光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計步驟精選(九篇)
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第1篇：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計步驟范文
摘要：介紹了LED的應(yīng)用及前景，著重闡述了ASAP軟件的使用，并根據(jù)LED的發(fā)光理論利用該軟件對LED進(jìn)行了光學(xué)建模，經(jīng)過光線追跡后，所建模型的光強分布與實際LED 光強分布吻合很好，為二次光學(xué)設(shè)計打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管；ASAP；光學(xué)模型；光強分布
中圖分類號：TN312.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Simulation of LED's Optical Characteristic Base on ASAP
YAN Chun-guang1 ，TAN Bai-mei1，YUAN Jing-yu2，NIU Ping-juan3
(1.Institute of Microelectronics of Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;
2.School of Architeoture & Art Design of Hebei University of Technology, Tianjin 300130,China;3.Information Institute of Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160)
Abstract: This paper introduces application and foreground of LED. And how to use the software ASAP are discussed in particular. The LED's optical structure simulation model based on LED's radiation theory is developed with the software ASAP. After tracing rays, we can obtain the LED's luminous intensity distribution curve, which is according with the practical one. So the LED's model can be used in secondary optical design.
Keywords: LED；ASAP； optical model；luminous intensity distribution
1LED的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景
LED是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。LED的核心部分是PN結(jié)，對于某些材料制成的PN結(jié)，當(dāng)PN結(jié)兩端加正向電壓時，PN結(jié)就會發(fā)生載流子的復(fù)合，同時釋放光子進(jìn)而發(fā)光。隨著技術(shù)的進(jìn)步，LED的發(fā)光效率飛速增長，價格逐漸降低。目前LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大面積圖文顯示全彩屏、狀態(tài)顯示、標(biāo)識照明、信號燈、背光源顯示、汽車組合尾燈頭燈及車內(nèi)照明等方面。尤其是白光LED作為新一代節(jié)能環(huán)保照明燈而受到青睞，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈。
2LED的光學(xué)特征
LED光輸出一般用其光通量、光強表示。光通量用于描述LED向外輻射可見光能量的大小，光強是用來描述LED發(fā)出的光沿空間各個方向的分布，用單位立體角度內(nèi)的光通量來表示。如果把光強看成發(fā)光角度的分布函數(shù)，就可以得到LED的光強分布曲線。而在LED應(yīng)用中，根據(jù)LED的光強分布曲線設(shè)計出符合照明標(biāo)準(zhǔn)的燈具是至關(guān)重要的。
3本文的做法
由于在很多光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中會應(yīng)用到LED，所以在軟件中模擬出LED的形狀及發(fā)光特性，對以后的設(shè)計是很重要的。本文就是在ASAP軟件中建立一種單色LED的模型，并使它的發(fā)光特性符合實際的LED，具體包括構(gòu)建LED的幾何體、模擬其發(fā)光芯片、追跡光線、分析結(jié)果等。
4ASAP的特點及計算內(nèi)核
傳統(tǒng)的照明設(shè)計一般是通過實測進(jìn)行的，這種方法雖然比較準(zhǔn)確，但在實驗上是一種事后估計，不但增加了人力和物力的消耗，而且延長了設(shè)計周期。尤其是LED等新型光源的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)的照明設(shè)計方法已經(jīng)落后。
如果能在軟件中事先把設(shè)計模擬出來，分析其光學(xué)特性就可以大大提高設(shè)計的速度、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)效益。ASAP就是事先能分析光學(xué)特性的一種軟件。ASAP（advanced system analysis progra－mme）是BRO的一種商業(yè)化軟件，它具有強大的機(jī)械仿真功能，模擬幾乎所有的三維幾何圖形。ASAP采用了速度最快的非序列光線追跡引擎，可以在短時間內(nèi)對數(shù)百萬條光線進(jìn)行計算分析，并利用蒙特卡羅法進(jìn)行光線追跡，讓用戶在生產(chǎn)前做光學(xué)系統(tǒng)的仿真。
蒙特卡羅法的基本思想是：為了求解數(shù)學(xué)、物理、工程技術(shù)或生產(chǎn)管理等方面的問題，首先建立已給與求解有關(guān)的概率模型或隨機(jī)過程，使它的參數(shù)等于所求問題的解，然后通過對模型或過程的觀察或抽樣試驗來計算所求參數(shù)的統(tǒng)計特征，最后給出所求解的近似值。概率統(tǒng)計是蒙特卡羅方法的理論基礎(chǔ)，基本手段是隨機(jī)變量抽樣，該方法對于那些本身具有統(tǒng)計性質(zhì)的非確定性問題非常有效，可以直接從非確定性問題出發(fā)，通過模擬原問題的實際過程而得到問題的答案，而不像常規(guī)方法那樣先將它轉(zhuǎn)化為確定性問題，再做離散化處理來求解，因而這樣可以省去求解過程中不得不引入的許多近似。ASAP利用蒙特卡羅光線追跡的技術(shù)做光和機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的模擬，當(dāng)光線穿越整個光學(xué)系統(tǒng)，光束可以自動分裂為反射、折射、繞射、偏振光及散射，所以ASAP就是根據(jù)真實光線在真實世界里的路徑做的仿真模擬。
5影響LED光學(xué)特性的因素及其模擬要點
光學(xué)建模是設(shè)計照明光學(xué)系統(tǒng)的通用方法，包括系統(tǒng)的實體建模，以及在實體建模中各個表面光學(xué)屬性的賦予，模型的精確與否及表面的光學(xué)屬性對以后光學(xué)分析將會產(chǎn)生很大的影響，因此在模型建立過程中要確保模型及表面屬性的準(zhǔn)確。從LED芯片出來的光，要經(jīng)過多次反射和折射，最后由透鏡射出，其光學(xué)模型比較復(fù)雜。影響發(fā)光二極管的發(fā)光特性很多，但是可以把模型抽象，忽略掉次要因素，單個二極管的光強分布主要取決于:芯片的大小和位置；反光碗的形狀和尺寸；透鏡的大小和折射率等。
6ASAP中LED的建模
模擬光學(xué)系統(tǒng)首先要構(gòu)建出系統(tǒng)的立體圖形，在ASAP中有兩種方法可以實現(xiàn)此功能，一是與CAD軟件結(jié)合使用。在CAD中做好幾何模型，輸出模型文件，然后把模型文件輸入到ASAP中，在輸入過程中根據(jù)需要可以對各個表面賦予特定的光學(xué)屬性，如是反射面還是吸收面。另外此時也可以指定反射率及透過率、吸收率等。二是在GUI（guider user interface）直接構(gòu)建幾何體，如果需要可以結(jié)合指令來定義幾何實體，由于LED的幾何結(jié)構(gòu)比較簡單，因此可以直接在Bulider中構(gòu)建幾何體。
在Bulider中建立一個光學(xué)模型一般要以下幾個步驟：
(1)定義系統(tǒng)設(shè)定值（單位和波長）；
(2)定義介質(zhì)（如玻璃）和涂層（折射率、反射率、穿透率）；
(3)定義物體幾何形狀；
(4)為每個物體賦予合適的光學(xué)屬性；
(5)證實模型的形狀、位置是否與設(shè)計值相同。
首先，對于長度單位我們選擇毫米(mm)，光通量單位為流明（lm），波長單位為納米（nm）。接下來定義介質(zhì)和涂層，介質(zhì)的折射率和涂層的反射率及透過率要根據(jù)制作LED的材料來確定。在構(gòu)造物體的幾何形狀前，首先要清楚LED的機(jī)構(gòu)及機(jī)械尺寸。這些都可以從LED的DataSheet中得到，但是LED里面的芯片、反光碗的形狀、尺寸及具置我們都無法知道，只能靠估測，然后追跡光線得到該模型的光強分布，并與實際的光強分布作比較，這樣反復(fù)修改芯片和反光碗的參數(shù)，使模擬的光強分布逐漸逼近實際光強分布，直到它們的誤差在可接受的范圍內(nèi)。
圖1是一種LED的外觀。
圖1 LED的實際外觀
由圖1可以看到LED一般是由底座、芯片、反光碗、透鏡等構(gòu)成的。根據(jù)DataSheet中的數(shù)據(jù)，我們在Builder中建立它的模型，底座是由六個面組成的，把六面都建好，然后使用平移把各個面移動到各自的位置，組成底座。當(dāng)然也可以用兩個邊緣物體擠壓構(gòu)成長方體，具體指令如圖2，由于底座不會和光線作用，所以不用設(shè)定其光學(xué)屬性。
圖2 兩個物體擠壓構(gòu)成底座
中間圓柱體的構(gòu)造比較簡單，先定義一條折線后繞軸掃描360°，構(gòu)成圓柱，也可以用圓筒和圓環(huán)構(gòu)成。為了保證LED的光線只通過上面的透鏡出射，因此把此物體的光學(xué)屬性定為吸收，并且吸收率為100%。
LED的最上面是一個樹脂透鏡，這里所用封裝樹脂的折射率為1.52（空氣的折射率為1.0）。下面是建立LED中的芯片和反光碗，芯片是由襯底、有源層、電極等組成，可以把芯片看做一個長方體，光子離開芯片表面時的出射點是在芯片表面上隨機(jī)分布的，光子在長方體的六個面均有不同程度的出射，但芯片的反光碗會改變從LED芯片表面出射的光子路徑，因此可以把六個面的反光特性集中在一個面上，并把這個發(fā)光面定義在底座的上方，反光碗在放在芯片的周圍，至于大小和位置要根據(jù)后面光線分析結(jié)果來確定。我們假設(shè)反光碗的光學(xué)屬性是反射，反射率是100%。
建立好的模型如圖3所示：
圖3 ASAP中建立的LED模型外觀（正視）
7 LED配光特性模擬
建立光學(xué)模型的目的就是得到符合實際LED的光強分布，建立好發(fā)光芯片后，定義該發(fā)光面出射的光線符合朗伯分布定律，即：
I(θ)=I0cosθ
其中θ為該方向與平面法向的夾角，I0為法向光強。經(jīng)過不斷的改變模型中LED芯片、反光碗和樹脂透鏡的相對位置和尺寸，反復(fù)追跡光線、觀看其出射光線的光強分布，最后我們得到了滿意的光學(xué)模型。用200，000條光線追跡后其在前方屏幕上的流明分布如圖4所示。
圖4 流明分布
(a)模型光強分布
(b)實際光強分布（相對分布）
圖5 光強對比
圖5是模型的光強分布曲線和LED實際光強分布曲線。
對比上面兩個光強分布曲線，在20°、40°、60°、80°各點的實際光強值占峰值的比例分別為92%、73%、48%、22%，仿真模型的光強分布在以上幾個點處的光強占峰值的比例各為90%、75%、50%、24%。
因此仿真模型在一定誤差內(nèi)符合LED實際光強分布。
由以上結(jié)果可以看出，在ASAP中通過建立LED的模型，并用大量光線的蒙特卡羅追跡結(jié)果可以得到光通量、光強等分布曲線。通過改變參數(shù)如透鏡的焦距、反光碗的焦距和位置、發(fā)光芯片的位置等來達(dá)到設(shè)計要求。
6結(jié) 語
用ASAP光學(xué)軟件把LED復(fù)雜的光學(xué)模型簡化， 簡化后的模型在一定誤差內(nèi)很好的符合了實際LED的外觀、構(gòu)造，及光強、光通量的空間分布，為接下來的照明設(shè)計提供的很大的方便。
參考文獻(xiàn)
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第2篇：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計步驟范文
本文對計算機(jī)智能化圖像識別技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究應(yīng)用。主要實現(xiàn)四個功能：窯內(nèi)圖像實時溫度檢測、燒成帶溫度的自動控制、工藝參數(shù)的實時存儲以及曲線圖的繪制。窯內(nèi)溫度檢測是通過工業(yè)CCD獲得窯內(nèi)熱成像圖，利用輻射測溫原理進(jìn)行相關(guān)處理運算，得到燒成帶的熟料溫度和火焰溫度。火焰溫度的自動控制是通過設(shè)計控制器達(dá)到對噴煤量的自動調(diào)節(jié)。
【關(guān)鍵詞】計算機(jī) 圖像識別 探析
1 引言
計算機(jī)智能化圖像識別技術(shù)在實際生產(chǎn)和生活中有著廣泛的應(yīng)用。本文將智能化圖像識別監(jiān)測應(yīng)用到水泥回轉(zhuǎn)窯溫度的實時監(jiān)測。利用CCD熱成像技術(shù)和紅外測溫原理，實時地監(jiān)測窯內(nèi)煅燒帶的熟料溫度和火焰溫度，并將上述溫度數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場檢測的工藝參數(shù)建立實時監(jiān)控系統(tǒng)。
2 紅外CCD熱成像測溫技術(shù)
由黑體的光譜輻射出射度與波長的關(guān)系，我們可以分析得到以下3條規(guī)律：
（1）隨著溫度的逐漸升高，物體的輻射能量也越來越強。
（2）隨著溫度的逐漸升高，輻射峰值波長向短波方向進(jìn)行移動。
（3）輻射能量隨溫度的變化率，短波處遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于長波處大，即短波處的信噪比較高，抗干擾性較強。
3 回轉(zhuǎn)窯紅外CCD熱成像測溫系統(tǒng)設(shè)計
紅外CCD熱成像測溫系統(tǒng)通過熱成像裝置采集水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶的紅外輻射能，轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號，然后通過嵌入在工控機(jī)PCI插槽里的圖像采集卡對模擬視頻信號進(jìn)行采樣，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。最后，由編制的圖像采集軟件得到窯內(nèi)的實時灰度圖，然后通過輻射測溫算法的設(shè)計以及現(xiàn)場的溫度標(biāo)定，準(zhǔn)確測出相應(yīng)的溫度值。
3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
從圖像采集卡得到灰度圖像后，由于攝像頭噪聲和環(huán)境的影響，圖像中會存在噪聲。由于人在運動，在人體周圍會有鋸齒狀邊緣，這些在背景差分后并二值化后會在運動目標(biāo)邊緣出現(xiàn)很多噪聲點，開運算無法完全濾除，會對后續(xù)連通區(qū)域標(biāo)記造成干擾。根據(jù)統(tǒng)計，圖像中的噪聲基本服從高斯分布，因此采用高斯濾波方法對圖像進(jìn)行處理。
3.1.1 熱成像裝置
熱成像裝置是由針孔鏡頭、光電耦合器件（CCD）及窄帶濾光片組成。我們在鏡頭的前端加裝濾光鏡片，將測溫系統(tǒng)不需要的紅外線和可見光濾掉，留下特定波段的紅外線，經(jīng)光學(xué)鏡頭聚焦成像在CCD靶面上，經(jīng)過信號的加工處理，變成全電視信號送給處理計算機(jī)，得到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的熱像圖。
3.1.2 防護(hù)系統(tǒng)
為了給攝像頭防塵，并防止其過熱，我們需要給攝像頭添加防護(hù)系統(tǒng)。防護(hù)系統(tǒng)由防護(hù)外套和溫度報警系統(tǒng)，以及相應(yīng)的管道組成。整個光學(xué)系統(tǒng)安放在保護(hù)外套內(nèi)，保護(hù)外罩是一個中空的金屬防護(hù)外殼。為了防止攝像頭在回轉(zhuǎn)窯微正壓下被噴出火苗燒壞，本文采用了一套高溫報警系統(tǒng)，監(jiān)測保證保護(hù)套內(nèi)工業(yè)CCD工作溫度環(huán)境。
3.1.3 處理計算機(jī)
由于開發(fā)的處理軟件需要在Windows XP 操作系統(tǒng)下平穩(wěn)且穩(wěn)定的運行，因此，我們采用了性能非常穩(wěn)定、配置極其優(yōu)良的研華IPC-610H（1）ATX大母版結(jié)構(gòu)工控機(jī)。
3.1.4 圖像采集卡
圖像采集卡是工業(yè)監(jiān)控圖像采集和處理不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備之一。CCD 采集目標(biāo)體后會輸出視頻信號，然后經(jīng)由圖像采集卡得到動態(tài)的水泥窯內(nèi)的煅燒帶圖像，通過計算機(jī)對每幀圖像進(jìn)行訪問。本課題選用的是北京嘉恒中自圖像技術(shù)有限公司生產(chǎn)的OK_C20A圖像采集卡。
3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
測溫系統(tǒng)軟件流程主要由以下3部分實現(xiàn)。
3.2.1 初始化
圖像采集卡的初始化分為以下四個步驟：第一步檢查序列圖像幀緩存大?。坏诙綖镈IB位圖分配內(nèi)存；第三步設(shè)置采集初始化參數(shù)；第四步打開指定圖像卡。
3.2.2 圖像采集
本文程序應(yīng)用回調(diào)函數(shù)機(jī)制，考慮到每幀圖像計算量不是很大，采用逐幀并行工作方式。
3.2.3 溫度標(biāo)定與計算
對目標(biāo)進(jìn)行溫度標(biāo)定就是在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)讓溫度與圖像的灰度之間建立一定的關(guān)系。由于目標(biāo)表面的熱輻射與其溫度為非線性關(guān)系，這樣，對應(yīng)的反映熱輻射特性的目標(biāo)的熱像圖的灰度與溫度間也是非線性的變化關(guān)系。
本文在紅外CCD熱成像測溫系統(tǒng)安裝調(diào)試完成之后，利用檢修后?；鸾禍剡^程，測取了大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如下圖5所示，然后用MATLAB對獲取的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到溫度、灰度對應(yīng)的擬合關(guān)系。
完成了紅外熱成像系統(tǒng)的溫度標(biāo)定實驗，將獲得的溫度標(biāo)定結(jié)果，編寫在現(xiàn)場的紅外CCD熱成像測溫系統(tǒng)程序的溫度計算模塊中。
4 燒成帶溫度自動控制
本文將由測溫系統(tǒng)檢測的燒成帶實際溫度值理想溫度進(jìn)行比較，得到溫度偏差值e送給PID控制器，PID控制器的運算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換給喂煤碟閥，通過改變喂煤碟閥輸入電壓的大小，來控制喂煤碟閥的開度，從而調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)窯的喂煤量，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯的燒成帶溫度的自動控制。
以下我們對操作工人依靠手動調(diào)節(jié)噴煤量改變回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度的大量數(shù)據(jù)與采用我們通過PID控制器自動控制得到的大量的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計對比，經(jīng)過設(shè)定PID控制器自動控制后，水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶熟料溫度基本趨于平穩(wěn)，相對于操作工人依靠經(jīng)驗進(jìn)行手動調(diào)節(jié)的開環(huán)控制，燒成帶熟料溫度波動情況明顯縮小，基本滿足了水泥工業(yè)的生產(chǎn)要求。
5 動態(tài)數(shù)據(jù)庫的建立及參數(shù)曲線圖的生成
6 結(jié)論
本文將計算機(jī)智能化圖像識別技術(shù)進(jìn)行了探析，本課題以某水泥廠實際生產(chǎn)情況作為研究背景，利用Visual C++ 6.0開發(fā)工具搭建了水泥回轉(zhuǎn)窯的溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)，有效地改善了操作工人的工作條件，確保窯內(nèi)煅燒情況盡可能的處于最佳狀態(tài)，提高了水泥生產(chǎn)及管理的自動化水平。
以某水泥廠實際生產(chǎn)情況作為研究背景，搭建了水泥回轉(zhuǎn)窯的溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)，有效地改善了操作工人的工作條件，確保窯內(nèi)煅燒情況盡可能的處于最佳狀態(tài)，提高了水泥生產(chǎn)及管理的自動化水平。
參考文獻(xiàn)
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第3篇：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計步驟范文
基金項目：新疆醫(yī)科大學(xué)科研創(chuàng)新基金項目（XJC201215）
作者簡介：吳 淼（1981―），男，新疆烏魯木齊人，講師，碩士研究生，研究方向：計算機(jī)應(yīng)用。
文章編號：1003-6199(2014)02-0115-06
摘 要：目的：在醫(yī)院內(nèi)建立基于條形碼的門診掛號系統(tǒng)軟件，從而提升醫(yī)院的服務(wù)質(zhì)量和管理水平。 方法：依據(jù)患者掛號流程，綜合利用條形碼識別技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和.NET編程等技術(shù)實現(xiàn)高效的門診掛號系統(tǒng)軟件。 結(jié)果：該軟件很好地解決了傳統(tǒng)掛號系統(tǒng)中存在的諸多問題。 結(jié)論：該系統(tǒng)軟件在醫(yī)院中應(yīng)用，優(yōu)化了門診業(yè)務(wù)流程,節(jié)約了人力、物力成本,改善了醫(yī)院組織結(jié)構(gòu)和管理體制，促進(jìn)了醫(yī)療信息化建設(shè)的深入和拓展。
關(guān)鍵詞：門診掛號系統(tǒng)；條形碼；醫(yī)療信息化；軟件；研究；設(shè)計
中圖分類號：TP391.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
お
Research and Design of Barcodebased Patient Registration System
お
WU Miaok
(Xinjiang Medical University, Engineering and Technology College,Urumqi,Xinjiang 830001,China)
Abstract:Objective: To establish a software of barcodebased patient registration system in the hospital, so as to enhance service quality and management level of the hospital. Methods: Based on the patient registration process, we use barcode recognition technology, database technology and .NET programming technology to achieve the efficient software of patient registration system. Result: The software can be a good solution to the existing problems in the traditional registration system. Conclusion: The software applications in the hospital optimized outpatient services processes, saved manpower and material costs, improved hospital organizational structure and management system, promoted the development of the medical information construction.
Key words:patient registration system; barcode; medical information; software; research; design
1 引 言
隨著社會化水平的提高，醫(yī)院的規(guī)模不斷擴(kuò)大，就診人數(shù)和住院治療人數(shù)也在不斷增加，由于傳統(tǒng)的掛號系統(tǒng)是由人工手動輸入標(biāo)識號，輸過程中產(chǎn)生的誤差、輸入速度慢或重復(fù)輸入等原因，造成了掛號時間的增長，出現(xiàn)醫(yī)院排隊長龍，嚴(yán)重的影響了門診掛號的服務(wù)質(zhì)量，還有可能引發(fā)醫(yī)患之間的矛盾。為了提高掛號服務(wù)質(zhì)量，確保患者信息的唯一性和準(zhǔn)確性，在掛號系統(tǒng)中引入條形碼是非常有必要的，因為條形碼技術(shù)能有效地改變了過去那種工作效率低、重復(fù)勞動多、準(zhǔn)確性差的落后狀況［1］。在掛號系統(tǒng)中引入條形碼能夠使每一位患者在初診時候獲得唯一的門診號碼，在復(fù)診使只要掃描病歷上的條形碼就能夠自動調(diào)出復(fù)診患者信息，減少了患者排隊等待掛號的時間，節(jié)省了人力物力。掛號系統(tǒng)中使用條形碼對提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量、創(chuàng)建良好的醫(yī)患關(guān)系都有著十分重要的┮庖濯［2］。
目前同類的掛號軟件存在在諸多缺點，如：沒有為患者建立掛號信息庫，患者在復(fù)審時，醫(yī)務(wù)人員查找其信息非常不方便；有的掛號軟件雖然建立了患者信息庫，但是患者在復(fù)審時仍需要工作人員手工地輸入標(biāo)識號來調(diào)出患者個人信息，降低了掛號效率；傳統(tǒng)的掛號軟件所收集到患者的信息往往容易形成“信息孤島”的局面，數(shù)據(jù)信息只能在掛號科室內(nèi)部使用，并不能有效地為其他科室醫(yī)務(wù)人員綜合利用。本文設(shè)計的掛號軟件和傳統(tǒng)的掛號軟件相比最大的特點是引入了條碼技術(shù)，患者在復(fù)診時，醫(yī)務(wù)人員用掃描槍掃描條形碼可立即調(diào)出患者的信息；同時，本軟件還建立了患者掛號信息庫、科室資料庫、醫(yī)生資料庫等，數(shù)據(jù)信息可為其他指定科室的醫(yī)務(wù)人員利用；軟件在使用過程中，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)量逐漸增大，為進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)中潛在的知識提供了可能，為醫(yī)務(wù)決策人員提供有力的支持，加快了醫(yī)療衛(wèi)生信息化的發(fā)展。
2 條形碼介紹
2.1 條形碼技術(shù)及識別原理
條形碼技術(shù)是在計算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的一種信息存儲和傳遞技術(shù)，集編碼、制作、識別、數(shù)據(jù)采集與處理、傳輸為一體，在計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用實踐中發(fā)展起來的一種實用的自動識別技術(shù)。它是由一組不同寬度不同反射頻率的條和空按規(guī)定的編碼規(guī)則組合起來，用以表示一組數(shù)據(jù)的符號［3］。如圖1所示：
圖1 條形碼オ
與其他自動識別技術(shù)相比，具有數(shù)據(jù)采集速度快、性能安全可靠、準(zhǔn)確率高、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用成本低、易于制作等優(yōu)點［4］。
計算技術(shù)與自動化2014年6月
第33卷第2期吳 淼:基于條形碼的門診掛號系統(tǒng)研究與設(shè)計
條形碼的應(yīng)用是要具備一套條形碼識別系統(tǒng)的，它由條碼掃描器、放大整形電路、譯碼接口電路和計算機(jī)系統(tǒng)等部分組成。
由于黑色和白色碼條的反射光的強度不同即存在著色差，從掃描器光源射出的光照射到條形碼符號上后，其反射光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，由光電轉(zhuǎn)換器接收,于是光電轉(zhuǎn)換器接收到與白條和黑條相應(yīng)的強弱不同的反射光信號，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號輸出到放大整形電路。白條、黑條的寬度不同，相應(yīng)的電信號持續(xù)時間長短也不同。但是，由光電轉(zhuǎn)換器輸出的與條形碼的條和空相應(yīng)的電信號一般僅10mV左右，不能直接使用，因而先要將光電轉(zhuǎn)換器輸出的電信號送放大器放大。放大后的電信號仍然是一個模擬電信號，為了避免由條形碼中的疵點和污點導(dǎo)致錯誤信號，在放大電路后需加一整形電路，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，以便計算機(jī)系統(tǒng)能準(zhǔn)確判讀。
整形電路的脈沖數(shù)字信號經(jīng)譯碼器譯成數(shù)字、字符信息。它通過識別起始、終止字符來判別出條形碼符號的碼制及掃描方向；通過測量脈沖數(shù)字電信號0、1的數(shù)目來判別出條和空的數(shù)目。通過測量0、1信號持續(xù)的時間來判別條和空的寬度。這樣便得到了被辯讀的條形碼符號的條和空的數(shù)目及相應(yīng)的寬度和所用碼制，根據(jù)碼制所對應(yīng)的編碼規(guī)則，便可將條形符號換成相應(yīng)的數(shù)字、字符信息，通過接口電路送給計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與管理，便完成了條形碼辨讀的全過程［5］。
2.2 軟硬件基礎(chǔ)
首先，在醫(yī)院安裝上醫(yī)院信息系統(tǒng)、安裝上正版的殺毒軟件，還要確保醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)的連接。
其次，條形碼識別設(shè)備的配置，主要是配備條形碼掃描器，綜合成本和計算機(jī)識別接口還有方便程度，可以選擇適用與本院的條形碼掃描器。條形碼常用的接口類型有鍵盤接口方式、串口方式、TTL方式、USB方式［6］。鍵盤接口方式的掃描器得到的數(shù)據(jù)直接經(jīng)鍵盤接口輸入計算機(jī)，這種方式無需驅(qū)動程序，跟系統(tǒng)無關(guān)，可以直接在各種操作系統(tǒng)上直接使用，不需要外接電源。串口方式的掃描器掃描得到的數(shù)據(jù)有串口輸入，需要驅(qū)動或直接讀取串口數(shù)據(jù)，需要外接電源。TTL方式的掃描器得到的是TTL電平，需要進(jìn)一步開發(fā)譯碼等電路，不直接使用。USB方式掃描器是目前最常用的一種簡便又好用的方式，即插即用?，F(xiàn)在醫(yī)院用得比較多的是USB接口的掃描器［7］。新疆醫(yī)科大學(xué)第四附屬醫(yī)院使用的是metrologic MS-1690掃描器，支持RS232串口、PC 鍵盤口、獨立式鍵盤口、USB接口。它能識別一維、二維條碼，外殼比較結(jié)實可靠，專為環(huán)境惡劣的場合設(shè)計，支座自動探測功能，便于固定式掃描。
條形碼掃描器接入的正確與否直接關(guān)系到能否正常使用條形碼掃描器進(jìn)行掃描［8］。條形碼掃描器正確的接入方式是：將條形碼掃描器插入計算機(jī)P／S接口的同時，插入鍵盤，然后再按電腦電源按鈕。如果鍵盤影響操作，可在系統(tǒng)正常啟動后，即在系統(tǒng)識別條形碼掃描器為仿真鍵盤的輸入設(shè)備后，將鍵盤拔下，不影響條形碼掃描器的正常使用。另外，如果計算機(jī)上只有USB接口，而沒有P／S接口，可通過USB接口轉(zhuǎn)成P／S接口的轉(zhuǎn)換器，具體操作是：將轉(zhuǎn)換器插入電腦的USB接口，然后插入條形碼掃描器，便可解決接口不同的矛盾。不過現(xiàn)在的掃描器大多數(shù)都是UBS接口的，接口轉(zhuǎn)換器用得比較少了。
最后，條形碼的編制和打印，可采用自己制作、或者購買制作的條形碼碼塊。自己制作的好處是方便、隨時、價格便宜。如果購買條形碼公司制作的碼塊時，對公司提出碼塊的大小和質(zhì)量要求，讓專業(yè)人員按照需要制作即可。購買的碼塊可以保證質(zhì)量，但經(jīng)費支出較大［9］。
2.3 患者掛號流程
在條形碼應(yīng)用之前，門診掛號員必須為每個來診的患者輸入個人信息，掛號員必須重復(fù)做同樣的事情，拖延了患者的看病時間，很大地影響了醫(yī)護(hù)人員的工作效率，更有可能造成醫(yī)患不和問題，而且患者在門診排長隊掛號給醫(yī)院帶來不良的影響［10］。但在條形碼應(yīng)用到門診掛號系統(tǒng)后，情況就改善了很多，下面說一下新系統(tǒng)應(yīng)用后患者掛號流程。
到醫(yī)院看病的患者可分為初診患者和復(fù)診患者，當(dāng)患者來到掛號窗口，掛號員把一張新的條形碼貼在病歷本的右上角然后就用掃描器掃描(掛號系統(tǒng)默認(rèn)光標(biāo)焦點在條形碼掃描文本框上)就能把條形碼號輸入到系統(tǒng)中，并在系統(tǒng)窗口上顯示出來。然后根據(jù)掛號系統(tǒng)中的設(shè)置個人信息要求把患者的個人信息填入到系統(tǒng)當(dāng)中、點擊掛號按鈕，收費后連病歷本和對應(yīng)的門診卡交給患者。初診患者掛號就完成了。
如果患者是來復(fù)診的，首先是把病歷本或門診卡給掛號員，然后掛號員用掃描器掃描一下如果是有這條記錄的話就會從系統(tǒng)中調(diào)出來顯示在系統(tǒng)窗口上，個人信息等資料都會顯示，接著只需選擇掛號科室和醫(yī)生就可以了，交了掛號費，復(fù)診患者掛號也就完成了。
3 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)
3.1 需求分析與可行性分析
隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和醫(yī)院信息化的要求，然而，我國還有部分醫(yī)院的信息處理停留在手工方式，勞動強度大且工作效率低，醫(yī)師護(hù)士和管理人員的大量時間都消耗在事務(wù)性工作上，患者排隊等候時間長，輾轉(zhuǎn)過程多，影響了醫(yī)療的秩序［11］。計算機(jī)化的醫(yī)院信息系統(tǒng)已成為現(xiàn)代化醫(yī)院運營必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施與技術(shù)支撐環(huán)境。門診掛號系統(tǒng)是整個醫(yī)院管理信息系統(tǒng)的第一個窗口，是患者到醫(yī)院就診要做的第一項工作,它用于收集患者的信息，協(xié)調(diào)科室醫(yī)生管理，控制各科室的流量等等。它的作用是非常大的，直接影響著患者整個看病流程和看病的質(zhì)量，如果處理不好有可能引起醫(yī)患爭吵問題。建立一個簡單而實用的掛號系統(tǒng)是非常有必要的，當(dāng)中引入條形碼能夠很好的解決以上的種種問題，能夠很好的提高醫(yī)生的工作效率和整個醫(yī)院的辦事效率，進(jìn)一步地提高醫(yī)院信息化水平。
門診掛號系統(tǒng)用于建立和維護(hù)患者的主索引信息，分配每個患者的條形碼號，確?；颊咝畔⒌奈ㄒ恍?，還可以配備就診卡，對門診患者進(jìn)行掛號或者預(yù)約號處理，而且為門診患者的后續(xù)活動以及門診工作量統(tǒng)計提供信息。條形碼和就診卡的使用避免了重復(fù)輸入患者信息和錯漏信息的出現(xiàn)， 減少了患者排隊掛號的時間，大大地提高了效率，掛號單上的條形碼號將是患者各個環(huán)節(jié)就醫(yī)的依據(jù)，實現(xiàn)劃價收費、項目檢查、藥房取藥的一體化流水作業(yè)。門診掛號系統(tǒng)中條碼的使用優(yōu)化了掛號流程和維護(hù)，解決的以上的問題，這將可以提高醫(yī)院管理的經(jīng)濟(jì)效益。
新疆醫(yī)科大學(xué)第四附屬醫(yī)院信息系統(tǒng)在全疆是走在社會的最前端的，無論是硬件還是軟件，條形碼運用之后給醫(yī)院帶來的效益，大家都有目共睹，它的系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程非常流暢，它的應(yīng)用成功是值得其他醫(yī)院借鑒的。
3.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計
3.2.1 系統(tǒng)的功能設(shè)計
根據(jù)醫(yī)院各部門的業(yè)務(wù)流程，對醫(yī)院信息系統(tǒng)進(jìn)行了功能模塊劃分。在醫(yī)院信息系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)中，把整個系統(tǒng)總體分為門診掛號子系統(tǒng)、門診劃價收費子系統(tǒng)、財務(wù)核算管理子系統(tǒng)、要哭管理子系統(tǒng)、藥房管理子系統(tǒng)、住院部管理子系統(tǒng)、查詢統(tǒng)計子系統(tǒng)、病案管理子系統(tǒng)和系統(tǒng)管理子系┩車泉［12］。
門診掛號系統(tǒng)是醫(yī)院管理系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，本系統(tǒng)基本具備了掛號系統(tǒng)所具備的功能，友好的操作界面，簡單的操作流程，具備一定的計算機(jī)知識都能夠操作，并且其中結(jié)合了條形碼，使整個系統(tǒng)更加完善和實用，具有其他以前的掛號系統(tǒng)沒有的功能，條形碼號是患者各個環(huán)節(jié)就醫(yī)的依據(jù)。下面介紹系統(tǒng)的功能，其功能模塊如圖2所示。
圖2 門診掛號系統(tǒng)功能模塊
掛號系統(tǒng)設(shè)計的理念是操作簡單實用，使操作人員不容易出現(xiàn)錯漏?，F(xiàn)在分析系統(tǒng)的功能模塊：
1）條碼掃描：這是以前其他掛號系統(tǒng)沒有的功能，引入條形碼能夠方便患者掛號流程和醫(yī)院的管理，只要用配備的掃描儀掃描事打印好的條形碼，就能在頁面上顯示條形碼號碼的，操作非常簡單方便，減少人工輸入的錯誤。
2）患者掛號：這個是掛號系統(tǒng)的主要完成的功能，能夠面向初診患者和復(fù)診患者的掛號。初診患者主要輸入基本信息就能掛號成功。復(fù)診患者只要掃描病歷本上的條形碼就能完成掛號。
3）掛號信息查詢：此功能能夠進(jìn)行對掛號信息的查詢，支持模糊查詢，查詢條件是患者掛號信息表里的所有字段。
4）刪除患者信息：患者由于某些原因掛號后提出退號或者掛號員操作失誤造成掛號信息的錯誤輸入都可以應(yīng)用此功能要刪除信息，然后從新輸入。
5）掛號信息統(tǒng)計：此功能方便于醫(yī)院管理病案統(tǒng)計，可以在掛號信息查詢的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計，主要是統(tǒng)計條件查詢時的患者信息條數(shù)，有助于了解掛號情況。
6）掛號信息打印：即報表統(tǒng)計打印，用于醫(yī)院病案管理，可以在查詢條件上打印各種情況的報表。此功能由于本人技術(shù)問題還沒在此系統(tǒng)設(shè)計上體現(xiàn)。
7）退出系統(tǒng)：該模塊實現(xiàn)退出門診掛號系統(tǒng)功能。
3.2.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境
系統(tǒng)開發(fā)的硬件配置：
主機(jī)：Intel(R) Core(TM) i3-2010 CPU 3.30GHz
內(nèi)存：2G
硬盤：360GB
系統(tǒng)開發(fā)軟件要求：
操作系統(tǒng):Windows 2000，XP均可，建議不要用WINDOWS7.0或vista版的系統(tǒng)，因為有些配件是不兼容的，很容易出錯或出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。
編程軟件及數(shù)據(jù)庫：Visual C#，VS2005，SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫
本系統(tǒng)開發(fā)核心技術(shù)是基于Visual C#中文版及SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫開發(fā)環(huán)境下運用的，充分利用Visual C#獨特的可視化界面設(shè)計方法，以及強大的連接數(shù)據(jù)庫功能,系統(tǒng)同時利用SQL Server 2005強大的數(shù)據(jù)處理能力，豐富完備的編程接口，可在多平臺上使用的良好伸縮性和數(shù)據(jù)移植性，將有大大地擴(kuò)充系統(tǒng)可使用的環(huán)境。
3.2.3 系統(tǒng)流程圖
確定門診掛號流程優(yōu)化目標(biāo)，主要包括減少患者排隊等待時間，縮短門診服務(wù)流程循環(huán)周期，提高患者滿意度，降低服務(wù)成本，提升效益等。確定門診流程優(yōu)化的組織機(jī)構(gòu)和人員，以及實施流程優(yōu)化與再造的方法，根據(jù)優(yōu)化和再造目標(biāo)修正新的門診流程并加以實施。
本系統(tǒng)設(shè)計比較簡單，只是添加了條形碼掃描步驟，主要的流程如圖3所示。3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計
3.3.1 實體關(guān)系(E-R)圖
本系統(tǒng)的概念模型設(shè)計主要由三個實體聯(lián)系起來的，主要包括掛號患者、醫(yī)生、科室，其數(shù)據(jù)庫實體-聯(lián)系圖(Entity Relationship Diagram，E-R)，如下圖4所示。
圖3 系統(tǒng)流程圖
圖4 實體關(guān)系(E-R)圖オ
3.3.2 數(shù)據(jù)庫具體設(shè)計
綜合考慮到掛號信息數(shù)據(jù)量大，業(yè)務(wù)發(fā)生頻繁，設(shè)計時應(yīng)遵循效率至上的基本原則［13］。本系統(tǒng)涉及到的實體共有三個，下面是系統(tǒng)中涉及到的部份主要實體數(shù)據(jù)表及其屬性（見表1至表3）
表1 患者掛號信息表
列名
數(shù)據(jù)類型
長度
編號（主鍵）
varchar
20
條形碼（唯一鍵）
varchar
50
姓名
varchar
30
性別
varchar
2
科室號
varchar
10
掛號科室
varchar
30
費用類型
varchar
30
掛號費用
decimal
20(10,2)
醫(yī)生
varchar
30
醫(yī)生工號
varchar
10
掛號類型
varchar
30
掛號時間
datetime
表2 科室資料表
列名
數(shù)據(jù)類型
長度
科室號（主鍵）
varchar
10
科室名稱
varchar
30
表3 醫(yī)生資料表
列名
數(shù)據(jù)類型
長度
醫(yī)生工號
varchar
10
醫(yī)生姓名
varchar
30
入職日期
smalldatetime
科室號
varchar
10
科室名稱
varchar
30
3.3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖
本系統(tǒng)有三個數(shù)據(jù)表，患者掛號信息表，其包含患者掛號的全部信息，主鍵是編號是由系統(tǒng)自動生成的。科室資料表，是記錄科室信息，其主鍵是科室號，科室號是患者掛號信息表和醫(yī)生資料表的外鍵。醫(yī)生資料表，只要是用來存儲醫(yī)生的信息，主鍵是醫(yī)生工號，醫(yī)生工號又是患者掛號信息表的外鍵。根據(jù)三個表主外鍵關(guān)系可得出它們之間的關(guān)系圖，如圖5示。
圖5 據(jù)庫關(guān)系圖
3.3.4 數(shù)據(jù)訪問技術(shù)
是美國微軟公司最新推出的.NET平臺中的一種數(shù)據(jù)訪問技術(shù)。類庫中提供了用于數(shù)據(jù)連接、處理數(shù)據(jù)操作的類。System.Data名稱空間可以通過數(shù)據(jù)提供者與數(shù)據(jù)庫通信，對象允許通過組件連接到數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索、編輯、刪除和插入數(shù)據(jù)，并在程序中處理數(shù)據(jù)。支持已連接環(huán)境和非連接環(huán)境的數(shù)據(jù)訪問。
在訪問數(shù)據(jù)前，首先建立與數(shù)據(jù)庫的連接。在VS2005中，提供了兩種創(chuàng)建和管理連接的類，即OleDbConnection類和SqlConnection類。OleDbConnection類可以通過OLEDB訪問數(shù)據(jù)源，而SqlConnection類主要用于SQL Server數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化與管理。
本系統(tǒng)就是用SqlConnection類，該類主要用于SQL Server7.0或更高版本的數(shù)據(jù)庫的連接和管理。它位于System.Data.SqlClient命名空間中。通過SqlConnection類創(chuàng)建實例，可以通過其ConnetionString屬性來連接數(shù)據(jù)庫，也可以直接實用代碼創(chuàng)建SqlConnection實例并設(shè)置其連接字符。
3.4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計
3.4.1 系統(tǒng)界面設(shè)計
本系統(tǒng)界面風(fēng)格比較簡單在.NET平臺下的winform技術(shù)，Visual C# 編程語言完成的。本系統(tǒng)包括三個頁面分別是門診掛號頁面和掛號信息查詢頁面和報表打印頁面(還沒在系統(tǒng)上實現(xiàn))。
首先介紹一下門診掛號頁面，此頁面是掛號員主要的操作頁面，主要完成掛號工作輸入患者信息。窗體上顯示的主要有患者掛號信息如姓名、性別、民族、科室號、掛號科室、掛號類型、掛號費用、醫(yī)生工號、醫(yī)生姓名、掛號時間等信息。它們主要分為三類有必填信息、選填信息、系統(tǒng)自動生成信息，在掛號員輸入信息時都有提示的。窗體上還有清除按鈕來清除輸入信息、跳轉(zhuǎn)到查詢信息頁面的按鈕、退出系統(tǒng)的按鈕。此頁面用的最多是控件之間的綁定技術(shù)如下拉列表框之間的綁定和下拉列表框與文本框之間的綁定。窗體運行結(jié)果如圖6所示。
ね6 門診掛號頁面オ
患者掛號信息查詢頁面主要包括患者信息查詢統(tǒng)計、記錄刪除的設(shè)置。窗體用一個Datagridview控件通過綁定數(shù)據(jù)庫來顯示患者掛號信息，窗體包括下拉列表框來選擇查詢條件、在文本框中輸入查詢值，還包括查詢按鈕、返回門診掛號按鈕、刪除記錄按鈕、打印掛號信息按鈕等。窗體運行結(jié)果如圖7所示。
圖7 掛號信息查詢頁面
3.4.2 代碼設(shè)計
本系統(tǒng)主要包括四部分代碼設(shè)計，分別是應(yīng)用程序的主入口點代碼(Program.cs)、門診掛號窗體設(shè)計代碼(guahao.cs)、患者掛號信息查詢窗體設(shè)計代碼(chaxun.cs)、一個數(shù)據(jù)訪問類(SQLHelper.cs)。由于篇幅所限，不再贅述，需要參考代碼者，可郵件聯(lián)系本作者。
4 總結(jié)與討論
經(jīng)濟(jì)與科技的高速發(fā)展迫使現(xiàn)代醫(yī)院進(jìn)行醫(yī)療改革，醫(yī)院信息化建設(shè)就是一個重要的部分，本論文探討的基于條形碼信息傳遞的掛號系統(tǒng)就能體現(xiàn)出醫(yī)院信息化建設(shè)水平。條形碼在門診工作流程中應(yīng)用, 優(yōu)化了門診業(yè)務(wù)流程, 合理分配利用資源、改善醫(yī)院組織結(jié)構(gòu)和管理體制, 促進(jìn)了醫(yī)院管理水平的提高和醫(yī)院信息化建設(shè)的深入和拓展,樹立了醫(yī)院良好的社會形象。
條形碼的應(yīng)用是醫(yī)院信息化建設(shè)的關(guān)鍵一步，我們應(yīng)該加大投入對其進(jìn)行研究?，F(xiàn)在醫(yī)院用的大多數(shù)都是一維的條形碼，我們可以探究二維條碼的信息系統(tǒng)，二維條碼是一種便攜式的數(shù)據(jù)文件,它本身就攜帶了大量的信息,不需要和外部數(shù)據(jù)庫相連,因此在出事地點或者無法獲得計算機(jī)及數(shù)據(jù)庫支持的情況下,通過便攜式數(shù)據(jù)終端也可以讀出條碼中的內(nèi)容［13］。我們也可以把患者身份證號碼作為條形碼的碼號，這更易與社保或其它醫(yī)院的數(shù)據(jù)系統(tǒng)接合。條形碼在掛號系統(tǒng)中的應(yīng)用，對提高掛號質(zhì)量、診療質(zhì)量和創(chuàng)建醫(yī)患關(guān)系都有著十分重要的意義。
參考文獻(xiàn)
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