KR20190061337A - 비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치 및 방법 - Google Patents

비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 질병조직 탐지 의료영상장치는 근적외선 광원을 형광물질이 주입된 환자의 수술영역에 조사하는 광원부, 광원부로부터 조사된 근적외선 광원에 대한 반사광을 한 개의 컬러채널 및 파장대역이 다른 두 개의 근적외선 형광채널을 포함하는 광신호를 수광하는 수광부 및 한 개의 컬러채널을 이용하여 수술영역을 컬러로 표시하는 제1 영상을 생성하고, 두 개의 근적외선 형광채널을 이용하여 수술영역 중 질병조직에 대한 영역을 형광으로 표시하는 제2 영상 및 제3 영상을 생성하며, 제1 영상 내지 제3 영상을 정합하여 하나의 정합영상을 생성하는 제어부를 포함한다.

Description

비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치 및 방법{Non-radiation based disease tissue detection medical imaging apparatus and methods}
본 발명은 의료영상장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 컬러채널 및 근적외선 형광채널을 이용하여 질병조직을 탐지하는 비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 의료영상장치들은 적절한 광원과 물체에 반사된 빛을 획득하는 렌즈와 센서(카메라)로 구성된다. 백색광 광원에서 조사된 빛이 물체에 반사되고 이를 검출하는 촬영장치가 일반적인 영상시스템이다. 여기서, 추가하여 조사된 특정 파장의 빛이 물체에 특정 파장의 형광을 일으키고, 이 형광을 촬영하는 형광촬영장비는 질환을 특이적으로 진단하는데 도움이 되기 때문에 점차 널리 사용되고 있다.
형광을 일으키는 물질은 생체내부에 존재하는 경우와 외부에서 투여하는 경우가 있다. 생체에 존재하는 형광물질에 의한 형광은 자가 형광(autofluorescence)라 하며 생체의 상태가 질환에 따라 이러한 자가 형광물질이 변화할 수 있어 자가 형광의 변화로 이어지며, 이를 측정하면 병의 진단에 도움이 될 수 있다. 외부에서 필요에 따라 체내로 주사하는 형광도 생체의 상태 등에 따라 분포가 변화하므로 이 형광의 변화를 측정하여 이용할 수 있다.
한편, 의료영상장치에서 형광영상은 일반적으로 보조적인 정보만을 제공하고, 오히려 일반반사광영상이 기분적인 영상이다. 따라서, 일반반사광영상이 더 많이 사용되고 형광영상만 필요한 경우는 드물다. 이상적인 경우, 형광영상을 촬영하는 경우도 일반반사광영상이 동시에 촬영되는 것이 유리하다.
예를 들어, 종양을 절제하는 수술에서 형광영상장치를 이용하는 경우를 고려하면 종양을 보여주는 형광영상을 참조하더라도 종양이 놓여있는 주변조직의 혈관이나 다른 정상조직의 상태를 동시에 보아야 안전하게 종양을 떼어낼 수 있다.
한국등록특허공보 제10-1606828호(2016.03.22.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 방사선을 사용하지 않고, 실시간 질병조직을 영상화하는 비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치는 근적외선 광원을 형광물질이 주입된 환자의 수술영역에 조사하는 광원부, 상기 광원부로부터 조사된 근적외선 광원에 대한 반사광을 한 개의 컬러채널 및 파장대역이 다른 두 개의 근적외선 형광채널을 포함하는 광신호를 수광하는 수광부 및 상기 한 개의 컬러채널을 이용하여 수술영역을 컬러로 표시하는 제1 영상을 생성하고, 상기 두 개의 근적외선 형광채널을 이용하여 상기 수술영역 중 질병조직에 대한 영역을 형광으로 표시하는 제2 영상 및 제3 영상을 생성하며, 상기 제1 영상 내지 제3 영상을 정합하여 하나의 정합영상을 생성하는 제어부를 포함한다.
또한 상기 수광부는, 컬러채널 및 두 개의 근적외선 형광채널 중 하나인 제1 형광채널을 포함하는 광신호를 수광하는 제1 수광부, 상기 두 개의 근적외선 형광채널 중 나머지 하나인 제2 형광 채널을 포함하는 광신호를 수광하는 제2 수광부 및 상기 반사광 중 상기 컬러채널 및 제1 형광채널을 포함하는 광신호와 상기 제2 형광 채널을 포함하는 광신호가 각각 상기 제1 수광부 및 상기 제2 수광부로 수광되도록 분리하는 색선별거울(dichroic mirror)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 수광부는, 프리즘(prism)을 이용하여 상기 컬러채널 및 상기 제1 형광채널을 분리하여 서로 다른 CCD(charge coupled device) 센서로 수광하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 형광채널은 680㎚ 내지 730㎚의 파장대역을 가지고, 상기 제2 형광채널은 780㎚ 내지 830㎚의 파장대역을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는, 상기 제1 영상을 기반으로 제2 영상 및 제3 영상에 표시된 형광이 적층되며 겹쳐지도록 영상 정합되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는, 상기 제2 영상 및 상기 제3 영상에 해당되는 형광을 서로 다른 색으로 표시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 비방사선 기반 질병조직 탐지 방법은 환자에 형광물질을 주입하는 단계, 상기 환자의 수술영역에 근적외선 광원을 조사하는 단계, 상기 조사된 근적외선 광원에 대한 반사광을 한 개의 컬러채널 및 파장대역이 다른 두 개의 근적외선 형광채널을 포함하는 광신호를 수광하는 단계, 상기 한 개의 컬러채널을 이용하여 수술영역을 컬러로 표시하는 제1 영상을 생성하고, 상기 두 개의 근적외선 형광채널을 이용하여 상기 수술영역 중 질병조직에 대한 영역을 형광으로 표시하는 제2 영상 및 제3 영상을 생성하는 단계 및 상기 제1 영상 내지 제3 영상을 정합하여 하나의 정합영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치 및 방법은 한 개의 컬러채널 및 두 개의 근적외선 형광채널을 이용하여 수술영역에 대한 컬러영상에 질병조직에 대한 영역을 형광 표시함으로써, 방사선을 사용하지 않고, 실시간 질병조직을 영상화할 수 있다.
이를 통해, 환자는 방사선 노출을 최소화하고, 의사는 수술 중에도 질병조직의 위치를 정확하게 인지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질병조직 탐지 의료영상장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1의 질병조직 탐지 의료영상장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 도 1의 질병조직 탐지 의료영상장치가 영상정합을 하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 질병조직 탐지 의료영상장치에서 생성된 파장대역별 영상을 설명하는 그래프이다.
도 5는 도 1의 질병조직 탐지 의료영상장치로 생성된 정합영상을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 질병조직 탐지 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질병조직 탐지 의료영상장치를 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 도 1의 질병조직 탐지 의료영상장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 질병조직 탐지 의료영상장치(이하 ‘의료영상장치’라 함)(100)는 방사선을 사용하지 않고, 암, 종양 등과 같은 질병조직을 영상화한다. 이 때, 의료영상장치(100)는 수술 중에도 질병조직을 실시간으로 영상화할 수 있다. 의료 영상장치(100)는 영상유도 수술영역을 확보하기 위해 10cm 이상의 넓은 시계(field of view)를 가지고, 25cm 이상의 긴 작동거리(working distance)를 충족한다. 또한 의료영상장치(100)는 조직의 세포수준 관찰을 위한 10㎛ LP이상의 해상도가 가능하다. 의료영상장치(100)는 광원부(10), 수광부(30) 및 제어부(50)를 포함하고, 출력부(70) 및 저장부(90)를 더 포함한다.
광원부(10)는 근적외선 광원을 방출한다. 광원부(10)는 빨강색, 초록색, 파란색을 포함하는 백색광을 방출하는 백색광원 및 근적외선 여기광을 방출하는 근적외선 여기광원을 포함한다. 광원부(10)는 환자의 수술영역(300)에 근적외선 광원을 조사한다. 여기서, 환자는 형광물질(200)이 주입된 상태이다. 형광물질(200)은 인도시아닌그린(indocyanine green), 플루오레세인(fluorescein), 5-ALA 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
수광부(30)는 광원부(10)로부터 조사된 근적외선 광원에 대한 반사광을 한 개의 컬러채널 및 파장대역이 다른 두 개의 근적외선 형광채널을 포함하는 광신호를 수광한다. 수광부(30)는 제1 수광부(31), 제2 수광부(32) 및 색선별거울(dichroic mirror)(33)을 포함한다.
제1 수광부(31)는 컬러채널 및 두 개의 근적외선 형광채널 중 하나인 제1 형광채널를 포함하는 광신호를 수광한다. 여기서, 컬러채널은 400㎚ 내지 640㎚의 파장대역을 가지고, 제1 형광채널은 680㎚ 내지 730㎚의 파장대역을 가진다. 바람직하게는, 제1 형광채널은 700㎚의 파장대역을 가진다. 제1 수광부(31)는 컬러채널 및 제1 형광채널을 수광하기 위해서 프리즘(prism)(34)을 이용한다. 즉, 제1 수광부(31)는 컬러채널 및 제1 형광채널의 파장대역에 대한 차이를 이용하여 프리즘(34)으로 각각의 채널을 분리한다. 제1 수광부(31)는 2개의 CCD(charge coupled device) 센서(35, 36)를 포함한다. 제1 CCD 센서(35)는 프리즘(34)을 통해 분리된 컬러채널를 수광하고, 제2 CCD 센서(36)는 프리즘(34)을 통해 분리된 제1 형광채널을 수광한다.
이 때, 컬러채널 및 제1 형광채널이 포함된 광신호는 릴레이 렌즈(relay lens) 및 필터(filter)를 통과한 후, 제1 수광부(31)에 수광된다. 여기서, 필터는 밴드패스필터(band-pass filter, BP) 또는 노치필터(notch filter, NF)를 포함한다. 따라서, 제1 수광부(31)는 프리즘(34) 기반으로 설계되고, 2개의 CCD 센서(35, 36)를 포함하는 카메라일 수 있다.
제2 수광부(32)는 두 개의 근적외선 형광채널 중 나머지 하나인 제2 형광 채널을 포함하는 광신호를 수광한다. 여기서, 제2 형광채널은 780㎚ 내지 830㎚의 파장대역을 가진다. 바람직하게는, 제2 형광채널은 800㎚의 파장대역을 가진다.
이 때, 제2 형광채널이 포함된 광신호는 릴레이 렌즈 및 필터를 통과한 후, 제2 수광부(32)에 수광된다. 여기서, 필터는 로우패스필터(low-pass filter, LP), 밴드패스필터 또는 노치필터를 포함한다. 따라서, 제2 수광부(31)는 근적외 영역(near-infrared, NIR) 카메라일 수 있다.
색선별거울(dichroic mirror)(33)은 평면 유리를 비금속 물질로 여러층 피막하면서 발생되는 간섭을 이용한 반사경으로써, 반사광 중 컬러채널 및 제1 형광채널을 포함하는 광신호와 제2 형광채널을 포함하는 광신호를 분리한다. 상세하게는, 색선별거울(33)은 컬러채널 및 제1 형광채널을 포함하는 광신호를 투과시키고, 제2 형광채널을 포함하는 광신호를 반사시킨다. 바람직하게는, 색선별거울(33)의 앞단에 반사광이 초점이 변하지 않도록 줌렌즈(zoom lens)를 더 포함할 수 있다.
제어부(50)는 한 개의 컬러채널을 이용하여 수술영역을 컬러로 표시하는 제1 영상을 생성하고, 두 개의 근적외선 형광채널을 이용하여 수술영역 중 질병조직에 대한 영역을 형광으로 표시하는 제2 영상 및 제3 영상을 생성한다.
상세하게는, 제어부(50)는 제1 수광부(31)의 제1 CCD 센서(35)로 수광된 컬러채널을 이용하여 수술영역에 대한 컬러영상인 제1 영상을 생성한다. 제어부(50)는 제1 수광부(31)의 제2 CCD 센서(36)로 수광된 제1 형광채널을 이용하여 680㎚ 내지 730㎚의 파장대역에 해당되는 형광영상인 제2 영상을 생성한다. 제어부(50)는 제2 수광부(32)로 수광된 제2 형광채널을 이용하여 780㎚ 내지 830㎚의 파장대역에 해당되는 형광영상인 제3 영상을 생성한다. 여기서, 제2 영상 및 제3 영상은 서로 파장대역이 다르므로 다른 형광영상을 생성한다.
제어부(50)는 생성된 제1 영상 내지 제3 영상을 정합하여 하나의 정합영상을 생성한다. 제어부(50)는 제1 영상을 기반으로 제2 영상 및 제3 영상에 표시된 형광이 적층되며 겹쳐지도록 영상 정합한다. 예를 들면, 제어부(50)는 제1 영상을 베이스 레이어 영상으로 하고, 제2 영상 및 제3 영상에 해당하는 레이어 영상을 베이스 레이어 영상에 적층하는 방식으로 영상 정합을 할 수 있다. 이를 통해, 제어부(50)는 수술영역에 질병조직에 대한 영역만 형광으로 표시된 정합영상을 생성한다.
출력부(70)는 제어부(50)로부터 생성된 정합영상을 디스플레이한다. 출력부(70)는 실시간으로 정합영상을 디스플레이할 수 있다.
저장부(90)는 컬러채널, 제1 형광채널 및 제2 형광채널을 이용하여 생성된 제1 영상, 제2 영상 및 제3 영상이 저장된다. 저장부(90)는 제1 영상 내지 제3 영상이 정합된 정합영상이 저장된다. 저장부(90)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 저장매체를 포함할 수 있다.
도 3은 도 1의 질병조직 탐지 의료영상장치가 영상정합을 하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1의 질병조직 탐지 의료영상장치에서 생성된 파장대역별 영상을 설명하는 그래프이며, 도 5는 도 1의 질병조직 탐지 의료영상장치로 생성된 정합영상을 설명하는 도면이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 의료영상장치(100)는 컬러채널을 이용하여 생성된 제1 영상, 제1 형광채널을 이용하여 생성된 제2 영상 및 제2 형광영상을 이용하여 생성된 제3 영상을 정합하여 정합영상을 생성한다. 이를 통해, 의료영상장치(100)는 수술영역을 보여주면서 질병조직에 대한 영역도 동시 보여줄 수 있다. 바람직하게는, 의료영상장치(100)는 제2 영상 및 제3 영상에 해당되는 형광을 서로 다른 색으로 표시할 수 있다.
여기서, 제1 영상은 400㎚ 내지 640㎚의 파장대역에 해당되는 컬러영상이고, 제2 영상은 680㎚ 내지 730㎚의 파장대역에 해당되는 형광영상이며, 제3 영상은 780㎚ 내지 830㎚의 파장대역에 해당되는 형광영상이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 질병조직 탐지 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 질병조직 탐지 방법은 한 개의 컬러채널 및 두 개의 근적외선 형광채널을 이용하여 수술영역에 대한 컬러영상에 질병조직에 대한 영역을 형광 표시함으로써, 방사선을 사용하지 않고, 실시간 질병조직을 영상화할 수 있다. 이를 통해, 환자는 방사선 노출을 최소화하고, 의사는 수술 중에도 질병조직의 위치를 정확하게 인지할 수 있다.
S110단계에서, 의료영상장치(100)는 근적외선 광원을 조사한다. 의료영상장치(100)는 빨강색, 초록색, 파란색을 포함하는 백색광 및 근적외선 여기광을 방출한다. 이 때, 의료영상장치(100)는 형광물질이 주입된 환자의 수술영역(300)에 근적외선 광원을 조사한다. 여기서, 형광물질은 인도시아닌그린, 플루오레세인, 5-ALA 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
S130단계에서, 의료영상장치(100)는 컬러채널 및 근적외선 형광채널에 대한 영상을 생성한다. 의료영상장치(100)는 한 개의 컬러채널을 이용하여 수술영역을 컬러로 표시하는 제1 영상을 생성하고, 두 개의 근적외선 형광채널을 이용하여 수술영역 중 질병조직에 대한 영역을 형광으로 표시하는 제2 영상 및 제3 영상을 생성한다. 여기서, 제1 영상은 400㎚ 내지 640㎚의 파장대역에 해당되는 컬러영상이고, 제2 영상은 680㎚ 내지 730㎚의 파장대역에 해당되는 형광영상이며, 제3 영상은 780㎚ 내지 830㎚의 파장대역에 해당되는 형광영상이다.
S150단계에서, 의료영상장치(100)는 제1 영상 내지 제3 영상을 정합하여 정합영상을 생성한다. 의료영상장치(100)는 제1 영상을 기반으로 제2 영상 및 제3 영상에 표시된 형광이 적층되며 겹쳐지도록 영상 정합한다. 예를 들면, 의료영상장치(100)는 제1 영상을 베이스 레이어 영상으로 하고, 제2 영상 및 제3 영상에 해당하는 레이어 영상을 베이스 레이어 영상에 적층하는 방식으로 영상 정합을 할 수 있다. 이를 통해, 의료영상장치(100)는 수술영역에 질병조직에 대한 영역만 형광으로 표시된 정합영상을 생성한다.
바람직하게는, 의료영상장치(100)는 제2 영상 및 제3 영상에 해당되는 형광을 서로 다른 색으로 표시할 수 있다. 이를 통해, 의사는 파장대역별로 탐색된 질병조직을 직관적으로 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10: 광원부
30: 수광부
31: 제1 수광부
32: 제2 수광부
33: 색선별거울
34: 프리즘
35: 제1 CCD 센서
36: 제2 CCD 센서
50: 제어부
70: 출력부
90: 저장부
100: 질병조직 탐지 의료영상장치

Claims (7)

  1. 근적외선 광원을 형광물질이 주입된 환자의 수술영역에 조사하는 광원부;
    상기 광원부로부터 조사된 근적외선 광원에 대한 반사광을 한 개의 컬러채널 및 파장대역이 다른 두 개의 근적외선 형광채널을 포함하는 광신호를 수광하는 수광부; 및
    상기 한 개의 컬러채널을 이용하여 수술영역을 컬러로 표시하는 제1 영상을 생성하고, 상기 두 개의 근적외선 형광채널을 이용하여 상기 수술영역 중 질병조직에 대한 영역을 형광으로 표시하는 제2 영상 및 제3 영상을 생성하며, 상기 제1 영상 내지 제3 영상을 정합하여 하나의 정합영상을 생성하는 제어부;
    를 포함하는 비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수광부는,
    컬러채널 및 두 개의 근적외선 형광채널 중 하나인 제1 형광채널을 포함하는 광신호를 수광하는 제1 수광부;
    상기 두 개의 근적외선 형광채널 중 나머지 하나인 제2 형광 채널을 포함하는 광신호를 수광하는 제2 수광부; 및
    상기 반사광 중 상기 컬러채널 및 제1 형광채널을 포함하는 광신호와 상기 제2 형광 채널을 포함하는 광신호가 각각 상기 제1 수광부 및 상기 제2 수광부로 수광되도록 분리하는 색선별거울(dichroic mirror);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 수광부는,
    프리즘(prism)을 이용하여 상기 컬러채널 및 상기 제1 형광채널을 분리하여 서로 다른 CCD(charge coupled device) 센서로 수광하는 것을 특징으로 하는 비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 형광채널은 680㎚ 내지 730㎚의 파장대역을 가지고, 상기 제2 형광채널은 780㎚ 내지 830㎚의 파장대역을 가지는 것을 특징으로 하는 비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 영상을 기반으로 제2 영상 및 제3 영상에 표시된 형광이 적층되며 겹쳐지도록 영상 정합되는 것을 특징으로 하는 비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 영상 및 상기 제3 영상에 해당되는 형광을 서로 다른 색으로 표시하는 것을 특징으로 하는 비방사선 기반 질병조직 탐지 의료영상장치.
  7. 환자에 형광물질을 주입하는 단계;
    상기 환자의 수술영역에 근적외선 광원을 조사하는 단계;
    상기 조사된 근적외선 광원에 대한 반사광을 한 개의 컬러채널 및 파장대역이 다른 두 개의 근적외선 형광채널을 포함하는 광신호를 수광하는 단계;
    상기 한 개의 컬러채널을 이용하여 수술영역을 컬러로 표시하는 제1 영상을 생성하고, 상기 두 개의 근적외선 형광채널을 이용하여 상기 수술영역 중 질병조직에 대한 영역을 형광으로 표시하는 제2 영상 및 제3 영상을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 영상 내지 제3 영상을 정합하여 하나의 정합영상을 생성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비방사선 기반 질병조직 탐지 방법.
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