Method Article

Baseado em agarose tecido imitando Phantoms ópticos por espectroscopia de reflectância difusa

DOI:

10.3791/57578

⸱

August 22nd, 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Graduate School of Bio-application & Systems Engineering, Tokyo University of Agriculture & Technology, 2Department of Mechanical Engineering, Kushiro National College of Technology, 3Division of Bioinformation and Therapeutic Systems, National Defense Medical College Research Institute, 4Graduate School of Science and Engineering, Yamagata University, 5College of Design and Manufacturing Technology, Muroran Institute of Technology, 6Department of Livestock Services, Ministry of Fisheries and Livestock, Government of Bangladesh

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aqui, demonstramos como fantasmas ópticas de tecido-imitando baseada em agarose são feitas e como as propriedades ópticas são determinadas usando um sistema óptico convencional com uma esfera de Ulbricht.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este protocolo descreve como fazer fantasmas de tecido-imitando baseada em agarose e demonstra como determinar suas propriedades ópticas, utilizando um sistema óptico convencional com uma esfera de Ulbricht. Sistemas de medição para a aquisição da reflectância difusa e espectros de transmitância total são construídos com uma fonte de luz branca em banda larga, um guia de luz, uma lente acromática, uma esfera de Ulbricht, um porta-amostras, uma sonda de fibra óptica e uma espectrômetro de multi-canal. Um molde de acrílico que consiste de dois pedaços de acrílico retangulares e um pedaço de acrílico em forma de U é construído para criar um fantasma epidérmico e dérmico fantasma com sangue total. A aplicação de uma solução de (ND2S2O4) de ditionito de sódio para o fantasma dérmica permite que o pesquisador de deoxygenate de hemoglobina nos glóbulos vermelhos distribuídos no fantasma dérmico. O inverso de simulação de Monte Carlo com a reflectância difusa e espectros de transmitância total medidos por um espectrômetro com uma esfera de Ulbricht é realizado para determinar a absorção coeficiente espectro µa(λ) e a reduzido coeficiente de dispersão a espectro µs' (λ) de cada camada fantasma. Um fantasma de duas camadas, imitando a reflectância difusa do tecido da pele humana também é demonstrado pelo acumulando o fantasma epidérmico sobre o fantasma dérmico.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Espectros ópticos são objetos imitando as propriedades ópticas de tecidos biológicos e tem sido amplamente utilizados no campo da óptica biomédica. Eles são projetados para que as propriedades ópticas, tais como a dispersão da luz e coeficientes de absorção, correspondam com as dos tecidos humanos e animais vivos. Espectros ópticos são geralmente usados para os seguintes fins: simulando o transporte luz em tecidos biológicos, calibrar um design recentemente desenvolvido sistema óptico, avaliando a qualidade e o desempenho dos sistemas existentes, comparando o desempenho entre os sistemas e validando a capacidade dos métodos ópticos para quantificar as propriedades ópticas1,2,3,4,5. Portanto, fácil de obter substâncias, um processo de fabricação simples, uma grande reprodutibilidade e uma estabilidade óptica são necessários para fazer espectros ópticos.

Gel de vários tipos de espectros ópticos com diferentes materiais de base como suspensão aquosa6, gelatina,7,10,9,8,do gel de agarose, gel de poliacrilamida11, resina12, 13,14,15,16e quarto-temperatura de vulcanização do silicone17 têm sido relatados na literatura anterior. Tem sido relatado que géis de gelatina e alginato-baseados são úteis para espectros ópticos com estruturas heterogêneas18. Fantasmas de alginato tem uma estabilidade mecânica e térmica adequada para avaliar originando efeitos tais como estudos de ablação do laser e de estudos baseados em laser hipertermia18. Géis de agarose têm a capacidade de fabricar estruturas heterogêneas, e suas propriedades físicas e mecânicas são estáveis por um longo tempo18. Géis de agarose alta pureza tem uma muito baixa turbidez e uma fraca absorção óptica. Portanto, propriedades óticas de fantasmas baseados em agarose facilmente poderiam ser projetadas com a luz adequada, espalhamento e absorção de agentes. Recentemente, estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS) de copolímeros de bloco19 e cloreto de polivinila (PVC) géis20 foram relatados como interessantes materiais fantasmas para óptica e fotoacústico técnicas.

Polímero microesferas7,12,21,22, de pó de óxido de titânio1e lipídios emulsões23,24,25,26 tais como leite e lipídios emulsão são usados como agentes de dispersão da luz, Considerando que a tinta preta27,28 e29,de corantes molecular30 são utilizados como absorventes de luz. Reflectância difusa espectros da maioria dos órgãos vivos são dominados pela absorção do oxigenado e desoxigenado hemoglobina nos glóbulos vermelhos. Portanto, a hemoglobina soluções31,32 e sangue total8,9,10,33,36 são frequentemente usados como absorventes de luz na fantasmas de espectroscopia de reflectância difusa e imagens multiespectrais.

O método descrito neste artigo é usado para criar um fantasma ótico imitando o transporte luz em tecidos biológicos e caracterizar suas propriedades ópticas. Por exemplo, é demonstrado um duas camadas ótico fantasma imitando propriedades ópticas dos tecidos da pele humana. As vantagens deste método sobre técnicas alternativas são a capacidade de representar os espectros de reflectância difusa de tecidos biológicos vivos na região de comprimento de onda infravermelho próximo, bem como a simplicidade para disponibilizá-lo, usando facilmente visível materiais e instrumentos ópticos convencionais. Portanto, os espectros ópticos feitos por este método será útil para o desenvolvimento de métodos ópticos baseados em espectroscopia de reflectância difusa e imagens multiespectrais.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. construção de um convencional refletância e transmitância Total espectroscópico sistema difuso

Nota: Construa os sistemas de medição de reflectância difusa e espectros de transmitância total usando uma fonte de luz branca em banda larga, um guia de luz, uma lente acromática, uma esfera de Ulbricht, um porta-amostras, uma fibra óptica e um espectrômetro de multi-canal. O papel da armadilha luminosa é para remover o componente da reflexão especular do espectro de refletância. Porta-amostras da esfera integradora consiste em uma placa de montagem e ensamblagem e conjunto de fixação com mola que mantém a amostra contra a porta. A ensamblagem e montagem grampeada com mola são removidos do porta-amostras e um pedestal cúbico mão-feita de espuma de poliestireno é anexado à placa de montagem em vez disso. Os layouts dos componentes ópticos, mostrados na Figura 1a e 1b, podem ser referidos para o procedimento de construção para as medições de reflectância difusa e as medidas de transmitância total, respectivamente.

  1. Conecte o espectrômetro e um computador pessoal através do cabo de barramento serial universal (USB) fornecido.
  2. Conecte o adaptador de porta para uma porta de detector da esfera integradora. Conecte o espectrômetro e o adaptador de porta da esfera de integração usando uma fibra óptica. Conecte a fonte de luz 150 W halógena lâmpada e o guia de luz.
  3. Anexe o titular da amostra a uma porta de amostra da esfera integradora. Anexe a armadilha luminosa para uma porta apropriada da esfera integrando ao realizar as medições de reflectância difusa. Ligue a fonte de luz de lâmpada halógena para iluminar uma amostra através do guia de luz e a lente acromática.
  4. Abra o software operacional do espectrómetro.

2. preparação de um molde de acrílico

Nota: Um molde acrílico que consiste de dois pedaços de acrílico retangulares e um pedaço de acrílico em forma de U é construído para criar um fantasma de gel de monocamada. Figura 2 pode ser referido por este processo de construção.

  1. Corte os dois pedaços retangulares de acrílico de uma placa de acrílico de 2 mm de espessura para um tamanho opcional.
  2. Corte um pedaço de acrílico de uma placa de acrílico 1-mm de espessura para um tamanho opcional. Corte a peça de acrílico de 1 mm de espessura para que se torne uma peça em forma de U para ser usado para o molde para fazer 1 mm espessura epidérmicas fantasmas.
  3. Corte um pedaço de acrílico de uma placa de acrílico de 5 milímetros de espessura para um tamanho opcional. Corte a peça de acrílico de 5 mm de espessura para que se torne uma peça em forma de U para ser usada como um molde para fazer 5 mm espessura dérmicas fantasmas.
  4. Remova quaisquer rebarbas de cada peça acrílica usando um arquivo de metal.
  5. Fazer o molde de fantasma epidérmico, mantendo a peça em forma de U de 1-mm de espessura com os dois pedaços de acrílico de 2 mm de espessura e corrigi-los com cinco clipes de foldback.
  6. Fazer o molde de fantasma dérmico segurando a peça em forma de U de 5-mm de espessura com os dois pedaços de acrílico de 2 mm de espessura e corrigi-los com cinco clipes de foldback.

3. preparação do Material de Base

  1. Coloque 500 mL de soro padrão com 0,9% (p/v) NaCl em uma vagem. Lentamente, adicione 5 g de agarose em pó, agitando a mistura para evitar aglutinação.
  2. Aqueça a mistura de agarose em pó e soro fisiológico por um aquecedor elétrico de cozimento com uma configuração de energia 1.000 W por 5 min.
  3. Uma vez que a mistura ferve, mantenha a mistura em fogo baixo por 3 min.
  4. Arrefecer a mistura a uma temperatura de cerca de 70 ° C. Em seguida, despeje a mistura em um recipiente e mantê-lo em um banho a temperatura constante de 60 ° C por 30 min antes de fazer um fantasma.

4. preparação da pele-imitando Phantoms ópticos

Nota: Uma solução de café é usada para imitar o espectro de absorção de melanina. A solução de café contém um pigmento marrom chamado Melanoidina. O espectro de absorção de Melanoidina foi relatado para ser semelhante da melanina10.

  1. Preparar um fantasma epidérmico
    1. Despeje o reservatório da máquina de café, 100 mL de água pura. Coloque um filtro na cafeteira cesta. Adicione 24 g de pó de café no filtro. Ligue a cafeteira e pressione o botão de fermentação para iniciar a fabricação de cerveja.
    2. Colocar 4 mL de café e 16 mL de soro em um frasco de vidro para fazer uma solução de café.
    3. Colocar 5 mL de emulsão lipídica (por exemplo, 10% de intralipid) e 10 mL da solução de café em um copo de plástico transparente. Lentamente, adicione 35 mL de material de base a esta mistura, agitando.
    4. Aspirar a mistura em uma seringa e injetá-lo lentamente no molde fantasma epidérmico, evitando qualquer formação de bolhas. Fixe o molde acrílico contendo a mistura a 5 ° C por 20 min.
    5. Remova os clipes de foldback do molde. Deslize uma das peças de acrílico para fora e remova-o do molde. Tomar o gel de 1 mm-espessura solidificado fantasma fora do molde e cortá-la para o tamanho desejado, usando um bisturi cirúrgico.
    6. Coloque e segure o fantasma de gel entre óculos de dois slides.
  2. Preparar um fantasma dérmico que contém o sangue oxigenado
    1. Pegue a 5,0 mL de emulsão lipídica e 0,4 mL de sangue todo equino com hematócrito de 45% e colocar em um copo de plástico transparente. Adicione lentamente 44,6 mL do material base, agitando a mistura.
    2. Aspirar a mistura em uma seringa e injetá-lo lentamente no molde fantasma dérmico, evitando qualquer formação de bolhas. Fixe o molde acrílico contendo a mistura a 5 ° C por 20 min.
    3. Remova os clipes de foldback do molde. Deslize uma das peças de acrílico para fora e remova-o do molde. Pegue o gel solidificado de 5 mm de espessura fantasma fora do molde e cortá-la para o tamanho desejado, usando um bisturi cirúrgico.
    4. Coloque e segure o fantasma de gel entre óculos de dois slides.
  3. Preparar um fantasma dérmico que contém sangue desoxigenado
    1. Colocar um gel dérmico fantasma que contém o sangue oxigenado (etapa 4.2.3) em um prato de vidro.
    2. Dissolva 1 g de ditionito de sódio (Na2S2O4) em 20 mL de soro em frasco de vidro.
    3. Adicione 0,05 g/mL de solução at2S2O4 para o fantasma usando uma seringa para deoxygenate o sangue no fantasma.
    4. Coloque e segure o fantasma entre óculos de dois slide para evitar que sequem.
  4. Preparar um fantasma de duas camadas
    1. Queda de 0,1 mL de solução salina em um fantasma dérmica para garantir acoplamento óptico entre as camadas epidérmicas e dérmicas. Coloque o fantasma epidérmico o fantasma dérmico.
    2. Se quaisquer bolhas de ar estão presentes entre as camadas, empurrá-los fora por acariciando a superfície do fantasma duas camadas com a ponta do dedo.
    3. Segure o fantasma de duas camadas entre dois copos de slide para evitar que sequem.

5. aquisição de espectros de reflectância difusa

  1. Aquisição de espectros escuros
    Nota: O sensor do dispositivo de carga acoplada (CCD) no espectrómetro pode estimar a intensidade da luz com base em um sinal elétrico gerado em resposta a luz incidente. No entanto, não há ruído escuro37 , que é independente dos sinais gerados por fótons, mas é dependente da temperatura do dispositivo, mesmo se o sensor não detectar a luz. Para medir com precisão a intensidade espectral da luz, o sinal da corrente escuro deve ser medido como um espectro escuro e então subtraído do espectro da amostra. O espectro escuro é um espectro tomado com o trajeto da luz bloqueado.
    1. Posicione a esfera de integração em uma posição ideal para as medições de reflectância difusa (Figura 1a).
    2. Desligue a fonte de luz de lâmpada de halogênio. Bloquear o caminho de luz para o espectrómetro usando um plug de porta ou uma chapa deflectora.
    3. Selecione o comando armazenar escuro do menu arquivo para armazenar um espectro escuro.
    4. Selecione o comando Subtract espectro escuro do menu arquivo para subtrair o espectro escuro do espectro da amostra medido (veja abaixo).
  2. Aquisição de espectros de referência
    Nota: As propriedades ópticas dos componentes utilizados neste experimento, tais como a fonte de luz, guia de luz, lente acromática, fibra óptica e espectrômetro, têm suas próprias dependências-comprimento de onda. Portanto, a intensidade espectral da luz passada por estes componentes ópticos deve ser medida como um espectro de referência. Para a medição de um espectro de refletância difusa, o espectro de referência é um espectro tomado com um difusor branco padrão iluminado com a luz da fonte de luz.
    1. Ligue a fonte de luz de lâmpada de halogênio, pressionando o botão power. Aquecer a lâmpada pelo menos 10 min antes de adquirir um espectro de referência.
    2. Coloque um difusor branco padrão (por exemplo, Spectralon) no porto de amostra da esfera integradora.
    3. Ajuste o tempo de integração do espectrómetro selecionando o valor apropriado da lista Soltar-para baixo no software operacional do espectrómetro para que o pico de intensidade de sinal é aproximadamente 75% da intensidade máxima espectrômetro.
    4. Selecione o comando de armazenar a referência no menu de arquivo para armazenar um espectro de referência.
  3. Aquisição de espectros de amostra
    Nota: Um espectro da reflectância difusa da amostra é adquirido e salvou no disco rígido de um computador pessoal, usando as mesmas condições de aquisição.
    1. Coloque o fantasma epidérmico imprensado pelos óculos dois slide no porto de amostra. Selecione o comando salvar no menu arquivo para salvar um espectro de refletância difusa para um arquivo.
    2. Repita os phantoms passo 5.3.1 para o dérmica e duas camadas.

6. a aquisição do espectro Total de transmitância

  1. Aquisição de espectros escuros
    Nota: O sensor no espectrómetro pode estimar a intensidade da luz com base em um sinal elétrico gerado em resposta a luz incidente. No entanto, há barulho escuro, que é independente dos sinais gerados por fótons, mas é dependente da temperatura do dispositivo, mesmo se o sensor não detectar a luz. Para medir com precisão a intensidade espectral da luz, o sinal da corrente escuro deve ser medido como um espectro escuro e então subtraído do espectro da amostra. O espectro escuro é um espectro tomado com o trajeto da luz bloqueado.
    1. Posicione a esfera de integração em uma posição ideal para a medição de transmitância total (Figura 1b).
    2. Remover a armadilha luminosa da porta da esfera integradora e ligue um plug de porta à porta.
    3. Desligue a fonte de luz de lâmpada de halogênio. Bloquear o caminho de luz para a esfera de Ulbricht usando um plug de porta ou placa de blindagem.
    4. Selecione o comando armazenar escuro do menu arquivo para armazenar um espectro escuro.
    5. Selecione o comando Subtract espectro escuro do menu arquivo para subtrair o espectro escuro do espectro da amostra medido (veja abaixo).
  2. Aquisição de espectros de referência
    Nota: As propriedades ópticas dos componentes utilizados neste experimento, tais como a fonte de luz, guia de luz, lente acromática, fibra óptica e espectrômetro, têm suas próprias dependências-comprimento de onda. Portanto, a intensidade espectral da luz passada por estes componentes deve ser medida como um espectro de referência. Para a medição do espectro total de transmitância, o espectro de referência é um espectro tomado quando a luz da fonte de luz diretamente entre a esfera de integração através da porta de amostra.
    1. Ligue a fonte de luz de lâmpada de halogênio, pressionando o botão power. Aquecer a lâmpada pelo menos 10 min antes de adquirir um espectro de referência.
    2. Regular o tempo de integração do espectrómetro selecionando o valor apropriado da lista suspensa de tempos de integração do software operacional do espectrómetro para que a intensidade da luz maior mostra um sinal que é de aproximadamente 75% do máximo valores.
    3. Selecione o comando de armazenar a referência no menu de arquivo para armazenar um espectro de referência.
  3. Aquisição de espectros de amostra
    Nota: O espectro da transmitância total da amostra é adquirido e salvou no disco rígido de um computador pessoal, usando as mesmas condições de aquisição.
    1. Coloque o fantasma epidérmico imprensado pelos óculos dois slide no porto de amostra. Selecione o comando salvar no menu arquivo para salvar um espectro total de transmitância para um arquivo.
    2. Repita os phantoms passo 6.3.1 para o dérmica e duas camadas.

7. estimar a absorção e espalhamento de luz Propriedades

Nota: Um conjunto do espectro de refletância difusa e o espectro de transmitância total é salvo no disco rígido de um computador pessoal e análise off-line. Um inverso, simulação de Monte Carlo8,38,39,40 então é realizado para estimar a absorção coeficiente espectro µa(λ) e o coeficiente de dispersão reduzida espectro de µs'(λ). Neste inverso, simulação de Monte Carlo, a dispersão estimado coeficiente µs, sob a suposição de que o fator de anisotropia g é 0, é considerado como o espalhamento reduzido coeficiente µs' . Tanto o reflexão e os dados de transmitância são utilizados para uma única simulação executar. O algoritmo detalhado usado neste protocolo tem sido relatado em anterior literatura8,39. Estimamos a absorção coeficiente espectro µa(λ) e o espalhamento reduzido coeficiente espectro µs'(λ) de uma camada epidérmica de um conjunto da reflectância difusa espectro e o espectro de transmitância total obtido a partir da camada epidérmica. Da mesma forma, estimamos µa(λ) e µs'(λ) de uma camada dérmica de um conjunto do espectro de refletância difusa e o espectro de transmitância total obtido a partir da derme camada.

  1. Abra um arquivo de entrada para a simulação de Monte Carlo.
  2. Preencha os valores da reflectância difusa medida e a transmitância total na faixa de comprimento de onda específico de 400 a 700 nm a 10 nm-intervalos no arquivo de dados de entrada. Preencha o valor da espessura do fantasma no arquivo de dados de entrada.
  3. Definir o índice de refração n de uma camada para ser um valor apropriado no arquivo de entrada de dados (por exemplo, n = 1,33 em 550 nm). Defina o valor do fator anisotropy g 0 no arquivo de dados de entrada.
  4. Definir os valores iniciais da absorção coeficiente µum e o espalhamento coeficiente µs ser os valores apropriados no arquivo de entrada de dados (por exemplo, µum = 0,01, µs = 0,1 ).
  5. Execute o programa de simulação de Monte Carlo inversa.
  6. Digite o nome do arquivo de entrada e, em seguida, executar a simulação.
  7. Abra o arquivo de saída e verifique os valores finais de µa e µs após a simulação iterativa é finalizada.
  8. Repita as etapas 7.1-7.7 para outros comprimentos de onda desejados.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

A Figura 3 mostra os espectros estimados representativos do coeficiente de dispersão reduzida e o coeficiente de absorção para o fantasma epidérmica e dérmica fantasma. Os resultados mostrados na Figura 3 são as médias de dez medições dos espectros de reflectância e transmitância. O espalhamento reduzido coeficiente µs' tem um espectro de ampla dispersão, exibindo uma magnitude maior em comprimentos d...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

O passo mais crítico neste protocolo é o controle de temperatura do material base. A temperatura para manter o material de base, variou entre 58 e 60 ° C. Se a temperatura for superior a 70 ° C, ocorrerá uma desnaturação de emulsão lipídica e o sangue todo. Como consequência, as propriedades ópticas do fantasma irão deteriorar-se. Se a temperatura for inferior a 40 ° C, o material de base vai ser ununiformly funcionava e, assim, os agentes de dispersão e absorção de luz vão ser heterogénea no fantasma. Embora a matéria-p...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Parte deste trabalho foi apoiado por um subsídio para a Scientific Research (C) da sociedade japonesa para a promoção da ciência (25350520, 22500401, 15 K 06105) e o exército dos EUA ITC-PAC pesquisa e desenvolvimento de projeto (documento FA5209-15-P-0175, FA5209-16-P-0132).

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Fonte de luz de lâmpada halógena de 150 WHayashi Watch Works Co., Ltd, Tóquio, JapãoLA-150SAE
Guia de luzHayashi Watch Works Co., Ltd, Tóquio, JapãoLGC1-5L1000
Esfera de integraçãoLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, EUART-060-SF
Adaptador de portaLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, EUAPA-050-SMA-SF
Armadilha de luzLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, USALTRP-100-C
Espectralon padrão branco com 99% de refletância difusaLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, EUASRS-99-020
Fibra ópticaOcean Optics Inc., Dunedin, Flórida, EUAP400-2-VIS-NIR
Ocean Optics Inc., Dunedin, Flórida, EUA
Lente acromáticaChuo Precision Industrial Co.,Ltd, Tóquio, JapãoACL-50-75M
IntralipidFresenius Kabi AB, Uppsala, SuéciaIntralipid 10%
Coffee
(Blendy Mocha Blend Regular Coffee)		Ajinomoto AGF, Inc. Tóquio, JapãoIndisponível
Whole bloodNippon Bio-Test Laboratories Inc. Saitama, Japão0103-2
AgaroseNippon Genetics Co., Ltd, Tóquio, JapãoNE-AG02
Aquecedor de cozinhaTOSHIBA CORPORATION Tóquio, JapãoHP-103K
Espectrômetro de fibra óptica miniatura USB2000

References

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