Article de méthode

Reconstruction triplanaire synchrone intégrée à la cartographie Doppler couleur pour une localisation précise et rapide des lésions thyroïdiennes

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DOI :

10.3791/66569

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9 février 2024

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1Department of Thyroid, Sunsimiao Hospital, Beijing University of Chinese Medicine, 2Department of Thyroid, Dongzhimen Hospital, Beijing University of Chinese Medicine, 3Fever Clinics, Dongzhimen Hospital, Beijing University of Chinese Medicine, 4Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd.

Dans cet article

Résumé

Nous présentons ici une technique d’échographie 5D combinant la reconstruction 3D multiplanaire et la fusion Doppler couleur, qui permet une visualisation synchrone des informations structurelles et fonctionnelles thyroïdiennes. En minimisant les angles morts, cette méthode permet une localisation rapide et précise des lésions pour améliorer la précision du diagnostic, ce qui profite particulièrement aux praticiens novices.

Résumé

Cet article propose une nouvelle technique d’examen de la thyroïde basée sur la reconstruction synchrone en cinq dimensions (5D) des données échographiques. Les séquences temporelles brutes sont reconstruites en données volumétriques 3D reflétant la structure anatomique. Une visualisation triplanaire à partir de trois plans orthogonaux est réalisée pour fournir une inspection systématique de l’ensemble de la presse-étoupe. L’imagerie Doppler couleur est intégrée dans chaque coupe triplanaire pour cartographier les changements de vascularisation. Cette fusion multimodale permet l’affichage synchrone des informations structurelles, fonctionnelles et de flux sanguin dans l’espace 5D reconstruit. Par rapport à la numérisation conventionnelle, cette technique offre les avantages d’un diagnostic hors ligne flexible, d’une dépendance réduite à l’égard de la numérisation, d’une interprétation intuitive améliorée et d’une évaluation multidimensionnelle complète. En minimisant les erreurs de surveillance, il pourrait améliorer la précision du diagnostic, en particulier pour les praticiens novices. La méthode de fusion 5D proposée permet une localisation rapide et précise des lésions pour une détection précoce. Les travaux futurs exploreront l’intégration avec des marqueurs biochimiques pour améliorer encore la précision du diagnostic. La technique a une valeur clinique considérable pour faire progresser l’examen de la thyroïde.

Introduction

La thyroïdite de Hashimoto (HT), la maladie thyroïdienne auto-immune (AITD) la plus fréquente, est la principale cause d’hypothyroïdie dans les régions du monde riches en iode1. Elle se caractérise par une infiltration lymphocytaire et des auto-anticorps contre les antigènes thyroïdiens, entraînant la destruction de l’architecture thyroïdienne et l’hypothyroïdie2. La stadification de l’HT vise à évaluer la gravité et à guider les décisions de traitement. Elle repose sur une combinaison de marqueurs biochimiques tels que la thyréostimuline (TSH) et les auto-anticorps thyroïdiens3, ainsi que sur des caractéristiques échographiques visibles à l’échographie thyroïdienne 4,5,6.

À l’échographie, l’HT présente des résultats caractéristiques, notamment une diminution diffuse de l’échogénicité, une échotexture hétérogène, une micronodularité et une augmentation du flux sanguin sur le Doppler couleur 6,7. Cependant, l’échographie bidimensionnelle (2D) conventionnelle en niveaux de gris manque de méthodes quantitatives pour analyser systématiquement ces caractéristiques pour la stadification HT8. L’évaluation des changements de vascularisation est également limitée à une inspection visuelle qualitative en mode 2D. L’architecture tridimensionnelle (3D) complexe de la glande thyroïde entrave encore une évaluation approfondie à l’aide du tranchage 2D conventionnel 9,10. Ces facteurs conduisent à des angles morts d’imagerie et à une mauvaise interprétation, entraînant une faible sensibilité et spécificité, en particulier pour les praticiens moins expérimentés11,12.

L’échographie portable conventionnelle intègre l’acquisition et le diagnostic en temps réel. Cette dépendance couplée au flux de travail augmente la probabilité d’erreurs de surveillance lors de la numérisation. L’absence de localisation spatiale et de suivi rend également l’identification et le suivi des lésions imprécis12,13. Des systèmes d’échographie 3D dédiés ont vu le jour pour remédier à ces limites et ont montré des résultats prometteurs14,15. Cependant, la plupart des technologies d’échographie 3D nécessitent des mécanismes de balayage mécaniques complexes et des transducteurs spécialisés, ce qui entraîne des coûts élevés et des obstacles à l’adoption.

Pour surmonter les limites des techniques d’échographie 2D et 3D conventionnelles, cette étude propose une nouvelle solution de reconstruction et de visualisation 3D adaptée à l’examen de la thyroïde. À l’aide d’une échographie portable largement disponible, plusieurs balayages 2D sont d’abord acquis pour scanner l’ensemble de la glande thyroïde. La reconstruction volumétrique 3D est ensuite réalisée par recalage spatial et fusion des séquences 2D. Parallèlement, des trames Doppler couleur sont coenregistrées pour créer des cartes de vascularisation visualisant les changements de flux sanguin. Les volumes 3D en niveaux de gris reconstruits et les cartes de vascularisation colorées sont enfin intégrés dans une seule plateforme, permettant une visualisation multiplanaire synchronisée et une inspection structurelle-fonctionnelle combinée.

Cette technique de fusion 3D proposée fournit une évaluation systématique et complète de la morphologie complexe de la thyroïde sous différents aspects. En minimisant les angles morts et en permettant une vue d’ensemble globale, cela pourrait aider à améliorer la précision du diagnostic et à réduire les erreurs de surveillance, ce qui profiterait en particulier aux praticiens novices. La visualisation multimodale facilite également la localisation rapide et précise des lésions, ce qui est prometteur pour le diagnostic et le traitement précoces des nodules et des tumeurs thyroïdiennes. De plus, la méthode introduit une analyse quantitative des caractéristiques 3D qui n’a pas été étudiée auparavant pour la stadification HT. Avec une large adoption, il a le potentiel de standardiser et d’objectiver les procédures de diagnostic échographique actuellement dépendantes de l’expérience. En intégrant de manière synergique la reconstruction 3D portable, la fusion multimodale, l’analyse quantitative des caractéristiques et la visualisation flexible dans un flux de travail rationalisé, cette technique peu coûteuse et facile à utiliser représente un saut diagnostique puissant par rapport à l’échographie 2D conventionnelle pour faire progresser l’examen de la thyroïde.

Protocole

Cette étude a été approuvée par le comité d’examen institutionnel de l’hôpital Sunsimiao affilié à l’Université de médecine chinoise de Pékin. Le patient a été recruté au département de la thyroïde de l’hôpital Sunsimiao. Le patient a subi une échographie thyroïdienne et a donné son consentement éclairé à l’étude. Dans cette étude, des données échographiques 4D acquises à l’aide d’un appareil portatif ont été utilisées pour reconstruire des vues triplanaires de la glande thyroïde. De plus, l’imagerie Doppler couleur synchrone en temps réel a été réalisée. Les outils logiciels utilisés dans cette recherche sont énumérés dans la table des matières.

1. Collecte et préparation des données

  1. À l’aide d’un appareil à ultrasons portatif, placez le transducteur linéaire transversalement sur le cou du patient pour imager la thyroïde dans le plan transversal. Faites glisser la sonde lentement et régulièrement le long de la thyroïde tout en maintenant le contact et l’orientation de la sonde.
  2. Acquérir une séquence d’images transversales en mode B visualisant la morphologie de la thyroïde à une fréquence d’images de 33 Hz.
  3. En même temps, appliquez un Doppler couleur pour détecter le flux sanguin dans la glande et les vaisseaux. Scanner des pôles thyroïdiens supérieur à inférieur pour couvrir toute la glande. La séquence d’imagerie dynamique qui en résulte comprend des coupes transversales consécutives qui forment deux ensembles de données 4D.
  4. Chargement et navigation des données échographiques 4D en mode B
    1. Copiez toutes les données DICOM dans un répertoire de travail personnalisé.
      REMARQUE : le répertoire de travail est le même dans le système d’exploitation et dans MATLAB. Appuyez sur Entrée après avoir tapé chaque ligne pour exécuter la commande dans MATLAB.
    2. Importez le fichier de données US en mode B dans MATLAB à l’aide de la fonction dicomread et utilisez la fonction size pour afficher les dimensions des données.
      1. Ouvrez MATLAB sur l’ordinateur.
      2. Dans la fenêtre Commande , tapez :
        VB0 = dicomread('fname.dcm') ;
        Où 'fname.dcm' pourrait être remplacé par le nom de fichier réel des données DICOM. Celui-ci lira le fichier DICOM et stockera les données d’image dans la variable VB0.
      3. Pour afficher la taille des données chargées, tapez :
        taille(VB0),
        REMARQUE : Les données 4D importées ici avaient des dimensions de 768 pixels x 1024 pixels x 3 x 601 couches. Les 768 pixels x 1024 pixels x 3 correspondent à une image RVB standard, où chaque pixel est représenté par trois canaux avec une profondeur de 24 bits. Les couches 601 indiquent le nombre total de tranches numérisées.
    3. Appelez la fonction US_B_Show pour convertir les données de la matrice 4D en une séquence vidéo continue en niveaux de gris à lire en continu pour un examen détaillé (voir Figure 1).
      1. Pour convertir cette matrice de données échographiques 4D VB0 importée à l’étape 1.4.2.2 à l’aide de la fonction dicomread des fichiers DICOM en une séquence vidéo en niveaux de gris en lecture continue, appelez la fonction US_B_Show en tapant la commande suivante dans la fenêtre de commande MATLAB :
        US_B_Show(VB0)
        Où VB0 est la variable matricielle 4D contenant les données échographiques importées précédemment.
    4. L’interface graphique de la figure 1 affiche les boutons de lecture pour mettre en pause, avancer, rembobiner, etc.
      1. Appuyez sur le bouton de lecture pour lancer la lecture vidéo continue de la séquence d’images. Utilisez les icônes des outils de contrôle de pause et de lecture pour une navigation flexible de n’importe quelle image. Utilisez les boutons de zoom avant/arrière pour agrandir ou réduire dynamiquement les images pendant la lecture et le bouton de zoom par défaut pour réinitialiser la vue 1x d’origine.
      2. Cliquez sur le bouton Inspecter les valeurs des pixels et déplacez la souris sur une région pour superposer le réticule avec les coordonnées et les intensités des pixels pour une analyse localisée.
        REMARQUE : Ces commandes interactives permettent une inspection flexible des caractéristiques des données échographiques dans l’espace et dans le temps.
  5. Chargement et navigation des données d’échographie Doppler couleur 4D
    1. Importez le fichier de données d’échographie Doppler couleur dans MATLAB à l’aide de la fonction dicomread et utilisez la fonction de taille pour afficher les dimensions des données.
      REMARQUE : Les données 4D importées ici avaient des dimensions de 768 pixels x 1024 pixels x 3 x 331 calques. Les 768 pixels x 1024 pixels x 3 correspondent à une image RVB standard, le rouge et le bleu représentant le flux sanguin dans différentes directions. Les 331 couches indiquent le nombre total de tranches numérisées.
    2. Utilisez la fonction US_C_Show pour convertir les données de la matrice 4D en une séquence vidéo couleur continue à lire en continu pour un examen détaillé (voir Figure 2).
      REMARQUE L’interface graphique de la figure 2 comporte le même ensemble de commandes et d’opérations interactives que celles décrites précédemment à l’étape 1.4.4 de la figure 1.

2. Observation synchrone de l’échographie Doppler en mode B et couleur

REMARQUE : Les données d’échographie 4D en mode B illustrées à la figure 1 et les données d’échographie Doppler couleur 4D illustrées à la figure 2 contiennent les mêmes horodatages absolus dans la quatrième dimension le long de l’axe temporel. Ce champ est enregistré dans les métadonnées DICOM en tant que FrameTimeVector. Sur la base des valeurs temporelles de ce champ, les figures 1 et 2 peuvent être synchronisées en temps réel.

  1. Après avoir lu les deux fichiers 4D à l’aide de la commande dicomread , exécutez la fonction Synchronize_B_C avec les deux matrices 4D en entrée.
    REMARQUE : la figure 3 montre la vidéo résultante qui peut encore être lue en continu. La différence est maintenant que les données d’échographie 4D en mode B et les données d’échographie Doppler couleur 4D sont synchronisées en temps réel dans les mêmes images vidéo. L’interface graphique de la figure 3 comporte le même ensemble de commandes et d’opérations interactives que celles décrites précédemment à l’étape 1.4.4 de la figure 1.

3. Reconstruction triplanaire synchrone de la thyroïde

REMARQUE : Pour permettre une localisation et une quantification plus précises des lésions, cette étude a effectué une reconstruction triplanaire de la glande thyroïde à partir des données échographiques 4D acquises, avec une interactivité en temps réel. Cela permet aux cliniciens de localiser rapidement et précisément les lésions, jetant ainsi une base solide pour la quantification ultérieure des régions touchées.

  1. Appelez la fonction thyroid_triplanar avec les données échographiques 4D en mode B de la figure 1 en entrée pour dériver les trois plans orthogonaux (coronal, sagittal et axial) comme illustré à la figure 4.
  2. L’interaction en forme de réticule de la figure 4 permet une inspection en temps réel de différentes parties de la glande thyroïde. Cliquez et faites glisser le centre du réticule pour un examen 3D arbitraire de l’anatomie thyroïdienne reconstruite à partir d’une échographie.
    REMARQUE : L’interface graphique de la Figure 4 permet également de régler la plage d’intensité des niveaux de gris, le contraste et la luminosité des vues triplanaires.
  3. Appuyez et faites glisser le bouton gauche de la souris sur n’importe quelle région des images pour modifier en temps réel les niveaux de luminosité et de contraste . Relâchez le bouton de la souris pour confirmer et finaliser les réglages.

4. Reconstruction triplanaire synchrone pour le champ de flux sanguin 3D

REMARQUE : La reconstruction des vues triplanaires synchrones pour le champ de flux sanguin 3D sur la base des données d’échographie Doppler couleur 4D est également cliniquement importante pour caractériser la thyroïdite de Hashimoto (HT).

  1. Appelez la fonction thyroid_3D_blood avec les données échographiques 4D en mode C de la figure 2 en entrée pour dériver les trois plans orthogonaux (coronal, sagittal et axial) comme illustré à la figure 5.
  2. L’interaction en forme de réticule de la figure 5 permet d’inspecter en temps réel différentes parties de la glande thyroïde. Cliquez et faites glisser le centre du réticule pour un examen 3D arbitraire de l’anatomie thyroïdienne reconstruite à partir d’une échographie.
    REMARQUE : l’interface graphique de la Figure 5 permet également de régler la plage d’intensité des niveaux de gris, le contraste et la luminosité des vues triplanaires.
  3. Appuyez et faites glisser le bouton gauche de la souris sur n’importe quelle région des images pour modifier en temps réel les niveaux de luminosité et de contraste . Relâchez le bouton de la souris pour confirmer et finaliser les réglages.

5. Synchronisation des vues triplanaires en mode B et des vues triplanaires Doppler couleur

NOTE : En s’appuyant sur les vues triplanaires présentées à la figure 4, la synchronisation des images de flux Doppler couleur correspondantes aux emplacements des lésions faciliterait sans aucun doute le diagnostic et la quantification de la progression pathologique de la thyroïdite de Hashimoto (HT).

  1. Faites glisser l’interaction en forme de croix dans la figure 4 pour localiser la région d’intérêt et exécutez-US_B2C pour obtenir l’emplacement correspondant dans les vues triplanaires Doppler couleur.
  2. Faites glisser l’interaction en forme de croix dans la figure 5 pour localiser la région d’intérêt et exécutez-US_C2B pour obtenir l’emplacement correspondant dans les vues triplanaires en mode B.
    REMARQUE : La figure 6 pose une base échographique solide pour la localisation précise et le diagnostic définitif des lésions de thyroïdite de Hashimoto (HT).

Résultats

Comme le montre l’interface utilisateur graphique (GUI) des figures 1 et 2, la séquence d’échographie peut être vérifiée en continu. Cependant, cet examen bidimensionnel repose fortement sur les connaissances anatomiques du thyroïdologue pour reconstruire mentalement l’emplacement de la lésion, ce qui est difficile pour les novices et entraîne un manque de cohérence quantitative. La figure 3 fusionne les niveaux de gris en mode B avec des images en flux Doppler couleur pour permettre une inspection plus éclairée des scans 2D.

Pour faciliter une évaluation complète et fiable des troubles thyroïdiens, la figure 4 montre la distribution spatiale 3D des intensités en mode B, tandis que la figure 5 présente la carte de vascularisation 3D reconstruite à partir de données Doppler couleur. Comme illustré dans l’interface graphique (Figure 6), une visualisation synchronisée des informations structurelles et fonctionnelles le long de trois plans orthogonaux est réalisée. Les cliniciens peuvent inspecter en permanence les coupes transversales multiplanaires des images en niveaux de gris thyroïdiens et les images correspondantes du flux sanguin. Cette intégration transparente de modalités complémentaires pourrait jouer un rôle central dans la localisation et la détermination précises de la gravité des pathologies thyroïdiennes.

Si les volumes 3D en niveaux de gris et les volumes Doppler en couleur 3D sont essentiellement des données 4D couvrant les dimensions spatiales et pathologiques, le lien entre leur interaction entre les deux visualisations triplanaires synchronisées pourrait permettre au thyroïdologue de localiser rapidement les lésions dans un espace 5D unifié et de fournir des diagnostics précis basés sur l’intensité et les schémas de flux articulaires.

Imagerie par échographie, scintigraphie thyroïdienne, outil de diagnostic médical, échographie en niveaux de gris, échelle de mesure.
Figure 1 : Boucles vidéo échographiques transverses en mode B. Des images consécutives en mode B acquises par balayage transversal continu montrent la morphologie thyroïdienne. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Échographie, image Doppler, analyse du flux sanguin thyroïdien, technique d’imagerie médicale diagnostique.
Figure 2 : Boucles vidéo d’échographie Doppler couleur transversale. Les trames Doppler couleur consécutives obtenues par balayage transversal révèlent les caractéristiques du flux sanguin du tissu thyroïdien. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Comparaison des échographes ; Imagerie Doppler en niveaux de gris et en couleur, analyse de flux vasculaire, outil de diagnostic médical.
Figure 3 : Échographie synchronisée en mode B et Doppler. Vidéo intégrée montrant de manière synchrone la structure thyroïdienne (niveaux de gris) et le flux sanguin (superposition colorée). La superposition Doppler couleur représente la direction et la vitesse de l’écoulement à l’aide d’une échelle de couleur : le rouge indique l’écoulement vers la sonde ; Le bleu indique que le débit s’éloigne de la sonde. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Imagerie par ultrasons montrant les plans X, Y, Z dans un dispositif de diagnostic médical, analyse en coupe.
Figure 4 : Vues triplanaires extraites de l’échographie en mode B. Plans coronal, sagittal et axial orthogonaux reconstruits à partir de scans 4D en mode B à l’aide d’une visualisation triplanaire. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Diagramme d’imagerie spectrale ; Visualisation de données 3D pour l’étude de l’absorption ; Analyse de l’intensité de la carte thermique.
Figure 5 : Vues triplanaires extraites de l’échographie Doppler. Plans coronal, sagittal et axial orthogonaux reconstruits à partir de scans Doppler 4D pour cartographier les caractéristiques du flux sanguin du tissu thyroïdien. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Comparaison d’échographie et d’imagerie thermique, analyse diagnostique, tableau de distribution de la température.
Figure 6 : Vues triplanaires synchronisées fusionnant les données structurelles et vasculaires. Reconstruction multiplanaire fusionnée synchronisant les données en mode B et Doppler pour permettre une inspection morphologique et fonctionnelle combinée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

Étapes critiques du protocole
Bien que les figures 1 et 2 soient utiles pour l’inspection et le diagnostic, la détermination de l’emplacement et des vues des lésions sous d’autres angles nécessite une expérience spécialisée. Pour le diagnostic de la thyroïdite de Hashimoto (HT), la synchronisation de la figure 1 et de la figure 2 en temps réel est également une étape importante et critique. L’étape 3.3 du protocole est l’une des étapes clés où, comme le montre la figure 4, le médecin traitant peut examiner de manière interactive des coupes transversales arbitraires de l’anatomie thyroïdienne 3D. Ceci est crucial pour localiser les lésions et identifier les régions tissulaires anormales. Traditionnellement, l’échographie portable ne fournit que des vues transversales 2D. Cela conduit inévitablement à la surveillance des détails pathologiques 3D en raison des angles morts. De même, l’étape 4.3 du protocole génère la carte du flux sanguin en 3D, qui est également essentielle pour localiser les lésions. Les étapes 5.1 et 5.2 du protocole synchronisent les images structurelles et fonctionnelles de la thyroïde, équipant les cliniciens d’outils numériques intelligents plus puissants pour gérer des affections complexes.

Modifications et dépannage
Si des artefacts de reconstruction se produisent, l’étendue du balayage d’acquisition peut être insuffisante. La répétition de la numérisation avec une couverture étendue peut surmonter ce problème. Des paramètres tels que l’espacement des tranches et la taille des pixels peuvent également être ajustés.

Limites de la méthode
Bien que l’échographie portable puisse obtenir des horodatages pour synchroniser différents modes, elle ne permet pas de localiser la sonde 3D en temps réel. Par conséquent, seules les dimensions transversales sont reconstruites avec précision dans les modèles thyroïdiens. Les mesures quantitatives sur les plans transversaux sont actuellement précises, tandis que les vues coronales et sagittales aident à la localisation pathologique mais ont des échelles quantitatives peu fiables à l’heure actuelle.

Importance par rapport aux méthodes existantes
Cette technique d’échographie 5D améliore la numérisation 2D conventionnelle en permettant un examen structurel multiplanaire combiné à une cartographie du flux sanguin dans un espace panoramique visualisé. Il surmonte les limites telles que la dépendance à l’opérateur, les angles morts et l’ambiguïté diagnostique qui persistent dans l’échographie 2D. Le flux de travail proposé pose une base solide pour normaliser et transformer les pratiques actuelles dépendantes de l’expérience pour le diagnostic échographique des maladies thyroïdiennes.

Applications potentielles
Cette méthode peut être appliquée pour localiser et quantifier avec précision les nodules thyroïdiens, les tumeurs et les lésions inflammatoires telles que la thyroïdite de Hashimoto. Il offre aux radiologues et aux chirurgiens des perspectives visuelles améliorées pour évaluer la pathologie. La technique a un potentiel considérable pour aider au diagnostic, à la planification du traitement et à l’orientation chirurgicale. De plus, l’équipe de l’étude prévoit d’intégrer des marqueurs biochimiques à ce pipeline d’analyse 5D pour réaliser un diagnostic et une quantification de précision des maladies thyroïdiennes grâce à l’IA.

Déclarations de divulgation

L’outil logiciel de quantification de précision des maladies thyroïdiennes, répertorié dans la table des matériaux de cette étude sous le nom de Thyroid Disease Precision Quantification V1.0, est un produit de Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co., Ltd. Les droits de propriété intellectuelle de cet outil logiciel appartiennent à l’entreprise. Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.

Remerciements

Cette publication a reçu le soutien du plan de recherche et de développement clé de la province du Shaanxi : 2023-ZDLSF-56 et de la construction de l’équipe provinciale du Shaanxi « Scientifique + ingénieur » : 2022KXJ-019.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
MATLABMathWorks  ;2023BInformatique et visualisation  ;
Outils pour les maladies thyroïdiennes Quantification de précisionEntropie intelligenteThyroid-3D V1.0Beijing Entropie intelligente Science & Technology Co Ltd.
Modélisation des maladies thyroïdiennes

Références

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Mots-clés

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