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JP2008043396A - 内視鏡システム - Google Patents

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Abstract

【課題】先端CCD型蛍光内視鏡を用いて、混合状態で取得された蛍光画像から各蛍光薬剤毎の蛍光の分布画像を取得することを可能とし、癌細胞の診断能を向上する。
【解決手段】内視鏡システム1であって、光学特性の異なる2種類以上の蛍光薬剤を励起させるために分光特性の異なる2種類以上の励起光を選択的に照射する光源部4と、体腔内に入れられる部位に設けられるとともに、前記各励起光をカットするフィルタを有し、各励起光により撮影対象から放射される2種類以上の蛍光の波長帯域に受光感度を有する撮像部14と、各励起光により励起したときに発生する蛍光強度と各蛍光薬剤の濃度との相対関係に関する情報を記憶する記憶部と、撮像部により撮影された2以上の画像の蛍光強度と、記憶部に記憶されている相対関係に関する情報とに基づいて、各蛍光薬剤の濃度情報を演算して出力する濃度情報演算部18とを備える内視鏡システム1を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、内視鏡システムに関するものである。
従来、癌細胞においては、ある種の生体内分子等が正常部に比べて過剰に発現していることが知られており、蛍光プローブを用いて、発現したタンパク質等の分子を光らせることで癌細胞を診断し、また、この蛍光を内視鏡的に観察することで癌細胞を識別する手法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1には、1種類の蛍光プローブを用いて癌細胞を診断する内視鏡装置が開示されている。
特開平10−201707号公報
しかしながら、癌細胞で過剰発現する分子は、炎症部/良性腫瘍等でも過剰発現することがあるため、単一種類の蛍光プローブでは癌細胞を特定する診断能が低いという不都合がある。
一方、癌細胞で過剰発現される生体内分子は数多く知られており、これら癌細胞に関連する複数種の分子をそれぞれ光学特性の異なる蛍光色素により光らせて観察すれば、診断能を向上することができる。
しかしながら、複数種の蛍光薬剤を観察する場合に、蛍光の混色が問題となる。蛍光薬剤が励起されることで発生される蛍光は非常に微弱であるため、幅広い波長帯域で蛍光を取得することが望ましい。しかし、2種類以上の蛍光薬剤を使用すると、その蛍光の波長帯域が重なってしまうために、それぞれの蛍光薬剤の分布画像ではなく、混合された画像しか取得することができないという不都合がある。また、この混色は、それぞれの蛍光薬剤の蛍光特性に最適化したフィルタを用いて、それぞれの薬剤の蛍光ごとに観察することで混色の影響を低減することは可能である。しかし内視鏡の先端部にCCDを配置したビデオスコープでは、このフィルタを変換するシステムを搭載することは困難である。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、可変分光素子のような特別な装置を使用することなく、混合状態で取得された蛍光画像から各蛍光薬剤毎の蛍光の分布画像を取得することを可能とし、癌細胞の診断能を向上することができる内視鏡システムを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、生体の体腔内に少なくとも一部が入れられ、該体腔内の撮影対象の画像を取得する内視鏡システムであって、光学特性の異なる2種類以上の蛍光薬剤を励起させるために分光特性の異なる2種類以上の励起光を選択的に照射する光源部と、前記体腔内に入れられる部位に設けられるとともに、前記各励起光をカットするフィルタを有し、かつ前記各励起光により前記撮影対象から放射される2種類以上の蛍光の波長帯域に受光感度を有する撮像部と、前記各励起光により励起したときに発生する蛍光強度と前記各蛍光薬剤の濃度との相対関係に関する情報を記憶する記憶部と、前記撮像部により撮影された2以上の画像の蛍光強度と前記記憶部に記憶されている相対関係に関する情報とに基づいて、各蛍光薬剤の濃度情報を演算して出力する濃度情報演算部とを備える内視鏡システムを提供する。また、前記相対関係に関する情報とは、前記各励起光により励起したときに発生する蛍光強度と前記各蛍光薬剤の濃度との比率の情報であってもよい。
上記発明においては、前記濃度情報演算部により演算して出力された濃度情報を表示する表示部を備えることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記表示部が、表示色に対応する複数のチャネルを備え、前記各蛍光薬剤に対応する濃度情報が、各チャネルに割り当てられて出力されることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記各励起光の波長が、近赤外域より長波長側に配されていることが好ましい。
本発明によれば、可変分光素子のような特別な装置を使用することなく、混色状態で取得された蛍光画像から蛍光薬剤毎の蛍光の分布画像を取得することを、ビデオスコープ型の蛍光内視鏡で可能とし、癌細胞の診断能を向上することができるという効果を奏する。
以下、本発明の第1の実施形態に係る内視鏡システム1について、図1〜図6を参照して説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム1は、図1に示されるように、生体の体腔内に挿入される挿入部2と、該挿入部2内に配置される撮像ユニット(撮像手段)3と、複数種の光を発する光源ユニット4と、挿入部2の先端2aから吐出させる液体を供給する送液ユニット(吐出部)5と、前記撮像ユニット3、光源ユニット4および送液ユニット5を制御する制御ユニット6と、撮像ユニット3により取得された画像を表示する表示ユニット7とを備えている。
前記挿入部2は、生体の体腔に挿入できる極めて細い外形寸法を有し、その内部に、前記撮像ユニット3および前記光源ユニット4からの光を先端2aまで伝播するライトガイド(光学系)8を備えている。
前記光源ユニット4は、体腔内の観察対象を照明し、観察対象において反射して戻る反射光を取得するための照明光(照射光)を発する照明光用光源(光源部)9と、体腔内の観察対象に照射され、観察対象内に存在する蛍光物質を励起して蛍光を発生させるための2種類の励起光を発する2つの励起光用光源(光源部)10a,10bと、これらの光源9,10a,10bを制御する光源制御回路(制御手段)11とを備えている。
前記照明光用光源9は、例えば、図示しないキセノンランプと、順次切り替えられるカラーフィルタとを組み合わせたもので、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の照明光を順次発生するようになっている。
前記励起光用光源10aは、例えば、ピーク波長680±5nmの第1の励起光を出射する半導体レーザである。この第1の励起光は、Alexa Fluor(商標)680(Molecular Probes社製)ベースの蛍光プローブを励起することができる。また、励起光用光源10bは、例えば、ピーク波長700±5nmの第2の励起光を出射する半導体レーザである。この第2の励起光は、Alexa Fluor(商標)700(Molecular Probes社製)ベースの蛍光プローブを励起することができる。
図2に示されるように、Alexa Fluor(商標)680およびAlexa Fluor(商標)700が励起されることにより発生する蛍光の波長帯域は重複している。このため、観察対象にこれら2つの蛍光プローブを散布した状態で、観察対象に対して第1の励起光または第2の励起光のいずれかが照射されると、2つの蛍光プローブが同時に励起され、2種類の異なる蛍光プローブからの蛍光が同時に発せられるようになっている。
前記光源制御回路11は、後述するタイミングチャートに従う所定のタイミングで、照明光用光源9と励起光用光源10a,10bとを交互に点灯および消灯させるようになっている。
前記撮像ユニット3は、観察対象Aから入射される光を集光する撮像光学系12と、観察対象Aから入射されてくる励起光を遮断する励起光カットフィルタ13と、撮像光学系12により集光された光を撮影して電気信号に変換する撮像素子14とを備えている。撮像素子14は、400nm〜900nmの広い波長帯域にわたって受光感度を有するものが採用されている。
前記励起光カットフィルタ13は、400〜650nmの波長帯域で透過率80%以上、660〜700nmの波長帯域でOD値4以上(=透過率1×10−4以下)、710〜900nmの波長帯域で透過率80%以上の透過率特性を有している。
前記制御ユニット6は、図1に示されるように、撮像素子14を駆動制御する撮像素子駆動回路15と、後述するバルブ制御回路16と、撮像素子14により取得された画像情報を記憶するフレームメモリ17と、該フレームメモリ17に記憶された画像情報を処理して表示ユニット7に出力する画像処理回路18とを備えている。
また、画像処理回路18には、入力装置19が接続されている。
撮像素子駆動回路15およびバルブ制御回路16は、前記光源制御回路11に接続され、光源制御回路11による照明光用光源9および励起光用光源10a,10bの切り替えに同期して撮像素子14およびバルブ20a,20b,20cを駆動制御するようになっている。
具体的には、図4のタイミングチャートに示されるように、光源制御回路11の作動により、励起光用光源10aから第1の励起光が発せられるときには、撮像素子駆動回路15が撮像素子14から出力される画像情報を第1のフレームメモリ17aに出力させるようになっている。また、励起光用光源10bから第2の励起光が発せられるときには、撮像素子駆動回路15が撮像素子14から出力される画像情報を第2のフレームメモリ17bに出力させるようになっている。
さらに、照明光用光源9から照明光が発せられるときには、撮像素子駆動回路15が撮像素子14から出力される画像情報を第3のフレームメモリ17cに出力するようになっている。
また、前記画像処理回路18は、第1の励起光の照射により得られる第1の蛍光画像情報および第2の励起光の照射により得られる第2の蛍光画像情報を第1,第2のフレームメモリ17a,17bからそれぞれ受け取って演算処理を行うようになっている。画像処理回路18における演算処理は、以下のように行われる。
すなわち、第1の励起光を照射したときのAlexa Fluor(商標)680ベースの蛍光プローブおよびAlexa
Fluor(商標)700ベースの蛍光プローブから得られる単位濃度当たりの蛍光強度を、それぞれa,bとし、第2の励起光を照射したときのAlexa Fluor(商標)680ベースの蛍光プローブおよびAlexa
Fluor(商標)700ベースの蛍光プローブから得られる単位濃度当たりの蛍光強度を、それぞれc,dとする。
第1の励起光の照射によるある領域の蛍光強度P1、第2の励起光の照射による同一の領域の蛍光強度P2、Alexa
Fluor(商標)680ベースの蛍光プローブおよびAlexa Fluor(商標)700ベースの蛍光プローブのそれぞれの濃度N1,N2とすると、数1の関係がある。
Figure 2008043396
蛍光強度P1,P2は測定結果であり、これを数1に代入することにより、各蛍光プローブの濃度N1,N2を演算することができるようになっている。
数1中の係数a,b,c,dについては、予め測定等により求めておくことができ、入力装置19を用いて演算処理回路に入力しておけばよい。
演算の結果、出力された各蛍光プローブの濃度N1,N2は、それぞれ、表示ユニットの第1(例えば、赤),第2(例えば、緑)のチャネルに出力されるようになっている。また、画像処理回路18は、照明光の照射により得られた反射光画像情報を、第3のフレームメモリ17cから受け取って表示ユニット7の第3(例えば、青)のチャネルに出力するようになっている。
前記送液ユニット5は、観察対象の洗浄用の洗浄用水を貯留する第1のタンク21aと、第1、第2の蛍光プローブ液を貯留する第2、第3のタンク21b,21cと、これらのタンク21a,21b,21cからの液体を選択的に供給/停止する前記バルブ20a,20b,20cと、該バルブ20a〜20cに接続され、前記挿入部2に沿って、各液体を先端2aまで供給する送液チューブ22と、前記制御ユニット6内に配置され、前記バルブ20a〜20cを制御する前記バルブ制御回路16とを備えている。送液チューブ22は、その先端22aが挿入部2の先端2aに配置され、送られてきた洗浄用水または蛍光プローブ液を観察対象Aに向けて散布することができるようになっている。送液チューブ22としては、挿入部2に設けられた鉗子チャネルを利用することとしてもよい。
バルブ制御回路16は、前記光源制御回路11に接続されている。光源制御回路11は、光源の切替のタイミングを基準として、バルブ制御回路16に対し、バルブ20a〜20cの切替指令を出力するようになっている。
したがって、バルブ制御回路16は、図4に示されるように、光源制御回路11からの切替指令に対する第1の励起光用光源10aへの切替の所定時間前の反射光観察中に、所定時間にわたってバルブ20aを開放し、第1のタンク21aに貯留されている洗浄用水を吐出させた後、バルブ20aを閉止するとともに、バルブ20b,20cを開放して第2、第3のタンク21b,21c内に貯留されている蛍光プローブ液を散布させるようバルブ20a〜20cを制御するようになっている。
また、バルブ制御回路16は、蛍光プローブ液を散布した後、バルブ20a〜20cをオフ状態に切り替える。そして、バルブ制御回路16は、光源制御回路11からの切替指令に対する第1の励起光用光源10aへの切替の所定時間後に、所定時間にわたって第1のタンク21aに貯留されている洗浄用水を吐出させるようバルブ20aを開放した後、全てのバルブ20a〜20cを閉止するようになっている。
このように構成された本実施形態に係る内視鏡システム1の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム1を用いて、生体の体腔内の撮影対象を撮像するには、まず、挿入部2を体腔内に挿入し、その先端2aを体腔内の撮影対象に対向させる。この状態で、光源ユニット4および制御ユニット6を作動させ、光源制御回路11の作動により、照明光用光源9および励起光用光源10a,10bを順次に作動させて照明光および第1,第2の励起光をそれぞれ発生させる。
照明光を照射して行う反射光観察においては、反射光を用いて洗浄位置を確認しながら、洗浄作業が行われた後、2種類の蛍光プローブ液が散布される。そして、2種類の蛍光プローブが散布された後には、蛍光観察に切り替えられ、散布領域の洗浄作業の前に、蛍光を用いた蛍光プローブの散布状態の確認作業が行われる。その後、散布領域が洗浄された後に、当該散布領域の蛍光観察が行われる。
光源ユニット4において発生した照明光および第1,第2の励起光は、それぞれライトガイド8を介して挿入部2の先端2aまで伝播され、挿入部2の先端2aから撮影対象に向けて照射される。
第1の励起光が撮影対象に照射された場合には、撮影対象に浸透している2種類の蛍光プローブが同時に励起されて、図2に示されるように、撮影対象からは2種類の蛍光が同時に発せられる。撮影対象から発せられた2種類の蛍光は、撮像ユニット3の撮像光学系12により集光され励起光カットフィルタ13を透過し撮像素子14により撮像される。
撮像素子14は、400nm〜900nmの広い波長帯域にわたって受光感度を有するものが採用されているので、発生した2種類の蛍光プローブからの蛍光は重ね合わされた状態で撮像素子14により撮像され、混色状態の蛍光画像情報が取得されることになる。
この場合に、撮影対象に照射された第1の励起光の一部が、撮影対象において反射され、蛍光とともに撮像ユニット3に入射されるが、撮像ユニット3には励起光カットフィルタ13が設けられているので、第1の励起光は遮断され、撮像素子14に入射されることが阻止される。
そして、撮像素子14により取得された蛍光画像情報は、第1のフレームメモリ17aに記憶される。
次に、第2の励起光が撮影対象に照射された場合においても、撮影対象に浸透している2種類の蛍光プローブが励起されて、図2に示されるように蛍光が発せられる。撮影対象から発せられた蛍光は、撮像ユニット3の撮像光学系12により集光され励起光カットフィルタ13を透過し撮像素子14により撮像される。
この場合においても、撮像素子14によって、2種類の蛍光プローブから発せられた2種類の蛍光が重ね合わせられた混色状態の蛍光画像情報が取得される一方、撮影対象において反射されて戻る第2の励起光が励起光カットフィルタ13により遮断され、撮像素子14に入射されることが阻止される。
そして、撮像素子14により取得された蛍光画像情報は、第2のフレームメモリ17bに記憶される。
この時点で、画像処理回路18は、第1,第2のフレームメモリ17a,17bから第1、第2の励起光による蛍光画像情報を受け取って、数1に基づく演算を行い、Alexa
Fluor(商標)680ベースの蛍光プローブおよびAlexa Fluor(商標)700ベースの蛍光プローブのそれぞれの濃度N1,N2をそれぞれ算出する。
本実施形態に係る内視鏡システム1によれば、混色状態で取得された蛍光画像情報に基づいて、各蛍光プローブの個別の濃度情報を演算することができる。したがって、可変分光素子のような特別な素子を用いることなく、また、可変分光素子の精密な制御によっても分光できない程近接あるいは重複している波長帯域の蛍光に基づいて、簡易に各蛍光プローブによる癌細胞に関連する分子の分布を観察することができる。
画像処理回路18により算出された濃度情報N1,N2は、それぞれ表示ユニット7の第1,第2のチャネルに出力され、表示ユニット7に表示される。
これにより、各蛍光プローブによる癌細胞に関連する分子の分布を示す個別の画像が、重ね合わせられた形態で表示ユニット7に表示される。
その結果、同一の領域から2つの蛍光プローブによる蛍光が発生している場合には、その領域に癌細胞が存在している可能性が高いことを簡単に確認することができる。また、一方の蛍光プローブによる蛍光のみが発生している領域においては、癌細胞が存在している可能性が低いと判断することができる。したがって、本発明によれば、2種類の蛍光プローブを同時に使用して、診断能を向上することができるという利点がある。
一方、照明光が撮影対象に照射された場合には、撮影対象の表面において照明光が反射され、撮像光学系12により集光されて励起光カットフィルタ13を透過する。そして、励起光カットフィルタ13を透過した反射光は撮像素子14に入射され、反射光画像情報が取得される。取得された反射光画像情報は、第3のフレームメモリ17cに記憶され、画像処理回路18によって、表示ユニット7の第3のチャネルに出力されて表示ユニット7により表示される。
これにより、各蛍光プローブによる癌細胞に関連する分子の分布を示す画像とともに、照明光による観察対象の実際の外観の画像を重ね合わせて表示することができ、癌細胞の存在する可能性の高い領域を実際の外観の画像に対応づけて観察することが可能となる。
また、本実施形態に係る内視鏡システム1においては、上述したように、光源制御回路11およびバルブ制御回路16の作動により、蛍光観察に先立って、反射光観察が行われる。反射光観察においては、光源制御回路11は、照明光用光源9を作動させ、照明光を観察対象に向けて照射する。
そして、反射光観察から蛍光観察に切り替える際には、励起光の照射に先立って、バルブ制御回路16は、照明光用光源9が照明光を照射している状態で、バルブ20aを開放して第1のタンク21aに貯留されている洗浄用水を送液チューブ24の先端24aから観察対象に向けて吐出させ、観察対象Aの表面を洗浄する。
この場合において、本実施形態によれば、照明光用光源9が照明光を照射している状態で観察対象を洗浄するので、患部を容易に確認でき、蛍光プローブ液を散布したい部位を確認しながら洗浄することができる。
また、蛍光プローブ液の散布も照明光用光源9が照明光を照射している状態で行われる。したがって、洗浄された観察対象の位置を確認しながら、第2,第3のバルブ20b,20cを開放し、観察対象の位置を外さないように、必要な部位に少量の蛍光プローブ液を的確に散布することができる。これにより、高価な蛍光プローブの無駄を省くことができる。
その後、光源制御回路11により第1の励起光用光源10aが作動されて、第1の励起光が観察対象に照射されると、バルブ制御回路16は光源制御回路11からの信号を受けて、バルブ20a〜20cをオフ状態に切り替える。
この場合において、本実施形態によれば、蛍光プローブ液が散布された後、洗浄前には、第1の励起光用光源10aが励起光を照射するので、蛍光プローブが透明な場合においても、蛍光により散布の状況を確認することができる。
また、本実施形態に係る内視鏡システム1においては、2つの励起光の波長帯域が近赤外域より長波長側に設定されているので、観察対象内に生来存在する自家蛍光物質を励起してしまうことがなく、自家蛍光の発生を防止して、より鮮明な画像を取得することができるという利点がある。
なお、本実施形態に係る内視鏡システム1においては、蛍光プローブとして、Alexa Fluor(商標)680ベースの蛍光プローブおよびAlexa
Fluor(商標)700ベースの蛍光プローブを使用する場合について説明したが、これに代えて、Cy5.5(Amersham社製)およびCy7(Amersham社製)を用いることにしてもよい。
この場合には、前記励起光用光源10aとしては、例えば、Cy5.5ベースの蛍光プローブを励起することができる、ピーク波長660±5nmの第1の励起光を出射する半導体レーザを用いることができる。また、励起光用光源10bとしては、例えば、Cy7ベースの蛍光プローブを励起することができる、ピーク波長740±5nmの第2の励起光を出射する半導体レーザを用いることができる。
また、励起光カットフィルタとしては、図5に示されるように、400〜640nmの波長帯域で透過率80%以上、650〜670nmの波長帯域でOD値4以上(=透過率1×10−4以下)、680〜720nmの波長帯域で透過率80%以上、730〜750nmの波長帯域でOD値4以上(=透過率1×10−4以下)、760〜900nmの波長帯域で透過率80%以上の透過率特性を有しているものを使用する。
このように異なる種類の蛍光プローブを使用しても、単位濃度当たりの蛍光強度の値a,b,c,dをそれぞれ予め測定等により求めておくことによって、数1を用いて、各蛍光プローブの濃度N1,N2を求めることができる。
なお、図5に示されるように、蛍光プローブCy5.5は、第2の励起光によりほとんど蛍光を発生しないので、係数c=0とすることができる。
また、蛍光プローブCy7による癌細胞に関連する分子の分布をリファレンスとする場合には、N1/N2を算出して表示することにより、光学系、蛍光プローブの生体内動態の影響を排除した測定したい特定の分子の分布を計測することができる。
また、本実施形態においては、2種類の励起光と照明光を観察対象に照射して、蛍光プローブの濃度分布を示す画像と、反射光画像とを重ねて表示することとしたが、これに代えて、照明光の代わりに、観察対象に自家蛍光を発生させる第3の励起光を照射することとしてもよい。
自家蛍光は、近赤外域に配される薬剤蛍光とは離れた波長帯域を有しているので、薬剤蛍光と混色することなく検出することができる。
また、本実施形態に係る内視鏡システム1においては、2種類の蛍光プローブを使用することで診断能を向上することとしたが、これに代えて、3種類以上の蛍光プローブを使用することとしてもよい。
本発明の第1の実施形態に係る内視鏡システムの全体構成を示すブロック図である。 図1の内視鏡システムに用いられる励起光カットフィルタ、励起光、照明光および励起光により発生する蛍光の波長特性を示す図である。 図1の内視鏡システムの動作を説明するタイミングチャートである。 図1の内視鏡システムのバルブ制御回路の動作状態を説明するタイミングチャートである。 図2とは異なる蛍光プローブを使用したときの、図1の内視鏡システムに用いられる励起光カットフィルタ、励起光、照明光および励起光により発生する蛍光の波長特性を示す図である。
符号の説明
1 内視鏡システム
4 光源ユニット(光源部)
7 表示ユニット(表示部)
14 撮像素子(撮像部)
18 画像処理回路(記憶部、濃度情報演算部)
N1,N2 濃度情報

Claims (5)

  1. 生体の体腔内に少なくとも一部が入れられ、該体腔内の撮影対象の画像を取得する内視鏡システムであって、
    光学特性の異なる2種類以上の蛍光薬剤を励起させるために分光特性の異なる2種類以上の励起光を選択的に照射する光源部と、
    前記体腔内に入れられる部位に設けられるとともに、前記各励起光をカットするフィルタを有し、かつ前記各励起光により前記撮影対象から放射される2種類以上の蛍光の波長帯域に受光感度を有する撮像部と、
    前記各励起光により励起したときに発生する蛍光強度と前記各蛍光薬剤の濃度との相対関係に関する情報を記憶する記憶部と、
    前記撮像部により撮影された2以上の画像の蛍光強度と前記記憶部に記憶されている前記相対関係に関する情報とに基づいて、各蛍光薬剤の濃度情報を演算して出力する濃度情報演算部とを備える内視鏡システム。
  2. 前記相対関係に関する情報が、前記各励起光により励起したときに発生する蛍光強度と前記各蛍光薬剤の濃度との比率の情報である請求項1に記載の内視鏡システム。
  3. 前記濃度情報演算部により演算して出力された濃度情報を表示する表示部を備える請求項1に記載の内視鏡システム。
  4. 前記表示部が、表示色に対応する複数のチャネルを備え、
    前記各蛍光薬剤に対応する濃度情報が、各チャネルに割り当てられて出力される請求項3に記載の内視鏡システム。
  5. 前記各励起光の波長が、近赤外域より長波長側に配されている請求項1に記載の内視鏡システム。
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