WO2002002012A1 - Dispositif de tomobiopsie optique cutanee in vivo - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an optoelectronic device for in vivo optical tomobiopsy intended for the acquisition, visualization, and recording of instantaneous images of cross-sections of the skin and its microstructures, both cellular and non-cellular, at the level of the epidermis, dermis and hypodermis, as well as the cutaneous appendages, the integuments, the semi-mucous membranes and the mucous membranes accessible for examination in a non-invasive manner. It is often necessary to observe in an instant and in a non-invasive way, the microstructures present in the first hundreds of microns of integument, i.e.
- the stratum comeum, the epidermis, the dermal papillae and the superficial dermis and more generally to examine, in a series of snapshots corresponding to a succession of cutting planes, an element of volume of the seed coat in order to characterize its internal structure and / or composition.
- confocal scanning microscopy for the observation of cutting planes perpendicular to the optical axis of the system, the examination of a volume being carried out by successive acquisitions of cutting planes parallel to each other and corresponding to distinct depths z
- ultrasound ultrasound the only one to allow non-invasive observation of a section plane parallel to the direction of propagation of the excitation wave.
- the present invention of in vivo optical skin tomobiopsy meets all of the requirements listed above. It is indeed a non-invasive and non-destructive method, requiring no special preparation of the object, and which allows to acquire in a snapshot and view in real time the image of a section perpendicular to the seed coat with microscopic resolution.
- the subject of the present invention is an optoelectronic device for in vivo optical skin tomobiopsy intended for the acquisition, visualization and recording of instantaneous images of sectional planes (x, z) of the skin and its microstructures both cellular and non-cellular, at the level of the epidermis, dermis and hypodermis, as well as cutaneous appendages, the integuments, the semi-mucous membranes and the mucous membranes accessible to the examination in a non-invasive manner, and characterized in that it comprises :
- a source block including a polychromatic light source illuminating a source slit placed at the focal point of a collimator
- a projection objective having a known axial chromatism and forming a continuum of monochromatic images of the source slit, characterized in that they are located in a plane defining an optical tomographic section in the measurement space, each image of the slit being defined by its wavelength and its focusing distance relative to the projection objective.
- a separating plate to dissociate the observation path from the lighting path, - a collimator taking the polychromatic image ad infinitum to focus it on a spatial filtering slot.
- An angular chromatic dispersion subset associated with a two-dimensional matrix photoelectric detector and its control electronics making it possible to restore a cross-sectional image of the object under examination.
- Electronic and computerized means of recording, processing and viewing the acquired instant images.
- FIG. 1 shows an embodiment of the device according to the invention
- FIG. 2 shows a three-dimensional reconstruction of object by juxtaposition of successive sectional planes parallel to each other.
- the device shown in Figure 1 operates as described below:
- the polychromatic and continuous spectrum light source (20) illuminates, by means of a focusing optic (21), the source slit (22).
- a collimation lens forms an infinite image of the source slit (22) located in its object focus.
- the collimated beam crosses a separating plate (24) which will be used to fold the light brushes backscattered by the object, and thus to dissociate them from those of the lighting path.
- a galvanometric mirror (32) angularly deflects the light sheet (33) of lighting in order to position the instantaneous observation cutting plane on demand.
- a projection objective (25) having a known axial chromatism forms a continuum of monochromatic images of the source slit, characterized in that they are located in a plane (x, z) parallel to the optical axis of the projection objective (25) and defining an optical tomographic section (26) in the measurement space, each image of the slit being defined by its wavelength and its focusing distance relative to the projection objective (25 ).
- the same projection objective (25), used in reverse light feedback, makes it possible to collect the brushes backscattered by the details encountered located in the plane of optical tomobiopsy (26). It infinitely forms a common polychromatic image of all the monochromatic images of the lighting path as modulated in intensity at each point by the details of the object (local variations in refractive index).
- the galvanometric mirror (32) angularly deflects back the light sheet (34) to the position (33).
- the separating blade (24) folds the beams in the direction of the collimator (27) which takes up the polychromatic image ad infinitum to focus it on the spatial filtering slot (28).
- FIG. 2 represents the three-dimensional reconstruction of the examination volume (35) by computer juxtaposition of the successive sectional planes parallel to each other: a translation of constant pitch along the axis (y) of the optical tomobiopsy plane (26) makes it possible to acquire a set (36) of images which, by juxtaposition, make it possible to obtain a three-dimensional reconstruction (37) of the microstructures of the examination volume.
- the polychromatic light source can be, for example, chosen from the following sources, corresponding to different preferred embodiments of the invention:
- an Arc lamp giving a continuous and relatively uniform spectrum over a wide spectral band such as a Xenon Arc lamp, used in flash mode or in continuous mode
- the galvanometric mirror for angular deflection of the light sheet (33) on the outward journey, and of the return sheet (34), can be replaced by an oscillating (resonant) mirror or by a polygonal mirror. rotating or by an acousto-optic deflector.
- the optics with controlled axial chromatism can be of the refractive optical type (association of lenses of suitable shape and composition), or of the diffractive type (holographic lens), or formed of a combination of the two technologies.
- the objective (25) with known axial chromatism can be provided with controlled geometric aberrations and known as spherical aberration and field curvature, in order to adapt the shape of the monochromatic images of the slit source in the observation space to particular geometries of objects to be examined and / or to partially or totally compensate for the aberrations caused by the crossing of the upper regions of said objects.
- the angular chromatic dispersion sub-assembly (29) is of the imaging spectrograph type, using a prism as a dispersion element.
- the dispersive element of the imaging spectrograph is a diffraction grating.
- the two-dimensional matrix detector (30) placed in the image plane of the angular chromatic dispersion sub-assembly (29) can be replaced by a color-sensitive photographic film.
- the matrix detector (30) can be replaced by an optical device allowing direct visual observation of the image.
Abstract
L'invention concerne un dispositif optoélectronique de tomobiopsie optique cutanée in vivo destiné à l'acquisition, la visualisation et l'enregistrement d'images instantanées de plans de coupe (x, z) de la peau et de ses microstructures tant cellulaires que non cellulaires, au niveau de l'épiderme, du derme et de l'hypoderme, ainsi que des annexes cutanées, les phanères, les demi-muqueuses et les muqueuses accessibles à l'examen de façon non invasive. Le dispositif selon l'invention se caractérise en ce qu'il comporte essentiellement. Une voie d'éclairage permettant d'illuminer la région sous examen selon un plan de coupe tomographique et constitué d'un bloc source (20) d'un miroir galvanométrique (32) et d'un objectif de projection (25); une voie d'observation permettant de recueillir le flux rétrodiffusé par les détails (variations d'indices de réfraction) internes de l'objet situés dans le plan de tomobiopsie optique illuminé par la voie d'éclairage et constituée du même objectif (25), du même miroir (32), d'une lame séparatrice (24) et d'un collimateur (27); un sous-ensemble de dispersion chromatique angulaire (29) du type spectrographe imageur; un détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel (30) placé dans le plan image du spectrographie imageur; des moyens électroniques de pilotage (38) du miroir (32) et des moyens électroniques et informatiques (39) d'enregistrement, de traitement et de visualisation des images instantanées acquises.
Description
DISPOSITIF DE TOMOBIOPSIE OPTIQUE CUTANEE IN VIVO
DESCRIPTION
La présente invention concerne un dispositif optoélectronique de tomobiopsie optique in vivo destiné à l'acquisition, la visualisation, et l'enregistrement d'images instantanées de plans de coupe de la peau et de ses microstructures, tant cellulaires que non cellulaires, au niveau de l'épiderme, du derme et de l'hypoderme, ainsi que les annexes cutanées, les phaneres, les demi-muqueuses et les muqueuses accessibles à l'examen de façon non invasive. Il est souvent nécessaire d'observer en un instantané et de façon non invasive, les microstructures présentes dans les premières centaines de microns de tégument, c'est-à-dire le stratum coméum, l'épiderme, les papilles dermiques et le derme superficiel, et plus généralement d'examiner, en une série d'instantanés correspondant à une succession de plans de coupe, un élément de volume du tégument afin d'en caractériser la structure interne et/ou la composition.
En effet, l'imagerie cutanée in vivo revêt un attrait majeur puisqu'elle permet d'affiner certains diagnostics, de préciser les limites de certains processus pathologiques, et enfin de contribuer à la progression des connaissances en physiologie de la peau. Les principaux domaines dans lesquels la tomobiopsie optique cutanée in vivo constitue un progrès par rapport à l'existant sont:
• En Recherche Fondamentale : l'étude de la physiologie de la peau, des annexes cutanées, des phaneres et des muqueuses, des différents processus pathologiques susceptibles de les affecter, des influences environnementales capables d'interaction avec elles, en particulier l'irradiation solaire, ainsi que l'action de toute substance en contact avec les structures précitées.
• En Recherche Pharmaceutique : la mise au point de thérapeutiques nouvelles, une meilleure connaissance de l'activité de celles existantes, en particulier en ce qui concerne la pharmacocinétique cutanée des molécules utilisées, qu'elles le soient par voie générale ou par voie topique
• En Recherche Cosmétologique : la mise au point des actifs, des excipients, des produits finis, tant en ce qui concerne la compatibilité cutanée que l'efficacité des substances.
• En Pratique Clinique : - Le diagnostic dermatologique, en tant qu'alternative à la biopsie cutanée et/ou complément à celle-ci, et pour le suivi de l'évolution des processus pathologiques, - La prévention et le dépistage des cancers cutanés et l'appréciation du potentiel évolutif des lésions précancéreuses. Les principales exigences d'une telle observation sont : • qu'elle soit non invasive en ce sens qu'elle ne modifie en rien, ni temporairement, ni définitivement, le milieu examiné, • qu'elle soit non destructive,
• que la qualité des images acquises et l'exactitude des mesures soient compatibles avec les exigences de l'application considérée,
• qu'elle ne nécessite aucune préparation particulière,
• qu'elle soit réalisée en temps réel. L'analyse de l'état de l'art en matière d'observation des microstructures cutanées met en évidence l'existence de quatre procédés basés sur quatre principes physiques différents, à savoir :
• la microscopie optique "conventionnelle" d'échantillons issus de biopsies cliniques,
• la microscopie électronique à balayage d'échantillons issus de biopsies cliniques et spécialement traités pour ce type d'examen,
• la microscopie confocale à balayage pour l'observation de plans de coupe perpendiculaires à l'axe optique du système, l'examen d'un volume étant réalisé par acquisitions successives de plans de coupe parallèles entre eux et correspondant à des profondeurs z distinctes, • l'échographie ultrasonore, seule d'entre elles à permettre l'observation non invasive d'un plan de coupe parallèle à la direction de propagation de l'onde d'excitation. Ces quatre technologies ne satisfont pas à l'ensemble des exigences énumérées ci- dessus. Les microscopies optique et électronique sont invasives et destructives, la microscopie confocale à balayage ne permet pas l'observation simultanée et instantanée de structures internes situées à des profondeurs distinctes, enfin, l'échographie ultrasonore n'offre pas une résolution et une précision de mesure qui soient compatibles avec les besoins de nombreuses applications.
La présente invention de tomobiopsie optique cutanée in vivo satisfait à l'ensemble des exigences énumérées ci-dessus. Il s'agit bien d'une méthode non invasive et non destructive, ne nécessitant aucune préparation particulière de l'objet, et qui permet d'acquérir en un instantané et de visualiser en temps réel l'image d'une coupe perpendiculaire au tégument avec une résolution microscopique.
La présente invention a pour objet un dispositif optoélectronique de tomobiopsie optique cutanée in vivo destiné à l'acquisition, la visualisation et l'enregistrement d'images instantanées de plans de coupe (x, z) de la peau et de ses microstructures tant cellulaires que non cellulaires, au niveau de l'épiderme, du derme et de l'hypoderme, ainsi que des annexes cutanées, les phaneres, les demi-muqueuses et les muqueuses accessibles à l'examen de façon non invasive, et caractérisé en ce qu'il comporte :
• une voie d'éclairage permettant d'illuminer la région sous examen selon un plan de coupe et constituée :
- d'un bloc source incluant une source lumineuse polychromatique éclairant une fente source placée au foyer d'un collimateur,
- un miroir galvanométrique de balayage angulaire de la nappe lumineuse d'éclairage permettant de positionner à la demande l'ensemble des plans de coupe instantanés nécessaires à l'observation 3D volumique de la région sous examen,
- d'un objectif de projection présentant un chromatisme axial connu et formant un continuum d'images monochromatiques de la fente source, caractérisées en ce qu'elles sont situées dans un plan définissant une coupe tomographique optique
dans l'espace de mesure, chaque image de la fente étant définie par sa longueur d'onde et sa distance de focalisation par rapport à l'objectif de projection.
• Une voie d'observation permettant de recueillir le flux rétrodiffusé par les détails rencontrés (variations locales des indices de réfraction et d'absorption) et constituée : - du même objectif de projection dont le chromatisme axial est connu, utilisé ici en retour inverse de la lumière, et formant à l'infini une image polychromatique commune de l'ensemble des images monochromatiques de la voie d'éclairage,
- d'une lame séparatrice permettant de dissocier la voie d'observation de la voie d'éclairage, - d'un collimateur reprenant l'image polychromatique à l'infini pour la focaliser sur une fente de filtrage spatial. " Un sous-ensemble de dispersion chromatique angulaire associé à un détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel et à son électronique de pilotage permettant de restituer une image en coupe de l'objet sous examen. " Des moyens électroniques de pilotage et de synchronisation du miroir galvanométrique de balayage angulaire afin de positionner, à la demande et successivement, l'ensemble des plans de coupe instantanés nécessaires à l'observation 3D volumique de la région sous examen. « Des moyens électroniques et informatiques d'enregistrement, de traitement et de visualisation des images instantanées acquises.
Des modes de réalisation préférés du dispositif optoélectronique de tomobiopsie optique cutanée in vivo objet de l'invention sont décrits ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention - la figure 2 représente une reconstitution tridimensionnelle d'objet par juxtaposition de plans de coupe successifs parallèle entre eux. Le dispositif représenté Figure 1 fonctionne de la façon décrite ci-après :
• La source lumineuse (20) polychromatique et à spectre continu éclaire, au moyen d'une optique de focalisation (21), la fente source (22). " Une optique de collimation forme une image à l'infini de la fente source (22) située en son foyer objet.
• Le faisceau collimaté traverse une lame séparatrice (24) qui servira à replier les pinceaux lumineux rétrodiffusés par l'objet, et ainsi à les dissocier de ceux de la voie d'éclairage. • Un miroir galvanométrique (32) défléchit angulairement la nappe lumineuse (33) d'éclairage pour positionner à la demande le plan de coupe instantané d'observation.
• Un objectif de projection (25) présentant un chromatisme axial connu forme un continuum d'images monochromatiques de la fente source, caractérisées en ce qu'elles sont situées dans un plan (x, z) parallèle à l'axe optique de l'objectif de projection (25) et définissant une coupe tomographique optique (26) dans l'espace de mesure, chaque image de la fente étant définie par sa longueur d'onde et sa distance de focalisation par rapport à l'objectif de projection (25).
• Le même objectif de projection (25), utilisé en retour inverse de la lumière, permet de collecter les pinceaux rétrodiffusés par les détails rencontrés situés dans le plan de
tomobiopsie optique (26). Il forme à l'infini une image polychromatique commune de l'ensemble des images monochromatiques de la voie d'éclairage telles que modulées en intensité en chaque point par les détails de l'objet (variations locales d'indice de réfraction). Le miroir galvanométrique (32) défléchit angulairement en retour la nappe lumineuse (34) jusqu'à la position (33).
• La lame séparatrice (24) assure le repliement des faisceaux en direction du collimateur (27) qui reprend l'image polychromatique à l'infini pour la focaliser sur la fente de filtrage spatial (28). « Le sous-ensemble de dispersion chromatique angulaire (29) du type spectrographe imageur, dont la fente d'entrée est la fente de filtrage spatial (28), forme dans son plan image une continuité d'images monochromatiques dont l'ensemble constitue une image du plan (x, z) de tomobiopsie optique (26).
• Le détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel (30), placé dans le plan image du spectrographe imageur, fournit à l'aide de son électronique de pilotage (31), une image instantanée du plan de tomobiopsie éclairé, dont la fréquence de rafraîchissement est définie par les performances intrinsèques du détecteur matriciel bidimensionnel et le bilan photométrique de l'ensemble, y compris les propriétés de rétrodiffusion des détails de l'objet. » Des moyens électroniques de pilotage et de synchronisation (38) du miroir galvanométrique de balayage afin d'accéder, à la demande et successivement, à l'ensemble des plans de coupe instantanés nécessaires.
• Des moyens électroniques et informatiques (39) permettant d'enregistrer, traiter et visualiser les images instantanées acquises. La figure 2 représente la reconstitution tridimensionnelle du volume d'examen (35) par juxtaposition informatique des plans de coupe successifs parallèles entre eux : une translation de pas constant selon l'axe (y) du plan de tomobiopsie optique (26) permet d'acquérir un ensemble (36) d'images qui, par juxtaposition, permettent d'obtenir une reconstitution tridimensionnelle (37) des microstructures du volume d'examen. La source lumineuse polychromatique peut être, par exemple, choisie parmi les sources suivantes, correspondant à différents modes préférés de réalisation de l'invention :
- une source à incandescence
- une lampe à Arc donnant un spectre continu et relativement uniforme sur une large bande spectrale, telle qu'une lampe à Arc au Xénon, utilisée en mode flash ou en mode continu,
- une ou plusieurs sources couplées à spectre étroit, de type DEL (Diode Électroluminescente), ou diode Super Radiante.
Pour certaines applications qui ne nécessitent pas de former une image continue selon x du plan de coupe (x, z), mais qui requièrent une plus grande précision de mesure, on peut avantageusement remplacer la fente d'éclairage (22) par des trous source alignés et non nécessairement équidistants. La fente de filtrage spatial (28) est alors remplacée par des trous de filtrage spatial conjugués des trous source. Ceci permet d'augmenter la résolution d'analyse simultanément suivant les trois directions (x, y, z) grâce à une meilleure efficacité du filtrage spatial réalisé par (28), et ce, pour l'ensemble des images
monochromatiques des trous d'éclairage (22) formées par l'objectif de projection (25) dans le plan de tomobiopsie (26).
Selon des modes préférés de réalisation, le miroir galvanométrique de déflection angulaire de la nappe lumineuse (33) à l'aller, et de la nappe (34) en retour, peut être remplacé par un miroir oscillant (résonnant) ou par un miroir polygonal tournant ou par un déflecteur acousto-optique.
Selon des mode préférés de réalisation, l'optique à chromatisme axial contrôlé peut être du type optique réfractive (association de lentilles de forme et composition adéquates), ou du type diffractive (lentille holographique), ou formée d'une combinaison des deux technologies.
Selon un mode préféré de réalisation, l'objectif (25) à chromatisme axial connu peut être doté d'aberrations géométriques contrôlées et connues comme l'aberration sphérique et la courbure de champ, afin d'adapter la forme des images monochromatiques de la fente source dans l'espace d'observation à des géométries particulières d'objets à examiner et/ou de compenser partiellement ou totalement les aberrations causées par la traversées des régionssupérieures desdits objets.
Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le sous-ensemble (29) de dispersion chromatique angulaire est de type spectrographe imageur, utilisant un prisme comme élément de dispersion. Selon un autre mode préféré de réalisation, l'élément dispersif du spectrographe imageur est un réseau de diffraction.
Selon un mode préféré de réalisation, le détecteur matriciel bidimensionnel (30) placé dans le plan image du sous-ensemble de dispersion chromatique angulaire (29) peut être remplacé par un film photographique sensible à la couleur. Selon un autre mode de réalisation, le détecteur matriciel (30) peut être remplacé par un dispositif optique permettant une observation visuelle directe de l'image.
Claims
1. Dispositif optoélectronique de tomobiopsie optique cutanée in vivo destiné à l'acquisition, la visualisation et l'enregistrement d'images instantanées de plans de coupe (x, z) de la peau et de ses microstructures tant cellulaires que non cellulaires, au niveau de l'épiderme, du derme et de l'hypoderme, ainsi que des annexes cutanées, les phaneres, les demi-muqueuses et les muqueuses accessibles à l'examen de façon non invasive, et caractérisé en ce qu'il comporte :
• une voie d'éclairage permettant d'illuminer la région sous examen selon un plan de coupe tomographique et constituée : d'un bloc source incluant une source lumineuse polychromatique et à spectre continu (20) éclairant au moyen d'une optique de focalisation (21), une fente source (22) placée au foyer d'un collimateur (23) qui en forme une image à l'infini,
- d'un miroir galvanométrique (32) de balayage angulaire de la nappe lumineuse d'éclairage (33) permettant de positionner à la demande le plan de coupe tomographique (26) dans l'espace de mesure,
- d'un objectif de projection (25) présentant un chromatisme axial connu et formant un continuum d'images monochromatiques de la fente source, caractérisées en ce qu'elles sont situées dans un plan (x, z) parallèle à l'axe optique de l'objectif de projection (25) et définissant une coupe tomographique optique (26) dans l'espace de mesure, chaque image de la fente étant définie par sa longueur d'onde et sa distance de focalisation par rapport à l'objectif (25). Une voie d'observation permettant de recueillir le flux rétrodiffusé par les détails (variations d'indices de réfraction) internes de l'objet situés dans le plan de tomobiopsie optique illuminé par la voie d'éclairage, et constituée :
- du même objectif de projection (25) dont le chromatisme axial est connu, utilisé ici en retour inverse de la lumière, et formant à l'infini une image polychromatique unique de l'ensemble des images monochromatiques de la voie d'éclairage modulées en intensité en chaque point par les détails de l'objet,
- du même miroir galvanométrique (32) assurant la déflection angulaire en retour de la nappe lumineuse (34) à la position initiale (33),
- d'une lame séparatrice (24) permettant de dissocier la voie d'observation de la voie d'éclairage,
- d'un collimateur (27) reprenant l'image polychromatique à l'infini pour la focaliser sur une fente de filtrage spatial (28).
» Un sous-ensemble de dispersion chromatique angulaire (29) du type spectrographe imageur, dont la fente d'entrée est la fente de filtrage spatial (28), et qui forme dans son plan image un continuum d'images monochromatiques dont l'ensemble constitue une image de plan (x, z) de tomobiopsie optique (26).
• Un détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel (30) placé dans le plan image du spectrographe imageur et délivrant à l'aide de son électronique de pilotage (31) une image instantanée du plan de tomobiopsie dont la fréquence de rafraîchissement est définie par les performances intrinsèques du détecteur photoélectrique et le bilan photométrique de l'ensemble y compris les propriétés de rétrodiffusion des détails de l'objet sous examen. • Des moyens électroniques de pilotage et de synchronisation (38) du miroir galvanométrique de balayage afin d'accéder, à la demande et successivement, à l'ensemble des plans de coupes tomographiques.
• Des moyens électroniques et informatiques (39) d'enregistrement, de traitement et de visualisation des images instantanées acquises.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse polychromatique et à spectre continu est réalisée par couplage optique de plusieurs sources élémentaires à spectres respectifs de largeur inférieure à l'étendue chromatique globale du système.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse polychromatique a un spectre discontinu de raies fines parfaitement identifiées permettant un codage en z de l'espace de mesure en tranche successives perpendiculaires à l'axe optique de l'objectif à chromatisme axial connu.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fente d'éclairage est remplacée par des trous de sources alignés, non nécessairement équidistants, la fente de filtrage étant, elle aussi, remplacée par des trous de filtrage spatial conjugués optique desdits trous source.
5. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la déflection angulaire de la nappe lumineuse (33) est réalisée au moyen d'un miroir oscillant ou d'un miroir polygonal ou encore d'un déflecteur acousto-optique.
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'objectif de projection à chromatisme axial connu (25) est doté d'aberrations géométriques connues comme l'aberration sphérique et la courbure de champ, afin d'adapter la forme des images monochromatiques de la fente source dans l'espace de mesure à des géométries particulières d'objets à examiner et/ou compenser partiellement ou totalement les aberrations causées par la traversée des régions supérieures desdits objets.
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