CN105307570A - 借助参考标记在手术中进行图像记录 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将患者的断层成像获得的图像数据结合到用于手术规划和/或用于手术中导航的系统中的方法。在该方法的范围内借助至少一个适合于此的第一拍摄设备拍摄患者的至少一个定义的身体区域的断层成像图像数据或X射线技术获得的图像数据，其中，具有至少一个表面的第一参考体(1、11、21)布置在患者上并且由第一拍摄设备一起拍摄。将所拍摄的代表第一参考体的图像数据与第一参考体的已知几何数据进行比较以获得失真信息。通过计算单元基于失真信息矫正所拍摄的图像数据以获得矫正的图像数据。将矫正的图像数据与患者的同一个身体区域的其它图像数据叠加以获得叠加的图像数据并且在显示器上显示叠加的图像数据。

Description

借助参考标记在手术中进行图像记录
本发明涉及一种用于将借助成像方法、尤其是断层成像方法获得的图像数据结合到用于手术规划和/或用于手术期间导航的系统中的方法，其中图像数据首先或事先借助成像方法、如X射线和/或计算机断层成像获得或已经获得。本发明还涉及分别尤其用于在这样的方法中使用的一种参考体、一种电磁场发生器以及一种医学系统。
对于介入式外科手术的规划和执行，原则上公知使用手术前获得的患者的、通常是按照数字形式呈现的图像数据、例如X射线或计算机或核自旋断层成像拍摄。这样的方法提供器官或身体部位的“内部视图”。在一些方法中这些图像数据也在手术期间被建立或者说更新，以便将不能或只能很难由电影或视频摄像机检测的、在拍摄的对象上的可能变化，例如手术进程或身体对外科手术的反应，进行可视化。从断层成像获得的图像数据中可以计算一个或多个身体部位和/或器官的三维模型。
此外通常的是，在手术期间例如利用内窥镜拍摄视觉照片，诸如患者的照片或视频图像，并且与手术前建立的断层成像图像数据一起在监视器上作为单个图像或叠加地显示。以这种方式例如可以使得要去除的组织或在手术区域中呈现的并且通过外科手术威胁的神经路径或血管被外科手术医生更好看见。图像数据的该显示使得外科医生可以尽可能有效和在最小患者的危害周围组织的情况下采用在手术时使用的医学设备。
计算机断层成像获得的图像数据(以下称为断层成像图像数据)或X射线技术获得的图像数据使得可以可视化人身体中的区域，所述区域为了建立拍照或视频技术获得的图像数据(以下称为F/V图像数据)会要求介入方法。为此断层成像图像数据相对于F/V图像数据具有的缺陷是，其通常不是忠于比例而是失真地显示拍摄的区域。断层成像图像数据的失真是由系统引起的并且没有任何可预测的规律性，按照该规律性可以通过预定的矫正算法矫正所述断层成像图像数据。断层成像图像数据到用于手术规划和/或手术期间导航的系统、例如位置检测系统中的结合，由此要求断层成像图像数据的尽可能无错矫正，以便实现期望的精度。
公知的矫正方法将失真的断层成像图像数据与对同一个区域，优选从同一个透视成像的相应的F/V图像数据比较，并且基于断层成像图像数据与F/V图像数据的确定的偏差执行断层成像图像数据的矫正。然后可以将图像数据例如叠加地在显示器上显示。
用于矫正断层成像图像数据的这样的公知方法具有的缺陷是，其通常产生具有错误的结果。为此的一个原因是，在建立断层成像图像数据和F/V图像数据时不能精确实现相同的透视并且由此根据透视上不同F/V图像数据进行矫正。此外不同的图像数据通常在不同的时刻被建立，从而例如肿大、血肿等会导致在矫正断层造影图像数据时的误差。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于将断层成像图像数据结合到用于手术规划或用于手术中导航的系统中的可靠方法。本发明所要解决的技术问题同样在于，提供分别适合于在这样的方法中使用的一种参考体、一种电磁场发生器以及一种医学系统。
所述技术问题按照本发明通过用于将计算机断层成像和/或X射线技术获得的图像数据结合到用于手术规划和/或用于手术间导航的系统中的方法解决，所述方法具有以下步骤：
-借助至少一个适合于此的第一拍摄设备拍摄患者的至少一个定义的身体区域的断层成像图像数据或X射线技术获得的图像数据，其中具有至少一个表面的第一参考体布置在患者上并且由第一拍摄设备一起拍摄；
-将所拍摄的代表第一参考体的图像数据与第一参考体的已知几何数据比较以获得失真信息；
-通过计算单元基于失真信息矫正拍摄的图像数据以获得矫正的图像数据；
-将矫正的图像数据与患者的同一个身体区域的其它图像数据叠加以获得叠加的图像数据；和
-在显示器上显示叠加的图像数据。
所述方法包括如下思路，手术前完成计算机断层成像并且手术中利用C形臂完成X射线图像(X光检查图像)。通过具有已知几何形状的体可以矫正手术中拍摄的X射线图像(X光检查图像)并且由此与虚拟的、由手术前拍摄的、例如由计算机断层成像产生的X射线图像进行比较。这具有如下优点，即，医生在手术规划时和在执行手术时可以根据X射线图像定向，并且具体来说是在手术前拍摄的以及在手术中拍摄的X射线图像。替代X射线技术拍摄的图像数据，图像数据也可以以其它成像方法，例如基于超声波的方法拍摄。断层成像图像数据也可以借助计算机断层成像、磁共振断层成像、超声波断层成像等获得。
优选地，第一参考体的几何数据作为对第一参考体的实际几何形状无失真地成像的图像数据呈现。
优选地，患者的同一个身体区域的其它图像数据包括第一参考体的几何数据作为图像数据。
此外优选的是，第一参考体在拍摄其它图像数据时相对于拍摄设备和/或患者的位置与在拍摄断层成像图像数据时相同，以便在矫正图像数据时不必考虑不同的位置。
也有利的是，第一参考体在拍摄其它图像数据时相对于拍摄设备的距离与在拍摄断层成像图像数据时相同，从而不可能出现不同的失真。
也有利的是，第一参考体在建立断层成像图像数据期间这样定向，使得第一参考体的表面的尽可能大的部分面向拍摄设备，以便能够以这种方式拍摄参考体的尽可能重要的图像数据。
优选的是，第一参考体布置在患者的身体部位上，因此身体部位和第一参考体可以以尽可能详细的拍摄被检测。
患者的同一个身体区域的其它图像数据可以由第二拍摄设备、优选X射线设备建立并且包括X射线图像或者说X光检查图像。
优选地，参考体具有定位器，例如传感器线圈或光学定位器。这允许了在矫正过程中不仅互相比较所拍摄的具有已知几何数据的图像数据，而且还比较用于手术中导航的参考场。这在本身公知的电磁导航情况下可以是由场发生器产生的交变场，其由传感器线圈检测。所拍摄的具有已知几何数据的图像数据与用于手术间导航的参考场的这种比较允许进行配准，该配准不仅在手术前，而且在手术中都可以进行。
第一参考体优选是环形或圆形的和/或具有环形的和/或圆形的区域和/或元件。
优选地，其它图像数据在手术中被拍摄并且因此是最新的。
显示器优选包括监视器。
患者的定义的身体区域优选地包括脊柱，即，该方法尤其对于在脊柱区域的检查或治疗的支持是有利的。
断层成像图像数据的至少一部分可以在检查或手术之前被拍摄，例如在断层成像仪中，例如核磁共振断层成像仪，其否则会妨碍检查或手术。
特别优选地，第二或另一个参考体布置在患者身体中的手术位置上，其中手术位置布置在患者的定义的身体区域中。第一参考体和第二参考体在用于规划和执行手术的导航系统中配准，其中第一参考体和第二参考体的相对于参考点的位置数据通过导航系统确定。为了配准，有利的是，第一参考体和第二参考体具有定位器，例如传感器线圈或光学定位器。传感器线圈在这种导航系统中的使用原则上是公知的。借助第一参考体和第二参考体的确定的位置数据可以将断层成像图像数据和其它图像数据在导航系统中叠加地显示在显示器上。由此借助手术中获得的以及矫正的X射线图像实现了精确导航。图像数据的叠加精度通过第一参考体和第二参考体在导航系统中的配准被优化。
两个参考体互相组合的使用(其中第一个是具有已知几何形状的体并且第二个是在手术位置处的更小的局部定位器)允许了在手术中获得空间信息并且逐渐显示到在手术中产生的X射线图像中。
也可以两个参考体都是具有已知几何形状的体。这实现了，例如尤其当没有深度信息的多个二维图像(例如X射线技术获得的图像)从不同的角度被拍摄并且互相关联时，从例如X射线技术获得的X光检查图像中获得空间信息。
有利的是，第一参考体和/或第二参考体借助电磁的和/或光学的位置检测系统进行检测位置。优选地，位置检测与图像数据的拍摄同时地和/或与其它图像数据的拍摄同时地进行。
电磁的以及光学的位置检测系统原则上都是由现有技术公知的。例如公知具有场发生器的电磁位置检测系统。场发生器在手术区域中产生通常是交变的电磁交变场。在需要在该手术区域中导航的医学仪器处布置了具有线圈的定位元件。电磁交变场在所述线圈中根据各自线圈相对于电磁交变场的定向而感应产生特征性的电流，从所述电流中可以确定线圈的位置信息。
第一参考体和/或第二参考体可以具有传感器线圈作为定位器和/或光学定位器，其优选固定在参考体上或集成在其中。优选地，参考体关于定位器的位置是已知的。第一参考体和/或第二参考体构造为可以安装和/或布置在患者上并且这样用作用于位置检测和/或导航的患者参考和/或患者定位器。
优选地，第一参考体确定地布置在患者上并且在进行配准之后又可以去除。优选地，第二参考体确定地布置在患者上并且在进行配准之后至少暂时保留在那里。第一和第二参考体可以同时布置在患者上，因此它们彼此的相对位置也可以通过图像拍摄来记录和/或通过位置检测系统来确定。
附加地或备选地，断层成像或X射线技术获得的图像数据的至少一部分在手术期间(手术中)被拍摄并且由此分别是最新的。尤其规定，在手术中借助紧凑的X射线设备、诸如C形臂拍摄图像数据。通常这些在手术中拍摄的图像数据是没有深度信息的X光检查图像，并且不包含断层成像照片。随即可以借助已知几何形状的一个或多个参考体获得空间信息。后者主要、但不是仅在如下情况时适用，即，例如也存在手术前获得的具有空间信息的图像数据，例如断层成像照片、诸如计算机断层成像照片或磁共振断层成像照片，它们与手术中获得的图像数据在手术中被关联。
所述技术问题在医学系统方面通过一种用于手术规划和/或手术中导航的医学系统解决，其具有至少一个计算单元、至少一个用于拍摄患者的身体区域的断层成像图像数据的第一拍摄单元、至少一个用于拍摄患者的同一个身体区域的其它图像数据的第二拍摄单元以及第一参考体，其中所述医学系统设计用于执行前面描述的方法。
参考体可以部分地是X射线可透过的。优选地，参考体具有X射线不可透过的(X射线不透明的)组成部分，尤其是X射线不透明的参考标记，其中优选地，参考标记彼此间的几何位置是已知的并且固定在参考体上。以这种方式方法可以根据参考标记彼此间的几何位置对所拍摄的图像数据进行前述的比较和矫正。备选地或附加地，所拍摄的图像数据的比较和矫正可以根据参考体的固有几何形状来进行。
优选地，参考标记设计为平的或者说面状的并且这样布置在参考体上，使得至少两个，优选至少三个参考标记面状地在共同的平面中延伸。
参考标记优选是环形的或者圆形的和/或具有环形的和/或圆形的区域和/或元件。
所述技术问题在电磁场发生器方面通过一种具有或形成前述参考体的电磁场发生器解决。业已证明有利的是，参考体和/或布置在参考体上的参考标记相对于电磁场发生器，尤其是相对于场发生器的场发生元件位置固定地布置。优选地，参考标记彼此间的几何位置是已知的并且固定在参考体上。
场发生器和/或场发生器的场发生元件可以框架形地构造，尤其是构造为，使得框架形成窗口，所述窗口除了有待布置在窗口中的X射线不可透过的参考标记之外是X射线可透过的。X射线可透过的窗口可以通过面状的X射线可透过的参考体形成，在其上布置了X射线不可透过的参考体。更优选的是，场发生器的表面平坦地构造以便在运行中置于手术台上。如果在手术期间患者卧于手术台上，则场发生器优选布置在患者和手术台之间。场发生器可以具有垫元件，以避免在患者的身体表面上产生压点。
以下结合附图根据不同实施例详细阐述本发明。在附图中：
图1示出按照本发明的第一参考体的第一实施方式的示意性俯视图；
图2示出按照本发明的第一参考体的第二实施方式的示意性俯视图；
图3示出按照本发明的第一参考体的第三实施方式的示意性俯视图；
图4示出按照本发明的具有参考标记的第一参考体的第四实施方式的示意图；
图5示出按照本发明的具有参考标记的第一参考体的第五实施方式的示意图；
图6示出按照本发明的具有参考标记的第二参考体的第一实施方式的示意图；
图7示出图6的第二参考体的另一个示意图；
图8示出按照本发明的具有参考标记的第二参考体的第二实施方式的示意图；
图9示出按照本发明的场发生器的一个实施方式的示意图；
图10示出用于手术中图像拍摄的装置的示意图和
图11示出用于将患者的图像数据结合到用于手术规划和/或用于手术中导航的系统中的按照本发明的方法的示意图。
在图1中示意性示出的按照本发明的第一参考体1的第一实施方式具有虚线示出的环形的基体2，该基体具有中点3、外周4和较小的内周5。通过内周5限定出基体2的圆形的套管6，其与基体2同中心。基体2优选由X射线难透过的材料构成。金属、例如铅尤其适合于此。在该图中不能看出基体2的两个表面是平地构造的。在备选的实施方式中，也可以是一个或两个表面具有凸的拱形，其沿径向朝中点3延伸。
基体2完全被由与基体2的材料不同的材料构成的覆盖层7包裹。在该第一实施例中，覆盖层7精确地沿着基体2的形状布置。优选地，覆盖层7具有比基体2明显更好的X射线透过性。塑料尤其合适作为覆盖层7的材料。覆盖层7是可选的并且例如提供卫生方面的优点。此外合适的覆盖层7也可以保证第一参考体1的形状稳定性。后者尤其在基体2由非常可延展的材料诸如铅形成时是重要的。覆盖层7的光滑表面以及较高的脆性是特别有利的。在此，覆盖层应当具有这样的脆性，使得第一参考体1的超出弹性可变形性的强烈形变导致覆盖层6至少局部折断。因此，折断的覆盖层6用作针对形变的不应当再被使用的第一参考体1的提示。
在图2中示出的按照本发明的第一参考体11的第二实施方式具有圆形的基体2，该基体具有中点13和外周14。覆盖层在示出的第二实施例中不存在，但是可以在需要时加上。
在图3中示出了按照本发明的第一参考体21的第三实施方式。第一参考体21具有正方形的基体22，该基体具有中点23、外周24和圆形的套管26，其与基体22同中心。通过基体22的内周25在径向方向上向外限定套管26。
对于基体2、12、22具有足够的强度以使其在按规定的使用条件下不会持久变形的情况，可能存在的覆盖层7可以由弹性材料构成，例如用于保护基体2、12、22免受外部的影响、诸如碰撞。在此尤其考虑橡胶弹性的原料，硅树脂等。优选地，覆盖层也可以设计为弹性的或刚性的外套，基体2、12、22可以置于其中。
如果覆盖层7具有比基体2明显更好的X射线透过性，则覆盖层7也可以将基体2、12、22连同套管6、26一起完全包裹。因此在第一参考体1、11、21的X射线照片上基本上可以识别基体2、12、22。
在图4中示出的参考体30设计为笼架并且用于被置入开放的手术区域中，例如开放的脊柱体中。参考体30具有多个参考标记19，它们彼此间的几何位置已知并且是恒定的。参考体30由具有比参考标记19更高的X射线透过性的材料构成。参考体30具有两个u形片段31，它们互相对齐地布置并且经过两个桥接片32、33互相连接。在参考体30的表面31’上这样布置了两个平或者说面状的参考标记19，使得其面状地在一个共同的平面即表面31’中延伸。子图a)至e)分别示出了相同的参考体30的不同视图。
在图5中示出的备选的参考体30蘑菇形地构造并且用于插入到例如借助套管针在最小介入范围内打开的外科皮肤开口中。参考体30具有平的罩36，在其上中央地布置了销37。参考体30在罩36上以及在销37上都具有多个参考标记19，它们彼此间的几何位置是已知的并且是恒定的。参考体30由具有比参考标记19更高的X射线透过性的材料构成。子图a)至c)分别示出了相同的参考体30的不同视图。
在图6中示出的另一个备选的参考体30套筒形地构造并且用于例如拉紧并且固定在外科手术用的线上，例如要固定到骨头上的克氏针(KirschnerDraht)上。参考体为此具有外部套筒38和可推入的固定套筒39。参考体30在外部套筒38上具有多个参考标记19，它们彼此间的几何位置是已知的并且是恒定的。参考标记19在周向上均匀地布置在外部套筒38上。参考体30由具有比参考标记19更高的X射线透过性的材料构成。子图a)至c)分别示出了相同的参考体30的不同视图。
在图7中示出的图6的参考体30处于固定位置，即参考体固定在外科手术用的线(未示出)上。固定套筒39为此压入到外部套筒38中。子图a)至c)分别示出了相同的参考体30的不同视图。
另一个备选的在图8中示出的参考体30夹子形地构造并且用于例如固定在脊柱上。为此，参考体30具有角形的主压板34，在其上可摆动地安装了夹板35。参考体30具有多个参考标记19、19’，它们彼此间的几何位置是已知的并且是恒定的。在此，参考标记19、19’仅布置在角形的主压板34的一个表面上并且具有不同的大小。参考体30由具有比参考标记19更高的X射线透过性的材料构成。子图a)至d)分别示出了相同的参考体30的不同视图。
图9a)示出了手术台200的俯视图，其中按照本发明的场发生器50位于手术台200上。场发生器50和场发生器50的(集成的并且因此未示出的)场发生元件框架形地构造。场发生器50的框架50’形成一个X射线可透过的窗口(阴影面积)。X射线可透过的窗口在此通过平的X射线可透过的参考体30构成。在X射线可透过的参考体30上布置了参考标记19，它们分别相对于场发生器50和集成的并且因此未示出的场发生元件位置固定地布置。X射线可透过的参考标记19彼此间的几何位置是公知的并且是恒定的。
如从侧视图图9b)可以看出的，场发生器50设计具有平坦的表面50”并且位于手术台200上。
图10示出了用于在手术中拍摄图像的装置。示例性地参考图1描述的第一参考体1布置在卧于手术台200上的患者P的腹部。患者P和参考体1在C形臂中这样定位，使得X射线技术获得的图像数据既包括患者P的定义的身体区域、在此是腹部，也包括布置在该处的参考体1。
在图11中的按照本发明的用于将患者的图像数据结合到用于规划手术和/或手术中导航的系统中的方法中，在第一步骤S1中借助至少一个为此合适的第一拍摄设备拍摄患者的至少一个定义的身体区域的断层成像图像数据或X射线技术获得的图像数据，其中具有至少一个表面的第一参考体布置在患者上并且由第一拍摄设备一起拍摄。
在第二步骤S2中，将所拍摄的代表第一参考体的图像数据与第一参考体的已知几何数据进行比较以获得失真信息。
在第三步骤S3中，通过计算单元基于失真信息矫正所拍摄的图像数据以获得矫正的图像数据。
在第四步骤S4中，将矫正的图像数据与患者的同一个身体区域的其它图像数据叠加以获得叠加的图像数据。
在第五步骤S5中，将叠加的图像数据显示在显示器上。
附图标记列表
1、11、21、30参考体
2、12、22基体
3、13、23中点
4、14、24外周
5、25内周
6、26圆形的套管
7覆盖层
19、19’参考标记
31U形段
31’参考体的表面
32、33桥接片
34主压板
35夹板
36罩
37销
38外部套筒
39固定套筒
50场发生器
50’场发生器的框架
50”场发生器的平坦表面
100C形臂
200手术台
P患者
S1、S2、S3、S4、S5方法步骤

Claims (18)

1.一种用于将患者的图像数据结合到用于手术规划和/或用于手术中导航的系统中的方法，其特征在于，所述方法具有以下步骤：
-借助至少一个适合于此的第一拍摄设备拍摄(S1)患者的至少一个定义的身体区域的断层成像图像数据或X射线技术获得的图像数据，其中，具有至少一个表面的第一参考体(1、11、21)布置在患者上并且由第一拍摄设备共同拍摄；
-将所拍摄的代表第一参考体的图像数据与第一参考体的已知几何数据进行比较(S2)以获得失真信息；
-通过计算单元基于失真信息矫正(S3)所拍摄的图像数据以获得矫正的图像数据；
-将矫正的图像数据与患者的同一个身体区域的其它图像数据叠加(S4)以获得叠加的图像数据；和
-在显示器上显示(S5)叠加的图像数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一参考体(1、11、21)的几何数据是对第一参考体(1、11、21)的实际几何形状无失真地成像的图像数据。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，患者的同一个身体区域的其它图像数据包括第一参考体(1、11、21)的几何数据作为图像数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一参考体(1、11、21)在拍摄其它图像数据时具有与在拍摄断层成像图像数据时相同的相对于拍摄设备和/或患者的位置。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述第一参考体(1、11、21)在拍摄其它图像数据时与在拍摄断层成像图像数据时具有相对于拍摄设备的相同距离。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一参考体(1、11、21)在拍摄断层成像图像数据期间这样定向，使得所述第一参考体(1、11、21)的表面的尽可能大的部分面向拍摄设备。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一参考体(1、11、21)布置在患者的身体部位上。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，患者的同一个身体区域的其它图像数据由第二拍摄设备拍摄，其中，所述第二拍摄设备是X射线设备并且所述其它图像数据包括X光检查图像。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一参考体(1、11、21)是环形或圆形的和/或具有环形的和/或圆形的区域和/或元件。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在手术中拍摄所述其它图像数据。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，患者的定义的身体区域包括脊柱。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，第二参考体布置在患者身体中的手术位置，其中，手术区域布置在患者的定义的身体区域中，其中第一参考体和第二参考体在用于规划和执行手术的导航系统中配准，其中第一参考体和第二参考体的相对于参考点的位置数据通过导航系统确定，其中借助第一参考体和第二参考体的位置数据将断层成像图像数据和其它图像数据在导航系统中叠加地显示在显示器上。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在检查或手术期间拍摄断层成像图像数据的至少一部分。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一参考体和/或第二参考体借助电磁的和/或光学的位置检测系统进行位置检测。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，位置检测与图像数据的拍摄同时地和/或与其它图像数据的拍摄同时地进行。
16.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考体(1、11、21)具有参考标记(19)，所述参考标记彼此间的几何位置是已知并且恒定的。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述参考体(30)布置在场发生器(50)上，其中尤其是场发生器(50)和/或场发生器(50)的场发生元件设计为框架形，尤其是这样设计，使得框架(50’)形成窗口，除了有待布置在窗口中的X射线不可透过的参考标记(19)之外，所述窗口是X射线可透过的。
18.一种用于手术规划和/或手术中导航的医学系统，具有计算单元、至少一个用于拍摄患者的身体区域的断层成像图像数据的第一拍摄单元、至少一个用于拍摄患者的同一个身体区域的其它图像数据的第二拍摄单元以及参考体，其中，所述医学系统设计用于执行按照权利要求1至14中任一项所述的方法。
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