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Röntgendetektormodul für spektral aufgelöste Messungen - Dokument DE102004006547A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004006547A1 11.08.2005
Titel Röntgendetektormodul für spektral aufgelöste Messungen
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Heismann, Björn, Dr., 91052 Erlangen, DE;
Spreiter, Quirin, Dr., 91052 Erlangen, DE;
Wirth, Stefan, Dr., 91056 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 10.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004006547
Offenlegungstag 11.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.08.2005
IPC-Hauptklasse G01T 1/29
IPC-Nebenklasse G01T 1/36   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Röntgendetektormodul (2), das ein oder mehrere Zeilen von in zumindest zwei Lagen (5, 6) übereinander angeordneten Detektorelementen (1a, 1b) aufweist, wobei erste Detektorelemente (1a) einer oberen, eintreffender Röntgenstrahlung zugewandten Lage (5) für erste spektrale Anteile der Röntgenstrahlung sensitiv und für zweite spektrale Anteile der Röntgenstrahlung zumindest teiltransparent sind und zweite Detektorelemente (1b) einer darunter angeordneten unteren Lage (6) für die zweiten spektralen Anteile sensitiv sind. Bei dem vorliegenden Röntgendetektormodul (2) weisen die zweiten Detektorelemente (1b) eine größere Detektorfläche (8) auf als die ersten Detektorelemente (1a), wobei das Verhältnis und die gegenseitige Anordnung der Detektorflächen (7, 8) jeweils eines ersten (1a) und eines darunter angeordneten zweiten Detektorelementes (1b) so gewählt sind, dass mit dem ersten (1a) und dem zweiten Detektorelement (1b) der gleiche Raumwinkel der von einem Röntgenfokus (3) mit einer fest vorgegebenen relativen Position zum Röntgendetektormodul (2) ausgehenden Röntgenstrahlung erfasst wird.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Röntgendetektormodul, insbesondere für Computertomographiegeräte, das ein oder mehrere Zeilen von in zumindest zwei Lagen übereinander angeordneten Detektorelementen aufweist, wobei erste Detektorelemente einer oberen, eintreffender Röntgenstrahlung zugewandten Lage für erste spektrale Anteile der Röntgenstrahlung sensitiv und für zweite spektrale Anteile der Röntgenstrahlung zumindest teiltransparent sind, zweite Detektorelemente einer darunter angeordneten unteren Lage für die zweiten spektralen Anteile sensitiv sind und die ersten Detektorelemente mit den jeweils darunter liegenden zweiten Detektorelementen Detektorelementpaare bilden.

In der Röntgen-Computertomograpie (CT) werden heutzutage ein- oder mehrzeilige Detektorsysteme eingesetzt, die aus einer großen Anzahl einzelner Detektorelemente gebildet sind. Ein Röntgendetektor für die Computertomographie ist in der Regel aus mehreren einzelnen Detektormodulen zusammengesetzt, die jeweils eine kleinere Gruppe von Detektorelementen umfassen. Jedes Detektorelement stellt einen Kanal des Röntgendetektors dar. Die Detektorelemente messen die Intensität eines nach dem Durchgang durch einen Untersuchungsbereich eines Objektes geschwächten Röntgenstrahls. Die Schwächung des Röntgenstrahls wird von den durchstrahlten Materialien entlang des Strahlengangs verursacht, so dass die Schwächung auch als Linienintegral über die Schwächungskoeffizienten aller Voxel entlang des Strahlenweges verstanden werden kann. Mittels so genannter Rekonstruktionsverfahren ist es möglich, von den projizierten Schwächungsdaten auf die Schwächungskoeffizienten &mgr; der einzelnen Voxel zurückzurechnen.

Bei neueren Techniken der Computertomographie wird auch spektrale Information der geschwächten Röntgenstrahlen ausgenutzt, um beispielsweise neben der räümlichen Verteilung der Schwächungskoeffizienten auch eine Verteilung der Dichte sowie der effektiven Ordnungszahl innerhalb des Untersuchungsbereiches zu erhalten. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung 101 43 131 A1 bekannt. Die Nutzung der spektralen Information erfordert jedoch die Aufnahme von zwei Messdatensätzen mit unterschiedlicher spektraler Verteilung der einfallenden Röntgenstrahlung oder unterschiedlicher spektraler Sensitivität der Detektoren. In der Regel wird ein Verfahren eingesetzt, bei dem das Objekt nacheinander mit Röntgenstrahlung unterschiedlicher Energie bestrahlt wird, um die beiden Messdatensätze zu erhalten. Dies führt zu einer verlängerten Scanzeit und den damit verbundenen Problemen der erhöhten Röntgenbelastung für den Patienten sowie eventueller Bewegungsartefakte, die durch eine Patientenbewegung zwischen beiden Aufnahmen auftreten können.

Zur Vermeidung dieser Problematik wird in der US 4 247 774 ein Röntgendetektor mit mehreren Detektorelementen vorgeschlagen, die Detektorelemente zeilenförmig in zwei Lagen übereinander angeordnet sind. Die in der oberen Lage angeordneten Detektorelemente sind für einen anderen spektralen Anteil der Röntgenstrahlung sensitiv als die darunter liegenden Detektorelemente. Ein Detektorelementpaar bestehend aus einem oberen ersten Detektorelement und einem unteren zweiten Detektorelement absorbiert im oberen Detektorelement, das durch einen dünnen Szintillatorkristall mit einem angekoppelten Photomultiplier gebildet ist, lediglich Röntgenanteile niedriger Energie, während die Anteile höherer Energie nicht absorbiert werden und auf das zweite Detektorelement treffen. Das zweite Detektorelement weist einen entsprechend dickeren Szintillatorkristall auf, an den ebenfalls ein Photomultiplier angekoppelt ist, und setzt die verbleibenden Anteile höherer Energie in ein entsprechendes Messsignal um. Von den Detektorelementen jeder der beiden Lagen werden daher unterschiedlich spektral gewichtete Messdaten geliefert, aus denen die obigen Informationen abgeleitet werden können. Auch die DE 198 26 062 A1 beschreibt eine derartige Anordnung zur Detektion von Röntgenstrahlen, bei der zusätzlich eine weitere Lage mit Detektorelementen eingebracht ist. Die Röntgendetektoren beider Druckschriften umfassen jeweils eine Vielzahl von Detektorelementpaaren bzw. -tripeln, die baugleich ausgebildet sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Röntgendetektormodule für den Aufbau eines Röntgendetektors, insbesondere für Computertomographiegeräte bereitzustellen, die spektral unterschiedlich gewichtete Messdaten liefern und eine gegenüber bekannten Röntgendetektoren gleicher Art verbesserte Ausnutzung der Röntgenstrahlung bieten.

Die Aufgabe wird mit dem Röntgendetektormodul gemäß Patentanspruch 1 bzw. dem Röntgendetektor gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Die Patentansprüche 6 und 7 geben eine vorteilhafte Verwendung des Röntgendetektormoduls an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Röntgendetektormoduls bzw. des Röntgendetektors sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Das vorliegende Röntgendetektormodul umfasst ein oder mehrere Zeilen von in zumindest zwei Lagen übereinander angeordneten Detektorelementen. Erste Detektorelemente einer oberen, eintreffender Röntgenstrahlung zugewandten Lage sind für erste spektrale Anteile der Röntgenstrahlung sensitiv und für zweite spektrale Anteile der Röntgenstrahlung zumindest teiltransparent. Zweite Detektorelemente einer darunter angeordneten unteren Lage sind für die zweiten spektralen Anteile sensitiv. Die ersten Detektorelemente bilden mit den jeweils darunter liegenden zweiten Detektorelementen Detektorelementpaare. Bei dem vorliegenden Röntgendetektormodul weisen die zweiten Detektorelemente eine größere Detektorfläche auf als die ersten Detektorelemente, wobei das Verhältnis und die gegenseitige Anordnung der Detektorflächen des ersten und zweiten Detektorelements jedes Detektorelementpaares so gewählt sind, dass mit dem ersten und dem zweiten Detektorelement des Detektorelementpaares der gleiche Raumwinkel der von einem Röntgenfokus mit einer vorgegebenen relativen Position zum Detektormodul ausgehenden Röntgenstrahlung erfasst wird.

Das vorliegende Röntgendetektormodul ermöglicht die simultane Erfassung der Messdaten in zwei unterschiedlichen spektralen Bereichen während einer einzigen Röntgenbestrahlung, beispielsweise während eines einzigen Scans mit einem Röntgencomputertomographen. Damit können einerseits Artefakte vermieden werden, die bei Erfassung der unterschiedlich spektral gewichteten Messdaten mit zwei getrennten Röntgenaufnahmen auftreten können. Auf der anderen Seite lässt sich auch eine deutliche Dosisreduktion erreichen, da nur noch eine einzige CT-Aufnahme für den Erhalt der beiden Messdatensätze erforderlich ist. Durch Summation der Messsignale der jeweiligen Detektorelemente jedes Detektorelementpaars ist es auch möglich, ein konventionelles CT-Bild zu rekonstruieren. Konventionelles und spektral aufgelöstes Bild bzw. daraus abgeleitete Verteilungen können damit aus ein und demselben Scan erzeugt werden. Durch die besondere Anordnung der Detektorelemente in den einzelnen Detektorelementpaaren des Detektormoduls wird eine optimale Ausnutzung der einfallenden Röntgenstrahlung erreicht, da die von den übereinander liegenden Detektorelementen jedes Detektorelementpaars erfassten Raumwinkel der einfallenden Röntgenstrahlung für beide Detektorelemente identisch sind.

Die einzelnen Röntgendetektormodule werden dabei derart zu einem Röntgendetektor zusammengesetzt, dass die modulspezifischen relativen Positionen des Röntgenfokus ein und derselben Position im Röntgendetektor entsprechen. Dies kann bei einer im Wesentlichen eben oder nur leicht gekrümmt ausgebildeten Detektionsfläche des Röntgendetektors erfordern, dass die äußeren Detektormodule geometrisch anders aufgebaut sind als die inneren Module. Bei einer Anordnung der einzelnen Module auf einem Polygonzug mit Ausrichtung auf den Röntgenfokus können auch alle Detektormodule gleich und mit einer ebenen Detektionsfläche ausgebildet sein. Die einzelnen Detektormodule sind somit im Röntgendetektor auf einen gemeinsamen Fokus, den Fokus der Röntgenquelle, ausgerichtet. Vorzugsweise ist zusätzlich ein Kollimator für Röntgenstrahlung auf die obere Lage der Detektormodule bzw. des Röntgendetektors aufgebracht oder über dieser angebracht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die vorliegenden Röntgendetektormodule so aufgebaut, dass sie ohne Umbauten in das Datenaufnahmesystem (DAS) eines vorhandenen 2-Zeilen-CT-Gerätes implementiert werden können. Die Röntgendetektormodule werden hierfür einzeilig ausgebildet, wobei die Anzahl der Detektorpaare so gewählt wird, dass sie der halben Anzahl der Detektorelemente der zweizeiligen Röntgendetektormodule des CT-Gerätes entspricht. Auf diese Weise kann die vorhandene Elektronik genutzt werden, da keine weiteren Messkanäle hinzu kommen. Besonders vorteilhaft sind die ersten Detektorelemente der einzeiligen Röntgendetektormodule so ausgebildet, dass die Breite ihrer Detektorflächen in Zeilenrichtung mit der Breite der Detektorflächen der Detektorelemente der zweizeiligen Röntgendetektormodule übereinstimmt und die Ausdehnung ihrer Detektorflächen senkrecht zur Zeilenrichtung der doppelten Ausdehnung der Detektorflächen der Detektorelemente der herkömmlichen zweizeiligen Röntgendetektormodule in gleicher Richtung entspricht. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die vorliegenden Röntgendetektormodule ohne mechanische Anpassung in das für die zweizeiligen Röntgendetektormodule ausgebildete Gehäuse einzusetzen. Dadurch lassen sich bereits bestehende Computertomographiegeräte sehr einfach und kostengünstig, beispielsweise als Option oder Upgrade, mit den vorliegenden Detektormodulen ausstatten bzw. nachrüsten.

Vorzugsweise werden beide Lagen jedes Detektormoduls separat gefertigt, so dass es möglich ist, sie zunächst getrennt auf ihre bildrelevanten Eigenschaften zu qualifizieren. Auf Basis der quantitativen Daten der Qualifizierung werden Modulpaare gebildet, die bezüglich dieser Daten optimal zusammenpassen. Nach dieser Qualifizierung und Paarbildung werden beide Komponenten mechanisch zueinander justiert und mit einem Kollimator zu einer Einheit verbunden. In einer weiteren Qualifizierung der verbundenen Moduleinheiten werden insbesondere die spektralen Empfindlichkeiten der beiden Lagen quantitativ überprüft. Aus diesen quantitativen Daten wird eine Sortierung der Moduleinheiten zusammengestellt, die eine homogene Bildqualität des gesamten Detektors gewährleistet – sowohl in jeder Lage individuell als auch im Summensignal aus beiden Lagen. Hierzu kann ein Verfahren angewendet werden, wie es beispielsweise aus der DE 198 11 044 C1 bekannt ist.

Selbstverständlich lässt sich das vorliegende Detektormodul bei Bedarf auch aus mehr als zwei Lagen von Detektorelementen aufbauen, wobei dann ebenfalls die Größe der Detektorflächen sowie die gegenseitige Anordnung der einzelnen Detektorelemente so gewählt werden, dass die Bedingung hinsichtlich des gleichen Raumwinkels erfüllt ist.

Die Detektorelemente des vorliegenden Detektormoduls setzen sich vorzugsweise aus einem Szintillatorkristall und einer Photodiode auf einem Modulträger zusammen, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zur Ausbildung der übereinander liegenden Detektorelemente mit unterschiedlichen spektralen Sensitivitäten kann beispielsweise der Szintillatorkristall des oberen Detektorelementes dünner ausgestaltet sein und/oder aus einem anderen Material bestehen als der des unteren Detektorelementes. Grundsätzlich kommen als Szintillatorkristalle hierbei alle für die Umsetzung von Röntgenstrahlung bekannten Materialien in Frage, wie sie auch bereits bei bekannten Röntgendetektoren eingesetzt werden.

Auch die Form der einzelnen Detektorlagen kann gemäß dem Stand der Technik so gewählt sein, dass diese Lagen eben verlaufen oder eine zur Röntgenquelle hin gekrümmte Form aufweisen.

Das vorliegende Röntgendetektormodul wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 in schematischer Darstellung einen einzeiligen Detektor eines Computertomographiegerätes;

2 ein Beispiel für ein zweizeiliges Röntgendetektormodul gemäß dem Stand der Technik;

3 zwei Beispiele für ein Röntgendetektormodul gemäß der vorliegenden Erfindung;

4 einen Schnitt durch die beiden Lagen der Detektormodule der 3; und

5 ein Beispiel für den Aufbau eines Detektorelementpaares des vorliegenden Detektormoduls.

1 zeigt schematisch ein Beispiel für die Ausbildung eines Röntgendetektors in einem Computertomographiegerät. In der Abbildung ist ein einzeiliger Detektor zu erkennen, bei dem einzelne Detektorelemente 1 zu Modulen 2 zusammengefasst sind. Die Detektorelemente 1 sind auf einer gekrümmten Fläche um den von der Röntgenquelle gebildeten Röntgenfokus 3 angeordnet, so dass der vom Röntgenfokus 3 ausgehende fächerförmige Röntgenstrahl 4 nahezu senkrecht auf die Oberfläche der Detektorelemente 1 trifft.

2 zeigt ein Detektormodul für ein 2-Zeilen-CT-Gerät gemäß dem Stand der Technik. Bei einem derartigen Detektormodul 2 ist die aktive Fläche in der Regel in 2 × 16 einzelne Segmente in Form der Detektorelemente 1 unterteilt, 16 Detektorelemente in Drehrichtung des Computertomographen und 2 Zeilen in Richtung der Patientenachse, um während einer Rotation der Gantry gleichzeitig zwei Objektschichten aufnehmen zu können.

Bei einer Ausgestaltung des vorliegenden Detektormoduls werden nun im Beispiel der 3a die jeweils 16 Detektorelemente nicht mehr in 2 Zeilen nebeneinander sondern in 2 Lagen hintereinander angeordnet. Die Detektorflächen der oberen Detektorelemente 1a wurden dabei, wie in der 3a ersichtlich, so vergrößert, dass ein Detektorelement 1a die bisherigen 2 Zeilen abdeckt. Auf diese Weise bleibt die Anzahl der Kanäle des Detektormoduls gegenüber dem zweizeiligen Detektormodul der 2 gleich.

3b zeigt eine weitere Möglichkeit einer Ausgestaltung des Detektormoduls 2 als zweizeiliger Detektor, der gegenüber dem Detektor der 2 die doppelte Anzahl von Detetktorelementen aufweist.

Da die untere Lage 6 im Vergleich zur oberen Lage 5 der Detektorelemente 1a, 1b einen größeren Abstand zum Röntgenfokus besitzt, weisen die Detektorelemente 1b der unteren Lage 6 eine entsprechend größere Detektorfläche auf, um den gleichen Raumwinkel abzudecken. Dies ist anhand der 4 veranschaulicht, die einen Schnitt durch die Detektorelemente 1a, 1b der beiden Lagen 5, 6 eines Detektormoduls 2 zeigt.

Mit den Pfeilen ist hierbei die Richtung zum Fokus der Röntgenröhre des Computertomographen angedeutet. Die einzelnen Detektorelemente der oberen 5 und der unteren Lage 6 sind dabei derart gegenseitig angeordnet, insbesondere zum Teil gegeneiander verschoben, und die Detektorelemente 1b der unteren Lage 6 weisen eine entsprechend größere Detektorfläche 8 als die der oberen Lage 5 auf, dass die Detektorelemente 1a, 1b jedes Detektorelementpaares 9 des Detektormoduls 2 den gleichen Raumwinkel der vom Fokus ausgehenden Röntgenstrahlung erfassen. In 4 ist weiterhin gestrichelt ein Kollimator 14 (nicht maßstabsgetreu) angedeutet, der auf dem Detektormodul 2 aufgebracht sein kann.

5 zeigt den schematischen Aufbau eines Detektorelementpaares 9 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Jede Lage wird dabei zunächst als eigene Komponente bestehend aus Szintillator 10, Photodiode 11 und Modulträger 12 aufgebaut. Für die obere, der Röntgenquelle zugewandte Lage 5 wird ein Szintillatorarray eingesetzt, welches durch zusätzliche Prozessschritte aus einem Array mit Standarddicke auf 200&mgr;m abgedünnt wird. Der entsprechend dünnere Szintillatorkristall 10 gegenüber dem der unteren Lage 6 ist in der Figur deutlich zu erkennen. In der oberen Lage 5 wird hauptsächlich der niederenergetische Teil des Röntgenspektrums absorbiert und in Licht umgewandelt. Die höherenergetischen Röntgenquanten durchdringen die obere Lage 5 und werden überwiegend in der unteren Lage 6 absorbiert. Damit ergibt sich eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit dieser beiden Lagen.

Die von den Photodioden 11 aus den beiden Lagen 5, 6 erzeugten Messsignale werden in einem Beispiel von einem Adapter so umgruppiert, dass sie vom DAS 13 weiter verarbeitet und ausgewertet werden können. Hier sind bei einer Ausgestaltung des Moduls gemäß 3a keine weiteren mechanischen oder elektrischen Modifikationen eines Standardsystems erforderlich, das für einen 2-Zeilen-Detektor gemäß 2 ausgestaltet wurde.


Anspruch[de]
  1. Röntgendetektormodul, insbesondere für Computertomographiegeräte, das ein oder mehrere Zeilen von in zumindest zwei Lagen (5, 6) übereinander angeordneten Detektorelementen (1a, 1b) aufweist, wobei erste Detektorelemente (1a) einer oberen, eintreffender Röntgenstrahlung zugewandten Lage (5) für erste spektrale Anteile der Röntgenstrahlung sensitiv und für zweite spektrale Anteile der Röntgenstrahlung zumindest teiltransparent sind, zweite Detektorelemente (1b) einer darunter angeordneten unteren Lage (6) für die zweiten spektralen Anteile sensitiv sind und die ersten Detektorelemente (1a) mit den jeweils darunter liegenden zweiten Detektorelementen (1b) Detektorelementpaare (9) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Detektorelemente (1b) eine größere Detektorfläche (8) aufweisen als die ersten Detektorelemente (1a), wobei das Verhältnis und die gegenseitige Anordnung der Detektorflächen (7, 8) des ersten (1a) und zweiten Detektorelements (1b) jedes Detektorelementpaars (9) so gewählt sind, dass mit dem ersten (1a) und dem zweiten Detektorelement (1b) des Detektorelementpaars (9) der gleiche Raumwinkel der von einem Röntgenfokus (3) mit einer fest vorgegebenen relativen Position zum Röntgendetektormodul ausgehenden Röntgenstrahlung erfasst wird.
  2. Röntgendetektormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (1a, 1b) jeweils einen Szintillatorkristall (10) und eine Fotodiode (11) umfassen, die auf einem Modulträger (12) angeordnet sind.
  3. Röntgendetektormodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Detektorelemente (1a) einen dünneren Szintillatorkristall (10) aufweisen als die zweiten Detektorelemente (1b).
  4. Röntgendetektormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass über oder auf der oberen Lage (5) ein auf den Röntgenfokus (3) ausgerichteter Kollimator (14) angeordnet ist.
  5. Röntgendetektor mit mehreren Röntgendetektormodulen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die nebeneinander angeordnet und so aufgebaut sind, dass eine für den Röntgendetektor vorgegebene Position eines Röntgenfokus einer Röntgenquelle für jedes Röntgendetektormodul des Röntgendetektors mit der vorgegebenen relativen Position übereinstimmt.
  6. Verwendung der Röntgendetektormodule (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einzeiliger Form in einem Computertomographiegerät als Ersatz für herkömmliche zweizeilige Röntgendetektormodule, die nur eine Lage von Detektorelementen (1) aufweisen, wobei die Anzahl der Detektorpaare (9) der einzeiligen Röntgendetektormodule (2) so gewählt ist, dass sie der halben Anzahl der Detektorelemente (1) der herkömmlichen zweizeiligen Röntgendetektormodule des Computertomographiegerätes entspricht.
  7. Verwendung nach Anspruch 6, bei der die ersten Detektorelemente (1a) der einzeiligen Röntgendetektormodule (2) so ausgebildet sind, dass eine Ausdehnung ihrer Detektorflächen (7) in Zeilenrichtung mit einer Ausdehnung von Detektorflächen der Detektorelemente (1) der herkömmlichen zweizeiligen Röntgendetektormodule in gleicher Richtung übereinstimmt und eine Ausdehnung ihrer Detektorflächen (7) senkrecht zur Zeilenrichtung einer doppelten Ausdehnung der Detektorflächen der Detektorelemente (1) der herkömmlichen zweizeiligen Röntgendetektormodule in gleicher Richtung entspricht, so dass die einzeiligen Röntgendetektormodule (2) ohne mechanische Anpassung in ein für die zweizeiligen Röntgendetektormodule ausgebildetes Gehäuse eingesetzt werden können.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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