Sistemi digitali: analisi valutativa sui potenziali

Healthcare Professional Journal
Vol.1, N. 1-4, 2012
Articolo di revisione
Sistemi digitali: analisi valutativa
sui potenziali aumenti di dose da “dose creep”
e saturazione dei rivelatori
M. DORONZO, R. TERLIZZI*, W. ANTONUCCI**, E. MORRONE***, A. ALEMANNO****
Tecnico di Radiologia Medica, Unità Operativa di Medicina Nucleare,
Policlinico “Paolo Giaccone”, Palermo
* Fisico, IRCCS “Casa Sollievo della Sofferenza”, S. Giovanni Rotondo (Foggia)
** Tecnico di Radiologia Medica Amministratore di Sistemi, Unità Operativa di Radioterapia,
Ospedale “Mons. Dimiccoli”, Barletta
*** Ingegnere Biomedico Libero Professionista, Torremaggiore (Foggia)
**** Tecnico Sanitario di Radiologia Medica, Azienda Ospedaliera Universitaria Ospedali Riuniti, Foggia
RIASSUNTO: OBIETTIVO DELLO STUDIO. I sistemi digitali richiedono adeguate tarature per fornire la minima
dose al paziente, compatibilmente ad un buon rapporto segnale-rumore: in mancanza di ciò, uno dei problemi
più preoccupanti di tali tecnologie è il noto fenomeno di “dose creep”. Essendo i sistemi digital radiography
ritenuti in tal ambito il “gold standard” nell’erogare minor dose al paziente, in questo articolo se ne analizzano volutamente le caratteristiche tecnologiche.
MATERIALI E METODI. Revisione e valutazione comparativa di letteratura scientifica sui sistemi digital radiography con tecnologie flat panel a matrice attiva e thin film transistor. Su tali sistemi è stato indagato il fenomeno del “creep dose” in relazione all’indice di massa corporea dei pazienti.
RISULTATI. Proporzionalmente all’aumento degli indici di massa corporea dei pazienti e specie nel caso in cui
si utilizzino protocolli d’acquisizione automatici non ottimizzati, il fenomeno del “creep dose” diviene esponenziale a causa della risposta non lineare e non controllata del sistema dovuta al raggiungimento della zona
di saturazione dei rivelatori.
CONCLUSIONI. Solo con accorgimenti ben conosciuti ed ottimizzati, la radiografia digitale si eleva realmente ai
livelli che la rendono, oltre che economicamente vantaggiosa, anche fortemente competitiva in termini di prestazioni.
PAROLE CHIAVE: Aumenti di dose, Dose creep, Saturazione dei rivelatori, Sistemi digitali.
Digital radiography systems: evaluation of potential dose increases due to “dose creep”
and detector saturation
SUMMARY: OBJECTIVE. Digital radiography systems require appropriate calibration to ensure the patient receives the minimum dose, consistent with a good signal-to-noise relationship. In the absence of this, the “dose
creep” phenomenon, i.e., an unplanned and unnoticed rise in the dose administered, may occur, and is one of
Corrispondenza: Dr. Marialuisa Doronzo, piazza Conteduca 25, 76121 Barletta (BT), tel. 388-1183085 e 0883-528746, e-mail:
[email protected]
Healthcare Professional Journal 2012; 1 (1-4): 39-45.
ISSN: 2039-4071.
Articolo ricevuto in redazione in data 18 ottobre 2012.
Copyright © 2012 by new Magazine edizioni s.r.l., Trento, Italia, www.newmagazine.it Tutti i diritti riservati. www.hpjournal.org
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Sistemi digitali: analisi valutativa sui potenziali aumenti di dose da “dose creep”
M. Doronzo
SIGLE: a-Se = a selenio amorfo; a-Si = a silicio amorfo; ADC = Analog to Digital Converter; ADL = Analog to Digital Linearization;
ADU = Analog to Digital Unit; ALARA = As Low As Reasonably Achievable; DQE = Detective Quantum Efficiency o efficienza quantica di rivelazione; DR = Digital Radiography; FP = Flat Panel; FWC = Full Well Capacity; ICRP = International Commission on
Radiological Protection; IMC = Indice di Massa Corporea; LDR = Livelli Diagnostici di Riferimento; MTF = Modulation Transfer
Function; SNR = Signal to Noise Ratio; TFT = Thin Film Transistor.
the most worrying issues linked to these devices. Nonetheless, digital radiography systems are considered the
“gold standard” in terms of low dose delivery to the patient. So we set out to systematically analyse the technological features of various devices on the market with a view to determining which, if any, offer better patient
safety in this regard, focussing particularly on any link between dose creep and patient body mass index.
MATERIALS AND METHODS. The scientific literature on DR systems equipped with flat-panel, active matrix and
thin-film transistor technologies was reviewed and compared with particular regard to the “dose creep” phenomenon in relation to patients’ body mass index.
RESULTS. The dose creep phenomenon increases proportionally as the body mass index of the patient increases.
This is especially true if automatic acquisition protocols are used, as the detector reaches saturation and no
longer responds in a linear and controlled way.
CONCLUSION. Only with the use of optimized and well-validated devices, is the fullest potential of digital radiography achievable and highly competitive as regards performance, not to mention economically advantageous.
KEY WORDS: Radiation dose increase, Dose creep, Detectors saturation, Digital radiography systems.
INTRODUZIONE
Negli ultimi decenni, la diagnostica per immagini ha
avuto uno sviluppo straordinario strettamente connesso all’avanzamento tecnologico. Lo sforzo scientifico prevalentemente impiegato è stato rivolto allo
sviluppo di sofisticati sistemi di imaging radiologico
e alla progettazione di rivelatori a pannelli piatti per
acquisizione diretta: la digital radiography.
SCOPO. In questo articolo verranno volutamente analizzate le caratteristiche tecnologiche dei sistemi DR,
poiché ritenuti il “gold standard” dei sistemi digitali
nell’erogare minor dose al paziente.
REVIEW
Al giorno d’oggi l’introduzione dei sistemi DR nei
dipartimenti di diagnostica per immagini rappresenta
una vera e propria sfida tecnologica. Il corretto uso di
tali sistemi, infatti, è strettamente legato alla complessità dei rivelatori nonché alla limitata precisione
nel controllo delle restanti componenti elettroniche.
Inoltre, ha grande importanza la parte di elaborazione
delle immagini: mentre in radiografia convenzionale
risultavano ben definiti i parametri fisici che caratterizzano la qualità dell’immagine, in radiologia digitale, ed in particolare nei sistemi DR, la parte elaborativa che precede la visualizzazione delle immagini influisce in modo significativo sulle possibili valutazioni diagnostiche.
I sistemi DR possono impiegare le tecnologie flat panel, a matrice attiva, i transistor a film sottile, le proprietà del silicio amorfo (a-Si) o dei fotoconduttori al
selenio amorfo (a-Se). Quando l’energia contenuta
nella radiazione X emergente è convertita direttamente in segnale elettrico e questo successivamente
trasformato in forma numerica il metodo di conversione è di tipo diretto. Al contrario se si introduce un
passaggio intermedio, tipicamente a conversione ottica, parleremo di modalità a conversione indiretta di
energia. In questi ultimi sistemi l’energia elettromagnetica della radiazione X emergente dal corpo del
paziente viene prima convertita in energia luminosa e
poi in segnale elettrico. Il selenio amorfo è il materiale fotoconduttore che viene sfruttato nelle tecnologie a conversione diretta di energia. Il fotoconduttore
converte direttamente i fotoni X in carica elettrica.
Alla base delle tecnologie a conversione indiretta si
pongono gli schermi scintillatori che convertono l’energia dei fotoni X in luce visibile. Questa viene successivamente trasformata in carica elettrica da matrici di fotodiodi al silicio amorfo e tramite matrici di
TFT, il segnale elettrico giunge ai ADC(17).
Nei sistemi digitali l’immagine analogica viene
scomposta in una serie di punti (processo di campionamento) cui vengono fatti corrispondere altrettanti
valori numerici di riferimento. Il campo di visualizzazione è da intendersi scomposto in elementi unitari, i pixel, cui vengono attribuiti valori di grigio corrispondenti a ciascun punto del campionamento. Ne
consegue che la digitalizzazione è caratterizzata da
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campionamento (pixels) e da quantizzazioni (bits)(5).
Le immagini acquisite da sistema DR non sono quindi immediatamente utilizzabili per essere visualizzate e la sensibilità relativa alla radiazione X di ciascun
pixel può variare, così come può variare il segnale di
off set corrispondente (“dark current”).
Nonostante il grande vantaggio della radiologia digitale rispetto a quella convenzionale sia sicuramente
individuabile nella grande flessibilità d’ottimizzazione del sistema, l’aspetto più importante da tener presente nei sistemi digitali è la possibilità - non sempre
realizzata - di offrire un’efficienza di conversione
quantistica più elevata degli altri sistemi e di ottenere
esposizioni di dose al paziente più basse(11). L’efficienza di acquisizione del segnale alle diverse frequenze spaziali è misurata dall’efficienza quantica di
rivelazione o DQE che rappresenta la misura congiunta dal rapporto segnale rumore e della MTF. In
generale, sia nei sistemi di imaging digitali che in
quelli analogici, i valori della DQE sono alti alle basse frequenze spaziali, bassi alle alte frequenze spaziali(13). Il motivo di questo comportamento è intuibile considerando la perdita di segnale che si può avere
alle alte frequenze nei processi di conversione di
energia in base alle caratteristiche tecnologiche dei
diversi detettori. Ogni tipo di tecnologia ha diverse
caratteristiche di DQE e i sistemi di radiografia digitale, come dimostrano alcuni studi, in realtà assorbono meno energia dai raggi X soffrendo di una più bassa DQE rispetto agli altri sistemi soprattutto per strutture con bassa frequenza spaziale quali quelle vascolari o interstiziali del polmone(13).
È da tener presente inoltre che al segnale di immagine viene sempre aggiunta una percentuale di rumore,
sia esso di origine quantica, elettronica o di campionamento, che non è altro che la presenza di fluttuazioni stocastiche nel segnale. Il rumore quantico, che
interessa tutti i sistemi digitali, dipende dalla statistica con cui i fotoni mediamente si distribuiscono.
Supponendo uniforme sia il fascio di radiazione sia il
rivelatore digitale, i fotoni si distribuiscono secondo
la legge di Poisson. Se la esposizione a raggi X è ridotta, i fotoni si distribuiscono secondo la statistica di
Poisson e l’immagine è rumorosa, cioè con basso rapporto segnale/rumore. Il rumore strutturale dipende
invece dalla non uniformità del rivelatore e specie nei
sistemi DR a FP esso è imputabile alla diversa sensibilità dei pixels o alla presenza di “pixels morti”(5).
Inoltre non solo la tecnologia utilizzata ma anche la
tecnica di esposizione e il livello di dose influiscono
sui valori di DQE: considerando che la dose al pa-
ziente non è altro che il rapporto tra la qualità dell’immagine e la DQE(9), in sistemi con alta DQE vi è
bisogno di minor dose per ottenere un dato SNR. Ma
come è noto in radiologia, la qualità dell’immagine è
data dalla latitudine di esposizione, ossia dalla gamma di spessori in un oggetto per i quali la singola immagine radiografica è in grado di produrre densità radiografiche ancora interpretabili. Nella pratica, l’oggetto da sottoporre a indagine radiografica è caratterizzato da una gamma di spessori che si vorrebbe studiare simultaneamente in una singola esposizione.
Per realizzare questo, si dovrà tenere conto sia delle
caratteristiche del rivelatore, sia dei relativi accorgimenti. Ad esempio, il fascio RX nell’attraversare la
sezione trasversale di un oggetto viene attenuato per
un ammontare che dipende dalla lunghezza del tragitto percorso all’interno del materiale nonché dalle caratteristiche del materiale stesso. I tragitti percorsi sono funzione della profondità “p” lungo la sezione. La
possibilità di coprire l’intera latitudine di esposizione
nella singola immagine radiografica, va valutata in
funzione della caratteristica del sistema di formazione dell’immagine radiografica impiegato, essendo la
“caratteristica” una funzione identificante il sistema
stesso e che esprime i “livelli di annerimento” o densità in funzione dell’esposizione.
In Figura 1 sono mostrati gli andamenti tipici delle
caratteristiche per un film convenzionale e per un sistema digitale.
Il film convenzionale ha la caratteristica nota come
“curva a S” mentre un sistema digitale ha una caratteristica prettamente “lineare”, dimostrando una maggior latitudine di esposizione di un film convenzionale. Una “curva a S” richiede che l’esposizione si limiti alla sola regione con andamento lineare.
Se la gamma di spessori presentati dall’oggetto nella
singola posa, comporta condizioni di sovraesposizione per il film, queste ultime non contribuiranno a dare alcuna informazione radiografica, ma nelle zone in
cui la sovraesposizione non è realizzata, l’informazione non viene compromessa, ovvero il singolo grano sensibile in una emulsione è a tutti gli effetti completamente indipendente dai grani attigui.
La linearità invece è uno dei “vantaggi-svantaggi”
principali dei sensori digitali. Linearità significa che
c’è una semplice relazione lineare tra il valore in ingresso (la carica elettrica raccolta in ogni singolo fotoelemento) e il valore in uscita (il numero associato
ad ogni singolo pixel che compone l’immagine finale). Proprio per questo esistono due importanti limiti
definiti dagli elementi d’ingresso del sensore e dagli
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Range di esposizione
A
B
FILM
Latitudine
radiografica
Range dinamico
RADIOGRAFIA
DIGITALE
Livello di grigio
Densità
3.0
1.5
Sovraesposto
Esposizione
Esposizione
Figura 1. Curve delle esposizioni per film convenzionali e sistemi digitali.
Figure 1. Graphs of exposure trends for conventional films and digital systems.
elementi in uscita della camera: il primo è dato dalla
FWC dei fotoelementi che compongono il sensore
mentre il secondo è dato dal tipo di convertitore analogico-digitale utilizzato dalla camera.
È quindi facile intuire che esistono 2 livelli di saturazione: il primo è dato dalla capacità di raccolta di
elettroni dei singoli fotoelementi che compongono il
rivelatore, il secondo è dato dalla risoluzione (in bit)
del convertitore analogico-digitale. Se costruiamo un
grafico con in ascissa il dato di input, ovvero il numero di elettroni contenuti nel fotoelemento, e in ordinata il valore di output, ovvero il numero di ADU
del pixel corrispondente dell’immagine, questi due limiti di saturazione sono rappresentati da due rette
(Figura 2).
Un sistema digitale presenterà una curva di linearità
simile al grafico in Figura 2, dove il tratto verde è il
tratto ove la camera si comporta in modo lineare
mentre quello arancione è il tratto non lineare entro il
quale vengono perse le qualità fotometriche della camera stessa.
Si può notare, inoltre, che il tratto non lineare inizia
prima che la curva di linearità raggiunga uno qualsiasi dei due livelli di saturazione.
Dunque, l’operatore non ha nessuna avvertenza o segnalazione di quanto sta avvenendo, per questo è importantissimo determinare in modo sperimentale le
coordinate del punto P.
Per un sistema digitale, ogni superamento del punto
massimo della caratteristica, realizza condizioni di
sovraesposizione o “saturazione del pixel”. Se tale
saturazione è realmente elevata, come accade nel caso di esposizione diretta alla radiazione o per strutture anatomiche con alta frequenza spaziale (polmone),
non vale più neppure la prestazione del parametro
“flat field correction”, intrinseco al sistema, che limita l’effetto di disuniformità di risposta dei pixels e
l’effetto dei pixels “morti”(5). Nella pratica, tale fenomeno accade sopratutto nell’esposizione tangenziale.
DISCUSSIONE
Sebbene la buona collimazione sia sempre consigliata ai fini di una maggior definizione, la soluzione a tale effetto consisterebbe nel valutare la latitudine di
esposizione possibile, rispetto all’intervallo di spessori implicati nella singola posa in tangenziale. Nella
radiografia convenzionale, un modo immediato per
estendere la latitudine di esposizione è quello di impiegare simultaneamente più film di diversa sensibilità: “tecnica multi-film”. I sistemi digitali, invece, richiedono attente accortezze e adeguate tarature per
fornire la minima dose al paziente compatibilmente
ad un rapporto segnale-rumore sufficiente a produrre
un’immagine che soddisfi lo scopo dell’esame. In
mancanza di ciò, uno dei “difetti” più comuni e
preoccupanti di tali tecnologie è il noto fenomeno del
“dose creep”(12,15). Tale fenomeno è definito come la
tendenza da parte dell’operatore ad aumentare il livello espositivo al paziente, poiché esso produce un
miglioramento della qualità iconografica e quindi la
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Figura 2. Livelli
di saturazione dei
sensori digitali.
80.000
70.000
Output Analog to Digital Linearization
Figure 2. Graph
of saturation levels
of digital sensors.
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60.000
50.000
40.000
m ) 1/G con G = gain
30.000
20.000
10.000
c = 3.080
0
Offset
0
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
Input (fotoelettroni)
scomparsa del rumore. La “disconnessione” tra modalità espositiva e presentazione dell’immagine causata da tale fenomeno diviene un problema esponenziale proporzionale all’aumento degli indici di massa
corporea dei pazienti e alla loro eterogenicità(6). Al fine di ottenere una immagine che sia qualitativamente
valida, soprattutto nel caso in cui si utilizzino protocolli di acquisizione automatici, la sovraesposizione
che l’apparecchiatura autonomamente eroga, può
comportare il raggiungimento della zona di saturazione dei rivelatori e una risposta non più lineare (oltre
che non controllata dall’operatore).
Tale sovraesposizione, purtroppo, potrebbe passare
inosservata perché attualmente i valori di LDR sono
consultivi per i soli pazienti standard e non fanno distinzione tra pratica accettabile o inaccettabile, in
particolare per i pazienti oltre lo standard (il 50% della popolazione)(4): il potenziale rischio radioprotezionistico derivante dall’uso dei sistemi digitali rimane
pertanto “misconosciuto” ai più.
Una accortezza rivelatesi necessaria sperimentalmente per recuperare le zone in saturazione, sarebbe quella di utilizzare un blocco compensatore o un filtro di
opacità radiografica uguale o maggiore del materiale
dell’oggetto da controllare. Tale blocco compensatore deve essere introdotto sul tragitto del fascio RX incidente con lo scopo di provocare un’attenuazione
complementare all’oggetto stesso. Lo scopo è quello
di livellare l’intervallo e l’eterogenicità degli spessori attraversati attorno ad un valore prestabilito, in mo-
do da limitare le escursioni minime e massime. L’utilizzo di blocchi compensatori nel controllo radiografico è raccomandato ogniqualvolta la singola esposizione coinvolge zone dell’oggetto da controllare in
cui gli spessori variano considerevolmente rispetto
alla latitudine radiografica caratterizzante la tecnica
impiegata ai fini della formazione dell’immagine.
Tuttavia, tali accorgimenti sono -allo stato attualesolo frutto dell’esperienza, non essendovi alcuna normativa che ne detti le linee guida, come accade invece per i film convenzionali(10).
CONCLUSIONI
In visione del fatto che i sistemi digitali in radiologia
sfruttano complessi calcoli matematici per la produzione di immagini comprensibili e suscettibili di manipolazioni, è evidente che più di ieri il salto di qualità finalizzato all’ottimizzazione delle tecniche si basi su un atteggiamento di ricerca; partendo da un’attenta analisi delle prestazioni ottenibili è possibile individuare e seguire delle raccomandazioni pratiche
che possono essere così riassunte(1,7,12,14):
1. Necessità di un adeguato percorso formativo riguardante gli aspetti della radioprotezione, della
fisica delle immagini e delle caratteristiche elettroniche dei sistemi digitali che coinvolga i medici radiologi, i fisici sanitari e i tecnici di radiologia. La formazione iniziale in genere include
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4.
5.
6.
7.
l’applicazione di base del software di imaging,
l’elaborazione delle immagini, l’istruzione e l’interfaccia utente, ma deve essere anche orientata
verso la qualità delle immagini rispetto ai principi ALARA.
Importanza dell’organizzazione di frequenti audit
in concomitanza con l’introduzione delle nuove
tecnologie digitali: il personale adeguatamente
addestrato è cruciale per facilitare la sorveglianza
e il monitoraggio del funzionamento dei sistemi.
Necessità che il sistema a raggi X e il software di
elaborazione dell’immagine siano ottimizzati. In
caso contrario, la dose al paziente aumenterà senza che migliorino i risultati.
L’insensibilità dei sistemi digitali alla sovraesposizione ingenera pericolose abitudini in termini di
radioprotezione. Vi è quindi la necessità di disporre dei dati “grezzi” dell’immagine al fine di
monitorare le performance dei sistemi. Gli algoritmi di elaborazione possono migliorare la rilevabilità di strutture patologiche ma possono anche ridurla se i parametri di esposizione e di elaborazione non sono stati scelti correttamente(3). In
pratica si possono ottenere immagini apparentemente “leggibili” e “belle” ma poco utili allo specifico quesito diagnostico, nonostante l’erogazione di una esposizione sovradimensionata rispetto
alla dose che sarebbe stata sufficiente.
Necessità di stabilire nuovi livelli diagnostici di
riferimento specifici per le tecnologie digitali in
modo da porre maggiore attenzione al processo di
giustificazione dell’esecuzione di un’indagine radiologica(10). L’immagine digitale non è altro che
una “media” dei vari segnali acquisiti e per certe
finalità diagnostiche non è necessaria la migliore
qualità dell’immagine. L’elaborazione digitale
consente di estrapolare informazioni diagnosticamente adeguate al quesito, anche da radiogrammi
apparentemente scadenti. È necessario entrare
nell’ottica che ogni esame è unico, per cui ogni
impianto deve stabilire dei limiti di dose per ogni
visualizzazione, in base alle diverse esigenze cliniche.
Necessità che i produttori di apparecchiature radiologiche digitali attivino procedure standard introducendo una categorizzazione dei pazienti in
base ai relativi IMC. In questo modo, l’operatore
controllerebbe meglio i parametri di esposizione,
personalizzando l’erogazione per ogni singolo
paziente(16).
Effettuare una revisione periodica degli indicato-
M. Doronzo
ri di esposizione, utilizzando un nuovo strumento
nel software capace di fornire avvisi quando le
esposizioni registrate cadono al di fuori di un intervallo particolare o un valore specifico determinato dal radiologo. In maniera tale che, quando
l’esposizione è superiore o inferiore rispetto al
range prestabilito, la notifica visualizzata offrirà
al tecnico la scelta di ripetere l’esame o continuare lo studio.
8. Necessità di interventi specifici sulla taratura delle apparecchiature con il miglioramento e\o aggiornamento delle tecniche: è stato sperimentalmente dimostrato che la tecnica ad alta tensione
per l’esecuzione dell’indagine radiologica del torace non sia più quella ottimale utilizzando sistemi digitali(18). Inoltre, un ulteriore problema può
essere rappresentato dalla taratura degli esposimetri automatici. L’esposimetro automatico, ad
esempio, è calibrato per contenere le variazioni
della densità ottica. Con i sistemi digitali, la taratura degli esposimetri si presenta non immediata
poiché l’elaborazione digitale permette di aggiustare il valore digitale intorno ad un valore medio
indipendentemente dall’esposizione ricevuta dal
rivelatore, correggendo i casi di non corretta
esposizione(8).
9. Importanza di registrazione delle dosi erogate ai
pazienti durante l’attività radiodiagnostica complementare: l’introduzione di cartelle dosimetriche informatiche potrebbe facilitare tale scopo(2).
10. Revisionare i valori di LDR proposti dalla ICRP
tenendo conto di tutte le tipologie dei pazienti.
Si può concludere quindi che l’utilizzo della radiografia digitale è certamente vantaggioso rispetto alla
radiografia convenzionale sotto l’aspetto economico,
ma dal punto di vista delle prestazioni la radiografia
digitale raggiunge le sue massime potenzialità solo
con accorgimenti ben conosciuti ed ottimizzati.
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DICHIARAZIONE DI CONFLITTO DI INTERESSE. Gli Autori dichiarano di non aver ricevuto finanziamenti, né hanno in
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