JP5305673B2 - 磁気共鳴断層撮影による画像化方法、スピン断層撮影装置およびコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、医学の分野において被検者の検査に適用される核スピン断層撮影（磁気共鳴断層撮影と同義語であるので、以下では磁気共鳴断層撮影または略してＭＲＴとも呼ぶ。）に関する。特に、本発明は、磁気共鳴断層撮影による画像化（ＭＲＴ画像化）におけるスライス選択のマルチスライス励起の効率を明白に高める方法ならびに方法を実施するための磁気共鳴断層撮影システムに関する。

ＭＲＴは核スピン共鳴の物理現象を基礎とし、画像化方法として１５年以上前から医学や生物物理学の分野で成功裡に使用されている。この検査方法では、被検体は強力な一定磁場に曝される。それによって、それまで無規則に配列されていた被検体内の原子核スピンが整列する。

高周波はこの「整列した」核スピンを励起して振動を起こさせる。ＭＲＴでは、この振動が本来の測定信号を発生し、この本来の測定信号が適当な受信コイルにより受信される。傾斜磁場コイルで作られた非均一な磁場を使用することによって、被検体は、３つの全空間方向に空間的にコード化される。この方法は撮像すべき断層の自由な選択を可能にし、それによって全ての方向における人体の断層像を撮影することができる。医学的診断における断層像撮影法としてのＭＲＴは、まず第１に「非侵襲」の検査法として多面的なコントラスト能力によって傑出している。ＭＲＴは、軟組織の卓越した表示可能性により、Ｘ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）を何倍も勝っている方法に発展した。ＭＲＴは、今日では、秒ないし分範囲の測定時間で抜群の画質を可能にするスピンエコーシーケンスおよびグラジエントエコーシーケンスの使用を基礎においている。

被検者の比較的大きな区分の検査のために、もしくは全身撮影のために、一般にｚ方向つまり被検者の体軸方向における連続的なテーブル移動（英語：ＭＤＳ＝Ｍｏｖｅ Ｄｕｒｉｎｇ Ｓｃａｎ、スキャン中移動）もしくは区分ごとのテーブル移動が、３次元スライス選択のマルチスライス励起と有利に組み合わされるとよい。しかしながら、スライス選択の３Ｄ画像化の画質は、それぞれ使用される高周波励起パルスの形状に強く依存する。この形状は、理想的な矩形状（つまり、厳密に水平な平坦域を区切る垂直な側面）ではなく、両側において一般に多かれ少なかれ傾斜した側面を有し、平坦域の期間において直線経過からはずれている。図２Ａおよび図２Ｂには、このような実際の形状が理想的な形状と対比されている。このような理想的でない非矩形の励起プロファイルに対するシステムの応答特性もしくは信号特性（英語：ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ、応答関数）は、同様に理想的でなく、スライスエンコーディング方向（ｚ方向）において不均一性を示す。

ｚ方向におけるこのような画像アーチファクトを防止する従来技術に基づく可能性は、それぞれの励起ブロック（英語：ｓｌａｂ、スラブ）のＦＯＶ（撮像視野）を、それぞれの理想的でない高周波励起パルスにおける十分に水平な範囲（平坦域）のみに制限することにある。この場合に発生する問題点は、高周波パルス側面の非走査時におけるＦＯＶへの（励起ブロックへの）信号成分の折り返し現象にある。つまり、この信号成分は、理想的でない高周波パルスのＦＯＶの外側に置かれた側面の非走査によって発生される信号成分である。

特に、ｚ方向における区分ごとの走査の場合（この場合、そのようにして得られたブロックごとの画像データセットが同様にｚ方法においてつなぎ合わされる。）、この問題点が撮像範囲全体に折り返しアーチファクトを生じ、これが最終的に極めて不具合な画質をもたらす。

従来技術に基づいてこの問題点は、ＦＯＶを平坦域幅に制限するにもかかわらず、空間エンコーディング（すなわち、ｋ空間走査）が各高周波励起パルスの高周波パルス幅全体に沿って行なわなければならないかもしくは行なわれること次によって対処される。すなわち、全ての側面がエンコーディング時および最終的に後の画像再構成時に考慮されるべきであるかもしくは考慮される。したがって、側面範囲のいわゆるオーバーサンプリングが行なわれ、結局これが相応に悪化した測定時間延長を生じる。

これを大々的に容認できる限度にとどめるためには、高周波励起パルス（スラブプロファイル）の鋭さを最適化しなければならない。すなわち、パルス側面が急峻にされなければならず、このことは、再び高周波パルス励起エネルギーの増大を必要とし、患者にとって不利なことに、検査すべき組織へのエネルギー投入（比吸収率ＳＡＲ）を部分的に容認できない値まで高める。

以上の説明から分かるように、本発明の基礎をなす磁気共鳴断層撮影方法には、現在の従来技術に基づいて妥協の解決策によって起きる問題連鎖が存在する。オーバーサンプリングによるスキャン効率の損失は、もちろんある程度までのみであるが、スラブプロファイルの拡張が制限されることによって我慢される。もちろん、これはＳＡＲ限界が守られる範囲内でのことである。

本発明の課題は、磁気共鳴断層撮影による画像化における３次元スライス選択のマルチスライス励起を改善することを可能にする方法ならびにその方法を実施するためのシステムを提供することにある。

この課題は、本発明によれば、１つの空間方向に沿って相互にずらされて区切られそれぞれの側面範囲では重なり合う少なくとも２つの被検体空間領域の磁気共鳴信号からなるデータセットの取得を、同様にこの方向の不均一な非側面範囲における位相エンコーディングにより行い、これらの空間領域のうちの少なくとも１つの空間領域について、当該空間領域全体に限定して被検体情報を変調する変調関数が求められる磁気共鳴断層撮影による画像化方法において、
変調関数に基づいて、異なる空間領域の重なり範囲における折り返しアーチファクトが算出され、空間方向におけるそれぞれの空間領域の非側面範囲の磁気共鳴断層撮影画像が、算出された折り返しアーチファクトの考慮のもとに折り返しアーチファクトなしに結合され、折り返しアーチファクトのない結合が、折り返しアーチファクトの低減された目標値の算出によって行なわれ、その算出は、折り返しアーチファクトを有する測定された値と、少なくとも１つの変調関数の値との線形結合によって行なわれること解決される（請求項１）。
方法に関する本発明の有利な実施態様は次の通りである。
・１つの空間領域の変調関数が、当該空間領域における空間選択の高周波励起パルスのフリップ角分布を求めることによって求められる（請求項２）。
・１つの空間領域の変調関数が、当該空間領域における局所的な送信コイルの感度分布を求めることによって求められる（請求項３）。
・データセットの取得が、それぞれ、空間方向への被検体の逐次移動に基づいて行なわれる（請求項４）。
・データセットのそれぞれの取得が空間方向への被検体の連続移動中に行なわれる（請求項５）。
・折り返しアーチファクトの算出時に重なり範囲における冗長的な被検体情報の知識が考慮される（請求項６）。

本発明によれば、１つの空間方向に沿って相互にずらされて区切られそれぞれの側面範囲では重なり合う少なくとも２つの被検体空間領域の磁気共鳴信号からなるデータセットの取得を、同様にこの方向の不均一な非側面範囲における位相エンコーディングにより行い、これらの空間領域のうちの少なくとも１つの空間領域について、当該空間領域全体に限定して被検体情報を変調する変調関数が求められる磁気共鳴断層撮影による画像化方法において、変調関数に基づいて、異なる空間領域の重なり範囲における折り返しアーチファクトが算出され、空間方向におけるそれぞれの空間領域の非側面範囲の磁気共鳴断層撮影画像が、算出された折り返しアーチファクトの考慮のもとに折り返しアーチファクトなしに結合される。

１つの空間領域の変調関数は、当該空間領域における空間選択の高周波励起パルスのフリップ角分布を求めることおよび／または当該空間領域における局所的な送信コイルの感度分布を求めることによって、求められると好ましい。

更に、折り返しアーチファクトのない結合が、折り返しアーチファクトの低減された目標値の算出によって行なわれ、その算出は、折り返しアーチファクトを有する測定された値（Ｊｎ（ｚ））と、少なくとも１つの変調関数（Ｓｎ）の値（Ｓ（ｚ））との線形結合によって行なわれると好ましい。

データセットの取得が、本発明によれば、本発明の可能な実施態様においては、それぞれ、空間方向への被検体の逐次移動に基づいて行なわれ、あるいは他の可能な実施態様においては、データセットのそれぞれの取得が空間方向への被検体の連続移動中に行なわれる。

更に、本発明にしたがって、折り返しアーチファクトの算出時に重なり範囲（オーバーラップ範囲）における冗長的な被検体情報の認識が考慮されるとよい。

更に、本発明は、本発明による方法を実施するために適した核スピン断層撮影装置に関する。

同様に、本発明は、核スピン断層撮影装置に接続された計算装置において本発明による方法を実行する、コンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。

次に、添付図面を参照しながら、実施例に基づいて、本発明の他の利点、特徴および特性を更に詳細に説明する。

図１は本発明による方法を実施するための本発明によるＭＲＴ装置の概略図を示す。

図２Ａは理想的なスラブプロファイル（矩形状の変調関数）を概略的に示す。

図２Ｂは実際のスラブプロファイル（傾斜した側面と平坦域における凹みもしくは非直線経過とを有する変調関数）を概略的に示す。

図３は各スライスの理想的でないスラブプロファイルの重なり合いを有するｚ方向における３重マルチスライス励起を示す。

図１は、本発明による被検体の核スピン画像を作成するための磁気共鳴画像化装置つまり核スピン断層撮影装置の概略図を示す。この核スピン断層撮影装置の構成は従来の断層撮影装置の構成に相当する。静磁場磁石１は、例えば人体の検査部位の如き被検体の検査領域において核スピンを偏極もしくは整列させるための時間的に一定の強い磁場を発生する。核スピン共鳴測定に必要な静磁場の高い均一性は、人体の検査部位が挿入される球形の測定ボリュームＭ内に生じている。このために、患者は、患者の検査領域を均一ボリューム内に位置決めするために、静磁場磁石内に挿入される移動可能な患者用寝台５（移動可能なテーブル）上に寝ている。均一性要求を援助するために、特に時間的に変化しない影響を除去するために、適当な個所に強磁性材料からなる所謂シム板が取り付けられる。時間的に変化する影響はシム電源１５によって制御されるシムコイル２によって除去される。

静磁場磁石１の中には、多数の巻線、所謂部分巻線からなる円筒状の傾斜磁場コイルシステム３が挿入されている。各部分巻線は、増幅器１４から、直交座標系のそれぞれの方向に直線性の傾斜磁場を発生するための電流を供給される。その場合に、傾斜磁場コイルシステム３の第１の部分巻線はｘ方向に傾斜磁場Ｇ_xを発生し、第２の部分巻線はｙ方向に傾斜磁場Ｇ_yを発生し、そして第３の部分巻線はｚ方向に傾斜磁場Ｇ_zを発生する。各増幅器１４は、傾斜磁場パルスを時間正しく発生させるためにシーケンス制御部１８によって制御されるディジタル・アナログ変換器ＤＡＣを含む。

傾斜磁場コイルシステム３内には高周波アンテナ４がある。高周波アンテナ４は、高周波電力増幅器から送出された高周波パルスを、被検体つまり被検体の検査領域の核を励起しかつ核スピンを整列させるための交番磁場に変換する。高周波アンテナ４は、成分コイルの既述の好ましくは直線配置の形で、１つ又は複数の高周波送信コイルと複数の高周波受信コイルとから構成されている。高周波アンテナ４の高周波受信コイルによって、歳差運動する核スピンから出る交番磁場を、すなわち一般には１つ又は複数の高周波パルスと１つ又は複数の傾斜磁場コイルパルスとからなるパルスシーケンスによって惹起された核スピンエコー信号を、電圧に変換することも行なわれ、この電圧は増幅器７を介して高周波システム２２の高周波受信チャネル８に導かれる。高周波システム２２は更に、核磁気共鳴を励起するための高周波パルスを発生する送信チャネル９を含む。それぞれの高周波パルスは装置コンピュータ２０からシーケンス制御部１８へ予め与えられるパルスシーケンスに基づいてディジタルにて複素数列として表示される。この複素数列は実数部および虚数部としてそれぞれ入力端１２を介して高周波システム２２におけるディジタル・アナログ変換器ＤＡＣに供給され、そしてディジタル・アナログ変換器ＤＡＣから送信チャネル９に供給される。送信チャネル９においては、パルスシーケンスが高周波キャリア信号に変調される。高周波キャリア信号は、測定ボリュームＭ内の核スピンの共鳴周波数に相当する基本周波数を有する。

送信動作から受信動作への切換は送受信切換器６を介して行なわれる。高周波アンテナ４の高周波送信コイルは核スピンを励起するための高周波パルスを測定ボリュームＭへ投射し、且つ、その結果生じるエコー信号を、高周波受信コイルを介して走査する。このようにして得られた核共鳴信号は高周波システム２２の受信チャネル８’（第１の復調器）において中間周波数に同期復調され、アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）においてディジタル化される。この信号は周波数０へ復調されなければならない。周波数０への復調と実数部および虚数部への分離とはディジタル化後に第２の復調器８におけるディジタル領域において行なわれる。画像コンピュータ１７によって、そのようにして得られた測定データから画像が再構成される。測定データ、画像データおよび制御プログラムの管理は装置コンピュータ２０を介して行なわれる。制御プログラムを予め与えられることにより、シーケンス制御部１８はそれぞれの所望パルスシーケンスの発生およびｋ空間の相応の走査を制御する。その場合に、シーケンス制御部１８は、特に、傾斜磁場の時間正しい開閉と、定められた位相および振幅を持つ高周波パルスの送出と、核共鳴信号の受信とを制御する。高周波システム２２およびシーケンス制御部１８のための時間基礎にシンセサイザ１９が使用される。核スピン画像の作成および作成された核スピン画像の表示のための相応の制御プログラムの選択は、キーボードおよび１つ又は複数の画面を含む端末装置２１を介して行なわれる。

本発明の狙いは磁気共鳴断層撮影による画像化（ＭＲＴ画像化）におけるスライス選択もしくは空間選択のマルチスライス励起の効率を明白に高めることにある。

ＭＲＴにおけるスライス選択もしくは空間選択の３Ｄ画像化は理想的でない励起プロファイルによって強く妨害される。理想的な高周波励起プロファイル２３は、図２（Ａ）における表示にしたがって、厳密に垂直な側面２４により区切られた厳密に水平な平坦域２５を有する。これに対して、理想的でないつまり実際の励起プロファイル２６は、図２（Ｂ）における表示にしたがって、傾斜側面の勾配が主として比吸収率（ＳＡＲ）によって制限される勾配を持つ傾斜側面２７を有する。平坦域２８は中心に非直線性を有し、これは後で再構成される画像にアーチファクトを生じさせないが、しかし障害となる強度変動を生じさせる。

患者の大きな区分を測定できるようにするために、特に、ますます短くなる磁石孔長さ（ボア長）によって制限された短い測定ボリュームＭの場合には、連続的なテーブル移動または同様に区分ごとのテーブル移動中に行なわれる区分（ブロック）ごとの走査が必要である。区分ごとの走査は、１つの空間方向（テーブル移動方向、一般には患者体軸の方向）に沿って相互にずらされかつそれぞれ個別に区切られた少なくとも２つの空間領域が励起されて測定されるように行なわれる。相互のずらしは、図３から分かるように、それぞれの空間領域ＯＢの高周波励起パルス形状Ｓのそれぞれの平坦域ＦＯＶ，２８の最善の隣接が与えられるように行なわれる。なぜならば、本来は平坦域幅のみが関心ＦＯＶ（Field of View）に相当するからである。しかしながら、これは、１つのスラブプロファイルＳ２のそれぞれの側面範囲２７と、隣のスラブプロファイルＳ１，Ｓ３の隣接する対応縁部とが重なり合っていることを意味する。このことが、位相エンコーディングもしくは空間エンコーディングの際に、関心ＦＯＶ（平坦域の範囲）においてのみ、１つのＦＯＶもしくは複数のＦＯＶ（このような複数のＦＯＶとして走査される非常に平らな側面の場合）だけずらされたＦＯＶの縁範囲における側面２７の強い折り返しアーチファクトを発生する。最終的に、このような折り返しアーチファクトは、前述の空間方向において、しかも結合された平坦域区分全体において、すなわち関心平坦域全体における全ての部分ＦＯＶ区分からなる全ＦＯＶにわたって、極めて乱れた画像不均一性を生じる。

折り返しアーチファクト、従ってこの画像不均一性を低減もしくは除去するための従来技術による方法は、明細書の背景技術の項で詳しく説明した。

これに対して本発明は、全ての高周波励起プロファイルＳのアーチファクト除去に必要なオーバーサンプリングを、画像化の問題点を再現もしくは良好に記述する連立代数方程式を作成して解くことによって置き換えることにある。この連立方程式の数学的な解は、最終的に所望どおりに折り返しアーチファクトを除去されたＦＯＶ組み合わせに描出され得る折り返しアーチファクトのない目標値の集合を生じる。

この連立代数方程式は線形連立方程式であり、

として記述することができる。これにおいて、次の定義が適用されている。

ｚは、空間エンコーディング方向、テーブル移動方向ならびに位相エンコーディング方向である。

Ｓ（ｚ）は、高周波励起パルスの（目標値を変調する）スライスプロファイルである（スラブプロファイルもしくは変調関数とも呼ばれる。）。

Ｉ（ｚ）は、折り返しアーチファクトのない目標値の強度、すなわち全ての部分ＦＯＶにわたってアーチファクトのない所望の画像である。

Ｊ_n（ｚ）は、隣接ＦＯＶ測定値の重なり合いによる折り返しアーチファクトを含んだブロックｎ／スライスｎに属する測定強度分布である。Ｊ_n（ｚ）はもちろんｚ_n±ＦＯＶ／２の領域のみにわたっている。

重なり合い自体は、

にわたる合算において考慮され、非常に平らな側面のゆえに２つよりも多い隣接ＦＯＶにわたる重なり合いを有するスラブプロファイルについてのみ、ｍ値≧２が有効である。

連立方程式は、次のように解釈することができる。

Ｊ_n（ｚ）は、それぞれのＦＯＶ領域（ｚ_n±ＦＯＶ／２）の核共鳴信号からなる本来の測定値であるが、しかし高周波スライスプロファイル（スラブプロファイルＳ（ｚ））によって変調されている。明白な矩形形状２３からのずれに基づいて、スラブプロファイルは本来の中心ＦＯＶを越えて広がり、他のスライスｎを変調する（他のスライスｎに影響を及ぼす）。このことが他の合算項（Σ_m）によって考慮される。その変調された特性のゆえに、高周波スライスプロファイルつまりスラブプロファイルを、更なる経過において一般化して「変調関数」と呼ぶ。測定値の個数が、少なくとも未知の、したがって求めるべき折り返しアーチファクトのない目標値Ｉ（ｚ）の個数に相当するかぎり、すなわち連立方程式の解が求まるかぎり、当然、変調関数Ｓ（ｚ）は既知である。

変調関数Ｓ（ｚ）の求め方は説明しない。しかしながら、ここで述べておくに、このような変調関数は、専ら空間選択の高周波励起パルスのスライスプロファイル（フリップ角分布）によって与えられていなければならないわけではなく、変調関数には全く他の技術的起源の異なった変調成分も重なり合っていてよい。この種の成分は、例えば、時間のかかる位相エンコーディングステップの低減による測定時間低減のための従来のＰＰＡ画像化方法においても使用されるような、当該空間領域ＯＢにおいて関与した（場合によってはコイルアレイ内に配置された）局所的送信／受信コイルの感度分布であってよい。

変調関数Ｓのスライスプロファイル成分を求めるために、例えば唯一の高周波スライスプロファイルのオーバーサンプリングを行なえばよい。異なるスライスｎの高周波スライスプロファイル（スラブプロファイル）は僅かしか相違しないことから、一度求められたスラブプロファイルを変調関数として全ての他のスライスのために使用することは合理的かつ効率的である。更に述べておくに、折り返しアーチファクトの算出時に重なり範囲における冗長的な被検体情報の知識を考慮することが有利である。基本的に高周波スライスプロファイルは使用された高周波パルスパターンによって算出可能である。更に、並行画像化に類似した方法の使用によって多数の高周波受信チャネルからの情報を使用することによって、Ｉ（ｚ）およびＳ（ｚ）の同時評価を可能にすることも考えられ得る。

本発明による方法を実施するための本発明によるＭＲＴ装置の概略図 理想的なスラブプロファイル（Ａ）および実際のスラブプロファイル（Ｂ）を示すダイアグラム 各スライスの理想的でないスラブプロファイルの重なり合いを有するｚ方向における３倍マルチスライス励起を示すダイアグラム

符号の説明

１ 静磁場磁石
２ シムコイル
３ 傾斜磁場コイルシステム
４ 高周波アンテナ
５ 患者用寝台
６ 送受信切換器
７ 増幅器
８ 高周波受信チャネル
８’ 受信チャネル
９ 送信チャネル
１２ 入力端
１４ 増幅器
１５ シム電源
１７ 画像コンピュータ
１８ シーケンス制御装置
１９ シンセサイザ
２０ 装置コンピュータ
２１ 端末装置
２２ 高周波システム
２３ 理想的な高周波励起プロファイル
２４ 厳密に垂直な側面
２５ 厳密に水平な平坦域
２６ 実際の高周波励起プロファイル
２７ 傾斜側面
２８ 非側面範囲
ＦＯＶ 非側面範囲
Ｇ_x，Ｇ_y，Ｇ_z 傾斜磁場
Ｍ 測定ボリューム
ＯＢ 空間領域
Ｓ 高周波励起プロファイル
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ スラブプロファイル
ＵＢ 重なり範囲

Claims (8)

1. １つの空間方向に沿って相互にずらされて区切られそれぞれの側面範囲（２７）では重なり合う少なくとも２つの被検体空間領域（ＯＢ）の磁気共鳴信号からなるデータセットの取得を、同様にこの方向の不均一な非側面範囲（ＦＯＶ，２８）における位相エンコーディングにより行い、これらの空間領域（ＯＢ）のうちの少なくとも１つの空間領域（ＯＢ）について、当該空間領域（ＯＢ）全体に限定して被検体情報を変調する変調関数（Ｓ）が求められる磁気共鳴断層撮影による画像化方法において、
   変調関数（Ｓ）に基づいて、異なる空間領域（ＯＢ）の重なり範囲（ＵＢ）における折り返しアーチファクトが算出され、空間方向におけるそれぞれの空間領域（ＯＢ）の非側面範囲（ＦＯＶ，２８）の磁気共鳴断層撮影画像が、算出された折り返しアーチファクトの考慮のもとに折り返しアーチファクトなしに結合され、折り返しアーチファクトのない結合が、折り返しアーチファクトの低減された目標値（Ｉ（ｚ））の算出によって行なわれ、その算出は、折り返しアーチファクトを有する測定された値（Ｊｎ（ｚ））と、少なくとも１つの変調関数（Ｓｎ）の値（Ｓ（ｚ））との線形結合によって行なわれることを特徴とする磁気共鳴断層撮影による画像化方法。
2. １つの空間領域（ＯＢ）の変調関数（Ｓ）が、当該空間領域（ＯＢ）における空間選択の高周波励起パルスのフリップ角分布を求めることによって求められることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. １つの空間領域（ＯＢ）の変調関数（Ｓ）が、当該空間領域（ＯＢ）における局所的な送信コイルの感度分布を求めることによって求められることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. データセットの取得が、それぞれ、空間方向への被検体の逐次移動に基づいて行なわれることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. データセットのそれぞれの取得が空間方向への被検体の連続移動中に行なわれることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
6. 折り返しアーチファクトの算出時に重なり範囲（ＵＢ）における冗長的な被検体情報の知識が考慮されることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
7. 請求項１乃至６の１つに記載の方法を実施するために適した核スピン断層撮影装置。
8. 核スピン断層撮影装置に接続された計算装置において請求項１乃至６の１つに記載の方法を実行することを特徴とするコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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