CN112841069A - 一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法及辅助装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法及辅助装置,它涉及鉴别犬训练技术领域;它包含如下步骤:犬前期搜索能力的培养;样品气味采集;犬对肺癌患者呼出气体气味的记忆训练;训练犬从简单气味中分化癌症气味;训练犬从复杂气味中分化癌症气味;犬的否定式训练;随机目标物训练;间歇奖励的训练。本发明解决了目前基于呼出气体特征的电子鼻或气相色谱技术检测肺癌特异性和灵敏度不够高的问题,以及常规肺癌诊断灵敏度不高和对人体侵入性的问题。

Description

一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法及辅助装置
技术领域
本发明涉及鉴别犬训练技术领域,具体涉及一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法及辅助装置。
背景技术
根据最新的统计数据显示,恶性肿瘤死亡占居民全部死因的23.91%,其中肺癌位居我国恶性肿瘤发病率和死亡率的首位,估计2015年我国新发肺癌约78.7万例,死亡约63.1万例,发病率和死亡率分别约为57.26/10万和45.87/10万,且呈持续上升态势。造成肺癌高死亡率的一个重要原因是目前肺癌检出率不高。
研究认为不同部位癌细胞的作用机制的不同,不同类型癌细胞的选择性表达或者过表达,可以产生各种各样的不同的化合物,比如烷烃类、甲基化烷烃、芳香烃类以及苯衍生物等,这些癌细胞代谢的化合物释放到血液中,再经过尿液、粪便、汗液以及呼出气体等途径释放到空气中,呼出气体分析已被广泛认为有可能成为一种安全便捷的疾病诊断替代方法,具有无创伤无痛苦且简单快捷的特点。使用色谱-质谱技术对肺癌患者呼出气体的分析发现,肺癌患者的呼出气体中含有特殊的挥发性有机物,PhilliP博士等人使用16种挥发性有机物(VOCs)标记物对肺癌检测的灵敏度和特异性分别达到了84.6%和80%,Machado R等人使用纳米阵列电子鼻分析肺癌患者的呼出气体,检测的特异性和灵敏度分别达到91.9%和71.4%,充分说明使用呼出气体进行肺癌检测的可行性。但由于目前的技术对痕量物质检测限制,现有的技术不能检测出呼出气体中多种微量的挥发性有机物。众所周知,犬具有敏锐的嗅觉,而且凭借敏锐的嗅觉和出色的工作能力,已经在公安、部队及灾害搜救等领域得到了广泛的应用,相继发展出了追踪犬、缉毒犬、搜救犬、血迹搜索犬等,为打击和预防犯罪、拯救人民生命发挥了巨大作用。大量的研究表明经过训练的犬可以特异性识别肺癌、胃癌、乳腺癌和前列腺癌等疾病,并取得了积极的效果,但是不同的研究间由于样本采集方法和犬的训练方法不同,研究结果之间表现出了较大的差异。对比使用呼出气体作为嗅源的犬鉴别肺癌的研究发现,其灵敏度介于30%-99%之间,主要是因为不同的样本采集方法会受到来自环境气味的干扰和由采样设备造成的系统性的气味差异,不同的训练方法会造成犬对同一气味的理解力的差异。 这些结果暗示不同的样本采集方法和犬的训练方法是影响检测灵敏度和特异性的重要因素,而目前尚未有文献提供关于犬鉴别人类肺癌气味的详实的训练方法及其训练效果的研究。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足,提供一种灵敏度高的基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法及辅助装置。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法,其特征在于它包含如下步骤:
1、培养犬的前期搜索能力的培养:包括培养犬的搜索能力和示警形式,训练前保持犬的饥饿状态,使犬具有较强的食物欲求,然后把少量的食物放入一排鉴别罐中,让犬主动到鉴别罐中寻找食物,当犬找到食物以后,训导员下达“坐”的指令,犬按照指令坐下以后,立即用响片标记犬的行为,并将鉴别罐中的食物奖励给它,多次重复训练,直到犬找到食物后主动“坐”在鉴别罐旁边为止;
2、犬对肺癌患者呼出气体气味的记忆训练:以载有肺癌气味的气味瓶作为目标物,将3个鉴别罐依次排好,在其中1个鉴别罐中放入吸附了癌症患者气味的气味采集瓶,另外2个是空鉴别罐,让犬在自由状态下逐个嗅闻,当犬嗅闻放置了气味瓶的鉴别罐时,立即按下响片标记犬的正确行为,并给食物奖励,按照上述方法多次重复训练,当犬对装有气味瓶的鉴别罐表现出积极的兴奋状态后,让犬主动示警后再给与行为标记和奖励,并逐步增加鉴别罐的个数;
3、训练犬从简单气味中分化癌症气味:使用8个鉴别罐,其中1个放入目标物,其余7个放入无任何吸附气味的空气味瓶,训练犬学习从8个鉴别罐中寻找有气味的目标物,正确示警以后使用响片标记,并给与奖励,重复上述训练,直到犬能稳定工作再进行下一步的训练;
4、训练犬从复杂气味中分化癌症气味:首先,使用8个鉴别罐,其中1个放入目标物,其余7个放入配物气味,依次排好,单独使用1个鉴别罐放入与目标物相同的气味作为嗅源,先让犬闻嗅源,然后让犬去搜索8个鉴别罐中的目标气味,犬准确示警后响片标记并给与奖励,如此反复多次训练;其次,调整嗅源和目标物气味,使用2个不同肺癌患者的呼出气味样本,其中1个作为嗅源,另一个作为目标物,先让犬闻嗅源,然后让犬从8个鉴别罐中寻找目标物,目的在于使犬在不同的肺癌样本中找出共性气味;再次,去掉嗅源,训练犬在没有嗅源气味条件下,直接搜索目标物的能力;
5、犬的否定式训练:否定式训练也称空白训练,即在一组搜索训练中没有目标物,犬不能对其中任何一个样本反应;否定式训练要把握以下几个关键点:①、不宜训练过多,单独的否定式训练不宜过多,根据最适觅食理论的,犬会在投资最小和收益最大的情况下改变觅食行为,否定式训练过多,会造成犬作业敷衍;②、拒绝“强迫反应”,所谓“强迫反应”即在已知目标物存在的条件下强迫犬进行示警反应,在一次训练中,训导员即使知道目标物在被鉴物中,也不要强迫犬反复嗅闻直到准确示警为止,应该是在犬嗅闻两遍以后,纵然犬没有示警反应,也要即时将犬唤回,停止搜索行为;③、把握奖励的度;否定式的训练,犬不反应是正确表现,要给予奖励,在目标物存在的训练中,犬不反应或错误反应都是错误表现,此时不能“强迫反应”,又要鼓励犬的积极性和自信心,在这两种场景下的矛盾行为中要把握奖励的“度”,“度”既要传递犬表现正确的奖励信号,又要在犬错误表现的情况下安抚犬的情绪;
6、随机目标物训练:在一次训练中,可能没有目标物,也可能有多个目标物,在8个鉴别罐中随机放置目标物,让犬逐个搜索,犬示警以后将目标物拿掉继续搜索,直到对所有鉴别罐逐个嗅认后,一次训练结束;
7、间歇奖励的训练:间歇奖励即在多次的训练中,对犬正确的鉴别行为有些给予奖励,有些不给予奖励,间歇奖励要逐步引入,如果计划10次正确示警给予1次奖励,很可能有些犬坚持不到第10次的训练,因此在后期的训练中,一次训练可能会进行两遍或者五遍训练,建议训导员只奖励1-2次,其余的正确行为给予抚摸安抚即可,然后逐步减少奖励的量,将奖励的频率向实际使用中肺癌的发病率靠近。
一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法的辅助装置,其特征在于:它包含瓶身、锡箔垫片、瓶盖、吹气口、气口密封套、橡胶塞、橡皮筋、出气口、无菌纱布、封口膜;所述的瓶身的两侧分别设置有吹气口和出气口,吹气口和出气口的外周分别设置有突出的外沿,外沿处通过橡皮筋固定有气口密封套,吹气口和出气口分别固定橡胶塞,瓶身上端的瓶口处固定有封口膜,瓶盖内设置有锡箔垫片,瓶身上端瓶口旋接有瓶盖;所述的瓶身内,在吹气口与出气口之间设置有三层无菌纱布。
训练过程要不断更换来源不同的肺癌样本和非肺癌样本,训练犬检测肺癌阳性样本或者辨识与嗅源相同气味的被鉴物,实质上就是教给犬一个概念,如果在训练过程中反复出现一些样本,犬在短时间内识别学会识别被鉴物中的目标物,但不一定是因为它们的共同之处,如果仅仅用十几个样本反复进行训练,那么在测试过程中犬就不太可能对新奇的样本气味做出准确的反应,训练中尽可能增加训练样本的丰富度,使其对目标气味产生泛化,在众多不同的复杂气味分子中,勾勒出具有特异性的气味图像。
所训练的肺癌鉴别犬的验收标准:肺癌鉴别犬在标准实验条件下,按照双盲和随机目标物的测试要求,其对肺癌样本检测的灵敏度和特异性不低于80%。
上述步骤2中,样品气味采集包括目标物气味样本——肺癌患者呼出气体和配物样本——健康人的呼出气体,所采集的目标物样本一定是确诊的肺癌患者样本,所采集的配物样本一定是无肺癌的人的样本,配物样本包括不同年龄、不同性别、不同地域人样本,以便犬从更多的气味类型中分化肺癌气味。
一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法的辅助装置,配备有拉口式的无菌采样袋,无菌采样袋上贴设有样本标记层。
一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法的辅助装置,其使用方法如下:样品气味采集:从无菌采样袋中拿出气味瓶,打开吹气口和出气口,被采集人嘴巴含住吹气口向瓶中吹起5分钟,气体穿过无菌纱布从出气口中出来,吹起结束后,用橡胶塞分别塞住两个气口,对采集瓶进行第一次密封,然后用密封套封住两个气口,实现对采集瓶的第二次密封,最后将采集瓶放入无菌采样袋中,拉上无菌采样袋拉链,实现对采集瓶的第三次密封,放入-20℃冰箱中冻存,使用时,将气味瓶取出,撕下瓶口的密封膜,打开瓶盖,揭掉锡箔垫片,将气味瓶放入鉴别罐中。
采用上述方法后,本发明产生的有益效果为:本发明所述的一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法及辅助装置,解决了目前基于呼出气体特征的电子鼻或气相色谱技术检测肺癌特异性和灵敏度不够高的问题,以及常规肺癌诊断灵敏度不高和对人体侵入性的问题。
附图说明
图1是本发明肺癌鉴别犬的训练方法的辅助装置的分解结构图;
图2是本发明肺癌鉴别犬的训练方法的辅助装置的组装结构图。
附图标记说明:
瓶身1、锡箔垫片2、瓶盖3、吹气口4、气口密封套5、橡胶塞6、橡皮筋7、出气口8、无菌纱布9、封口膜10、外沿11。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
参看如图1——图2所示,本具体实施方式采用如下技术方案:一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法的辅助装置,它包含瓶身1、锡箔垫片2、瓶盖3、吹气口4、气口密封套5、橡胶塞6、橡皮筋7、出气口8、无菌纱布9、封口膜10;所述的瓶身1的两侧分别设置有吹气口4和出气口8,吹气口4和出气口8的外周分别设置有突出的外沿11,用于固定气口密封套5,外沿11处通过橡皮筋7固定有气口密封套5,气口密封套用于套住橡胶塞和气口,是为了对两个气口进行二次密封,橡皮筋7束缚在气口外沿上以防止脱落,吹气口4和出气口8分别固定橡胶塞6,瓶身1上端的瓶口处固定有封口膜10,封口膜10上方设置有锡箔垫片2,起到瓶口的密封效果,瓶身1上端瓶口旋接有瓶盖3;所述的瓶身1内,在吹气口4与出气口8之间设置有三层无菌纱布9,主要用于吸附人体呼出气体的挥发性有机物。
本具体实施方式配备有拉口式的无菌采样袋,无菌采样袋上贴设有样本标记层,用于装玻璃瓶和标记样本信息。
本具体实施方式肺癌鉴别犬的训练方法的辅助装置优势在于:
1、防止样品气味受到环境气味污染和样品气味泄露。首先,本发明的气味采集瓶单独设置了吹起口和出气口,使吸附气味的无菌纱布不暴露于采样环境中,有效避免了环境气味对样品的污染。其次,在使用样品前瓶口一直处于密封状态,并且两个气口分别做了二次密封,有效防止了样品的泄露;
2、可以有效避免不同样品的交叉污染。本发明除了对采集瓶做了二次密封以外,由于采样过程中不同被采集对象触摸瓶身,瓶身上会残留有样品采集对象的手部气味,使用密封袋再次进行密封,有效防止了不同被采集对象气味间的交叉污染。
实施例1:
(1)样本采集
本试验共采集24例肺癌患者样本,96例健康人员的呼出气体样本,每例样本采集3份,共计360份。为了尽量避免在健康人的对照样本中隐含肺癌气味样本, 根据2015年中国恶性肿瘤流行情况分析报告,本试验所用的健康样本均为30岁以下年轻人样本,样本信息列于表1。
表1为样本信息表:
样本分类 肺癌样本 饭前不抽烟 饭前抽烟 饭后不抽烟 饭后抽烟 医院环境下饭后不抽烟
数量 24例 24例 18例 18例 18例 18例
采样地点 江西省肿瘤医院 公安部南昌警犬基地 公安部南昌警犬基地 公安部南昌警犬基地 公安部南昌警犬基地 江西省肿瘤医院
(2)试验动物
本研究从公安部南昌警犬基地选择2头2岁龄的马里努阿犬和1头6月龄的母德国牧羊犬作为训练用犬,其中马里努阿犬分别编号为1号犬、2号犬,德国牧羊犬编号为3号犬。
(3)测试及数据分析方法
本试验的测试采用“双盲法”进行,共测试24次,每天6次。测试所使用的样本均是未使用过的新采集的样本,使用8个鉴别罐呈线性排列。数据分析使用http://vassarstats.net/clin1.html在线程序计算了在95%置信区间(CI)条件下检测的灵敏度(SE)、特异性(SP)、阳性预测值(PPV)和阴性预测值(NPV)。
(4)结果分析
本测试共使用肺癌样本42份,健康人样本150份,具体结果见表2和表3。表2结果显示,3头犬对肺癌的识别的灵敏度均达到90%以上,灵敏度和特异性分别为91.5%(84.9%-95.5%)、98.2%(96.4%-99.2%),阳性预测值和阴性预测值分别为93.7%和97.6%。这一结果显著高于肺癌常规诊断所使用的影像学检查、病理检查、癌标志物检查等技术方法,表明使用该训练方法可以训练犬特异性识别肺癌气味,3头犬在随机条件下的鉴别肺癌的结果列于表2,3头犬在随机条件下的鉴别肺癌的预测值列于表3。
表2为3头犬在随机条件下的鉴别肺癌的结果:
Figure 145107DEST_PATH_IMAGE002
表3为3头犬在随机条件下的鉴别肺癌的预测值:
阳性 假阳性 阴性 假阴性 PPV NPV
118 11 439 8 93.6% 97.6%
实施例2:
本试验共采集12例早期肺癌患者样本,其中Ⅰ期和Ⅱ期肺癌各6例,采集35岁以上健康人群样本24例,每例样本采集3份,共计108份。采用上述方法进行测试,每头犬测试12次,结果显示3头犬鉴别早期肺癌的特异性和灵敏度分别为98%和89%,犬对人类早期肺癌的检测结果列于表4。
表4为犬对人类早期肺癌的检测结果:
阳性 假阳性 阴性 假阴性 灵敏度 特异性
1号犬 10 2 82 2 0.83 0.98
2号犬 11 1 83 1 0.92 0.99
3号犬 10 1 76 1 0.91 0.99
共计 31 4 241 4 0.89 0.98
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法,其特征在于它包含如下步骤:
(1)、犬前期搜索能力的培养:包括培养犬的搜索能力和示警形式,训练前保持犬的饥饿状态,使犬具有较强的食物欲求,然后把少量的食物放入一排鉴别罐中,让犬主动到鉴别罐中寻找食物,当犬找到食物以后,训导员下达“坐”的指令,犬按照指令坐下以后,立即用响片标记犬的行为,并将鉴别罐中的食物奖励给它,多次重复训练,直到犬找到食物后主动“坐”在鉴别罐旁边为止;
(2)、犬对肺癌患者呼出气体气味的记忆训练:以载有肺癌气味的气味瓶作为目标物,将3个鉴别罐依次排好,在其中1个鉴别罐中放入吸附了癌症患者气味的气味采集瓶,另外2个是空鉴别罐,让犬在自由状态下逐个嗅闻,当犬嗅闻放置了气味瓶的鉴别罐时,立即按下响片标记犬的正确行为,并给食物奖励,按照上述方法多次重复训练,当犬对装有气味瓶的鉴别罐表现出积极的兴奋状态后,让犬主动示警后再给与行为标记和奖励,并逐步增加鉴别罐的个数;
(3)、训练犬从简单气味中分化癌症气味:使用8个鉴别罐,其中1个放入目标物,其余7个放入无任何吸附气味的空气味瓶,训练犬学习从8个鉴别罐中寻找有气味的目标物,正确示警以后使用响片标记,并给与奖励,重复上述训练,直到犬能稳定工作再进行下一步的训练;
(4)、训练犬从复杂气味中分化癌症气味:首先,使用8个鉴别罐,其中1个放入目标物,其余7个放入配物气味,依次排好,单独使用1个鉴别罐放入与目标物相同的气味作为嗅源,先让犬闻嗅源,然后让犬去搜索8个鉴别罐中的目标气味,犬准确示警后响片标记并给与奖励,如此反复多次训练;其次,调整嗅源和目标物气味,使用2个不同肺癌患者的呼出气味样本,其中1个作为嗅源,另一个作为目标物,先让犬闻嗅源,然后让犬从8个鉴别罐中寻找目标物,目的在于使犬在不同的肺癌样本中找出共性气味;再次,去掉嗅源,训练犬在没有嗅源气味条件下,直接搜索目标物的能力;
(5)、犬的否定式训练:否定式训练也称空白训练,即在一组搜索训练中没有目标物,犬不能对其中任何一个样本反应;否定式训练要把握以下几个关键点:①、不宜训练过多,单独的否定式训练不宜过多,根据最适觅食理论的,犬会在投资最小和收益最大的情况下改变觅食行为,否定式训练过多,会造成犬作业敷衍;②、拒绝“强迫反应”,所谓“强迫反应”即在已知目标物存在的条件下强迫犬进行示警反应,在一次训练中,训导员即使知道目标物在被鉴物中,也不要强迫犬反复嗅闻直到准确示警为止,应该是在犬嗅闻两遍以后,纵然犬没有示警反应,也要即时将犬唤回,停止搜索行为;③、把握奖励的度;否定式的训练,犬不反应是正确表现,要给予奖励,在目标物存在的训练中,犬不反应或错误反应都是错误表现,此时不能“强迫反应”,又要鼓励犬的积极性和自信心,在这两种场景下的矛盾行为中要把握奖励的“度”,“度”既要传递犬表现正确的奖励信号,又要在犬错误表现的情况下安抚犬的情绪;
(6)、随机目标物训练:在一次训练中,可能没有目标物,也可能有多个目标物,在8个鉴别罐中随机放置目标物,让犬逐个搜索,犬示警以后将目标物拿掉继续搜索,直到对所有鉴别罐逐个嗅认后,一次训练结束;
(7)、间歇奖励的训练:间歇奖励即在多次的训练中,对犬正确的鉴别行为有些给予奖励,有些不给予奖励,间歇奖励要逐步引入,如果计划10次正确示警给予1次奖励,很可能有些犬坚持不到第10次的训练,因此在后期的训练中,一次训练可能会进行两遍或者五遍训练,建议训导员只奖励1-2次,其余的正确行为给予抚摸安抚即可,然后逐步减少奖励的量,将奖励的频率向实际使用中肺癌的发病率靠近。
2.一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法的辅助装置,其特征在于:它包含瓶身、锡箔垫片、瓶盖、吹气口、气口密封套、橡胶塞、橡皮筋、出气口、无菌纱布、封口膜;所述的瓶身的两侧分别设置有吹气口和出气口,吹气口和出气口的外周分别设置有突出的外沿,外沿处通过橡皮筋固定有气口密封套,吹气口和出气口分别固定橡胶塞,瓶身上端的瓶口处固定有封口膜,瓶盖内设置有锡箔垫片,瓶身上端瓶口旋接有瓶盖;所述的瓶身内,在吹气口与出气口之间设置有三层无菌纱布。
3.根据权利要求1所述的一种基于人呼出气体样本的肺癌鉴别犬的训练方法,其特征在于:训练过程要不断更换来源不同的肺癌样本和非肺癌样本,训练犬检测肺癌阳性样本或者辨识与嗅源相同气味的被鉴物,实质上就是教给犬一个概念,如果在训练过程中反复出现一些样本,犬在短时间内识别学会识别被鉴物中的目标物,但不一定是因为它们的共同之处,如果仅仅用十几个样本反复进行训练,那么在测试过程中犬就不太可能对新奇的样本气味做出准确的反应,训练中尽可能增加训练样本的丰富度,使其对目标气味产生泛化,在众多不同的复杂气味分子中,勾勒出具有特异性的气味图像。
4.根据权利要求1所述的一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法,其特征在于:所训练的肺癌鉴别犬的验收标准为:肺癌鉴别犬在标准实验条件下,按照双盲和随机目标物的测试要求,其对肺癌样本检测的灵敏度和特异性不低于80%。
5.根据权利要求1所述的一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法,其特征在于:步骤(2)中,样品气味采集包括目标物气味样本——肺癌患者呼出气体和配物样本——健康人的呼出气体,所采集的目标物样本一定是确诊的肺癌患者样本,所采集的配物样本一定是无肺癌的人的样本,配物样本包括不同年龄、不同性别、不同地域人样本,以便犬从更多的气味类型中分化肺癌气味。
6.根据权利要求2所述的一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法的辅助装置,其特征在于:它配备有拉口式的无菌采样袋,无菌采样袋上贴设有样本标记层。
7.根据权利要求2所述的一种基于人呼出气体的肺癌鉴别犬的训练方法的辅助装置,其特征在于它的使用方法如下:
样品气味采集:从无菌采样袋中拿出气味瓶,打开吹气口和出气口,被采集人嘴巴含住吹气口向瓶中吹起5分钟,气体穿过无菌纱布从出气口中出来,吹起结束后,用橡胶塞分别塞住两个气口,对采集瓶进行第一次密封,然后用密封套封住两个气口,实现对采集瓶的第二次密封,最后将采集瓶放入无菌采样袋中,拉上无菌采样袋拉链,实现对采集瓶的第三次密封,密封完毕放入-20℃冰箱中冻存,使用时,将气味瓶取出,撕下瓶口的密封膜,打开瓶盖,揭掉锡箔垫片,将气味瓶放入鉴别罐中。
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