JP4365836B2 - 2次元断面画像を再構築するための方法及び装置 - Google Patents

2次元断面画像を再構築するための方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、医療撮像法によって得られた3次元又は4次元画像データセットから、2次元断面画像を再構築するための方法及び装置に関する。本発明は特に、左心室等、心腔(くう)から上述した2次元断面画像を再構築することに関する。
超音波、MRI、CT、PET等の医療撮像法は、体のある領域の3次元画像データセットを得る可能性をしばしば提供している。心臓や主要動脈血管、他の器官等、心肺運動の支配下で動く器官の場合、多くの医療撮像法が対象物の様々な時点での3次元画像情報を含む、動態4次元画像データセットの取得を可能にしている(例えば、動いている心臓)。
それにも拘らず、得られた体積データを観察評価する際、医療従事者の多くはやはり2次元画像に頼っている。何故なら、彼らは2次元画像に基づいて診断を下すのに慣れているからである。例えば、心臓の場合、検査は心腔を通る特定配置の切断面、例えば四腔像や二腔像、長軸像、短軸像を用いて行われる。長軸は、心臓の心尖(せん)部から心基部まで伸びる軸で、短軸像は長軸像に垂直である。
左心室における異常を判断するための最新技術の方法では、超音波で得た4次元の動態画像データセットから、左心室を通る一連の短軸像が再構築される。例えば、MRI等、他の用途では、短軸像は心臓から直接得られるかもしれない。いずれの場合でも、心室壁の生存能(viability)の判断は、心臓が動くことから非常に複雑になっている。短軸切断面群はそれぞれ空間内で固定されているのに対し、心臓はそれらを横切って動くので、ある短軸像中において見られる心室壁の部位は、経時的に一定ではない。したがって、心室壁において膨隆乃至腫れに見えるものは、単に心臓の別の部分が視界に入ってきたことによって、そのように見えただけのものかもしれない。
さらに、長軸は直線であり、短軸像はこの長軸に垂直である。しかしながら、直線は心腔、特に左心室の形にあまりよく適合しない。なぜなら、これら心腔は、まず正確な楕(だ)円形であることはなく、心尖部に向かって「バナナ」型になっているからである。したがって、従来の方法で作成された短軸像は心筋壁に対しての角度が好ましくないことがよくある。心室が収縮時に複雑な並進運動や回転運動を行うことによって、この事態は悪化してしまう。このため、心腔の動きは、心臓における病理学上の変化として誤って解釈されてしまう可能性がある。
本発明の目的は、画像化した対象物の特別な解剖学的構造を考慮して対象物を表示することを可能にし、また動態画像の場合、種々異なる時点で得た断面群画像において対象物の同一領域を表示することを可能にする、3次元又は4次元医療画像データセットから2次元断面画像を生成する方法を提供することである。
これらの課題を解決するために、本発明は、壁に囲まれた内部空間を有する対象物(特に心腔)の4次元画像データセットから断面画像を再構築するための、請求項1に記載の方法を提供するものであって:
(a)解剖学的長軸の長さ及び/又は形状が対象物の長さ及び/又は形状に適合するように、対象物を通る解剖学的長軸を画定するステップと、
(b)解剖学的長軸に沿って分散配置された交点群を画定するステップと、
(c)一群の断面であって、各断面は解剖学的長軸上の交点と交わり、解剖学的長軸が含まれない断面を画定するステップと、
(d)画像データセットから断面に対応する断面画像を計算するステップとを有し、
前記(a)〜(d)のステップが各3次元データセットに対して繰り返され、それにより 、各時間枠に対する解剖学的長軸を画定し、長軸の長さ及び/又は形状は経時的に変化する。
本発明は、上述した方法の段階を実行することができるようにされた計算手段を含む装置にも関する。更なる種々の、実施形態は以下の記述で開示されるとともに従属項で定義される。
先行技術による方法とは異なり、対象物(すなわち、心室)を通る長軸は、必ずしも直線である必要はなく、画像化する対象物の長さや形状に適合するものとすることができる。心室の場合、長軸は心尖部における心室の形状を追従するように湾曲してもよい。このように適合させた長軸を以下「解剖学的長軸(anatomical long axis)」と称するものとする。動態データセットの場合、解剖学的長軸は、時点毎に形状や長さが変化するであろう。特に、解剖学的長軸の長さ(おそらく曲率)は、心臓の拍動周期中変化する。
断面は、例えば、短軸像等を表すが、解剖学的長軸に関して定義される。したがって、断面も画像化された対象物の解剖学的構造に適合させたものとされ、動態画像データセットの場合、断面の位置は空間内で定まらない。
本願において、「解剖学的長軸」という用語は、必ずしも対象物の長軸を指していうものである必要はなく、対象物の具体的形状や対称性によっては、対象物の短軸を指すものであってもよい。
断面の位置を決める交点群は、所定のものであってもよいし、使用者が選定してもよい。後者の場合、使用者は対象物の長軸像を見ることになるが、該像には、解剖学的長軸の位置とこの長軸上に間隔を置いて存在する交点が視覚化される。続いて、使用者は、例えば、綿密に検査したい病変部位に向かって断面を移動するというように、解剖学的長軸に沿って交点を動かす機会を与えられる。各断面は、長軸とほぼ直角に交わるのが好ましいとはいえ、画像化された対象物の形態によっては直角以外の角度でもよい。断面が平面でない場合、以下で述べるように、解剖学的長軸と各断面との交点における接線が互いに直角を成すように向けられる。
他の実施形態によれば、断面は必ずしも平面であるとは限らず、対象物の壁と直交するように屈曲又は湾曲していてもよい。これは、壁を傾斜切断することによって心筋壁等、壁の厚みを誤って把握してしまうことがない、という利点がある。したがって、使用者が最終的に見る断面画像は、対象物を通る平面と必ずしも対応していないことになる。
心臓の拍動周期での異なる時点等、異なる時間枠(time frames)に対応している数個の3次元画像データセットから成る動態データセットの場合、解剖学的長軸は、長軸の長さ及び/又は形状が経時的に変わり得るよう、時間枠ごとに新たに定義するのが好ましい。それによって、断面画像の位置を経時的に変化させ、対象物の動きに伴って移動させることができる。好ましい実施形態によれば、これは異なる時間枠に亘(わた)って一定である解剖学的長軸に沿った交点群の相対配置を保つことによって実現される。言い換えると、交点間の絶対距離は解剖学的長軸の長さに比例して経時的に変化する。もし断面が解剖学的長軸に直交しているならば、データセットにおける各断面の向きもまた、軸の曲率に従って経時的に変化することになろう。
本発明はその第2の局面において、対象物の3次元画像データセットから2次元画像を再構築するための、請求項6に記載の方法を提供するものであって:
(a)解剖学的長軸の長さ及び/又は形状が、対象物の長さ及び/又は形状に適合するように対象物を通る解剖学的長軸を画定するステップと、
(b)解剖学的長軸に平行な長手方向に湾曲した面を画定するステップと、
(c)前記長手方向に湾曲した面に対応する、長軸方向の画像を計算するステップとを有する。
本発明は、上述した方法に従って長軸方向の画像を計算する計算手段と、長軸方向の画像を表示する表示手段(好ましくは、平面スクリーン又は表示面に映写する)とを有する装置にも関する。
したがって、上述した通りに定めた解剖学的長軸から、心臓の場合、長軸像に相当する、長軸方向の画像を再構築することができる。しかしながら、本発明における解剖学的長軸は対象物の形状に適合させる為に湾曲させたり屈曲させることがあるので、その場合、長軸方向の画像は平坦(たん)面には対応せず、少なくとも一方向に湾曲した湾曲面に対応することとなる。このような長軸方向の画像が表示スクリーン上に表示されるとき、前記画像は「平坦化される」、すなわち、3次元の外観が3D表示法(例:3Dレンダリング)によって計算されて表示される。
上述した方法の効果的適用は、長軸方向の画像(長軸像に相当)、及び、断面画像(短軸像に相当)の両方を表示画面に表示する際に発揮される。このような表示は、負荷エコー検査の評価のために利用することができ、その結果、心臓の拍動周期の異なる時間枠、又は、異なる負荷状況(例:休止期やピーク期)で得られた画像の比較を表示に基づいて行うことができる。異なる時点での解剖学的長軸上の同一交点(必ずしも空間中の同一点に対応するとは限らないが)に対応する短軸像群が上下に重なって表示され、使用者が心室壁のある部位の収縮を追跡できるのが最も好ましい。あるいは、これらの画像をシネモードで表示することもできる。
解剖学的長軸の長さ及び形状は、対象物の各3次元画像データセットに対し、適切なものであればいかなる手段(好ましくは、完全に自動化した手段)によっても決定することができる。一実施形態によれば、解剖学的長軸は、まずその軸の二端点を決定し、次に、これら端点間の解剖学的長軸の経路を自動的に計算することによって定められる。左心室を通る長軸の両端点のうち、一方を心尖部、もう一方を僧帽弁の中間点とすることができる。これら端点は、自動算出によって決めても、使用者が定めてもどちらでもよい。続いて、対象物の形状を捉えることができる何らかの適した手段(例えば、対象物の内部空間の重心)を考慮することによって、端点間の解剖学的長軸の経路を計算する。
3次元又は4次元画像データセットは、例えば、超音波、MRI、CT、PET等、何らかの医療撮像法、又は赤外線撮像法によって取得することができる。中でも超音波によるデータセットが最も好ましいが、その理由は、超音波は心臓の動態評価に必要な時間分解能を提供するからである。この場合、3次元データセットはデカルト座標系のものでなく、超音波プローブから放出される超音波ビームに対応する円柱座標系又は球面極座標系であることが多い。
本発明は、さらに、コンピュータ上で走らせたときに、上記方法を実行させることができるプログラム・コードを有するコンピュータプログラム製品をも提供する。
本発明の好ましい実施形態を添付の図面と関連させながら説明する。図面は左心室の像を示しているが、本発明は、人体又は動物体内に有り、軸によって適切に規定され得る対象物(血管や腸の部位、右心室、左右心房、その他の器官等)であれば、心室に限らず同様に適用される。
まず、図6を参照する。図6は心臓の切断面、いわゆる四腔像を示し、心臓の4つの小室、すなわち、左心室8、左心房9、右心房10及び右心室11をすべて横切っている。大動脈18及び肺動脈20も見ることができる。この図から明らかなように、血液は左心房から僧帽弁14を通り、左心室に流入し、ポンプ作用によって左心室から大動脈弁を通って大動脈18に吐出される。左心室8は、内層16で示される心内膜を含む壁12に囲まれている。
従来の長軸19も図6に示されている。その端点A、Bは、一方は心尖部17であり、他方は僧帽弁14の中央部である。技術水準においては、これら2点間を真直ぐで剛直な線が引かれ、断面画像はこの線に垂直に撮られていた。しかしながら、図6から明らかなように、左心室の形状は楕円とは幾分異なり、心尖部端の辺りは「バナナ形」に先細りした形状である。したがって、直線は長軸の最適な幾何学形状ではない。
このため、本発明の実施例においては、長軸は「解剖学的長軸」を形成するため、左心室の形に適合される。これは、直線を除外するということではなく、他の形状を含めるということである。図7に示されるように、解剖学的長軸20もやはり、点AとBとの間に引かれるが、その間に更に3点、C1、C2、C3が左心室の湾曲に従って定められている。これらの点は、下に述べるように使用者が定義してもよいし、自動的に計算することもできる。これらの点の各間について、解剖学的長軸は補間法によって計算できる。
解剖学的長軸を計算する好ましい方法によれば、両端点A、B(図6参照)間に直線19を定める。次に、この直線上の所定位置に、直線19に垂直な平面Sを定める。該平面Sは、心室壁と交差する。この平面Sに対応する断面画像から心内膜、すなわち、心室壁の内膜が、先行技術において既に知られている輪郭検出法によって自動的に認識され得るのである。心室空間のこの横断面から、重心が計算され、この特定の平面を通る解剖学的長軸の新たな交点C3として配置される。この段階は、長軸上の他の点についても繰り返され、これらの点から解剖学的長軸を補間するために、点C1、C2、C3、・・・の数が十分に揃(そろ)うまで行われる。
図1は、解剖学的長軸の更なる局面である、該軸の経時変動性を説明するものである。図1は、心臓の拍動周期における異なる時点での左心室の概略二腔像を数個図示している。この図から明らかなように、長軸20の長さ及び/又は形状は、経時的にかなり変化している。
図1に示されるように、解剖学的長軸は(湾曲カーブでなく)真直ぐでありながらも経時的に変化するか、又は、経時的には不変であって心室の形状に適合して変化する(例えば、3次元静止画像データセットに対応)であろう。あるいはまた、経時的にも変化し、かつ、空間内においても湾曲変化するかもしれない。
図2は、断面画像を解剖学的長軸20からどのように得るのかを説明するものである。該解剖学的長軸20は、従来の長軸像上に示され、超音波装置の表示ユニット上に表示される。短軸像を再構築するためには、まず、複数の交点、P1、P2、P3、・・・を解剖学的長軸上に定める。図示の例では、交点は長軸上に等間隔で配置されているが、心尖部付近では心基部より間隔を狭めたり又は広めたり等、交点は図示の例とは違うように分散配置してもよい。あるいは、使用者はどこか関心のある領域に向かって交点を解剖学的長軸沿いに移動させてもよい。
交点が定まったら、解剖学的長軸と垂直な断面1、2、3、4、5、6を、交点P1、P2、P3、・・・を通るように配置する。
他の方法によれば、短軸像を断面1から6に対応して計算する。短軸像は3次元又は4次元画像データセットから、よく知られた補間法により再構築される。これは各断面の面内に決められた数の点を有する格子を定義し、3次元又は4次元画像データセットにおける最も近い画素から各点の画像グレー値を算出することによりなされる。これには、断面画像上の各点となる、例えば2×2×2ボクセル(voxel)、又は、4×4×4ボクセル(voxel)の空間にフィルタを利用することができる。このように再構築された短軸像がモニタに表示されるか又はプリントアウトされ、医師が見ることとなる。
また、更に他の方法によれば、短軸像は断平面1〜6に沿ってではなく、同前の交点P1、P2、P3、・・・で解剖学的長軸と交差する面から撮られるが、図3に示されるように、これらの面は心室壁と直角に交わるように折り曲げられる。図3は長軸像と二腔像の両方において、これらの屈折した断面S1、S2、S3の位置を太線で示している。断面S1、S2、S3の屈折形状は、好ましくは、まず、各3次元データセットでの心室壁の位置を従来の閾(しきい)値処理又は表面獲得法によって検出することにより計算される。心室壁の形状についての知識があれば、断面が心室壁に垂直に交わるように自動的に曲げ上げることが可能である。図に示すように、断面S1、S2、S3は、円錐(すい)面形状又は、球面形状や楕円面状を有してもよい。
断面の曲率が決定されれば、これらの面に対応する断面画像又は短軸像は、上述したように、それぞれの3次元又は4次元データセットから補間によって計算される。経時的に構造を追跡するために、例えば、ボクセル(voxel)追跡法が適用され、解剖学的長軸及び対応する短軸を経時的に計算する。
上述した方法で決定した短軸像、及び、他の画像を表示する方法の一例を図4に示す。縦4列は、各々、長軸像、二腔像、四腔像及び短軸像を示している。横方向の行では、これらの画像は心拍周期の異なる時間枠又は休止期やピーク期等、異なる負荷エコー期が示されている。こうして、検査者は心拍周期又は異なる負荷期を通しての心筋の動きを追跡し比較することができる。
本発明の第2の局面に係る一実施形態は、第1の局面の代わりに、又は、これに加えて実施されるものであって、図5が参照される。図5の第1の図は上述した通りに得られた解剖学的長軸20を含む長軸像を示す。しかしながら、解剖学的長軸20に垂直な面に代え、本例では解剖学的長軸に平行な面を定める。この面は斜視図である第2の図で示されるように、解剖学的長軸と同様に湾曲している。この長軸方向の面36は、左心室の形に適合するようにされ、3次元又は4次元データセットからの補間によって画像を再構築するための基礎となることができる。このような画像がモニタに表示されるとき、該像は図5の最後の図に示されるように「平坦化される」ことになる。
上述した再構築法は、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、医療用撮像装置等いずれのコンピュータによっても実行可能である。好ましい実施形態によれば、このような処理装置は図8に示すように、超音波装置22に接続されるか組み込まれる。図8は、上述した方法を実行するのに適するようにした超音波装置及び処理装置の概略図である。超音波画像データは超音波ヘッド24を使用して患者28から得られる。超音波データは、該超音波データから3次元又は4次元画像データセットを再構築する超音波装置22に送られる。動画像を獲得する際、心電図装置26は超音波取得中、心電図を測定し、画像データの参照事項として心拍周期内における具体的な時間枠を示す。得られた3次元又は4次元データセットは、次に、コンピュータ等再構築用装置30によって処理される。装置30はデータ記憶装置と処理手段を有し、例えば、モニタ等の表示装置34に接続され、オプションとして、キーボード32とマウス及び/又はトラックボール38にも接続される。
好ましくは、まず表示装置34を用いることによって画像化された対象物の従来の長軸像を表示し、該像の上に自動的に計算された解剖学的長軸20の位置を示すが、必要に応じて使用者はその位置を変えることができる。使用者が解剖学的長軸20の長さ、形状及び位置を適切と判断したら、再構築装置30は交点P1、P2、P3の位置を計算し、その位置がモニタ34に表示される。オプションとして、使用者は上述したように交点の位置を変えるために、マウス及び/又はトラックボール38を使用することが可能できる。次のステップでは、再構築装置30は、交点に対応する断面群を定める。必要に応じて、これらの断面の位置及び配列はモニタ34に図3と同様に表示され、使用者からの承認を待つ。最終段階で、再構築装置30は断面に対応する解剖学的短軸像を計算し、得られた画像をモニタ34に表示する。
再構築装置30は、超音波装置22に一体に組み込まれていてもよい。
本発明自体の範囲を逸脱しない限り、本発明による方法及び装置に改変及び/又は変更を加えることができる。
時間と解剖学的長軸の長さとの関係を示す概略図である。 心室の長軸及び二腔像の概略、及び解剖学的長軸の位置と軸上の交点を示す。 更に断面の形状も示した、図2と同様の図を示す。 本発明の方法の実施形態に従って得られた長軸像、二腔像、四腔像及び短軸像の表示例の概略図である。 図2及び3による長軸像、解剖学的軸から得られた長軸方向像、及び、「平坦化した」長軸方向の画像を示す。 従来の真直ぐな長軸を示している、心臓四腔像の概略図である。 解剖学的長軸を示している、心臓四腔像の概略図である。 超音波装置及び画像再構築装置の概略図である。

Claims (12)

  1. 壁(12)に囲まれた内部空間を有する対象物(8)、特に心、の4次元動態画像のデータセットであって医療撮像法により得られ、各々がある時間枠を表すいくつかの3次元 データセットを含む4次元画像データセットから2次元断面画像を再構築するための方法であって:
    (a)解剖学的長軸(20)の長さ及び/又は形状が対象物の長さ及び/又は形状に適合するように、対象物(8)を通る解剖学的長軸(20)を画定するステップと、
    (b)解剖学的長軸(20)に沿って分散配置された交点群(P1、P2、P3)を画定するステップと、
    (c)一群の断面(1−6、S1−S3)であって、各断面は解剖学的長軸(20)上の交点(P1、P2、P3)と交わり、解剖学的長軸(20)が含まれない断面を画定するステップと、
    (d)画像データセットから断面(1−6、S1−S3)に対応する断面画像を計算するステップとを有し、
    前記(a)〜(d)のステップが各3次元データセットに対して繰り返され、それにより 、各時間枠に対する解剖学的長軸(20)を画定し、長軸の長さ及び/又は形状は経時的 に変化する方法。
  2. 解剖学的長軸(20)上の交点(P1、P2、P3)の相対分布は異なる時間枠において一定に保たれ、交点(P1、P2、P3)間の絶対距離が解剖学的長軸(20)の長さに比例して経時的に変化する請求項に記載の方法。
  3. 交点(P1、P2、P3)が長軸(20)上に等間隔に配置されているか、又は、一時間枠内におけるそれらの位置が使用者によって画定される請求項1又は2に記載の方法。
  4. 断面(S1、S2、S3)は、対象物(8)の壁(12)と直角に交わるように折り曲げられている請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  5. 壁(12)に囲まれた内部空間を有する対象物(8)、特に心腔、の4次元動態画像のデータセットであって医療撮像法により得られ、各々がある時間枠を表すいくつかの3次元 データセットを含む画像データセットから2次元断面画像を再構築するための方法であって:
    (a)解剖学的長軸(20)の長さ及び/又は形状が対象物の長さ及び/又は形状に適合するように、対象物(8)を通る解剖学的長軸(20)を画定するステップと、
    (b)解剖学的長軸(20)に平行な長手方向の面(36)を画定するステップと、
    (c)長手方向の面(36)に対応する長軸方向の画像を計算するステップとを有し、
    前記(a)〜(c)のステップが各3次元データセットに対して繰り返され、それにより 、各時間枠に対する解剖学的長軸(20)を画定し、長軸の長さ及び/又は形状は経時的 に変化る請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  6. 断面画像及び/又は長軸方向の画像を表示スクリーン(34)上に表示するステップを更に含む請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  7. 解剖学的長軸(20)は、その両端点(A、B)が手入力又は自動設定により画定され、次いで解剖学的長軸(20)の2点間の経路が自動計算される請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  8. 解剖学的長軸の経路は、
    (i)両端点(A、B)間の直線(19)を画定するステップと、
    (ii)両端点間において、直線(19)に垂直に、かつ、直線(19)に沿う所定の位置で平面(S)を画定するステップと、
    (iii)平面(S)と交わる、対象物の内部空間の面積の中心(C3)を計算するステップと、
    (iv)ステップ(iii)で計算された面積の中心(C3)を通る解剖学的長軸(20)の新たな経路を画定するステップと、
    (v)ステップ(ii)〜(iv)を繰り返すステップとにより自動的に計算される請求項に記載の方法。
  9. 次元画像データセットは、超音波により得られる請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  10. 壁(12)に囲まれた内部空間を有する対象物(8)、特に心腔、の4次元動態画像のデータセットであって医療撮像法により得られ、各々がある時間枠を表すいくつかの3次元 データセットを含む画像データセットから2次元断面画像を再構築するための装置であって:
    (a)解剖学的長軸(20)の長さ及び/又は形状が対象物の長さ及び/又は形状に適合するように、対象物を通る解剖学的長軸(20)を計算し、
    (b)解剖学的長軸(20)に沿って分散配置された交点群(P1、P2、P3)を画定する、又は、使用者が画定することができるようにし、
    (c)一群の断面(1−6、S1−S3)であって、各断面は解剖学的長軸(20)上の交点(P1、P2、P3)と交わり、解剖学的長軸(20)が含まれない断面を画定し、(d)断面に対応する断面画像を計算する、
    ための計算手段(30)であって、前記(a)〜(d)を各3次元データセットに対して 繰り返し、それにより、各時間枠に対する解剖学的長軸(20)を画定し、長軸の長さ及 び/又は形状は経時的に変化する計算手段(30)と、
    (e)前記計算手段によって計算された断面画像(SAX)を表示するための表示手段(34)と、
    を有する装置。
  11. 壁(12)に囲まれた内部空間を有する対象物(8)、特に心腔、の4次元動態画像のデータセットであって医療撮像法により得られ、各々がある時間枠を表すいくつかの3次元 データセットを含む画像データセットから2次元長軸方向の画像を再構築するための装置であって、
    (a)解剖学的長軸(20)の長さ及び/又は形状が対象物の長さ及び/又は形状に適合するように、対象物を通る解剖学的長軸(20)を計算し、
    (b)解剖学的長軸に平行な長軸方向の面(36)を画定し、
    (c)長軸方向の面(36)に対応する長軸方向の画像を計算する、
    ための計算手段であって、前記(a)〜(c)を各3次元データセットに対して繰り返し 、それにより、各時間枠に対する解剖学的長軸(20)を画定し、長軸の長さ及び/又は 形状は経時的に変化する計算手段(30)と、
    (d)長軸方向の画像を表示するための表示手段(34)と、
    を有する請求項10に記載の装置。
  12. コンピュータ読み取り可能な媒体に記憶され、かつ、コンピュータ上で走らせたときに、請求項1〜のいずれか1項に記載の方法をコンピュータに実行させるプログラムコードを有する、コンピュータプログラム。
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