JP2007260292A - Image processor and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、医用画像に対してノイズ評価を行う画像処理装置及びプログラムに関する。 The present invention relates to an image processing apparatus and program for performing noise evaluation on a medical image.
画像の信号雑音比(Signal-to-Noise Ratio: SNR)やコントラスト雑音比(Contrast-to-Noise Ratio: CNR)の算出については、一般的に知られているいくつかの方法がある。ノイズ成分の計測という意味では次の3つが代表例として挙げられる。 There are several generally known methods for calculating a signal-to-noise ratio (SNR) and a contrast-to-noise ratio (CNR) of an image. In terms of measuring noise components, the following three are given as typical examples.
(1)差分法
同一条件で撮像した画像の差分をとり、再現性のある成分(信号のほかにギブスリンギングなども含む)を取り除くことで、ランダムノイズに相当する成分を抽出する。この標準偏差(Standard Deviation: 標準偏差SD)を計測する。ファントムを対象とした場合には適当な方法である。ただし、同一条件で繰り返し撮像することが、人を対象とした場合、特に臨床例の場合では困難である点が、問題とされる。
(1) Difference method
By taking the difference between images captured under the same conditions and removing reproducible components (including Gibbs ringing in addition to signals), components corresponding to random noise are extracted. This standard deviation (standard deviation SD) is measured. This is an appropriate method for phantoms. However, it is a problem that repeated imaging under the same conditions is difficult when a person is targeted, especially in the case of clinical cases.
(2)差分なしの方法:関心部位でそのまま計測(「同一関心領域法」などともいう)
信号成分がフラットであることが要求されるが、MR画像ではさまざまな要因により低次の空間成分(なだらかな信号変化)がある場合が多くなかなか満たされない。人が被検体であれば、もともとの解剖構造などがどうしても存在するため、さらに満たされない場合が多い。これも人の場合には解決困難であり、この方法も適当な方法とはいえない。
(2) Method without difference: measured as it is at the region of interest (also called “same region of interest method” etc.)
The signal component is required to be flat, but MR images often have low-order spatial components (slow signal changes) due to various factors. If a person is a subject, the original anatomical structure is inevitably present, so it is often not satisfied. This is also difficult to solve for humans, and this method is not an appropriate method.
(3)差分なしの方法:背景SDで代用(「空中雑音法」などともいう)
信号成分は関心領域ROIで計測するが、ノイズ成分は信号のない背景部の標準偏差SDまたは平均値で代用する。絶対値画像の背景部ではノイズの特性が異なるので、背景での計測値を有信号部のノイズ振幅に換算する。従来最も広く使用されていた方法である。シングルコイルで得られた画像や、アレイコイルの代表的な画像生成方法であるサムオブスクエア法(SOS法、正確にはSquare Root of Sum-of-Square法)により得られた画像では、問題はあまりなかった。
(3) Method without difference: Substitute with background SD (also called “air noise method”)
The signal component is measured in the region of interest ROI, but the noise component is substituted with the standard deviation SD or average value of the background portion where there is no signal. Since the noise characteristics are different in the background portion of the absolute value image, the measured value in the background is converted into the noise amplitude of the signaled portion. This is the most widely used method. In images obtained with a single coil or images obtained by the Sum of Square method (SOS method, or more precisely, the Square Root of Sum-of-Square method), which is a typical image generation method for array coils, the problem is There wasn't much.
例えば図9に示すように、背景部Bをノイズ分布と仮定してその標準偏差σ(B)を求め、標準偏差σ(B)からアレイコイルのチャンネル数に依存して変わる有信号部換算値σ’=σ’(B)を求めることで、この画像を代表するノイズとすることができる。実質臓器1におけるSNRは、その局所領域での観測信号の平均値m(O1)を上記σ’で除したもの、すなわちm(O1)/σ’とすればよい。同様に、実質臓器1、2間のCNRも、(m(O1)−m(O2))/σ’と計算される。臨床的には、患部Lと隣接する実質臓器のCNRは、(m(L)−m(O1))/σ’と表わされる。
For example, as shown in FIG. 9, the standard deviation σ (B) is obtained assuming that the background part B is a noise distribution, and the signal part converted value that changes depending on the number of channels of the array coil from the standard deviation σ (B). By obtaining σ ′ = σ ′ (B), noise representing this image can be obtained. The SNR in the real organ 1 may be the average value m (O1) of the observation signal in the local region divided by the σ ′, that is, m (O1) / σ ′. Similarly, the CNR between the
いずれの手法も、画像内でノイズ強度が比較的変動しない、一様なことを前提として考えられたものである。従って、画像内でその位置に応じてノイズ強度が比較的変動する場合、従来のノイズ評価はその信頼性が低下してしまうと言う問題があった。例えば、近年、MRIにおけるパラレルイメージング(PI)の進展に伴い、それに用いる表面アレイコイルの感度ムラ補正処理や、PIの展開処理により、ノイズは空間的に一様ではなくなった。そのため、ノイズ成分を見積もる適当な方法がない。
本発明の目的は、ノイズ成分が一様でない場合であっても医用画像のノイズ評価を高信頼性でもって行うことにある。 An object of the present invention is to perform noise evaluation of a medical image with high reliability even when noise components are not uniform.
本発明はある局面において、医用画像のデータを記憶する記憶部と、前記医用画像の部分領域に関する観測信号分布に対して多項式で表現される信号成分分布を近似させることによりノイズ成分分布を推定する推定部と、前記推定されたノイズ成分分布に基づいて前記部分領域と同一又は他の位置の部分領域に関するノイズ指標を算出するノイズ指標算出部とを具備する。 In one aspect, the present invention estimates a noise component distribution by approximating a signal component distribution expressed by a polynomial to a storage unit that stores medical image data and an observed signal distribution related to a partial region of the medical image. An estimation unit; and a noise index calculation unit that calculates a noise index related to a partial region that is the same as or different from the partial region based on the estimated noise component distribution.
本発明によれば、ノイズ成分が一様でない場合であっても医用画像のノイズ評価を高信頼性でもって行うことができる。 According to the present invention, it is possible to perform noise evaluation of a medical image with high reliability even when noise components are not uniform.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は、医用画像のノイズ評価のための画像処理装置及びそのプログラムであり、本発明で対象とされるべき医用画像としては、ノイズ強度が一様でなく現れるものであり、典型的には、磁気共鳴イメージング装置のパラレルイメージングによるMRI画像であるが、他のX線診断装置による投影画像、超音波診断装置によるBモード等の超音波画像、ガンマカメラによる放射線同位元素の空間的分布、X線コンピュータ断層撮影装置による断層画像なども対象とされ得る。ここでは、医用画像としてMRI画像を例に説明する。また、ここでは当該画像処理装置が磁気共鳴イメージング装置に接続される外部装置として説明するが、磁気共鳴イメージング装置に組み込まれる構成であっても良い。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is an image processing apparatus and its program for noise evaluation of medical images, and the medical image to be targeted in the present invention has a noise intensity that appears non-uniformly. Is an MRI image obtained by parallel imaging using a magnetic resonance imaging apparatus, but is a projection image obtained by another X-ray diagnostic apparatus, an ultrasonic image such as a B mode by an ultrasonic diagnostic apparatus, and a spatial distribution of radioisotopes by a gamma camera. In addition, a tomographic image obtained by an X-ray computed tomography apparatus may be a target. Here, an MRI image will be described as an example of a medical image. Although the image processing apparatus is described as an external apparatus connected to the magnetic resonance imaging apparatus here, a configuration in which the image processing apparatus is incorporated into the magnetic resonance imaging apparatus may be used.
図1は本実施形態に係る画像処理装置の構成を磁気共鳴イメージング装置とともに示している。磁気共鳴イメージング装置は、静磁場H0を形成する筒状の静磁場用磁石1を有する。静磁場用磁石1の内側には、傾斜磁場コイルユニット2と、RFコイルユニット3とが配置される。傾斜磁場コイルユニット2は、XYZ各軸に対応する3つのコイルを有する。傾斜磁場電源4は、傾斜磁場電源制御部7の制御に従って傾斜磁場コイルユニット2の3つのコイルに個々に電流を供給するために構成される。RFコイルユニット3は、複数の表面コイルからなり、RF制御部8の制御に従ってRF発生装置5から高周波信号の供給を受け、高周波磁場を発生する。受信検波装置6は、受信装置制御部9の制御のもと、被検体P内部の原子核スピンからのMR信号をRFコイルユニット3を介して受信する。シーケンスコントローラ10は、パラレルイメージングのために構築されたパルスシーケンスを実行するために、傾斜磁場電源制御部7、RF制御部8、受信装置制御部9を統括して制御する。演算器(再構成)11は、受信検波装置6でRFコイルユニット3の複数の表面コイルを介して受信されたMR信号に基づいて、パラレルイメージングに応じた処理手順に従ってMR画像を再構成する。
FIG. 1 shows the configuration of an image processing apparatus according to this embodiment together with a magnetic resonance imaging apparatus. The magnetic resonance imaging apparatus has a cylindrical static magnetic field magnet 1 that forms a static magnetic field H0. A gradient magnetic
画像処理装置20は、MR画像のデータをインタフェース29を介して入力し、メモリ22に記憶する。このメモリ22とともに、画像処理装置20は、全体の動作制御及び各種演算処理を担うCPU21、キーボードやマウス等の入力器23、MR画像や後述するノイズ成分SI(N)等を表示するためのモニタ24、さらに、MR画像の部分領域(以下、関心領域ROIという)内の観測信号の信号強度SI(O)を信号成分の信号強度SI(S)とノイズ成分の信号強度SI(N)とに分解するための成分分解処理部26と、観測信号の信号強度SI(O)とノイズ成分の信号強度SI(N)とから関心領域ROIに関するノイズ指標として標準偏差σやSNR(SN比)を算出するSNR算出部27と、ノイズ成分SI(N)から表示画像等の生成を担う表示処理部28とから構成される。なお,以下の記述では「信号強度」は略記する。
The
図2Aには本実施形態によるノイズ評価処理手順を示している。まず。図3に示すように、ステップS11において、少なくとも一つの関心領域ROIが、モニタ24上に表示されたMR画像上に入力器23を介して設定される。観測信号SI(O)は、図4に示すように、狭義の信号成分SI(S)とノイズ成分SI(N)とからなる。典型的には、信号成分SI(S)は信号値が空間上緩やかに変化し、ノイズ成分SI(N)は信号値が空間上ランダムに変化する。
FIG. 2A shows a noise evaluation processing procedure according to this embodiment. First. As shown in FIG. 3, at step S <b> 11, at least one region of interest ROI is set on the MR image displayed on the
ステップS12において、成分分解処理部26により、関心領域ROI内の観測信号SI(O)が、信号成分SI(S)とノイズ成分SI(N)とに分解される。実際的には、関心領域ROI内の観測信号SI(O)の空間分布に対して、典型的には多項式モデル(曲面モデル)で表現した信号成分SI(S)の空間分布を、近似処理として典型的には最小2乗法により近似させる。近似誤差がノイズ成分SI(N)として推定される。
In step S12, the component
より好ましくは、関心領域ROI内の信号(解剖構造)の素性によって近似モデルを使い分ける。対象によっては1次関数による最小2乗近似処理でもよいが、通常は2次以上の多項式による最小2乗近似処理が行われる。最小2乗近似処理、換言すると、回帰分析処理を観測信号の空間分布に対して施し、その誤差成分(残差成分)をノイズ成分として推定、利用するということである。 More preferably, the approximate model is selectively used according to the feature of the signal (anatomical structure) in the region of interest ROI. Depending on the object, a least square approximation process using a linear function may be used, but usually a least square approximation process using a polynomial of quadratic or higher is performed. In other words, least square approximation processing, in other words, regression analysis processing is performed on the spatial distribution of the observation signal, and its error component (residual component) is estimated and used as a noise component.
特に臨床画像では関心領域ROIの設定が難しく、統計的にはより多くの点数を確保したいが、解剖構造があるために比較的小さめにとる必要がある。関心領域ROI内の信号成分がある程度の均一性を持っていると思われる場合には、1次関数(線形関数)による近似処理で十分な場合が多い。コントラストがあまりつかない撮像条件での肝臓や脾臓撮影、あるいは頭頂部などで広い範囲で白質部が確保できる場合などがこれに相当する。灰白質では大きな領域がとりにくいため場合によっては2次多項式による最小2乗近似も意味がある場合がある。しかしながら2次以上の多項式では近似がうまくいっているかよく確認をする必要がある。 Particularly in clinical images, it is difficult to set the region of interest ROI, and statistically, it is desired to secure a larger number of points, but because of the anatomical structure, it is necessary to make it relatively small. When the signal component in the region of interest ROI seems to have a certain degree of uniformity, an approximation process using a linear function (linear function) is often sufficient. This corresponds to a case where the white matter portion can be secured in a wide range in the liver or spleen under imaging conditions where contrast is not so great, or the top of the head. In gray matter, it is difficult to take a large area, and in some cases, the least square approximation using a second-order polynomial may be meaningful. However, it is necessary to confirm well whether approximation is successful in a polynomial of a second or higher order.
ステップS13において、SNR算出部27は、成分分解処理部26で推定された関心領域ROI内のノイズ成分SI(N)に関する標準偏差σを当該関心領域ROIに関するノイズ指標として算出する。なお、複数の関心領域ROIが設定されたとき、個々に近似処理及び標準偏差σの算出処理が行われる。また、表示処理部28は、操作者の指示にしたがって、関心領域ROI内のノイズ成分SI(N)の空間分布から、図5Aに示すようなノイズレベルを高さに対応付けて3次元的に表現するマップ、図5Bに示すようなノイズレベルを縦軸に、横軸にX又はYの空間軸を対応付けて2次元的に表現するマップ、図5Cに示すようなノイズレベルを横軸に、縦軸に頻度を対応付けたヒストグラムのいずれか又は任意の組み合わせで作成する。表示処理部28が作成したノイズ成分のマップやヒストグラムはモニタ24に、ノイズ指標として標準偏差σとともに表示される。臨床画像の各ROI内の信号バラツキのバリエーションも考慮して、ノイズの状況が確認され、この表示により、画像評価におけるミスを未然に防ぐことができる。
In step S13, the
本実施形態において、図2Bに示す手順でノイズ評価処理を行うものであっても良い。ステップS21、S22は、図2AのステップS11、S12にそれぞれ対応するので、説明は省略する。ステップS23において、SNR算出部27は、成分分解処理部26で推定された関心領域ROI内のノイズ成分SI(N)に関する標準偏差σを当該関心領域ROIに関するノイズ指標として算出する。そして、ステップS24において、この標準偏差σで当該関心領域の観測信号SI(O)の平均値mを除することにより、当該関心領域ROIに関するノイズ指標としてのSNRを算出する。なお、複数の関心領域ROIが設定されたとき、特定の関心領域ROIで算出した標準偏差σを当該画像の固有のノイズ値として他の関心領域ROIのSNRの算出に共用するようにしても良いし、複数の関心領域ROIについて個々に近似処理及び標準偏差σの算出処理を行うようにしても良い。
In the present embodiment, the noise evaluation process may be performed according to the procedure shown in FIG. 2B. Steps S21 and S22 correspond to steps S11 and S12 of FIG. In step S23, the
本実施形態において、図2Cに示す手順で、2つの関心領域間でノイズ指標を相対的に評価するものであっても良い。ステップS31、S32は、図2AのステップS11、S12にそれぞれ対応し、ステップS33は、図2BのステップS23に対応するので、説明は省略する。ステップS34において、SNR算出部27は、成分分解処理部26で推定された第1の関心領域ROI01に関する標準偏差σ01と、第2の関心領域ROI02に関する標準偏差σ02との代表値で、第1の関心領域ROIの観測信号SI(O)の平均値m01と第2の関心領域ROIの観測信号SI(O)の平均値m02との差(m01−m02)を除した値を相対的なノイズ指標CNRとして算出する。なお、標準偏差σ01と標準偏差σ02との代表値とは、典型的には、それらの中の高値を選択する。つまり、σ01>σ02のとき、σ01が選択される。しかし、代表値として、標準偏差σ01と標準偏差σ02との平均値((σ01+σ02)/2)であってもよい。
In the present embodiment, the noise index may be relatively evaluated between two regions of interest by the procedure shown in FIG. 2C. Steps S31 and S32 correspond to steps S11 and S12 in FIG. 2A, respectively, and step S33 corresponds to step S23 in FIG. In step S34, the
本実施形態において、図6に示す手順で、異常値を除外して近似処理を行うようにしても良い。図8AにはROI内に信号強度の高い血管が含まれていたり、あるいは画像上でスパイク状に異常値を示す例を示している。臨床画像上での実際の関心領域ROIの指定では、ランダムノイズとは別の要因で大きなノイズが混入したり、あるいは血管信号などがROI内に入ってしまうケースなどが考えられる。適当な閾値を指定して、こうした「異常点」を除外して、再度近似処理を行うことは近似処理の精度向上に有効である。ステップS41は、図2AのステップS11に対応するので、説明は省略する。ステップS42において、異常値か否かを関心領域ROI内の各点ごとに判定する。ステップS43において、成分分解処理部26により、関心領域ROI内の観測信号SI(O)を、信号成分SI(S)とノイズ成分SI(N)とに分解する。ステップS44において、SNR算出部27は、成分分解処理部26で推定された関心領域ROI内のノイズ成分SI(N)に関する標準偏差σを算出する。続いて、成分分解処理部26において、関心領域ROI内の各点(各画素)の誤差成分、つまりノイズ成分SI(N)を、所定の閾値として標準偏差に応じて決まる値、例えば(3・σ)と比較する(S45)。そして、成分分解処理部26で、ノイズ成分SI(N)が閾値よりも大きな点を抽出し、それらの点を近似処理対象から除外し(S46)、関心領域ROI内で残った点を対象として再度、ステップS43で近似処理を行う。このように異常点が無くなる又は異常点数が所定数未満に収束するまで、ステップS43乃至S46のループを繰り返す。異常点が無くなる又は異常点数が所定数未満に収束した段階で、そのときの標準偏差σと、異常点以外の点の平均値mにより、SNRやCNRを算出する(S47)。
In the present embodiment, the approximation process may be performed by excluding abnormal values by the procedure shown in FIG. FIG. 8A shows an example in which a blood vessel having a high signal intensity is included in the ROI or an abnormal value is shown in a spike shape on the image. In the designation of the actual region of interest ROI on the clinical image, there may be a case where large noise is mixed due to a factor other than random noise, or a blood vessel signal or the like enters the ROI. Specifying an appropriate threshold value, excluding such “abnormal points”, and performing the approximation process again is effective in improving the accuracy of the approximation process. Step S41 corresponds to step S11 in FIG. In step S42, it is determined for each point in the region of interest ROI whether or not it is an abnormal value. In step S43, the component
図6の例では異常値除外を自動的に行うものであったが、図7の手順に示すように、除外するか否かを操作者が決定するようにしてもよい。ステップS42において、異常値か否かを関心領域ROI内の各点ごとに判定する。ステップS51乃至S54において、図6のステップS41乃至S44と同様に、関心領域ROIごとに近似処理を行い、ノイズ成分SI(N)の空間分布を求め、その標準偏差σを算出する。続いて、ステップS55で表示処理部28において、操作者の指示にしたがって、関心領域ROI内のノイズ成分SI(N)の空間分布から、図8Aに示すようなノイズレベルを高さに対応付けて3次元的に表現するマップ、図8Bに示すようなノイズレベルを縦軸に、横軸にX又はYの空間軸を対応付けて2次元的に表現するマップ、図8Cに示すようなノイズレベルを横軸に、縦軸に頻度を対応付けたヒストグラムのいずれか又は任意の組み合わせで作成され、モニタ24に表示される。これらマップやヒストグラムにおいて所定の閾値として典型的には(3・σ)を超過する除外候補としての点が赤色等の特異な態様で表示される。操作者はマップやヒストグラムを確認して、近似処理から異常値を除外するか否かを入力器23を介して指定する(S56)。
In the example of FIG. 6, the abnormal value exclusion is automatically performed. However, as shown in the procedure of FIG. 7, the operator may determine whether to exclude the abnormal value. In step S42, it is determined for each point in the region of interest ROI whether or not it is an abnormal value. In steps S51 to S54, similar to steps S41 to S44 in FIG. 6, an approximation process is performed for each region of interest ROI to obtain the spatial distribution of the noise component SI (N), and the standard deviation σ is calculated. Subsequently, in step S55, the
近似処理から異常値を除外するとき、成分分解処理部26で、ノイズ成分SI(N)が閾値よりも大きな点を除外し(S57)、関心領域ROI内で残った点を対象として再度、ステップS53で近似処理を行う。このように異常点が少なくなっていき操作者が近似処理から異常値を除外しない指示をするまで、ステップS53乃至S57のループを繰り返す。操作者が近似処理から異常値を除外しない指示をした段階で、そのときの標準偏差σと、異常点以外の点の平均値mにより、SNRやCNRを算出する(S58)。
When the abnormal value is excluded from the approximation process, the component
本実施形態により、ノイズの空間的一様性がない場合であっても、各部位におけるノイズの程度を適切に見積もることが可能になる。さらに臨床画像においても、関心部位におけるSNR、関心部位間におけるCNRを、従来よりもロバストに見積もることが可能になる。 According to the present embodiment, even when there is no spatial uniformity of noise, it is possible to appropriately estimate the degree of noise in each part. Furthermore, in clinical images, it is possible to more robustly estimate the SNR at a region of interest and the CNR between regions of interest than before.
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1…静磁場磁石、2…傾斜磁場コイルユニット、3…RFコイル、4…傾斜磁場電源、5…RF発生装置、6…受信検波装置、7…傾斜磁場電源制御部、8…RF制御部、9…受信装置制御部、10…シーケンスコントローラ、11…演算器、20…画像処理装置(ノイズ評価装置)、21…CPU、22…メモリ、23…入力器、24…モニタ、25…制御/データバス、26…成分分解処理部、27…SNR算出部、28…表示処理部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Static magnetic field magnet, 2 ... Gradient magnetic field coil unit, 3 ... RF coil, 4 ... Gradient magnetic field power supply, 5 ... RF generator, 6 ... Reception detection apparatus, 7 ... Gradient magnetic field power supply control part, 8 ... RF control part, DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Reception apparatus control part, 10 ... Sequence controller, 11 ... Operation unit, 20 ... Image processing apparatus (noise evaluation apparatus), 21 ... CPU, 22 ... Memory, 23 ... Input device, 24 ... Monitor, 25 ... Control / data Bus, 26 ... component decomposition processing unit, 27 ... SNR calculation unit, 28 ... display processing unit.
Claims (20)
前記医用画像の部分領域に関する観測信号分布に対して多項式で表現される信号成分分布を近似させることによりノイズ成分分布を推定する推定部と、
前記推定されたノイズ成分分布に基づいて前記部分領域と同一又は他の位置の部分領域に関するノイズ指標を算出するノイズ指標算出部とを具備する画像処理装置。 A storage unit for storing medical image data;
An estimation unit that estimates a noise component distribution by approximating a signal component distribution expressed by a polynomial with respect to an observation signal distribution related to a partial region of the medical image;
An image processing apparatus comprising: a noise index calculation unit that calculates a noise index related to a partial area that is the same as or different from the partial area based on the estimated noise component distribution.
前記推定されたノイズ成分分布に基づいて前記部分領域と同一又は他の位置の部分領域に関するノイズ指標を算出する手段とをコンピュータに実現させるためのプログラム。 Means for estimating a noise component distribution by approximating a signal component distribution expressed by a polynomial to an observed signal distribution related to a partial region of a medical image;
A program for causing a computer to realize means for calculating a noise index related to a partial area at the same position as that of the partial area or based on the estimated noise component distribution.
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