法大大提高了分辨率、灵敏度;激光全息、激光透照等有独特的检查效果。激光聚焦照射并摧毁活细胞体内的某个区域;激光诱导细胞融合;激光裁剪DNA生物大分子等。激光与生物组织相互作用—应用范围应用前景巨大激光与生物组织相互作用—历史最初的临床应用为眼科—Ar离子激光凝结视网膜脱落—19611964年牙科应用—1964年近十年微创技术,激光占主角应用广泛,被认为是神奇的工具激光与生物组织相互作用--参数第一参数:脉冲宽度—曝光时间第二参数:波长—穿透组织深度,即吸收和散射效率;第三参数:能量密度,特定效应的必要条件和程度;皮肤严重损伤:高功率、高能量意外眼外伤:在视网膜上的辐照功率密度或能量密度将比激光辐照强度增加105倍以上。微焦耳级的超短脉冲激光就能击穿眼的多层组织,使眼底出血,灼伤视网膜,造成永久性的局部失明,而外观没有损伤。激光与生物组织相互作用—平安激光与生物组织相互作用—医用激光器激光与生物组织相互作用—医用激光器内容提要§6.1生物体的光学特性§6.2激光与生物组织相互作用机理§6.3激光在临床医学中的应用举例§6.1:生物组织的光学性质预测应用及效果很重要生物组织的性能与特点光学性质:反射、透射、散射、吸收等;热学:比热容、热导率、热扩散等;机械:密度、弹性等;电学:阻抗、极化率等声学:声阻、声吸收等其他:水量、血流量、色素类型及含量等主成分是水,还含有蛋白质、脂肪、无机质等。软组织〔softtissue,皮肤、肌肉、内脏)中含水约70%性能特点衰减系数也称为消光系数。将光能转换成其他形式的能量过程称为吸收,侧向传播称为散射;衰减后的光束沿原方向继续传播称为透射激光在生物组织中的传输直透射光:沿入射方向传播的透射光〔相干信息光、光程最短〕折射光:皮肤组织复杂的层次结构形成的透射光〔准相干信息光、光程较长〕散射光:被皮肤组织散射后,透过皮肤形成的漫反射光〔非相干信息光、光程最长〕角膜这种透明介质中起重要作用;不透明介质中难以分辨生物体与激光相互作用多重散射--光扩散---近似各向同性散射强前散射光能被吸收后转换成热和鼓励生物分子感应出荧光和磷光生物组织的光学性能—吸收生物软组织中含水量达60-80%,水对红外范围激光的吸收是生物组织光学吸收系数的主要决定因素之一。水对1.06m的Nd:YAG激光吸收很少,而对10.6m的CO2激光吸收很多。因此Nd:YAG激光穿透很深,而CO2激光穿透很浅Er:YAG激光〔2.9um)的穿透深度比CO2激光还要浅生物组织的光学特性--吸收水对红外光有着很强的吸收带--软组织含水70%,假设在软组织上照射红外光,可以高效地把光能转换成热量;血红蛋白--600nm以下的波长带中的吸收增大;蛋白质--紫外区域吸收很强软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系窗口:各种组织吸收系数比较小,光能到达组织的比较深处主要由水、蛋白质、色素等大分子决定生物组织的光学特性--吸收可见光范围,皮肤的吸收峰值比角膜高20倍以上主动脉壁与血红蛋白峰值类似四个峰值Kr离子激光:531nm,568nm,可用于血液及血管的凝结生物组织的光学特性--吸收提高吸收,可以减少对邻近组织的损伤可以加一些添加剂来提高吸收生物组织的光学特性--散射Rayleigh散射—弹性散射考虑散射角,Rayleigh散射:生物组织的光学特性--散射Brillouin散射—非弹性散射:向着或者背离光源的方向;导致频率升高或降低只有在冲击波产生时才明显生物组织的光学特性--散射Mie散射前向散射多,散射角多,各向散射参数g1、波长依赖性更弱;2、发生在前向上Wilson和Adam〔1983〕以及Jacques〔1987〕等发现:当散射粒子与波长相当,rayleigh散射不再适应:比Mie散射强g=0各向同性;g=+1纯向前散射;g=-1纯向后散射;一般g=0.7-0.99,对应的散射角为8-45°生物组织通常既有吸收又有散射—浑浊介质在入射深度x处,激光强度为〔Lambert-Beer定律〕:生物组织的光学特性--衰减光子的平均自由程L为:生物组织的光学特性--衰减吸收与散射有时一种占主要的,另外一种可以忽略光漫反照率a:光学深度d为:穿透深度生物组织的光学特性--穿透软组织与激光波长的关系在近红外附近较深,在3m以上的红外区域或300nm以下的紫外区域中较浅生物组织的光学特性--穿透光穿透深度对波长的依赖性与组织种类有关骨等硬组织中:蓝绿色波长的穿透深度深。眼睛:蓝光、绿光的穿透深度较深。皮肤等:Nd:YAG的穿透深度较深。激光首先辐照皮肤或眼睛,然后才能到达皮下组织和内部器官,发生各种作用。生物组织的光学特性皮肤皮肤是由表皮、真皮、皮下组织三局部组成的激光与皮肤的相互作用在任何一层内,都可能存在四种根本光学过程:反射:直接反射;散射:由分子、粒子、纤维、细胞器和细胞引起的散射;吸收:皮肤吸收光能引起的物理或化学变化,产生热量、荧光、磷光等;透射:光线通过皮肤层的透射皮肤对激光的反射与皮肤粗糙度、厚度有关,还要考虑是无毛厚表皮〔手掌、脚掌〕还是有毛薄表皮当皮肤粗糙度小于激光波长,发生镜面发射,反射角等于入射角内部漫反射。内部散射光返回透出外表而形成漫反射。当皮肤粗糙度远大于激光波长,发生漫反射实际皮肤既非理想镜面,也非理想漫反射面,一般较粗糙,漫反射的比例多于镜面反射皮肤对激光的反射与波长有关可见光和近红外光,特别是在600-1300nm波段的激光,皮肤内部漫反射的比例大于皮肤外表的镜面和漫反射之和。0.3m以下的紫外线和2m以上的红外线,皮肤的反射率约5%,与肤色无关。皮肤对激光的反射肤色白黄黑反射峰值波长(m)0.70.721.05反射峰值%635545与肤色有关白色人种反射率最高黄色人种次之黑色人种最低红外区皮肤组织的透射光谱近红外激光易穿透皮肤组织,损伤内部器官紫外和远红外激光的透射率低,易损伤表皮波长/um透过率%2mm厚皮肤对可见光和红外线的透射光谱波长/um透过率%人的皮肤包括5mm厚浅层组织的透射光谱??皮肤组织的穿透深度皮肤对激光能量的吸收与波长有关:对紫外线的吸收最强对红外线的吸收次之对可见光的吸收那么随波长增加而减弱皮肤对激光能量的吸收与波长有关:波长范围300-1400nm的激光透入皮肤,绝大局部激光能量在最初的3.6mm厚度的组织中被吸收消光;波长范围180-280nm的真空紫外辐射根本上被角质层吸收波长范围280-315nm的远紫外辐射有很大局部被角质层吸收紫外线〔315-400nm)、可见光〔400-700nm)和近红外线〔700-1400nm)均能穿过表皮被真皮内的组织所吸收。紫外区皮肤对激光能量的吸收与肤色有关:色素越多,吸收越多。入射光颜色与肤色为互补时吸收最大;原色波长nm互补色波长nm红色653.2绿色492.1橙色607.2蓝绿489.7黄色585.3蓝绿485.4黄色573.9蓝绿482.1黄色567.1深蓝464.5黄色564.4深蓝461.8绿黄色563.6紫色433.07对互补色皮肤的反射、透射和吸收的关系皮肤的反射、透射和吸收的关系从反射和透射图看:反射率高的波段根本上是透射率高的范围激光波长nm反射率%透射率%吸收率%400.08.04.088.0441.612.011.077.0488.017.020.063.0514.519.024.057.0632.828.040.032.0694.332.046.022.0800.038.053.09.0皮肤〔表皮+真皮〕的反射、透射和吸收特性与波长的关系眼睛的结构人体眼球近似为球形,从眼前到眼底依次为:角膜;房水;虹膜;瞳孔;晶状体玻璃体;视网膜脉络膜;巩膜人眼象一架高级照相机:镜头:角膜、房水、晶状体和玻璃体〔屈光介质〕光圈:瞳孔感光底板:视网膜眼睛的光学特性--反射角膜〔折射率1.376〕、房水〔折射率1.336〕、晶状体〔折射率1.410〕和玻璃体〔折射率1.337〕之间的界面的两侧,折射率相差很小,界面反射率很小,可以忽略不计激光正入射时,眼睛反射率约2%角膜无需考虑其外表和内部的漫反射角膜前的泪层类似增透膜,进一步降低对光的反射人眼反射率可以忽略眼睛的光学特性--吸收角膜对短于0.28m和长于1.90m的光辐射几乎全部吸收对于1.40-1.90m的激光局部吸收;对可见光-1.40m的近红外线那么几乎不吸收房水对可见光几乎不吸收对0.34-0.40m和0.78-1.40m波长光少量吸收晶状体是0.78-1.40m波长的光的主要吸收体视网膜吸收大局部的可见光和5%左右的近红外线眼睛的光学特性--作用效率〔T.A〕谱入射光真正被视网膜吸收的比例人眼屈光介质的总透射率及T.A作用效率曲线视网膜的易损性与激光波长有关450-700nm最强,峰值550nm眼睛的光学特性--透射人眼屈光介质的总透射率及T.A作用效率曲线500-900nm光的透射率最高400-1400nm的光能通过屈光介质到达视网膜,且有累积效应,注意防护眼睛的光学特性--散射前向散射占总透射光的50%,后向散射几乎为零散射与入射波长有关。可见光范围内,波长愈短散射愈多。眼睛的激光损伤致眩〔眼花〕:很低的激光能量即可导致视觉比照度的敏感性下降,持续数秒-几十秒闪光盲:视网膜中有一种光色素的物质,它吸收可见光并转换成视觉信号。入射激光相当强,是光色素收到损害,产生脱色效应,暂时丧失感受光线的能力损伤:视网膜局部烧伤和光致凝结破坏:视网膜或玻璃体出血,感光细胞烧伤和出血,造成永久失明眼睛的激光损伤光线通过瞳孔〔明视直径2-3mm〕,经屈光介质在视网膜上聚焦成一个直径为5-50m的实像。瞳孔面积是实像的10万倍,聚焦光功率密度增加10万倍激光经眼球聚焦后能量密度将为入射激光的10万倍左右弱激光也可损伤眼底激光与生物组织相互作用--分析方法分析理论基于Marxwell方程:最根本的方法,分析解太复杂传输理论:直接论述通过吸收介质和散射介质中光子传播—逐渐试探--缺少分析理论的严格性—得到广泛应用,预测结果令人满意传输理论§6.2:激光与生物组织相互作用机理激光与生物相互作用机理光化学〔photochemicalinteraction)热作用〔thermalinteraction)光蚀除〔photoablation)等离子体诱导蚀除〔plasma-inducedablation)光致破裂〔photodisruption)激光与生物相互作用机理曝光时间很重要1J/cm2-1000J/cm2通常难以严格区分生物组织吸收激光能量后,转化成热量使温度升高,高于正常值,从而使得生物细胞、组织发生变化。

一般按损伤度可分为以下各级:(1)释放生物反响,无明显热度。(2)局部组织发热,不损害其生命活力。(3)损伤酶的作用。(4)脱水与组织萎缩。(5)超过一定温度以后出现不可逆的蛋白质凝结。(6)形成痂和薄薄的碳化层及碳化。(7)组织的汽化、烤焦。热敷、红斑、灼伤、气化、切开、热凝和热伤等是医学应用的根底Thermalaction激光的生物学效应--热作用生物组织的热学性质生物组织的热学性质:比热容、热容量、热导率和热扩散率。角质层生发层真皮层脂肪肌肉血液水2093293131822177360138524187含水量越高、比热容越大,越不容易升温生物组织的比热容(Jkg-1K-1)水是世界上比热容最高的物质生物组织的热导率〔10-1W/mK)生物组织的热导率随含水量增加而增加生物组织的热学性质生物组织的热扩散率〔室温,m2/s)主动脉心肌脂肪脑血浆肺肝1.271.481.311.381.241.311.14生物组织的热扩散率与温度有关,差异不大生物组织的热学性质激光的生物学效应--热作用机制低能量光子可使生物组织直接加热。如CO2激光,Ho:YAG激光,光子能量较小,被生物组织吸收后转变为生物分子的振动能和转动能,随后转化为平动能,到达热平衡,即热能。高能量光子那么往往需要经过中间转换过程--间接生热。如可见和紫外的光子能量大,被生物分子吸收后可使得电子从基态跃迁到激发态。受激分子可能通过释放光子再从电子激发态到基态,也可能与周围分子碰撞,把激发态能量转换成分子的平均运动能量,即热能。组织外表的加热速度:假设加热速度远远高于蒸发组织所需的速度,那么组织被很快消融汽化〔ablation)ArF准分子激光器〔193nm)和Er:YAG激光(2.94m)照射辐,其加热速度能引起组织的充分消融,光穿透深度1m左右的组织层迅速被汽化对亚微米的精密组织的切除成为可能为得到深度消融,那么应选择光穿透深度比较深的波长,如CO2激光,穿透深度20m。YAG激光不适合于软组织的气化,因吸收系数过小,穿透深度过大,光能空间分散;大多用于凝固,因为蛋白质在较低温度〔60-70C)下受热凝固对组织进行切除和消融激光的生物学效应--热作用机制加热能够充分破坏组织--使组织坏死:中等强度的激光,将组织加热到一定温度〔200-1000C〕,组织和细胞受到严重破坏;移动激光--切开病变组织气化或碳化光斑处能量密度产生的光压,使由蛋白质、水组成的组织在收到高温后迅速膨胀和气化--组织别离;激光的生物学效应--热作用机制低功率密度的激光辐照生物体时,刺激生物体,提高非特异性免疫功能,可使局部血管扩张,血液循环改变,改善组织的缺陷状态。将组织加热到70C左右,组织内胶原的变化引发组织的物理特性改变,组织粘度增加,蛋白质次级键键能比较低,因此分子不稳定56C,蛋白质变质;60C,蛋白质永久性凝固组织内部温度超过60C为热损伤深度减轻慢性炎症反响促使炎症好转激光的生物学效应--热作用机制破坏某些组织组织器官的结构进行对接和搭接酶是具有催化性能的蛋白质热作用的影响--对酶、DNA的影响温度升高,催化作用加剧60C以上,酶和其他蛋白质一样,因过热而死去,完全丧失生理功能DNA是生物遗传基因的载体比一般蛋白质耐热激光辐照对DNA的生长速度和活性均有影响诱发DNA突变激光育种局部加热促进新陈代谢神经细胞的传导速度随体温的上升而加快热作用的影响--对神经细胞、血液循环的影响40C以上,神经细胞的传导速度变慢超过正常体温4C,中枢神经细胞不能正常工作毛细血管扩张、血流速度加快和血流量增多,有利于带走升温处生物组织的热量,促使其温度回复正常理疗皮肤对温度的反响温热感觉:38~40C热致红斑:53~44C热致水泡:47~48C热致凝固:55~60C热致气化:>100C热致炭化:300~400C热致燃烧:>530C热致切割:激光功率进一步提高影响激光加热作用的参数激光参数:波长:红外激光的加热效率比可见光和紫外高功率密度:脉冲和连续:生物组织的光学和热学性能:吸收系数:比热容、热容量热导率和热扩散率:光化作用是指在光的作用下进行的生物化学反响。它的反响速度主要取决于光的强度,而温度的影响那么很小。激光生物学效应--光化反响普通光对生物组织的作用光合作用、生物颜色、生物视觉、生物节律、光生物效应、光在生物进化中的作用激光代替普通光可使光化反响更有效、更易控处于基态的分子吸收光子后跃迁到电子激发态,在返回到基态的过程中,多余的能量将消耗在自身化学键的断裂或形成新键上原初光化反响的不稳定的中间产物继续发生反响,直至形成稳定的产物光化作用过程激光生物学效应--光化反响原初光化反响继发光化反响光必须被吸收才能提供化学反响和生物学反响的能量在任何初级光化学反响中,每个分子〔离子、原子〕只能从入射光束中吸收一个光子光化作用规律激光生物学效应--光化反响光化学吸收定律光化学量子定律波长选择性:光子能量必须大于其弱键断开所需的能量光化效应取决于光束的总能量,而不取决于功率。如果功率密度低,可以延长时间光化作用的应用选择性的、光激发的特殊药物,在激光的激发下转化成一种毒性成分,在细胞内产生单氧体,造成细胞产生毒性的代谢产物而死亡。单态氧的作用机理使产生氧自由基和过氧化物,对细胞的结构如DNA和线粒体起杀伤作用。能量集中和特殊的激光波长,是激发这种药物的理想光源。用一定频率的激光照射反响物,反响分子中振动模式频率与红外激光频率相同或相近的那个化学键被迫“共振〞,吸收多个光子后被激发到高振动能级,从而表现出化学活性,引起化学反响。由于激光的单色性,这种反响的选择性很高采用这种方式,可以选择激发分子的振动模式,从而活化并进一步破坏指定的化学键--分子剪裁,即选择性地保存或破坏一些化学键对生物工程和生命科学很有意义一次压力:光压,依赖吸收气流反冲压力:蒸气反冲很小,可忽略不计很小,可忽略不计内部气化压力:激光束聚焦于组织内部引起的压力热膨胀超声波:入射激光功率密度不高,热弹声波;大小与温度梯度有关,有可能很大等离子体压力:电致伸缩压力:生物组织在激光强电场种极化,产生感生电偶极矩,并随激光电场频率变化,从而产生应力。不以来吸收,可以很大激光生物学效应--机械作用机械作用应用泌尿道和胆道结石的粉碎:采用脉冲激光使解释外表有非常高的能量密度,产生自由排列的电子列,并组成“浆〞气泡。这些气泡不断扩大,造成结石亚结构的变化,最后使其裂解而将结石碎裂小血管凝固,减少出血其他应用中均可以观察到机械作用偶极子生物体等离子体内的正负电荷会在电场作用下形成偶极子。偶极子随电场振动,发出光波,而生物体内的某些细胞成分可能会吸收这些光波。激光生物学效应--电磁作用非线性效应强激光的非线性效应会产生二次、三次谐波,其二次、三次谐波会被某些蛋白质和核酸吸收。电致伸缩生物实体作为电介质与激光脉冲电场相互作用,产生感应电偶极矩,从而使得生物体随着电场频率的变化而伸缩变化。强磁场作用下形成高温等离子区和出现电离辐射紫外线等。布里渊散射这种效应是入射光波场与介质中的弹性声波场相互作用产生的光散射现象,其散射光相对于入射光有少量转移,频移主要决定于介质的声学特性和弹性力学特性,并与入射光频率和散射有关。它所产生的声脉冲频率范围为几兆之几十兆,这种散射会引起细胞损伤或破裂,造成水肿。激光生物学效应--电磁作用拉曼散射是由于极化率随着分子内部振动、转动的变化而引起的光散射现象,某些蛋白质或其它细胞可能吸收拉曼散射光。多光子吸收一个分子可能吸收多个光子,这种效应在强脉冲激光与生物相互作用过程中起主要作用,它可以引起光化学反响并形成自由基。§6.3:激光在临床医学中的应用激光生物效应应用--临床医学效应:切割、别离、气化、融解、烧灼、止血、凝固、封闭、压电、局部照射等激光作为手术刀:优点:能量集中、光斑小,切缘锐利,对周围组织破坏小;高温杀菌;封闭血管;连续CO2激光,能切开皮肤、脂肪、肌肉、筋骨、软骨,还能在20s内切开肋骨激光消融病变组织:优点:能量集中、光斑小,病变层气化迅速,对周围健康组织伤害小;愈合后疤痕光滑脉冲CO2激光,光点具有200C以上的高温和一定的压强,不仅能消融组织还有极强的穿透作用。血管瘤、色素痔、经手术暴露的深部肿瘤激光生物效应应用--临床医学激光灼烧:优点:时间短,作用快;治疗肥大性鼻炎和痔疮疗效显著激光焊接:优点:能量集中、光斑小,局限于照射区,不引起扩散性热伤害激光凝结视网膜剥离症,眼内封闭止血;--蓝光、绿光,常用514.5nm的Ar离子激光CO2激光封闭淋巴管和血管,肿瘤体积明显缩小。弱激光刺激治疗炎症和慢性溃疡等连续CO2激光治疗下肢溃疡、慢性鼻炎等氦氖激光治疗神经性皮炎、世震、神经性水肿等有一定疗效--无痛感、止痒、镇痛、消肿、促进创面愈合有多种方式准分子激光手术人们一般说的“准分子激光手术〞,其全称应该是“准分子激光屈光性角膜手术〞,主要包括三种术式:PRK:准分子激光角膜外表切削术:是最早用于临床的方法。把角膜外表上皮去除之后,再用激光将预计要去除的角膜组织予以汽化,激光完全由计算机控制。目前认为PRK治疗中低度近视、远视及散光平安有效,但因其术后疼痛、屈光回退等并发症,现较少使用。准分子激光手术

LASIK:准分子激光原位角膜磨镶术:目前主流术式。它在角膜瓣下的基质层切削,保持了角膜上皮及前弹力层的完整,可防止PRK的大多数并发症。特点是拓宽了近视度数的矫治范围,术中术后无疼痛,视力恢复快,角膜不遗留斑翳。手术时,先用一种微型刀在角膜上切出一个带蒂的薄层角膜瓣,掀开此瓣,在瓣下行激光切削,然后将瓣复于原位。此可用于低、中、高度近视。LASIK也有角膜瓣带来的缺陷,即角膜瓣皱褶、移位、角膜瓣下上皮植入、散光以及过度切削,造成角膜扩张、圆锥角膜等。对于角膜相对近视度数高而比较薄的患者,使用LASIK也受到限制,但对于角膜瓣足够厚的高度近视患者,还是首选LASIK好。准分子激光手术

LASEK:准分子激光上皮下原位角膜磨镶术:是PRK手术的改进术式。用激光或低浓度酒精浸泡角膜手术区,做成一个角膜上皮瓣,激光切削上皮瓣下组织,当角膜上皮瓣复位后,依然要在其外表盖上一片隐形眼镜。LASEK手术后疼痛较PRK明显减轻,加上瓣薄,可以用于角膜厚度相对较薄、瞳孔较大的患者。

LASEK无LASIK做角膜瓣的并发症,缩短了PRK手术后角膜上皮愈合时间,减轻了疼痛反响及角膜混浊的程度,但手术中角膜上皮瓣破损和水肿与PRK同,而且手术后视力恢复及屈光稳定速度比LASIK慢。因此主要适用于角膜较薄、职业特点容易发生眼外伤导致角膜瓣移位或其他不宜进行LASIK的患者。

准分子激光手术

Epi-LASIK:希腊医师Ioannis最新率先提出的术式。认为Epi-LASIK能综合LASEK和LASIK手术的优点,较好地防止两者的缺乏,它利用旋转上皮刀在角膜上皮层“做活性上皮瓣〞,厚度仅50多μm,而非像LASEK手术那样用酒精浸泡,在最大限度地“节约〞角膜厚度的同时,术后刺激病症也很小,发生角膜混浊的时机比较PRK少,近视回退发生率低。

准分子激光矫正近视准分子激光屈光性原位角膜磨镶术--90年代初〔laserinsitukeratomileusis,LASIK〕先利用角膜板层刀做一角膜板层切开形成一个完整角膜瓣(约130μm左右)在角膜基质层进行激光消融,1只眼切削过程1-2min将角膜板层原位复位所用激光:准分子激光ArF,193nm:角膜几乎全部吸收,消融深度很浅〔1um〕;不透射眼底准分子激光矫正近视LASI

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