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DE4225507A1 - Medical stereoscopic endoscope for microscopic examination - uses combined optical paths in insertion probe contg. rod-shaped lens systems and glass element producing intermediate image - Google Patents

Medical stereoscopic endoscope for microscopic examination - uses combined optical paths in insertion probe contg. rod-shaped lens systems and glass element producing intermediate image

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DE4225507A1
DE4225507A1 DE19924225507 DE4225507A DE4225507A1 DE 4225507 A1 DE4225507 A1 DE 4225507A1 DE 19924225507 DE19924225507 DE 19924225507 DE 4225507 A DE4225507 A DE 4225507A DE 4225507 A1 DE4225507 A1 DE 4225507A1
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Abstract

The stereoscopic endoscope consists of a main lens (1) of long focal length, a magnifying system (2) and eye pieces (4). A rod-shaped optical system (6) is joined by a coupling piece (5). The optical system (6) contains an object side lens (6.5), a rear imaging lens (6.4), a field lens (6.3), front imaging and field lenses (6.2, 6.1). An axial air gap of 1.5 mm exists between the object side lens and a glass intermediate piece. Images of the observation field (22) are produced (20, 21) in the optical system (6). Both left and right optical paths pass through the same system (6). A CCD receiver can be assigned to the latter. A TV camera can be used to record the images. ADVANTAGE - Combined optical paths in lens system permits use of narrow-bore endoscope probe producing good resolution and depth of focus.

Description

Die Erfindung betrifft ein stereoskopisches Endoskop nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a stereoscopic endoscope the preamble of the main claim.

Es ist bereits bekannt, für mikroskopische Betrachtungen sowie Eingriffe in engen und tiefen Körperhöhlen flexible oder starre Endoskope einzusetzen.It is already known for microscopic viewing as well as interventions in narrow and deep body cavities flexible or use rigid endoscopes.

In den meisten Fällen werden die stereoskopischen Betrachtungskanäle durch zwei Lichtleiter repräsentiert. Die Übertragung der stereoskopischen Teilbilder über Lichtleiter weist jedoch gravierende Nachteile bezüglich der Farbqualität und der erreichten Auflösung auf.In most cases, the stereoscopic Viewing channels represented by two light guides. The transmission of the stereoscopic partial images via However, light guides have serious disadvantages with regard to the color quality and the resolution achieved.

Es sind starre Endoskopausführungen in einer Vielzahl von Systemen unterschiedlicher Baulängen und Durchmesser bekannt, wie auch stereoskopische Systeme, z. B. nach DE-A-17 66 803, DE-U-19 96 605 sowie US-A-4 061 135. Diese bekannten Systeme weisen einen langgestreckten Grundkörper auf, in dem zur stereoskopischen Beobachtung oder Fotografie zwei parallele Optiken angeordnet sind.There are rigid endoscope designs in a variety of Systems of different lengths and diameters known, as well as stereoscopic systems, e.g. B. after DE-A-17 66 803, DE-U-19 96 605 and US-A-4 061 135. These known systems have an elongated body on, for stereoscopic observation or Photography two parallel optics are arranged.

Die stereoskopische Beobachtung durch zwei getrennte Beobachtungskanäle führt zusammen mit dem Instrumenten- und Beleuchtungskanal auf einen Gesamtrohrdurchmesser von 25-30mm, was den Anwendungsbereich solcher Endoskope stark einschränkt.Stereoscopic observation by two separate ones Observation channels leads together with the instrument and Lighting channel to a total tube diameter of 25-30mm, which makes the scope of such endoscopes strong restricted.

Für eine gute stereoskopische Abbildung müssen die beiden Beobachtungskanäle aufwendig zueinander justiert werden, nämlich:For a good stereoscopic image, the two need Observation channels can be adjusted to each other, namely:

  • a) Bezüglich der Bildlage, wobei die Lage der beiden Bilder durch die gegebenen Brechzahl-, Dicken- und Radientoleranzen unterschiedlich ist, aber nur innerhalb enger Grenzen variieren darf.a) Regarding the image position, the position of the two Images by the given refractive index, thickness and  Radial tolerances are different, but only may vary within narrow limits.
  • b) Bezüglich des Binokularfehlers, wobei die optischen Achsen der beiden Beobachtungskanäle streng mit einer Abweichung von wenigen Winkelminuten streng parallel zueinander ausgerichtet sein müssen.b) Regarding the binocular error, the optical Axes of the two observation channels strictly with one Deviation of a few angular minutes strictly parallel must be aligned with each other.

Die erforderliche Justierung bei solchen Systemen müßte innerhalb der Endoskoprohre vorgenommen werden, was aber kaum zu praktizieren ist, da die Endoskoprohre für Manipulationen nicht ohne weiteres zugänglich sind.The necessary adjustment in such systems would have to be made within the endoscope tubes, but what is hardly practicable because the endoscope tubes for Manipulations are not easily accessible.

In der EP-B 19 792 sind Zusatzobjektive für binokulare Operationsmikroskope mit auswechselbaren optischen Systemen beschrieben. Die Zusatzobjektive sind starr und stabförmig ausgebildet und werden anstelle eines langbrennweitigen Hauptobjektivs in das Operationsmikroskop eingesetzt, wobei ein nachgeordnetes Prismensystem vorgesehen ist, mit dem die Stereobasis des Beobachtungs-Systems der Stereobasis des Endoskopsystems angepaßt wird. Nachteilig bei diesem vorbekannten System sind Vignettierungserscheinungen.EP-B 19 792 contains additional lenses for binoculars Surgical microscopes with interchangeable optical systems described. The additional lenses are rigid and rod-shaped trained and are instead of a long focal length Main lens used in the surgical microscope, where a downstream prism system is provided with which the stereo base of the observation system of the stereo base the endoscope system is adapted. A disadvantage of this known system Signs of vignetting.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Rohrdurchmesser eines stabförmigen optischen Systems möglichst klein zu halten und dennoch einen guten Stereoeindruck mit guter Abbildungsqualität sowie Auflösung und Tiefenschärfe zu gewährleisten, wobei die optischen Anforderungen bezüglich Bildgröße, Pupillendurchmesser und Stereobasis durch den verwendeten Rohrdurchmesser vorgegeben sind.The object of the invention is to determine the pipe diameter to keep the rod-shaped optical system as small as possible and still a good stereo impression with good ones Image quality as well as resolution and depth of field ensure, with the optical requirements regarding Image size, pupil diameter and stereo base through the pipe diameter used are specified.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Stereo-Endoskop durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. The task is with a generic stereo endoscope by the characterizing features of the main claim solved. Preferred further developments are in the Subclaims described.  

Die vorderen Glieder des erfindungsgemäß ausgebildeten, stabförmigen optischen Systems bilden mit einem, mit ihm zusammenwirkenden Objektiv ein Quasi-Keplersches Fernrohr.The front limbs of the rod-shaped optical system form with one, with it interacting lens a Quasi-Kepler telescope.

Durch dieses Quasi-Keplersche-Fernrohr wird der Durchmesser der Eintrittspupille im selben Verhältnis wie die Stereobasis verkleinert.The diameter becomes through this quasi-Keplersche telescope the entrance pupil in the same ratio as that Reduced stereo base.

Damit werden die notwendigen Bedingungen sowohl bezüglich der Größen des Bildes als auch der der Pupillen erfüllt. Somit kann der gesamte verflochtene Strahlengang ohne Vignettierung von Bild und Pupille durch das enge Rohr des stabförmigen optischen Systems übertragen werden. Dabei können auch mehrere Strahlengänge, z. B. zwei Strahlengänge für einen Hauptbeobachter, zwei Strahlengänge für einen Mitbeobachter und weitere Dokumentationsstrahlengänge in einem einzigen Rohr durch eine einzige Optik übertragen werden. Die Verflechtung der Strahlengänge wirkt sich nicht störend aus. Eine derartige Übertragung mehrerer Beobachtungskanäle war nach dem Stand der Technik bisher nicht möglich.This will make the necessary conditions both regarding the size of the image as well as that of the pupils. The entire intertwined beam path can thus be without Vignetting of the image and pupil through the narrow tube of the rod-shaped optical system are transmitted. Here can also have multiple beam paths, e.g. B. two beam paths for a main observer, two beam paths for one Co-observer and other documentation beam paths in transmitted through a single tube through a single optic become. The interlacing of the beam paths has no effect annoying. Such a transfer of several Observation channels were previously the state of the art not possible.

Das von dem stabförmigen optischen System erzeugte Zwischenbild wird durch ein Objektiv der Brennweite (f) in die stereoskopischen Teilbilder nach unendlich abgebildet. Diese stereoskopische Abbildung geschieht bei visueller Beobachtung über die beiden Beobachtungskanäle des Tubus mit Okularen. Zwischen Tubus und Objektiv kann sich noch ein Vergrößerungssystem (Galilei-Wechsler oder Fernrohr- Pankrat) oder ein optischer Teiler zum Anschluß weiterer Beobachtungs- und Dokumentationsmittel (Kleinbild, TV, 3DTV) befinden.The intermediate image generated by the rod-shaped optical system is imaged infinitely into the stereoscopic partial images by a lens of focal length (f). This stereoscopic image occurs with visual observation via the two observation channels of the tube with eyepieces. A magnification system (Galileo changer or telescope pancrate) or an optical splitter for connecting additional observation and documentation means (small picture, TV, 3 DTV) can be located between the tube and the lens.

Diese stereoskopische Abbildung kann aber auch über zwei räumlich getrennte aber identisch aufgebaute Abbildungskanäle eines stereoskopischen TV- Aufzeichnungssystems erfolgen. However, this stereoscopic image can also have two spatially separated but identically constructed Imaging channels of a stereoscopic TV Recording system.  

Das Verhältnis des Abstands (a) der beiden stereoskopischen Abbildungskanäle (Stereobasis) zur Brennweite (f) des Objektivs bestimmt den für den Stereoeindruck maßgebenden Stereowinkel. Man erhält also bei kleinerer Brennweite (f) mit entsprechend kleinerer Stereobasis denselben Stereowinkel und damit auch Stereoeindruck. Beim Stereo-TV- Endoskop erreicht man damit Abmessungen des Objektivs, die eine Integration des Objektivs (7) in das stabförmige optische System mit den daraus resultierenden Vorteilen der Kompaktheit und der Rohrverlängerung gestattet.The ratio of the distance (a) of the two stereoscopic imaging channels (stereo base) to the focal length (f) of the lens determines the stereo angle that is decisive for the stereo impression. At a smaller focal length (f) with a correspondingly smaller stereo base, the same stereo angle and thus stereo impression are obtained. In the stereo TV endoscope, dimensions of the lens are thus achieved which allow the lens ( 7 ) to be integrated into the rod-shaped optical system, with the resulting advantages of compactness and tube extension.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auch eine optimale optische Korrektion des gesamten Abbildungssystems. Bezüglich der optischen Abbildungseigenschaften (Auflösung, Farbtreue, Tiefenschärfe, Stereoeindruck) ist das erfindungsgemäße System mit den Abbildungseigenschaften eines konventionellen Operationsmikroskops vergleichbar.The solution according to the invention also enables an optimal one optical correction of the entire imaging system. Regarding the optical imaging properties (resolution, Color fidelity, depth of field, stereo impression) is that system according to the invention with the imaging properties comparable to a conventional surgical microscope.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.The invention is described below with reference to the schematic Drawings explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1a Die erfindungsgemäße Anordnung zur stereoskopischen Beobachtung durch ein Operationsmikroskop; 1a, the inventive arrangement for the stereoscopic viewing through a surgical microscope.

Fig. 1b das stabförmige optische System der in Fig. 1a dargestellten Anordnung; FIG. 1b shows the rod-shaped optical system of the arrangement shown in Figure 1a.

Fig. 2a eine Variante der erfindungsgemäßen Anordnung zur stereoskopischen Abbildung unter Verwendung einer Stereo-TV-Kamera mit zwei CCD-Bildempfängern; 2a shows a variant of the arrangement according to the invention for stereoscopic imaging using a stereo TV camera with two CCD image receivers.

Fig. 2b das stabförmige optische System der in Fig. 2a dargestellten Variante. Fig. 2b the rod-shaped optical system of the variant shown in Fig. 2a.

In Fig. 1a ist der schematische Aufbau eines Operationsmikroskopes, bestehend aus Hauptobjektiv (1), Vergrößerungssystem (2), Tubus (3) und Okular (4) dargestellt. Über ein Anschlußstück (5) ist mit dem Operationsmikroskop ein stabförmiges optisches System (6) verbunden, das aus einem objektseitigen Objektiv (6.5), einem hinteren Abbildungslinsensystem (6.4), einem hinteren Feldlinsensystem (6.3), einem vorderen Abbildungslinsensystem (6.2) und einem vorderen Feldlinsensystem (6.1) besteht. Statt der Luftabstände zwischen den Linsensystemen sind Glasstäbe (11) zur Baulängenverlängerung vorgesehen.In Fig. 1a shows the schematic structure of an operation microscope, shown consisting of main objective (1), magnification system (2), the tube (3) and eyepiece (4). A rod-shaped optical system ( 6 ) is connected to the surgical microscope via a connecting piece ( 5 ), which consists of an object-side objective ( 6.5 ), a rear imaging lens system ( 6.4 ), a rear field lens system ( 6.3 ), a front imaging lens system ( 6.2 ) and a front field lens system ( 6.1 ). Instead of the air gaps between the lens systems, glass rods ( 11 ) are provided to extend the overall length.

Das betrachtete Objekt (22) wird über ein im hinteren Feldlinsensystem (6.3) entstandenes erstes Zwischenbild (20), als zweites Zwischenbild (21) in die Brennebene des Hauptobjektives (1), vor dem vorderen Feldlinsensystem (6.1) abgebildet.The viewed object ( 22 ) is imaged in front of the front field lens system ( 6.1 ) via a first intermediate image ( 20 ) created in the rear field lens system ( 6.3 ), as a second intermediate image ( 21 ) in the focal plane of the main objective ( 1 ).

In Fig. 2a ist ein Objektiv (7) zusätzlich zu den Elementen (6.1-6.5) am betrachtungsseitigen Ausgang des stabförmigen optischen Systems vorgesehen, dem zwei identische Teilobjektive (8.1 und 8.2) für die beiden stereoskopischen Strahlengänge nachgeordnet sind. Den Teilobjektiven (8.1 und 8.2) sind Umlenkprismen (9.1 und 9.2) zur körperlichen Trennung der Stereostrahlengänge sowie CCD-Empfänger (10.1 und 10.2) zur stereoskopischen Aufzeichnung der Teilbilder nachgeordnet.In Fig. 2a, a lens ( 7 ) is provided in addition to the elements ( 6.1 - 6.5 ) at the viewing-side output of the rod-shaped optical system, which is followed by two identical partial lenses ( 8.1 and 8.2 ) for the two stereoscopic beam paths. The partial objectives ( 8.1 and 8.2 ) are followed by deflection prisms ( 9.1 and 9.2 ) for the physical separation of the stereo beam paths and CCD receivers ( 10.1 and 10.2 ) for stereoscopic recording of the partial images.

Das Objektiv (7) ist dem Durchmesser des Rohres angepaßt, so daß sich eine effektive Rohrverlängerung ergibt. Da die Brennweite des Objektives (7) kleiner ist als die des Hauptobjektivs (1) in Fig. 1a, kann in diesem Ausführungsbeispiel auch die Stereobasis proportional der Brennweite verkleinert werden ohne daß der Stereoeindruck dadurch verschlechtert wird. The lens ( 7 ) is adapted to the diameter of the tube, so that there is an effective tube extension. Since the focal length of the objective ( 7 ) is smaller than that of the main objective ( 1 ) in FIG. 1a, the stereo base can also be reduced proportionally to the focal length in this exemplary embodiment without the stereo impression being impaired thereby.

Mit (EP) ist die Einrittspupille des jeweiligen optischen Systems bezeichnet und mit (a) die Stereobasis.With (EP) is the entrance pupil of the respective optical Systems designated and with (a) the stereo base.

Weiterhin können auch zusätzliche Strahlengänge zur Mitbeobachtung oder Dokumentation vorgesehen sein, die mit den stereoskopischen Strahlengängen für den Hauptbeobachter verflochten sind.Additional beam paths can also be used Monitoring or documentation may be provided with the stereoscopic beam paths for the main observer are intertwined.

Statt der dargestellten Anordnungen der optischen Elemente in Fig. 1b und 2b, in denen zwei Zwischenbilder (20, 21) erzeugt werden, ist auch eine andere geradzahlige Anzahl von Zwischenabbildungen möglich, damit das Objekt höhen- und seitenrichtig sowie stereoskopisch richtig betrachtet werden kann. Dabei können auch Teile der offenbarten Linsensysteme (6.1-6.5) vorteilhaft mehrfach Verwendung finden. Variationen einzelner Parameter der aufgeführten Datensätze können ebenfalls zu einem vergleichbar guten Abbildungsergebnis führen. Instead of the arrangements of the optical elements shown in FIGS. 1b and 2b, in which two intermediate images ( 20 , 21 ) are generated, another even number of intermediate images is also possible, so that the object can be viewed correctly in terms of height and side and stereoscopically. Parts of the disclosed lens systems ( 6.1 - 6.5 ) can also advantageously be used several times. Variations of individual parameters of the listed data sets can also lead to a comparably good mapping result.

Tabelle 1 Table 1

Zwischen dem Objektiv (6.5) und dem Glaszwischenstück (11) besteht ein axialer Luftabstand von 2 mm. There is an axial air gap of 2 mm between the lens ( 6.5 ) and the glass adapter ( 11 ).

Tabelle 2 Table 2

Zwischen dem Objektiv (6.5) und dem Glaszwischenstück (11) besteht ein axialer Luftabstand von 1,5 mm.There is an axial air gap of 1.5 mm between the lens ( 6.5 ) and the glass adapter ( 11 ).

Claims (12)

1. Stereoskopisches Endoskop, bestehend aus einem stabförmigen optischen System, das mindestens ein Linsensystem zur Übertragung beider stereoskopischer Strahlengänge beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige optische System (6) beide stereoskopische Strahlengänge führt und in der Brennebene eines Objektives (1, 7) ein Zwischenbild (21) von einem betrachteten Objekt (22) entwirft.1. Stereoscopic endoscope, consisting of a rod-shaped optical system that contains at least one lens system for transmitting both stereoscopic beam paths, characterized in that the rod-shaped optical system ( 6 ) guides both stereoscopic beam paths and in the focal plane of an objective ( 1 , 7 ) Designs the intermediate image ( 21 ) of a viewed object ( 22 ). 2. Stereoskopisches Endoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv das Hauptobjektiv (1) eines binokularen Operationsmikroskopes ist, durch das beide stereoskopische Strahlengänge geführt werden, wobei über das Operationsmikroskop eine Betrachtung des vom stabförmigen Objektiv (6) erzeugten Zwischenbildes (21) erfolgt.2. Stereoscopic endoscope according to claim 1, characterized in that the objective is the main objective ( 1 ) of a binocular surgical microscope, through which both stereoscopic beam paths are guided, with a view of the intermediate image ( 21 ) generated by the rod-shaped objective ( 6 ) via the surgical microscope. he follows. 3. Stereoskopisches Endoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (7) Bestandteil des stabförmigen optischen Systems (6) ist und in Betrachtungsrichtung vor den optischen Gliedern (6.1-6.5) des stabförmigen Objektives angeordnet ist.3. Stereoscopic endoscope according to claim 1, characterized in that the lens ( 7 ) is part of the rod-shaped optical system ( 6 ) and is arranged in the viewing direction in front of the optical members ( 6.1 - 6.5 ) of the rod-shaped lens. 4. Stereoskopisches Endoskop nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige optische System (6) aus einem objektseitigen Objektiv (6.5) , einem hinteren Abbildungslinsensystem (6.4) einem hinteren Feldlinsensystem (6.3), einem vorderen Abbildungssystem (6.2) sowie einem vorderen Feldlinsensystem (6.1) besteht.4. Stereoscopic endoscope according to one of claims 1-3, characterized in that the rod-shaped optical system ( 6 ) from an object-side lens ( 6.5 ), a rear imaging lens system ( 6.4 ), a rear field lens system ( 6.3 ), a front imaging system ( 6.2 ) and a front field lens system ( 6.1 ). 5. Stereoskopisches Endoskop nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, ineinander verflochtene Strahlengänge durch das stabförmige optische System (6) geführt werden. 5. Stereoscopic endoscope according to one of claims 1-4, characterized in that a plurality of intertwined beam paths are guided through the rod-shaped optical system ( 6 ). 6. Stereoskopisches Endoskop nach einem der Ansprüche 1, sowie 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (7) das Hauptobjektiv eines Aufzeichnungssystemes ist.6. Stereoscopic endoscope according to one of claims 1 and 3-5, characterized in that the lens ( 7 ) is the main lens of a recording system. 7. Stereoskopisches Endoskop nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch die Kombination eines stereoskopischen Beobachtungs- und eines Aufzeichnungsstrahlenganges.7. Stereoscopic endoscope according to one of the claims 1-6, characterized by the combination of one stereoscopic observation and one Recording beam path. 8. Stereoskopisches Endoskop nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens für einen zusätzlichen Beobachter stereoskopische Kanäle durch das stabförmige optische System (6) geführt werden.8. Stereoscopic endoscope according to one of claims 1-7, characterized in that stereoscopic channels are guided through the rod-shaped optical system ( 6 ) at least for an additional observer. 9. Stereoskopisches Endoskop nach einem der Ansprüche 1 sowie 3-8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Objektiv (7) Teilobjektive (8.1, 8.2) Prismensysteme (9.1, 9.2) sowie CCD-Empfänger (10.1, 10.2) nachgeordnet sind.9. Stereoscopic endoscope according to one of claims 1 and 3-8, characterized in that the objective ( 7 ) sub-objectives ( 8.1 , 8.2 ) prism systems ( 9.1 , 9.2 ) and CCD receiver ( 10.1 , 10.2 ) are arranged downstream. 10. Stereoskopisches Endoskop nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufzeichnung eine TV-Kamera verwendet wird.10. Stereoscopic endoscope according to one of the claims 1-9, characterized in that for recording a TV camera is used. 11. Stereoskopisches Endoskop nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (1) sowie die Linsensysteme (6.1-6.5) bezüglich ihrer Dicke (di), dem Krümmungsradius (ri), dem jeweiligen Abstand (di) sowie dem verwendeten Glasmaterial mit den zur Erhaltung der optischen Abbildung möglichen Abweichungen und Variationen folgende Bedingungen erfüllen: (siehe Tabelle 1).11. Stereoscopic endoscope according to one of claims 1-10, characterized in that the lens ( 1 ) and the lens systems ( 6.1 - 6.5 ) with respect to their thickness (d i ), the radius of curvature (r i ), the respective distance (d i ) and the glass material used with the possible deviations and variations to maintain the optical image: (see Table 1). 12. Stereoskopisches Endoskop nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilobjektive (8.1, 8.2), das Objektiv (7) sowie die Linsensysteme (6.1-6.5) folgende Bedingungen erfüllen: (siehe Tabelle 2).12. Stereoscopic endoscope according to one of claims 1-10, characterized in that the partial objectives ( 8.1 , 8.2 ), the objective ( 7 ) and the lens systems ( 6.1 - 6.5 ) meet the following conditions: (see Table 2).
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