CN1973301B - 用于显示与3d管状对象的参数有关的信息的图像处理系统 - Google Patents

Abstract

一种图像处理系统，用于处理由壁(5，6)所限定的腔(LUM)形成的3D基本上管状的结构(AAA)的3D图像，包括：处理装置(102)，用于分割结构的3D外或内表面；估计局部参数，例如局部壁厚(T)或直径；以及显示装置(105)，用于显示具有根据色码进行着色的区域的3D分割表面，以便指示在所述区域中的局部参数值。所述系统可以包括：处理装置，其用于生成(107)3D虚拟圆柱并将颜色编码的3D分割表面投影(108)到根据相同色码进行着色的3D虚拟圆柱表面上，以及将3D虚拟圆柱表面投影到2D色码图上；以及显示装置，用于显示具有着色区域的2D色码图，所述着色区域指示在所述区域(109)中的局部参数值(T)。

Description

用于显示与3D管状对象的参数有关的信息的图像处理系统

技术领域

本发明涉及一种图像处理系统，其具有用于在3D图像中显示3D基本上(substantially)管状的对象的表示以及与该3D基本上管状的对象的参数有关的信息的装置。

本发明进一步涉及这样的医学图像处理系统，其具有用于处理3D基本上管状的器官的医学3D图像的装置，例如程序或程序产品。本发明特别涉及一种医学图像处理系统，其具有用于显示血管的表示以及有关的几何参数的3D图像处理装置。本发明专门应用于腹主动脉瘤(AAA)和主动脉血栓的研究。

本发明进一步涉及一种被连接到这种医学图像处理系统的医学成像装置，其具有用于处理由所述装置产生的基本上管状的器官的医学3D图像的装置。

背景技术

美国专利No.6718193公开了一种用于显示与管状结构有关的信息的方法和装置。所述方法包括：确定管状结构的中心线和沿着所述中心线的多个中心点；确定在各个中心点的多个横截面，所述横截面垂直于中心线；以及估计与每个横截面相关的直径的值。所述方法另外包括通过显示表示在中心线旁边的直径变化的曲线来生成管状结构的修正图像。根据所述方法，通过使用跟踪该中心线的自动方法或通过用户手动输入来限定感兴趣的管状结构的中心线。对于中心线的每一点，找到与中心线垂直的横截面，并且对于每个截面，诸如在所述平面中的管状结构的横截面积、最大直径和最小直径之类的信息被计算并且存储在存储器中。通常显示为弯曲的管状结构的中心线被校直成直轴。使用该校直的中心线，管状结构也被校直并且由“展开的管状结构”来表示。然后，沿着管状结构的校直图像的一边，以先前存储的直径值的定量信息来显示曲线集。特别地，管状结构可以是血管。所引用专利的方法包括：确定沿着血管的至少一部分的中心线；确定在沿着中心线的横截面的直径特征；以及使用校直的中心线来生成校直血管的图像。所引用的专利进一步涉及一种用于显示与血管有关的信息的装置。所述装置包括：用于获得与实际血管有关的数据的装置，以及用于生成具有由所述数据表示的横截面的直径特征的校直血管的装置。所述装置进一步包括用于在校直血管的图像旁边生成图形图像的装置，所述图形图像示出作为沿着校直血管图像的校直轴的位置的函数的实际血管的参数变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于显示基本上管状的对象的3D图像以及与管状对象有关的局部参数信息的图像处理系统，所述参数信息易读并且容易由系统的用户获得。

本发明提出一种图像处理系统，其具有用于在3D图像中分割3D管状对象的3D基本上管状的表面、用于估计与所述对象有关的局部参数以及用于以颜色编码的方式将所述局部参数显示在所分割的3D表面上的装置。基本上管状的表面可以是管状对象的内或外壁表面。局部参数可以是内或外局部直径、局部直径变化或局部壁厚或局部壁厚变化、或其它局部参数。

3D基本上管状的对象可以是在3D医学图像中所表示的基本上管状的器官。管状器官可以是血管。

由于所分割的3D表面的颜色编码，检查管状对象的该表面的3D视图的从业医生立即获得与局部参数值有关的清楚信息。

关于血管，动脉瘤是在血管的一部分中的膨胀或扩张。动脉瘤可以出现在任何血管中，但是在动脉中常见得多。腹主动脉瘤(AAA)是在主动脉的腹部中的扩张。这是最常见类型的动脉瘤之一。主动脉瘤具有爆裂的危险。当主动脉瘤爆裂时，它是灾难性事件，患者会在大约数分钟内死于内出血。在大多数情况下，爆裂(破裂)主动脉瘤是致命的。动脉瘤破裂的风险随着外动脉瘤尺寸而变化。主动脉瘤越大，它破裂的风险越大。已经发现，一旦动脉瘤尺寸增加超过6.0cm，在下一年破裂的风险急剧增加。

诊断动脉瘤的方式是利用腹部的超声扫描，这是简单且安全的测试。当动脉瘤扩大时可以考虑手术。手术防止动脉瘤在将来破裂或导致其他并发症。在手术前，大多数患者将经历CT(计算机断层摄影)扫描以更详细地检查动脉瘤。CT提供主动脉的横截面图。

已经发现，动脉瘤的形状并不显示出主动脉直径的平滑且连续的增加和减小。在AAA的区域中，外主动脉直径和壁厚二者突然且急剧增加，而主动脉腔的直径并不明显增加。爆裂常常在动脉瘤的每一侧发生在主动脉的显著扩大区域和仍然正常区域之间的连接处之一。因此，重要的问题在于检查在动脉瘤区域中的主动脉壁(称为血栓)的厚度。

因此，本发明的一个目的是提供一种用于显示主动脉的图像以及与AAA区域中的血栓有关的局部几何信息的医学图像处理系统。本发明的另一目的是提供这样一种系统，其用于显示易读和易使用的血栓相关几何信息。有利地，几何信息可以是局部血栓厚度。

直到现在，在现有技术中仅公开了显示管状结构的直径变化的曲线。在3D中可视化腔直径和血栓直径二者的曲线并不允许估计两个表面之间的实际3D距离。然而，AAA腔周围的血栓的异常厚度被视为可能的恶性肿瘤的指标。因而解决血栓厚度估计和在3D中显示的问题是最重要的。

因此，本发明提出一种医学图像处理系统，其具有图像处理装置以用于分割AAA外或内基本上管状的表面以及用于计算血栓的厚度，导出厚度值和色码之间的映射，以及根据该色码为分割的AAA表面着色。

本发明的系统解决了AAA医学检查的问题，因为该系统允许容易地估计血栓厚度和清楚地显示该信息。由于所分割的主动脉外或内表面的颜色编码，检查AAA区域中该表面的视图的从业医生立即获得与血栓厚度值有关的清楚信息，甚至能够确定哪个区域的血栓在3D中是最厚的。

因而，不同于现有技术，使用相应的色彩图，对于血栓(AAA的外壁或内壁)的颜色编码的表面表示估计血栓厚度，并且血栓厚度的此最重要信息易获得且易读。

可以基于离散可变形模型来分割象动脉这样的基本上管状的器官的表面。可变形模型可以是被称为双单纯形(simplex)网格、三角网格的类型中的任何一种或任何其他类型的主动轮廓模型，它可以拟合这样的管状器官，所述管状器官的壁具有被称为血栓的变形。AAA的外表面被表示为网格，在该网格上可以以颜色编码的方式在网格的任何点处获得血栓厚度。

尽管非常有意义，但是着色的所分割表面的3D视图需要一些用户交互以便在3D中检查所述分割的表面的每一侧。这特别适用于AAA区域中血栓的分割的3D表面。

本发明提出一种图像处理系统，其具有用于将颜色编码的分割表面映射到虚拟圆柱表面上的另一处理装置。这通过将着色的分割表面投影到虚拟圆柱表面上来执行。这包括计算管状对象的中心线和生成以该中心线为中心的虚拟圆柱。所述图像处理系统具有显示装置以允许用户可见管状对象的3D颜色编码的分割表面和虚拟圆柱的相应颜色编码的表面。

不同于现有技术，不对管状对象中心线进行校直。

优选地，所述图像处理系统具有处理装置以通过将所述表面投影到一个平面上来展开虚拟圆柱的颜色编码的表面，所述平面与虚拟圆柱的颜色编码的表面和管状对象的颜色编码的分割表面对应地进行颜色编码。

在AAA区域中血栓的研究中，已经证明所展开的血栓的颜色编码平面(flat)投影解释起来最简单并且对于从业医生来说最有用。

附图说明

在下文中参考后面图解的附图来详细描述本发明，其中：

图1A和图1B说明腹主动脉瘤；

图2是本发明的处理装置的图示；

图3A是主动脉腔和主动脉血栓的网格表示；以及图3B是在AAA区域中主动脉的被分割表面上的血栓厚度的颜色编码表示；

图4A示出主动脉的分割的腔的网格表示以及估计的中心线，以及图4B示出腔的3D表示以及从中心线生成的3D虚拟圆柱；

图5A是在AAA区域中的主动脉被分割表面上沿第一方向的血栓厚度的颜色编码表示；图5C是在AAA的相同区域中的主动脉被分割表面上沿相反方向的血栓厚度的颜色编码表示，而图5B是颜色编码的血栓厚度在已被展开和变平的虚拟圆柱上的投影；

图6示出主动脉腔、主动脉血栓、腔中心线和虚拟圆柱沿纵轴的示意性截面；

图7说明具有观察系统的医学装置，所述观察系统具有用于实现本发明的装置。

具体实施方式

本发明涉及一种图像处理系统，其具有用于在3D图像中显示3D基本上管状的对象以及与所述管状对象的参数有关的局部信息的装置。该局部参数有利地是几何参数。3D基本上管状的对象的几何参数可以是局部直径或直径变化、对象壁的局部厚度或局部厚度变化或另一局部参数。

本发明提出一种图像处理系统，其具有用于在3D图像中分割基本上管状的对象的基本上管状的表面、用于估计所述对象的局部参数以及用于以颜色编码的方式将所述局部参数值显示在所分割表面上的装置。基本上管状的表面可以是管状对象的外或内壁表面。

本发明特别涉及这样的图像处理系统，其具有用于在3D图像中自动分割3D基本上管状的对象的表面的装置，包括将3D离散可变形模型拟合到所述3D对象的壁表面上的装置，以及具有用于显示所分割对象以及与上面定义的几何参数有关的信息的装置。

本发明特别涉及一种用于处理3D医学图像的医学图像处理系统。该系统具有用于估计血管壁的局部直径或局部厚度或所述直径的变化的处理装置，并且具有用于显示血管的图像以及血管壁的局部几何参数的易读信息的显示装置。

特别地，该医学图像处理系统具有用于以易读和易使用的方式显示与AAA、以及具体而言与血栓厚度有关的几何信息的装置。

根据本发明，该医学图像处理系统具有装置以用于分割主动脉外或内壁；估计血栓的厚度；以及以颜色编码的方式显示在主动脉外或内被分割表面上的血栓厚度。

因而，检查AAA的视图的从业医生立即获得与血栓厚度有关的清楚信息。由于颜色编码和3D表示，从业医生立即知道血栓的每个区域的厚度，特别是在3D中哪个区域的血栓最厚。

该医学图像处理系统具有分割装置来分割血栓外表面或内表面以及图像处理装置以用于计算血栓的厚度，基于厚度值和色码导出映射，以及根据该色码为分割的AAA表面着色。

因此，使用相应的色彩图在颜色编码的血栓分割表面上直接读出血栓厚度。血栓厚度的此最重要信息在网格的任何点处易于获得。

然而，用户可能具有在3D中检查管状对象的每一侧以及特别是AAA的每一侧的问题。用户必须与系统交互以全面检查AAA。

为了解决该问题，该系统具有用于将颜色编码的分割表面映射到虚拟圆柱上的另一处理装置。这可以通过将分割网格投影到虚拟圆柱表面上来执行。

因此，主动脉的被分割外或内表面以及血栓厚度颜色编码的信息可以被投影到虚拟圆柱表面上。

该系统具有处理装置以构造虚拟圆柱，其包括计算管状对象中心线。当管状对象是主动脉时，系统具有处理装置以计算主动脉腔中心线，虚拟圆柱将拟合在所述中心线上。虚拟圆柱以管状对象中心线为中心。该中心线不一定是直的。医学图像处理系统具有显示装置以允许用户可见管状对象的3D颜色编码的分割表面和相应的虚拟圆柱的颜色编码的表面。

该系统具有展开虚拟圆柱的颜色编码表面并将该表面投影到一个平面上的另一处理装置。因而，该平面与虚拟圆柱的颜色编码的表面以及与管状对象的颜色编码的分割表面对应地进行颜色编码。

当研究AAA时，所述平面与虚拟圆柱的颜色编码表面以及与血栓的颜色编码的分割表面对应地进行颜色编码。已经证明展开的虚拟圆柱的该颜色编码平面投影解释起来最简单并且对于从业医生来说最有用。利用平面表示，用户看一眼就可以估计AAA的前后面的血栓厚度。

图1A示出在由AAA表示的腹主动脉瘤的区域中由A表示的基本上管状的器官，该器官是主动脉。在该示意图中，H是心脏，K是肾，Fa和Fb是股动脉。图1B示意性地说明在AAA区域中主动脉A的正常部分1和具有异常血栓厚度的部分2。

采集装置101：图2是示意性地说明在医学应用中显示与AAA区域有关的血栓厚度信息的本发明的成像系统的主处理装置的图。参考图2，医学成像系统具有采集装置101以采集AAA区域中主动脉的3D数字图像。这样的数字图像可以由超声系统、CT系统或X射线装置或者由本领域技术人员已知的其他系统来采集。医学三维(3D)数字图像可以以灰度级被采集。

外表面分割装置102：参考图2、图3A和图3B，成像系统具有用于例如使用表示AAA区域中主动脉的边界6的网格模型EXW来分割主动脉的外表面6的装置102。

图像分割技术有利地基于被称为主动轮廓的3D可变形模型的使用。可变形模型可以是所谓的双单纯形网格、三角网格类型中的任何一种或者任何其他类型的主动轮廓模型。可以没有限制地使用创建3D可变形模型的任何技术。分割操作在于将3D可变形模型映射到AAA区域中的3D主动脉外表面上。

表示主动脉外表面的分割表面的网格由EXTH表示，而网格的部分被延伸以分割股动脉Fa、Fb的外表面。

腔分割装置103：参考图2和图4A，医学成像系统具有用于例如使用表示AAA区域中腔LUM的边界的网格模型INW来分割主动脉内表面5的处理装置103。

有利地，用于分割腔边界表面5的分割技术与前述用于分割主动脉外表面6的分割技术相同。

图3A和4A说明了形成主动脉内表面5的分割表面的由INW表示的网格，所述分割表面是腔LUM的边界，而网格的部分被延伸以分割股动脉Fa、Fb的内表面。

血栓厚度计算装置104：参考图2，系统具有用于计算血栓厚度T的另一装置104。外表面EXA、EXTH的每一点与其到主动脉壁的内表面INW的距离相关以确定血栓厚度T。血栓2是AAA区域中的厚壁，它由图3A和图6中的THR表示。在AAA的情况下，血栓厚度T会比主动脉的正常部分1中的主动脉壁的通常厚度重要得多。而且，厚度T从AAA的一个区域到另一区域可以变化很大。

血栓厚度颜色编码装置105：参考图2，本发明的成像系统具有装置105以提供主动脉壁厚的颜色编码表示和在由EXA、EXTH表示的主动脉的外分割表面上显示的血栓厚度T的颜色编码表示，如由图3B所示。

外表面EXA、EXTH的每一点与其到内表面INW的距离(称为血栓厚度T)相关，然后进行颜色编码。在图3B中，正常区域1中主动脉壁厚度的颜色编码表示由CCA表示，以及AAA区域2中血栓厚度的颜色编码表示由CCTH表示。色彩参考显示允许用户通过检查如图3B中所示的主动脉的3D视图立即确定血栓厚度。

仅仅知道分割表面估计血栓厚度的问题：参考一起示出主动脉的内壁5、血栓2和外壁6的图3A，应当注意，由于透视投影效应，在3D中直接可视化腔/血栓和血栓/壁二者的界面并不允许估计两个表面之间的实际3D距离。

颜色编码外表面的优点：代之以参考图3B，在血栓CCTH的颜色编码的表面表示上，知道相应的色彩参考图可以容易地估计血栓厚度T。因而，根据本发明，图3B的视图允许解决图3A的问题。

3D视图的问题：不能一起观察前后面：尽管非常有意义，但是图3B的视图需要一些用户交互以便检查AAA的每一侧。特别地，不可能同时可视化如由图5A和图5C所示的AAA的前后侧。本发明的成像系统具有另一装置以通过提供一种方式来解决该问题，所述方式通过首先将颜色编码的分割表面CCTH投影到虚拟圆柱CYL上，然后通过将圆柱展开以形成如由图5B所示的颜色编码2D投影图CCP，从而展开颜色编码的分割表面CCTH。

用于腔中心线创建的装置106：参考图2和图4A，成像系统包括用于创建3D路径11的路径跟踪装置106。该3D路径可以有利地是主动脉腔LUM的中心线CTL。路径跟踪工具是本领域技术人员已知的，并且可以用于确定腔LUM的中心线CTL的有序点的集合。图4A示出从腔分割中提取的中心线CTL。该中心线然后被用作虚拟圆柱12的中心。

用于生成居中圆柱的装置107：参考图2和图4B，成像系统具有装置107以生成以该中心线11为中心的虚拟圆柱12。该中心线被用作拟合圆柱的框架。虚拟圆柱12的直径D有利地与主动脉内表面5或外表面6的直径为相同数量级。例如，虚拟圆柱直径D可以在内表面直径和外表面直径的值之间，如由图6所示。

用于将血栓外表面投影到圆柱表面上的装置108：参考图2，成像系统具有装置108以将血栓的颜色编码的分割外表面CCA、CCTH投影到虚拟圆柱外表面CYL上。所分割外表面CCA、CCTH的每个颜色编码点与虚拟圆柱外表面的一点相关。因而，虚拟圆柱外表面CYL示出血栓厚度T的颜色编码表示。

其他实施例：代替以颜色编码的方式将血栓厚度信息表示到主动脉的被分割外表面上，用户可以选择将该信息表示到主动脉的被分割内表面上。然而，被分割外表面可以提供更精确的信息。

而且，代替以颜色编码的方式将血栓厚度信息表示到主动脉的被分割外或内表面上，用户可以选择表示别的信息，例如内或外局部直径、厚度变化或直径变化或其他参数。

更一般地，不同于厚度或直径的其他信息可以被计算并被颜色编码到管状器官的被分割外和/或内表面上，例如由梯度计算给出的厚度变化或直径变化，或者局部应变值或伸长值。首先被颜色编码到基本上管状的器官的外或内壁表面上的任何信息进一步被投影到虚拟圆柱上。

因而，代替将主动脉的被分割外表面和所选参数信息投影到圆柱表面上，用户可以选择投影主动脉壁的被分割内表面和相同的或另一颜色编码信息。投影诸如表面的直径之类的信息允许进一步更好地检查该表面。

投影与内表面有关的信息对于其他管状器官而言也可以特别令人感兴趣，例如结肠、气管、支气管。在某些情况下，内外被分割表面二者可以具有用于进一步投影到各自的虚拟圆柱上的颜色编码信息。

用于将展开的圆柱表面投影到一个平面上的装置109：然后，系统具有另一装置109以展开虚拟圆柱。该圆柱从给定的基准(例如脊柱的位置)被展开，这产生被称为投影图的2D图，如在图5B上所示。由CCP表示的该2D图用AAA血栓厚度T进行颜色编码。

投影图不仅可以用于显示作为颜色编码信息的血栓厚度T，而且可以显示任何其他信息，例如厚度的导数(对应于厚度的变化率)，其对于估计血栓可能破裂的位置是有用的。

投影图也可以用于显示如上所述的与内壁有关的信息。

在图5B上，标注为Ar1、Ar2、Ar3、Ar4、Ar5和Ar6的箭头指示在图5A的前面、图5C的后面和投影图CCP之间对应的颜色编码区域。

图6是沿着主动脉的纵轴z的主动脉和血栓的截面x、z，其示出了：腔LUM；中心线11，CTL；具有直径D的虚拟圆柱12，其外表面CYL具有颜色编码的血栓厚度的投影表示CCT；具有网格INW的主动脉内壁或腔边界5；具有网格EXW的主动脉外壁6，其根据具有血栓厚度T的CCT进行颜色编码。

医学观察系统和装置

可以通过本发明的观察系统来执行上述步骤。图7示出被耦合到根据本发明的图像观察系统的医学检查装置的实施例的基本部件。医学检查装置50可以包括患者躺在上面的床51或者用于相对于成像装置来定位患者的另一元件。医学成像装置50可以是CT扫描器或其他医学成像装置，例如x射线或超声装置。由装置50产生的图像数据被馈送到图像处理系统，该图像处理系统包括数据处理装置70，例如通用计算机。数据处理装置70典型地与显示装置和输入设备相关，所述显示装置例如是监视器60，所述输入设备例如是键盘72、或鼠标71、定点设备等，其可以由用户操作以使他可以与系统交互。数据处理装置70被编程以处理根据本发明的医学图像数据。特别地，数据处理装置70具有计算装置和存储装置以执行本发明。具有预编程指令以执行本发明的计算机程序产品也可以被实施。

上文的附图及其描述是说明而非限制本发明。显然存在许多落在所附权利要求书范围内的替代方式。而且，尽管按照生成供显示的图像数据已经描述了本发明，但是本发明打算基本上覆盖图像数据的任何形式的可视化，包括但不限于显示在显示设备上以及打印。在一个权利要求中的任何参考标记都不应当被解释为限制该权利要求。

Claims (9)

1.一种图像处理系统，用于处理由壁所限定的腔形成的3D基本上管状的结构的3D图像，以及用于显示该结构的3D表示以及与所述结构的局部参数有关的信息，包括：

用于分割(102)该结构的3D基本上管状的表面；估计(104)所述结构的局部参数(T)；以及导出参数值和色码之间的映射的处理装置；

用于生成(107)3D虚拟圆柱并将颜色编码的3D分割表面投影(108)到根据相同的色码进行着色的虚拟圆柱表面上的处理装置，其中所述处理装置进一步被设置来通过展开所述圆柱表面以将所述虚拟圆柱表面投影(109)到2D表面，所述2D表面被称为2D色码图，其根据相同的色码进行着色；以及

显示装置，用于显示(105)具有根据该色码进行着色的区域的2D色码图，以便指示在所述区域中的参数值(T)。

2.权利要求1所述的图像处理系统，其中3D管状结构是在3D医学图像中表示的3D基本上管状的器官，包括：

处理装置，用于分割(102)该器官的3D外或内表面；估计(104)所述器官的局部参数(T)；以及导出参数值和色码之间的映射；以及

显示装置，用于显示(105)具有根据该色码进行着色的区域的3D分割表面，以便指示在所述区域中的参数值。

3.权利要求2所述的图像处理系统，用于研究腹主动脉瘤(AAA)和AAA区域中的主动脉血栓，包括处理AAA区域中3D主动脉的3D图像和显示该主动脉的3D表示以及与血栓厚度有关的信息，包括：

处理装置，用于分割(102，103)AAA区域中主动脉的3D外或内表面；估计(104)与AAA区域中3D主动脉的血栓有关的局部参数(T)；以及导出血栓参数值和色码之间的映射；以及

显示装置，用于显示(105)具有根据该色码进行着色的区域的3D分割表面，以便指示在所述区域中的血栓参数(T)。

4.权利要求1所述的图像处理系统，用于生成虚拟圆柱，包括：跟踪装置(106)，用于沿着管状对象的纵轴提取被称为3D路径的有序点的集合；以及处理装置，用于生成(107)以3D路径为中心的虚拟圆柱。

5.权利要求1-4之一所述的图像处理系统，其中局部参数是3D基本上管状的结构或3D基本上管状的器官或AAA区域中的主动脉血栓的壁厚、或者壁厚的变化、或者外或内壁的直径或者所述直径的变化。

6.权利要求1-5之一所述的图像处理系统，其中用于分割3D基本上管状的结构或3D基本上管状的器官或AAA区域中的主动脉血栓的3D外壁表面和/或3D内壁表面的装置包括使用被称为主动轮廓的3D可变形模型。

7.权利要求6所述的图像处理系统，其中3D可变形模型是被称为双单纯形网格或三角网格的类型。

8.权利要求1-7之一所述的图像处理系统，其中用于估计壁厚或血栓厚度的装置包括用于计算在外壁表面的点与内壁表面的相关点之间的距离的计算装置。

9.一种医学检查装置，具有：用于采集具有基本上管状的部分的身体器官的三维图像的装置；以及根据权利要求1-8之一的图像处理系统。

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