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Biomedical Engineering

腹部大オルタの高周波超音波イメージング

Overview

ソース:アメリア・R・アデルスパーガー、エヴァン・H・フィリップス、クレイグ・J・ゲルゲン、インディアナ州パデュー大学、パデュー大学ウェルドン・スクール・オブ・バイオメディカル・エンジニアリング

高周波超音波システムは、高解像度の画像を取得するために使用されます。ここでは、マウスおよびラットに見られる小さな脈動性動脈および静脈の形態および運動力学を画像化するために、最先端のシステムの使用が実証される。超音波は、人間だけでなく、大小動物の血管の非侵襲的な評価のための比較的安価で、ポータブルで、汎用性の高い方法です。これらは、コンピュータ断層撮影(CT)、磁気共鳴画像(MRI)、近赤外蛍光断層撮影(NIRF)などの他の技術と比較してUltraoundが提供するいくつかの重要な利点です。CTは電離放射線を必要とし、MRIは非常に高価であり、一部のシナリオでは実用的でもありません。一方、NIRFは、蛍光造影剤を励起するために必要な光の浸透深さによって制限される。

超音波は、イメージングの深さの面で制限があります。ただし、これは分解能を犠牲にし、低周波トランスデューサを使用することで克服できます。腹部ガスと過剰な体重は、大幅に画質を低下させることができます。最初のケースでは、音波の伝播は限られており、後者の場合、それらは脂肪および結合組織などの組織の上にあるによって減衰される。その結果、コントラストやかすかなコントラストは認められない。最後に、超音波は、解剖学に精通し、画像化アーティファクトや音響干渉の出現などの問題を回避することができるようにソノグラファーを必要とする、高度にユーザーに依存する技術です。

Principles

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超音波は、一般的な臨床イメージングモダリティです。超音波の基本原理は、音響波の伝播、組織との相互作用、反射波と散乱波の記録(すなわち、エコー)を含む。最近開発された高周波トランスデューサは、約13~70MHzの音波を発する可能性があります。たとえば、22 ~ 55 MHz の周波数範囲を持つトランスデューサの中心周波数は 40 MHz です。この範囲は、超音波ビームの方向に50μmの順序で空間分解能を可能にし、ミリメートルスケールでの構造のイメージングに適しています。スキャンするために、トランスデューサはまず音響波のビームを放出する。これらの波の一部は、異なる音響インピーダンスを持つ2つの組織間の境界と衝突すると、トランスデューサに反射されます。波の通過時間(つまり、放出と検出の間の時間)は、画像内の個々の水平線を決定するために使用されます。音響波の散乱、すなわち、波長よりもはるかに小さい構造と相互作用するときの波の多くの方向の偏向は、超音波画像情報のほとんどを担当する。この音響波散乱の一部はトランスデューサによって記録され、超音波画像内の細部を提供する。高周波の音響波は、組織の音の減衰が高いため、深度浸透率が低くなります。このため、高周波トランスデューサは15~30mmの深さまでイメージングする場合にのみ実用的です。血管イメージングでは、超音波画像のコントラストが血管壁に沿って現れます。赤血球と血小板はまた、血液中の斑点のコントラストを提供します。速度(cm/sのv)は、ドップラー効果の原理に従って測定することができます。

v = c × ΔF / (2 × Fo × コθ)

ここでc =組織の音の速度(154 cm /s)。ΔF = ドップラーシフト周波数(1/s);Fo = 送信周波数(1/s);超音波ビームと血流の方向との間の角度とθ= 血管のドップラーイメージングは、健康および疾患状態における血流ダイナミクスを評価するために使用される。

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Procedure

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1. 画像の設定

  1. 背面のスイッチを使用して超音波システムをオンにします。モニタの電源を入れます。
  2. 生理学的モニタリングユニットを接続し、心拍数と温度監視をオンにします。ゲルウォーマーをオンにし、ライトが点灯していることを確認します。
  3. 麻酔気化器のアイソフルランレベルを確認し、必要に応じて補充します。
  4. O2タンクまたはろ過空気源をオンにし、気化器の空気の流れを約1L/分に調整します。
  5. マウスまたはラットステージを接続し、VGAコードをそのステージに差し込みます。対応するノセコーンを所定の位置に固定し、ソフルラン(黒)と廃ガス(青)チューブがノセコーンに正しく接続されていることを確認します。
  6. 手順に使用するトランスデューサを選択し、イメージングシステムの下の「アクティブ」ポートに差し込みます。プローブマウントの上にあるプラスチックホルダーを通してトランスデューサケーブルを実行し、トランスデューサをクランプに固定します。各トランスデューサの片側に小さな上げ線があり、画像の向きを決定します。
  7. AVMAガイドラインに従って動物を麻酔し、イメージングのためにそれを準備する。眼科軟膏を眼に加え、足をステージ電極に固定し、脱毛クリームを使って目的の領域の毛髪を取り除きます。温められた超音波トランスデューシングゲルで画像化される領域をカバーします。

2. 画像取得

  1. システムで、[ 新規作成とスタディ] を選択して新しいスタディを開始するか、以前に開始したスタディを見つけて [新規および系列] を選択します。新しいシリーズに入ったら、メニューからユーザーを選択し、シリーズに適切な名前を付けます。
  2. シリーズを作成したら、キーボードからB モード(明るさモード)を選択します。すべてのイメージングモダリティキーは、黒いキーボードの一番下の行にあります。
  3. トランスデューサを目的の場所に転がし、動物に圧力をかけすぎないように画面を見るようにします。圧力が高すぎるとRRが低下する可能性があるため、画面に表示される呼吸数(RR)も確認してください。
  4. Bモード画像を見ながら、ステージ上のx軸とy軸のノブを目的の位置が見つかるまでゆっくりと回して、トランスデューサの配置を調整します。
  5. 目的の位置を取得したら、画像の下部にある白いバーが塗りつぶされるのを待ってから、[イメージ ラベル] を押してイメージを保存します。画像にラベルを付けるとき、スタディ管理画面の画像ラベルの横にモダリティのタイプが表示されるため、画像ラベルに含める心配はありません。
  6. M モード イメージの場合は、キーボードからM モード(モーション モード) を選択します。SV ゲートを使用して黄色のバーを狭くまたは広げ、カーソルを使用してバーを目的の位置に揃えます。正しく配置されたら、M モードをもう一度押します。バーの配置は、Mモード中に調整することができます。
  7. EKVイメージングの場合は、Bモードを選択し、適切な場所にあることを確認します。次に、[EKV] を選択し、設定を調整して[スキャン]を押します。EKVモダリティは、いくつかの心臓サイクルにわたって多くのBモード画像を平均します。
  8. カラー ドップラーを使用するには、[B モード] を選択し、適切な場所にいることを確認して、[] を選択します。[更新] を選択し、カーソルを上下左右に移動して目的のボックス サイズに設定し、[更新] を選択してロックします。その後、カーソルを使用してボックスを目的の位置に移動できます。速度ノブを上に回すと、速度の閾値が増加し、バックグラウンド信号が減少する可能性があります。
  9. 血流速度を測定するためにパルス波ドップラーを使用するには、PWを押す前に最初にカラードップラーモードにしておくと便利です。黄色の斜線が 2 本表示されます。ビーム角度を調整し、PWアングルノブを回すことによって、より短い点線を前部および後部の容器の壁に平行に揃える必要があります。2 本の線の間の角度が大きすぎると、点線の黄色い線が青色に変わります。これを揃えたら、PW キーを押し、[ベースライン]、[速度]、および [ドップラーゲイン]コントロールを調整して、波形を中央に配置して明るくします。
  10. 3D モードを使用するには、B モードで開始し、イメージを作成する構造の中央にプローブを位置合わせします。心血管の適用のための呼吸ゲーティングおよびEKGトリガーを使用する。3Dキーを押し、目的のスキャン距離とステップ サイズを設定します。スキャンが完了したら、[3D に読み込み]をクリックして 3D データを視覚化します。
  11. 取得した画像は、左側のボタンの2列の右上にある右上にある[スタディ管理]を押すことで、イメージング中にいつでも表示できます。
  12. シリーズ内の画像の取得が完了したら、スタディ管理画面から[シリーズを閉じる]を選択します。必要に応じて、スタディ内で新しいシリーズを開くことができます。

3. データ転送とクリーンアップ

  1. 分析のためにデータを転送するには、スタディ管理画面からコピーするスタディまたは個々の系列を選択します。
  2. スタディ管理画面の右上隅にある[コピー先]をクリックします。目的のファイルの場所を選択し、[問題ありません] をクリックします。
  3. あなたは今、アンミアルを削除し、回復するために、そのハウジングに戻すかもしれません。
  4. 超音波セットアップをきれいにするには、Tスプレーでペーパータオルをスプレーし、加熱された段階と直腸プローブを拭き取ります。消毒剤をステージに直接スプレーしないでください。
  5. トランスデューサは、ホルダーに戻す前にペーパータオルに70%のエタノールで拭き取る必要があります。
  6. 空気をオフにするには、O2タンクまたはろ過された空気源を遮断します。気化器の空気流れビーズがゆっくりと0に落ちるのを見るはずです。
  7. システムの処理が完了したら、右上隅にあるスタディ管理画面の電源ボタンをクリックし、モニタの電源を完全に切ります。
  8. モニタが完全にオフになった後にのみ、システム背面の電源ボタンをオフにします。ファンが正しくシャットダウンされると、ファンの停止音が聞こえるはずです。

超音波は、臨床イメージングおよび診断において一般的に使用される非侵襲的イメージング技術である。

超音波は、音波を放出し、解剖学的構造や器官のライブ画像を生成するために、その反射を測定します。CT、MRI、NIRFスキャンなどの他のイメージングモダリティに比べて、比較的安価でポータブルで汎用性があり、造影剤を必要としないため、優れています。ただし、解像度と浸透深さには制限があります。

このビデオでは、超音波技術の背後にある主要な原則を説明し、げっ歯類の血管を画像化するための高周波超音波システムの有用性を実証し、超音波画像診断アプリケーションの例を提供します。

超音波画像は、トランスデューサから音響波のビームを放出し、体内の異種組織間の境界に波が反射する際に作成されたエコーを記録することによって生成されます。波はまた、血液細胞のような小さな物体によって屈折、吸収、あるいは散乱することができる。

反射波の量は、組織間の音響インピーダンスの差に比例します。音響インピーダンス、Zは、組織密度および音波の速度に依存する。骨などの差が大きければ、音波は完全に反射します。オルガンと同様に差が低い場合、音波は部分的にしか反射的です。

トランスデューサで受け取った反射波の強度と、トランスデューサから組織境界までの距離を使用して、解剖学的画像を作成します。これらの距離は、体組織を通る音の平均伝搬速度(毎秒約1540メートル)と、波が組織に伝播して戻るのにかかる時間を使用して決定されます。

超音波は、ユニークなアプリケーションに対応する特別なモードを利用して、画像の異なるタイプを収集するために使用することができます。最も一般的なモードは、組織の 2 次元スライスの音響インピーダンスを表示する明るさまたは B モードです。あるいは、運動またはMモードイメージングは、心臓機能を有するような組織における急速な動きを見提供する。最後に、ドップラーモードは血流を評価するために使用されます。

超音波の仕組みについて説明したので、小さな動物と異なる超音波画像モードを使用して画像をキャプチャする方法を見てみましょう。

まず、背面のスイッチを使用して超音波システムをオンにします。次に、システムの左側にあるスイッチを使用して、モニタとコンピュータの電源を入れます。次に、トランスデューサをシステムの専用アクティブポートに差し込みます。次に、プローブマウントの上にあるプラスチックホルダーを通してトランスデューサケーブルを通します。

トランスデューサの片側の上げ線に注意してください。モニターに表示される画像を参照する際の基準点として使用します。画像のグレースケールバーの上には、画像被写体を表す小さな円と、トランスデューサ上の浮き出た線を表す垂直線があります。まず、トランスデューサをクランプに固定し、動物に90度に置く必要があります。

生理学的監視ユニットが接続されていることを確認し、心拍数と温度ボタンを押してこれらのモニタの電源を入れます。次に、ゲルウォーマーをオンにし、インジケータライトが点灯していることを確認します。

動物麻酔の場合は、まず気化器のアイソフルランレベルを確認し、レベルが空のラインより下にある場合は補充します。次に、酸素タンクをオンにし、流量計の気流を毎分約1リットルに調整します。

次に、動物段階を取り付け、VGAコードを差し込んで心電図と呼吸信号を収集します。動物の鼻コーンを所定の位置に固定し、黒いアイソフルランチューブと青い廃ガスチューブが鼻コーンに正しく接続されていることを確認してください。動物は麻酔を受け、イメージングのために準備することができます。動物が安全な麻酔室に入ったら、気化器のダイヤルを2~3%に回します。

動物が深く麻酔されているように見えたら、ステージ上の鼻コーンに移動し、イソフルランの流れを切り替えることを確認します。つま先のピンチを実行して、動物がすぐに目を覚まさないことを確認し、眼の軟膏を眼に塗布します。次に、接着剤を使用してステージ電極に足を固定し、脱毛クリームを使用して腹部の毛を取り除きます。直腸プローブに潤滑剤を塗布し、体温測定のために動物の直腸に挿入します。腹部は、その後、温められた超音波トランスデューシングゲルで覆われています。

開始するには、ソフトウェアを開き、「新しいスタディ」を選択します。新しいシリーズに入ったら、メニューからユーザーを選択し、シリーズに適切な名前を付けます。シリーズを作成したら、キーボードから明るさモードを表す B モードを選択します。すべてのイメージングモダリティキーは、黒いキーボードの一番下の行にあります。

これで、イメージングを開始する準備ができました。トランスデューサを動物の腹部に転がします。呼吸数を監視するために画面を見ます。トランスデューサが動物にあまりにも多くの圧力をかけている場合、速度の低下が観察されます。ステージ上のX軸とY軸ノブをゆっくりと回して、トランスデューサの配置を調整します。腹部大オルタの鮮明な画像が見つかるまでそうしてください。画面上の目的の画像が表示されたら、画像の下部にある白いバーが塗りつぶされるのを待ってから、画像ラベルボタンを押して画像を保存します。モダリティはイメージ ラベルと共に自動的に保存され、保存された名前に含める必要はありません。

M モードまたはモーション モードのイメージをキャプチャするには、キーボードを使用して M モードを選択します。SV歩行を調整して黄色のバーを狭くまたは広げ、カーソルを位置合わせして腹部大動脈のセクションにカーソルを合わせます。正しく配置されたら、M モードをもう一度押します。バーの配置は、Mモード中に調整することができます。B モードと同様に、画像の下部にある白いバーが塗りつぶされるのを待ってから、イメージ ラベル ボタンを押します。

EKVまたは心電図ゲートキロヘルツの可視化イメージングを行うには、まずキーボードでBモードを選択し、腹部大動脈のセクションの上にトランスデューサを配置し、クリーンな心電図信号があることを確認します。次に、EKV を押し、目的の集録タイプ、ライン密度、フレームレートを選択して、スキャンを開始します。取得後、画像データが表示されます。

カラードップラーを使用するには、まずBモードを選択し、トランスデューサが腹部大腸の上にあることを確認し、[色]を選択します。[更新]を押し、トラックボールを移動してスキャンする領域に合わせてボックスサイズを調整し、もう一度[更新]を押してサイズをロックします。次に、カーソルを使用してボックスを移動します。速度ノブを上に回して、速度しきい値を上げ、バックグラウンド信号を下げます。

血流速度を定量するために、パルス波ドップラーモードが使用される。カラードップラーモードで起動し、PWを押します。黄色の斜線が 2 本画面に表示されます。ビーム角度を調整し、PW角度ノブを回して、前部および後方の容器の壁に平行な短い点線を持って来ます。角度が遠く曲がると、黄色い点線が青色に変わります。位置合わせが完了したら、PW キーを押し、ベースライン、速度、およびドップラーのゲームコントロールを調整して波形を中央に配置し、明るくします。以前に取得した画像は、スタディ管理を押しながら目的の画像を選択することで、イメージング中にいつでも表示できます。

シリーズに必要なすべての画像を取得したら、スタディ管理画面から[シリーズを閉じる]を選択します。別のコンピュータで詳細な分析のためにデータを転送するには、スタディ管理画面に移動し、スタディまたは個々の系列のチェックボックスをオンにします。[コピー先]をクリックし、目的のファイルの場所を選択して[OK]を押します。最後に、気化器のダイヤルをゼロに回し、ステージから動物を取り除き、麻酔から回復できるようにします。

各手順の後、超音波セットアップをきれいにし、動物段階と直腸プローブを拭き取ります。消毒剤をステージに直接スプレーしないでください。トランスデューサは、ホルダーに戻す前にペーパータオルに70%のエタノールで拭き取る必要があります。酸素タンクをオフにし、流量計の空気の流れをゼロにすることを忘れないでください。

すべてのイメージングとエクスポートが完了したら、スタディ管理画面の電源ボタンをクリックし、モニタとコンピュータがシャットダウンするのを待ちます。モニタが完全にオフになったら、システム背面のオンオフボタンを「オフ」に切り替えます。ファンが正しくシャットダウンされると、ファンが停止する音が聞こえます。

イメージング セッションが完了し、システムがシャットダウンされたら、結果を分析できます。

この処置により、腹部大腸の解剖学的および機能的イメージングが行われた。B モード スキャンなどの一部のデータは、データ収集中または直後に容易に分析されますが、他のモードでのスキャンは、ソフトウェアを使用して分析するためにデータをコピーした後に分析するのが最適です。

2次元Bモードスキャンは大動脈直径または断面積の測定を提供できる。直径は、距離測定ツールの長さと面積測定ツールを使用して測定できます。Mモードは、容器上の円周環状ひずみを決定するために使用することができる。大動脈のMモードスキャンを見ると、明るい線が前および後部血管壁に対応している場所を見ることができます。前壁は後壁よりも動きが多い。

円周環状ひずみは、ピーク収縮期、DS、末端拡張期の間の内大動脈直径値から決定され、DD.ピーク収縮期は大動脈が最大サイズまで延長されると発生し、最も小さいサイズの場合には期末端が生じる。したがって、円周環状ひずみは、この式を使用して計算されます。

カラードップラーは、血流方向と速度を決定するために使用することができます。カラードップラー画像は、ユーザーに血液ダイナミクスの定性的評価を提供します。赤と青のカラースケールは、検出された血流の速度の方向と大きさを示します。赤はトランスデューサに向かって流れ、青い流れを示します。暗い色は、低速度の流れと明るい色の高い速度の流れを表します。

超音波イメージングの一般的な原則と手順が見直されたので、このイメージングモダリティが使用されるいくつかのアプリケーションを見てみましょう。

ヒト胎盤は、子宮内にいる間、研究のために非常にアクセス不能である。高周波超音波は、臍静脈および子宮動脈を視覚化するために使用することができる。これは、胎盤の両側の血管径および血流の最大速度を測定するために行われる。これは、循環に放出される栄養素および物質の動静脈濃度を計算するために胎盤の母方および胎児の側面から採取された血液サンプルからのデータと結合される。本研究は、ヒト胎盤機能に関する洞察を提供する。

頭蓋超音波は、先天性異常または脳病変を有する新生児のための信頼できるツールである。この方法は非侵襲的であり、新生児集中治療室のベッドサイドで行うことができる。超音波画像は、新生児の脳の可視化を支援するために、冠状動脈および矢状面の両方で収集される。これらの画像は、脳内に存在する病変を視覚化するのに役立ちます。カラードップラーモードは、通常、脳内血管の可視化に使用されます。横副鼻腔は画像化され、任意の血栓を検出することができます。

あなたはちょうどJoVEの超音波イメージングの紹介を見ました。ここで、超音波イメージングの原理、画像収集と解析の一般的な方法、およびいくつかのアプリケーションを理解する必要があります。見ていただきありがとうございます!

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Results

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この手順は、腹部大腸の解剖学的および機能的イメージングを可能にした。Bモード、Mモード、ドップラー超音波によって短軸および長軸でリアルタイム画像を取得するには、少なくとも30分かかるため、麻酔動物の注意深いモニタリングが必要です。一部のデータは、2次元Bモードスキャンなど、その場で容易に分析されます(図1)。これらのデータは大動脈直径または断面積の測定を提供できる。3次元Bモード(図2)、Mモード(図3)、カラードップラー(図4)、PWドップラー画像(図5)などの他のデータは、通常、大動脈体積、円周環状歪み、血流速度を決定するためにオフラインで分析されます。これらのデータセットを組み合わせることで、三次元形態に関する定量的および定性的な情報と、腹部大オルタの運動力学と脈動性を提供します。

Figure 1

図1:マウスで大動脈瘤を解剖する。セリアック動脈と上腸間膜動脈は、血管の上部から分岐して見ることができます。マウスの心電図信号(緑色の線)と呼吸信号(黄色線)が画像の下に表示されます。

Figure 4
図2:正常マウスにおける上立大小突のモーションモード(Mモード)トレースBモードのスカウト画像は、前後部方向に取得される1次元Mモードデータの上に表示されます。Mモードデータは、特に前壁における拍動を示す。これは、血管ひずみの測定が正常であることを示唆している。

Figure 5
図3:(左)と(右)解剖腹部大動脈瘤を有するマウス上立大動脈の体積レンダリング(シアンメッシュ)。コロナプレーンからの超音波データが表示され、動物の頭部は画面の上部に向かって示されています。動脈瘤は左方向に膨張し、体積および最大大動脈直径は膨張前よりも顕著に大きい。

Figure 7
図4:健康な上大腸のカラードップラー画像。マウスの頭部は左にあり、尾は右にあり、動物は上に配置される。マウスのEKG(緑色)と呼吸器(黄色)の信号が画像の下に表示されます。左側のスケールは、血液の流れの速度を色で定量化します。青い流れがトランスデューサから離れている間、赤い流れはトランスデューサに向かってです。右側のスケールは、深度を mm で表します。

Figure 6
図5:正常な超レア性大小突のパルス波(PW)画像黄色のカーソルは大動脈の中心の容器の壁に平行に置かれる。カラードップラーモードは、ユーザーが強い信号を拾う場所を決定するのに役立ちます。速度波形は画像の下に表示されます。ピークの右側のスケールは、mm/sの血流速度です。鋭いピークは動脈の流れを表す。

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Applications and Summary

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最近開発された高周波超音波トランスデューサは、最大3cmの深さまで小さな構造を視覚化するのに適しています。ここで小型動物超音波システムの汎用性は、マウス大オルタのダイナミクスの生体内イメージングデータを取得することが実証された。このテクニックでは、腹部の影やドップラースキャンの位置合わせなど、一般的な困難の練習と認識が必要です。これらの制限にもかかわらず、それはすぐに非侵襲的なイメージングデータを得るための強力で汎用性の高い技術です。重要なことに、この技術は、疾患の進行または治療の縦方向の研究のために同じ動物の連続イメージングに適しています。

小型動物高周波超音波は、様々な心血管用途に使用することができる。血管の適用は大動脈疾患(大動脈瘤および解剖学のような)のスクリーニング、アテローム硬化性プラークの検出、および末梢動脈疾患患者の血流の測定を含む。頸動脈、腸骨動脈、および下大静脈は、超音波で容易に画像化することができる。心臓イメージングはまた、この技術の主要な適用であり、マウスまたはラットの心臓の心房および心室を視覚化するために使用される。心臓超音波イメージングは、解剖学的寸法、収縮性、剛性、心拍出量、流れパターン、バルブ機能、および/または血栓形成を含む心臓に関する多くの情報をユーザに与えることができる。超音波はまた、生殖器系イメージング(子宮や子宮頸部など)や膀胱に使用することができる。生殖器系イメージングは、子宮、子宮頸部、および/または腟の構造を見て、寸法を得るのに有用であろう。子犬はまた、妊娠中のマウスやラットで視覚化し、測定することができます。トランスデューサ技術の進歩と超音波技術の革新により、これらのアプリケーションは小動物でうまく機能し、表面的な人間のイメージングにも適用できる可能性があります。

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腹部大オルタの高周波超音波イメージング
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