JPWO2014013816A1 - 超音波測定器具および超音波測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、関節の軟骨の状態を超音波で測定するために、超音波を垂直に軟骨表面に発射する超音波測定器具および超音波測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の超音波測定器具は、多面体形状の本体部と、前記本体部の一つの平面に設けられ、中空形状で、かつ前記本体部と中空形状部分を介して貫通される、口金部と、前記口金部のうち、前記本体部と反対側の面を、超音波を透過するように平面形状でふさぐ接触部と、を備える。前記接触部は、前記多面体の前記口金部が設けられた平面と平行な第１の軸、および前記第１の軸に直交し、かつ前記平面と平行な第２の軸に対し、傾斜していることを特徴とする。軟骨表面は、生体表面に対し、傾斜しているが、前記接触部は、その傾斜方向に同じ度合いで、傾斜している。したがって、本体部の口金部がある面に対し垂直に発射された超音波は、接触部を透過し、軟骨表面に対し垂直に進行する。【選択図】図１

Description

この発明は、超音波を利用して、関節の軟骨の状態を測定する装置に関する。

従来、軟骨の状態を測定するために、測定者は、内視鏡を関節腔内に挿入して直視したり、ＭＲＩや超音波を利用した生体非侵襲の測定方法を用いていた（特許文献１参照）。

超音波による測定では、超音波を送受信する超音波プローブが用いられる。測定器の超音波プローブは、超音波を発射し、音響インピーダンスの異なる軟部組織と軟骨との界面で反射する反射波を受信する。測定器の信号処理ユニットは、超音波プローブが受信したエコーに基づいて、外皮から軟骨表面までの距離や、軟骨の変性度合を算出していた。

国際公開第２００８／１０８０５４号公報

振幅の大きな反射波を超音波プローブで受信するためには、軟骨表面に対し、超音波が垂直に進行するのが望ましい。しかし、生体表面は、測定される軟骨の表面と必ずしも平行ではない。したがって、測定者は、超音波の反射波を受信できるよう、プローブの位置を試行錯誤で調整しなければならなかった。

そこで、この発明は、複雑な位置調整作業をしなくとも、軟骨表面に対して超音波を垂直に進行させることができる超音波測定器具および超音波測定装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波測定器具は、中空体の本体部と、前記本体部の一つの平面に設けられ、中空形状で、かつ前記本体部と中空形状部分を介して貫通される、口金部と、前記口金部のうち、前記本体部と反対側の面を、超音波を透過するように平面形状でふさぐ接触部と、を備える。

そして、前記接触部は、前記中空体の前記口金部が設けられた平面と平行な第１の軸、および前記第１の軸に直交し、かつ前記平面と平行な第２の軸に対し、傾斜していることを特徴とする。

本発明の超音波測定器具は、測定者が軟骨の状態を超音波で測定する際に、接触部を介して生体表面に接触される。超音波は、超音波測定器具と一体で用いられる超音波プローブから発射され、接触部を透過し、生体表面に届く。生体表面に届いた超音波は軟部組織、軟骨、骨の表面で反射し、その反射波のうち一部は、接触部を透過する。

本体部は、中空体に限らず、多面体形状や中空球体形状であってもよい。

軟骨表面は、生体表面に対して、傾斜しているが、前記接触部は、本体部のうち口金部が設けられた面に対し、その傾斜方向と同じ方向に同じ度合いで、傾斜している。したがって、本体部の口金部がある面に対し、垂直に発射された超音波は、軟骨表面に対して、垂直な方向で進行する。そして、軟骨表面で反射する反射波は、軟骨表面から垂直な方向で進行し、接触部を透過する。このように、接触部を通過する反射波は、軟骨表面に対し、垂直な方向で進むため、軟骨表面から最短距離で超音波プローブに到達する。

また、本発明の超音波測定器具は、前記口金部における前記接触部と接する部分と前記接触部の間に、弾性体を有する。

前記弾性体は、超音波測定器具が生体表面に押圧されることにより変形する。したがって、本体部のうち口金部がある面に対して前記接触部が傾斜する角度と、軟骨表面に対して前記生体表面が傾斜する角度が異なっている場合でも、前記弾性体が変形することにより、その角度を微調整することができる。測定者は、本体部のうち口金部がある面に対して接触部が傾斜する角度を微調整し、超音波を軟骨表面に対し垂直に発射させることができる。また、超音波測定器具は、前記弾性体が変形することにより、生体表面に対する局所的な圧力を分散し、生体表面に与えるダメージを低減させることができる。

前記弾性体は、例えば、シリコンゴムを用いる。

前記接触部は、直線部と曲線部を組み合わせた形状とすることができる。この場合、超音波測定器具は、前記接触部が尖鋭な形状ではないことより、押圧時の生体表面に与えるダメージを低減させることができる。

前記接触部は、例えば、シリコンフィルムを用いる。

また、本発明の超音波測定器具の口金部は、前記本体部の前記口金部が設けられた面と対向する面に向かって、絞り込まれた柱形状であることを特徴とする。

また、本発明の超音波測定装置は、前記超音波測定器具と、前記接触部を通過する超音波を送受信する超音波プローブと、前記超音波プローブを前記本体部の内部で駆動する駆動機構と、を備える。前記超音波プローブは、本体部のうち口金部がある面に対し垂直に進行する超音波を発射する。また、前記駆動機構は、超音波プローブを、本体部のうち口金部がある面に対し平行に移動させる。したがって、測定者は、駆動機構に指示を与えることにより、測定箇所を移動させて連続して軟骨の状態を測定することができる。

さらに、本発明の超音波測定装置の駆動機構は、超音波プローブを本体部の口金部が設けられた面に対し平行または垂直に移動させることを特徴とする。本発明は、この構成により、順次スキャンを行い、膝関節の軟骨に向け、垂直に超音波を入射させることができる。

また、本発明の超音波測定方法は、前記超音波測定装置が、超音波を前記本体部の前記口金部が設けられた面に対し垂直に発射するステップと、膝関節軟骨で反射し、かつ前記接触部を通過する超音波を受信するステップと、を含むことを特徴とする。

このように、本発明の超音波測定器具は、複雑な位置調整作業をしなくとも、軟骨表面に対して超音波を垂直に進行させることができる。

超音波測定装置の外観斜視図である。 超音波測定装置の側面図である。 図２の側面と他方の側面からみた超音波測定装置の図である。 超音波測定装置の下面図である。 屈曲した右膝の関節内部を示す側面図である。 屈曲した右膝の関節内部を示す図５と他方の面の側面図である。 屈曲した右膝に超音波測定装置を接触させた側面図である。 屈曲した右膝に超音波測定装置を接触させた図７と他方の面の側面図である。 口金部にシリコンゴムを設けた超音波測定装置の構成を示す図である。 超音波測定装置を用いた膝関節軟骨を測定する方法のフローチャートを示す図である。

図１乃至図４は、本発明の超音波測定装置の外観及び構成を示す図である。超音波測定装置は、図１乃至図４に示すように、本体部１０、口金部２０、シリコンフィルム３０、超音波プローブ４０、駆動機構５０、および水６０から形成されてなる。

本体部１０は、外観上、下面の形状が長方形の直方体である。本体部１０は、この中空形状の内部に、超音波プローブ４０および超音波を伝達する水６０を内包する。＋Ｘ方向から―Ｘ方向に長軸が配置されている。実施形態では、本体部１０のうち口金部２０がある面を下面、下面の反対側の面を上面、＋Ｙ方向の側面を左側面、−Ｙ方向の側面を右側面、＋Ｘ方向の側面を前面、−Ｘ方向の側面を後面、Ｘ軸およびＹ軸からなる平面をＸＹ平面、Ｘ軸およびＺ軸からなる平面をＸＺ平面、Ｙ軸およびＺ軸からなる平面をＹＺ平面と称する。下面および上面は、ＸＹ平面と平行し、右側面および左側面は、ＸＺ平面に平行する。本体部１０は、内部が中空形状である。

口金部２０は、外観上、柱形状であり、中空形状である。口金部２０は、本体部１０の下面のほぼ中央に接している。口金部２０は、ＸＹ平面と平行な平面で切断されると、Ｙ軸に直交する２本の直線部分、および当該２本の直線の端部を結ぶ２本の曲線部分からなる。前記２本の直線部分は、同じ長さである。曲線は、＋Ｘ方向、−Ｘ方向にそれぞれ凸となる半円の円弧である。口金部２０の断面の外周の長さは、本体部の下面側で最も長く、−Ｚ方向に向かって短くなる。すなわち、口金部２０は、−Ｚ方向に絞り込まれた形状である。

口金部２０は、中空形状部分２１を介して、本体部１０を―Ｚ方向に貫通させる。口金部２０は、中空形状部分２１により本体部１０の内部と一体になるため、本体部１０と一体的に水６０を保持する。

口金部２０の―Ｚ方向の面は、図２に示すように、Ｘ軸に対して、角度θ１で傾斜し、かつ、図３に示すように、Ｙ軸に対して、角度φ１で傾斜している。

シリコンフィルム３０は、口金部２０の―Ｚ方向の面と同じ平面形状の皮膜であり、超音波を透過する材質からなる。シリコンフィルム３０は、口金部２０の本体部１０の―Ｚ方向の面を塞ぐように設けられる。したがって、水６０は、口金部２０の本体部１０と―Ｚ方向の面から、外に漏れることはない。

シリコンフィルム３０は、口金部２０の―Ｚ方向の面がＸ軸およびＹ軸に対して傾斜していることより、図２に示すように、Ｘ軸に対し、θ１で傾斜し、かつ図３に示すように、Ｙ軸に対し、φ１で傾斜する。

超音波プローブ４０は、円柱形状である。また、超音波プローブ４０の―Ｚ側の面は、本体部１０の下面に対し、平行である。また、本体部１０は、超音波プローブ４０が、本体部１０の内部の上面およびシリコンフィルム３０に接しない程度の高さになっている。

トランスデューサ４１は、超音波プローブ４０の―Ｚ側に設けられている。トランスデューサ４１は、信号処理部（不図示）と電気的に接続される。トランスデューサ４１は、超音波を送受信し、信号処理部（不図示）に、受信した超音波の強度に応じた電気的な信号を出力する。

駆動機構５０は、本体部１０の後面を貫通し、超音波プローブ４０に接続される。そして、駆動機構５０は、超音波プローブを、Ｘ軸に沿って平行に移動させる。超音波測定装置は、この構成により、超音波で測定する箇所をＸ軸に沿って移動させることができる。

トランスデューサ４１から発射される超音波は、本体部１０の下面に対し、垂直に水６０の内部を進行し、かつシリコンフィルム３０に対して傾斜して進行することになる。

次に、膝関節の形状について詳細に説明する。

図５（Ａ）および図６（Ａ）は、右膝を９０度以上で屈曲したときの関節内部を示した図である。図５（Ａ）は、右膝を内側から外側へ向かって見たときの断面図である。図６（Ａ）は、右膝を胴体側から足先側に向かって見たときの図である。図５（Ｂ）および図６（Ｂ）は、右膝を９０度以上で屈曲したときの軟骨の表面と外皮との角度の関係を示す図である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）において、＋Ｘ側は、足先側であり、−Ｘ側は、胴体側である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）において、＋Ｙ側は、右膝の内側であり、−Ｙ側は、右膝の外側である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）、および図６（Ｂ）において、＋Ｚ側は、膝の表面側であり、−Ｚ側は、膝の裏側である。

大腿骨７３の足先側にある膝関節軟骨７１のうち、荷重部７２は、最も負荷がかかる部分である。荷重部７２の表面は、膝を屈曲させると、皮下で露出され、測定が容易になる。軟骨近接外皮７５は、外皮７０のうち、荷重部７２の表面と近接する部分であり、ほぼ平面形状である。

軟骨近接外皮７５は、荷重部７２の表面に対し傾斜している。具体的には、図５（Ｂ）に示すように、軟骨近接外皮７５は、ＸＺ平面において、荷重部７２の表面に対し、角度θ２で傾斜している。また、図６（Ｂ）に示すように、軟骨近接外皮７５は、ＹＺ平面において、荷重部７２の表面に対し、角度φ２で傾斜している。したがって、仮に超音波が軟骨近接外皮７５に垂直に入射された場合、超音波は、荷重部７２の表面に対し垂直に入射せず、荷重部７２の表面で垂直に反射しない。

図７は、本発明の超音波測定装置を、１２０度で屈曲した右膝に接触させて用いたときの、超音波測定装置と膝関節の位置を示す図である。図７は、右膝を内側から外側へ向かって見たときの図である。図７において、＋Ｘ側は足先側であり、−Ｘ側は胴体側である。＋Ｚ側は、膝の表側であり、−Ｚ側は、膝の裏側である。シリコンフィルム３０は、軟骨近接外皮７５と平行に、かつ一つの平面を形成するように軟骨近接外皮７５と接触して用いられる。本体部１０の下面は、ＸＹ平面と平行している。

シリコンフィルム３０および軟骨近接外皮７５は、Ｘ軸（本体部１０の下面）に対し、角度θ１で傾斜する。シリコンフィルム３０および軟骨近接外皮７５は、荷重部７２の表面に対し、ＸＺ平面において、角度θ２で傾斜する。角度θ１は、角度θ２とほぼ同じ値になるよう設定されているため、荷重部７２の表面は、Ｘ軸（本体部１０の下面）とほぼ平行になる。

このように、測定者は、本発明の超音波測定装置を軟骨近接外皮７５に当てるだけで、ＸＺ平面において、本体部１０の下面を荷重部７２の表面と平行にすることができる。

トランスデューサ４１から発射された超音波は、シリコンフィルム３０、軟骨近接外皮７５、および軟部組織を順に透過し、荷重部７２に到達する。ＸＺ平面において、超音波の進行する角度は、本体部１０の下面と荷重部７２の表面が平行になることより、荷重部７２の表面に対し垂直となる。

図８は、図７に示す右膝および超音波測定装置を、被験者の胴体側から足先側に向かって見たときの図である。−Ｙ側は、右膝の外側であり、＋Ｙ側は、右膝の内側である。

本体部１０の下面と、シリコンフィルム３０および軟骨近接外皮７５は、Ｙ軸（本体部１０の下面）に対し、角度φ１で傾斜する。シリコンフィルム３０および軟骨近接外皮７５は、荷重部７２の表面に対し、ＹＺ平面において、角度φ２で傾斜する。角度φ１は、角度φ２とほぼ同じ値になるよう設定されているため、荷重部７２の表面は、Ｙ軸（本体部１０の下面）とほぼ平行になる。

このように、測定者は、本発明の超音波測定装置を軟骨近接外皮７５に当てるだけで、ＹＺ平面において、本体部１０の下面を荷重部７２の表面と平行にすることができる。

トランスデューサ４１から発射された超音波は、ＹＺ平面において、本体部１０の下面と荷重部７２の表面が平行になることより、荷重部７２の表面に対し垂直に進行する。

以上のように、本発明の超音波測定装置は、膝軟骨の荷重部７２の表面に対し、超音波の進行する角度を垂直にすることができる。荷重部７２の表面に到達した超音波は、軟部組織の音響インピーダンスと膝関節軟骨７１の音響インピーダンスが異なることから、荷重部７２の表面で反射する。反射波は、トランスデューサ４１から進行した超音波の進行方向と、逆向きである。したがって、反射波は、荷重部７２の表面から最短距離で、トランスデューサ４１に到達する。

荷重部７２の表面に対する超音波の進行角度は、図７において、駆動機構５０により超音波プローブ４０がＸ軸に沿って平行移動しても、荷重部７２の表面が平面である限り、垂直である。したがって、本発明の超音波測定装置は、駆動機構５０により、連続して、荷重部７２の表面を、Ｘ軸に沿って平行移動させて超音波で測定することができる。

本発明の超音波測定装置の角度θ１及び角度φ１は、それぞれ角度θ２および角度φ２に完全一致することが望ましい。しかし、角度θ２および角度φ２は、被験者によってばらつきがある。測定者は、角度θ２または角度φ２が被験者の平均値に比して大きく異なる被験者を測定する場合、超音波プローブ４０の角度を微調整しなければならない。

そこで、以下のように、図１乃至図４に示す超音波測定装置に加えて、弾性体としてシリコンゴム８０を備えた超音波測定装置を示す。図９において、図１乃至図４と重複する構成は、説明を省略する。

図９（Ａ）は、シリコンゴム８０を備えた超音波測定装置のＸＹ平面による断面図であり、図９（Ｂ）は、ＹＺ平面による断面図であり、図９（Ｃ）は、下面図である。シリコンゴム８０は、口金部２０のシリコンフィルム３０と接触する部分と、シリコンフィルム３０の間に設けられている。シリコンゴム８０は、図９（Ｃ）に示すように、口金部２０の断面図と同じ形状である。シリコンゴム８０は、口金部２０の縁に沿って、口金部２０の縁の―Ｚ側に接合されている輪状である。シリコンフィルム３０は、シリコンゴム８０の口金部２０の縁と反対側（−Ｚ側）で、シリコンゴム８０と接合されている。

シリコンゴム８０は、シリコンフィルム３０が軟骨近接外皮７５に接触される際に、測定者により超音波測定装置と一体に押圧されて変形する。シリコンゴム８０は、例えば、測定者が＋Ｘ側の押圧する力を―Ｘ側の押圧する力に比べ強くするといった調整により変形する度合いが変わる。例えば、図１０（Ａ）において、シリコンゴム８０の―Ｘ側の―Ｚ方向への押圧力を、＋Ｘ側を―Ｚ方向への押圧力に比べ、強くすると、−Ｘ側は、＋Ｘ側の部分に比べ、Ｚ軸に沿って圧縮される度合いが増す。そして、押圧する力を強くする前と比べ、θ１は大きくなる。このように、測定者は、シリコンゴム８０を押圧により変形させることにより、角度θ１及び角度φ１を微調整することができる。また、シリコンゴム８０は、口金部２０が金属からなる場合、押圧時に圧縮されることにより、生体表面への局所的な圧力を分散し、生体表面に与えるダメージを軽減し、被験者の負担を減らすことができる。

以上のように、シリコンゴム８０を備えた本発明の超音波測定装置は、被験者の膝関節の形状に合わせて、角度θ１及び角度φ１が微調整することができ、被験者によって角度θ２および角度φ２が異なっていても超音波が進行する角度を荷重部７２の表面に対し垂直とすることができる。

なお、以上の例は、本体部１０および口金部２０が一体的に構成されているが、口金部２０を交換する構成であってもよい。口金部２０およびシリコンフィルム３０を交換する場合、例えば、本体部１０の下面にねじ穴を設け、ねじにより口金部２０およびシリコンフィルム３０を本体部１０に取り付ける。測定者は、ねじで口金部２０と本体部１０を接合することにより、様々な形状の口金部２０およびシリコンフィルム３０を本体部１０に取り付けることができる。したがって、測定者は、被験者の膝関節の形状に合わせ、口金部２０を交換し、超音波の進行角度を荷重部７２の表面に対し、垂直とすることができる。

また、以上の例では、口金部２０の―Ｚ方向の面は、２本の直線および２本の曲線からなる平面形状であるが、この形状に限らない。例えば、口金部２０の形状を被験者の膝の立体形状に合わせた、立体的な形状とすることにより、精度よく超音波の進行角度を荷重部７２の表面に対し、垂直にすることができる。

また、駆動機構５０は、超音波プローブ４０を、Ｘ軸に沿って平行に移動させているが、Ｘ軸方向に限られない。駆動機構５０は、超音波プローブ４０を、Ｙ軸に沿っても平行に、移動させることができる。この場合、超音波測定装置は、荷重部７２の表面の平面形状を連続して測定することができる。さらに、駆動機構５０は、Ｚ軸方向に移動させることもできる。この場合、測定者は、軟部組織が厚く、軟骨近接外皮７５が荷重部７２の表面から遠く離れている場合でも、Ｚ軸方向に移動させることにより、発射する超音波の焦点深度を調整し、超音波を適切に発射することができる。

また、以上の例では、機械駆動によるスキャン方式を示したが、多数のトランスデューサ素子をアレイ上に並べて構成することも可能である。本発明の超音波測定装置は、多数のトランスデューサ装置をアレイ状に並べて超音波プローブを構成する場合、機械駆動で順次スキャンしなくても、一度に超音波を送受信できる。したがって、測定者は、短時間で膝関節の軟骨を測定することができ、被験者に、長時間の測定を強いることがない。

図１０は、本発明の超音波測定装置を用いて膝関節軟骨を測定する方法のフローチャートを示す図である。超音波測定装置が測定開始の指示を受け付けると（ｓ１１）、超音波プローブ４０は、膝関節の軟骨に向けて超音波を発射する（ｓ１２）。そして、超音波プローブ４０は、荷重部７２で反射した超音波を受信する（ｓ１３）。スキャンで他の測定位置で超音波を送受信する場合（ｓ１４：Ｙｅｓ）、駆動機構５０は、超音波プローブ４０を移動させる（ｓ１５）。そして、ステップｓ１２に戻り、順次異なる位置で測定する。すべての測定位置で測定が終わった場合（ｓ１４：Ｎｏ）、超音波測定を終了する。

以上のように、本発明の超音波測定方法は、超音波を膝関節軟骨７１の荷重部７２の表面に垂直に超音波を入射させ、順次スキャンすることにより、適切に軟骨を測定することができる。

１０…本体部
２０…口金部
２１…中空形状部分
３０…シリコンフィルム
４０…超音波プローブ
４１…トランスデューサ
５０…駆動機構
６０…水
７０…外皮
７１…膝関節軟骨
７２…荷重部
７３…大腿骨
７４…膝蓋骨
７５…軟骨近接外皮
８０…シリコンゴム

Claims (13)

1. 中空体の本体部と、
   前記本体部の一つの平面に設けられ、中空形状で、かつ前記本体部と中空形状部分を介して貫通される口金部と、
   前記口金部のうち、前記本体部と反対側の面を、超音波を透過するように平面形状でふさぐ接触部と、
   を備えた超音波測定器具であって、
   前記接触部は、前記中空体の前記口金部が設けられた平面と平行な第１の軸、および前記第１の軸に直交し、かつ前記平面と平行な第２の軸に対し、傾斜していることを特徴とする超音波測定器具。
2. 請求項１に記載の超音波測定器具であって、
   前記本体部は、多面体形状であることを特徴とする超音波測定器具。
3. 請求項１に記載の超音波測定器具であって、
   前記本体部は、中空球体形状であることを特徴とする超音波測定器具。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波測定器具であって、
   前記接触部が前記本体部の前記口金部が設けられた面に対し傾斜する角度は、膝関節の外皮表面に対する膝関節軟骨の表面が傾斜する角度に、対応することを特徴とする、超音波測定器具。
5. 前記口金部における前記接触部と接する部分と前記接触部の間に、弾性体が設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の超音波測定器具。
6. 前記弾性体は、シリコンゴムであることを特徴とする、請求項５に記載の超音波測定器具。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の超音波測定器具であって、
   前記口金部は、前記本体部の前記口金部が設けられた面と対向する面に向かって、絞り込まれた柱形状であることを特徴とする、超音波測定器具。
8. 前記接触部は、直線部と曲線部を組み合わせた形状であることを特徴とする、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の超音波測定器具。
9. 前記接触部は、シリコンフィルムであることを特徴とする、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の超音波測定器具。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の超音波測定器具と、
    前記接触部を通過する超音波を送受信する超音波プローブと、
    前記超音波プローブを前記本体部の内部で駆動させる駆動機構と、を備えた超音波測定装置。
11. 請求項１０に記載の超音波測定装置であって、
    前記駆動機構は、前記超音波プローブを前記本体部の前記口金部が設けられた面に平行に移動させることを特徴とする、超音波測定装置。
12. 請求項１０または請求項１１のいずれかに記載の超音波測定装置であって、
    前記駆動機構は、前記超音波プローブを前記本体部の前記口金部が設けられた面に垂直に移動させることを特徴とする、超音波測定装置。
13. 請求項１０乃至請求項１２のいずれかに記載の超音波測定装置が、超音波を前記本体部の前記口金部が設けられた面に対し垂直に発射するステップと、
    膝関節軟骨で反射し、かつ前記接触部を通過する超音波を受信するステップと、
    を含む、膝関節軟骨の超音波測定方法。

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