JP5586889B2 - 粒子画像解析装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子を含んだ液体の画像を撮影し、その粒子の分類・計数をする装置に係り、特に測定中に得られた画像の画像信号濃度情報に基づき、試料不足，染色液不足，シース液不足、あるいは装置の流路系異常等の異常状態を検出する方法及びその方法を用いた装置に関する。

例えば、特許文献１（特開昭６３−９４１５６号公報）及び、特許文献２（特開平４−７２５４４号公報）に開示されているように、シース液を外層とし、試料液を極めて偏平な流れにするフローセルを通過させることで試料中の粒子の分類・計数を行うフロー式粒子画像解析装置がある。これらのフロー方式粒子画像解析装置においては、フローセル中を移動する粒子をビデオカメラ等で撮影し、撮影した静止画像を画像処理することにより、試料中の粒子を分類・計数している。これら、従来の尿沈渣測定用のフロー式粒子画像解析装置においては、装置の動作中に何らかの異常が発生すると、警報音が鳴り、ルーチンモニタ画面にアラームコードとアラーム名が表示される。オペレータは、表示されたアラームコードとアラーム名に従ってそれぞれの対策を行う。また、サンプルの異常を検出するロジックに、高濃度フラグや変形赤血球フラグ，ビリルビンフラグ等のデータフラグがある。フラグの付加された試料は無条件で画像レビュー部に画像が送られ、画像レビュー部でオペレータの目視による見直しが促される。データフラグの付加により、装置が自動的に分類できないような試料についても正しい測定結果に導く機能が備えられている（非特許文献１）。

特開昭６３−９４１５６号公報 特開平４−７２５４４号公報

（日立）６８００形尿自動分析装置 取扱説明書 第７版 P.3-22〜23，P.6-1〜6-15。

従来のフロー式粒子画像解析装置では、オペレータの人為的ミスによる異常，試料異常，装置異常の全てを検知するものではなかった。

例えば、特許文献１に開示されたフロー式粒子画像解析装置では、試料の置き忘れ，試料不足，試薬不足等の人為的なミスが引き起こす異常状態や、装置の流路系や光学系異常状態は判別できなかった。そのためオペレータが測定ミスに気付かず誤った結果が出力される可能性があった。また、異常判定は、通常測定とは別個に行われるため、オペレータが異常に気付くのは測定が全て終了した後に改めて測定結果を見直した際や、装置を点検して装置異常を発見した時となり、異常の検出が遅れていた。そのため試料を再度測定し直す必要が生じ、検査結果の報告が遅延してしまい、検査室の効率を大きく下げる要因となっていた。

異常を検知する他の方法としては、試料及び試薬の液面を検知するセンサーを試料容器や試薬架設場所に備え、試料の置き忘れや試料不足，試薬不足等を検出する方法もある。しかし本方法では装置構成が従来に比べて繁雑となる上に、測定部までの流路に関する異常はやはり検知できないという課題がある。

本発明の目的は、従来の装置構成を大きく変えることなく、測定時に取得した測定対象粒子を含む撮影画像から抽出した、測定粒子以外の背景領域の解析を通常の粒子画像解析と並行して行うことで、試料不足，シース液不足，染色液不足，装置の流路系の異常を判別して誤った結果を出力させないことにある。

上記課題を達成するための本発明は以下の特徴を持つ。
粒子を含む液体試料の画像を処理して測定粒子の分類および計数を行う粒子分類処理部を備えた粒子画像解析装置において、前記画像の測定粒子像以外の背景領域における赤、緑及び青の画像信号を抽出する画像処理部と、前記赤，緑，青の少なくともいずれかの画像信号に基づいて前記画像毎に異常判定を行う画像異常判断部と、前記画像異常判断部と前記粒子分類処理部とを並行して実行する制御部と、を備えたことを特徴とする粒子画像解析装置。

ここで、粒子画像解析装置は粒子を含んだ液体試料の画像を撮影できるものであればどのようなものであっても良い。例えば、内部に粒子を染色した試料とシース液を通過させるフローセルを備え、フローセル外部から試料の静止画像をカメラで撮影するものでも良いし、顕微鏡で画像を撮影するものも考えられる。

また、本発明の他の特徴として、前記粒子画像解析装置において、前記画像異常判断部で異常と判断された画像を一時格納する記憶部と、前記記憶部に格納された画像の統計に基づいて、試料不足，染色液不足，シース液不足，当該粒子画像解析装置の異常の有無、の少なくともいずれかについての判定を行う異常判定部と、を備えていても良い。

異常判定部は、撮影した全画像に対して異常と判定された画像の割合を元に試料の異常判定を行うものであっても良いし、異常と判定された画像の枚数を元に異常判定を行うものであっても良い。

本発明によれば、フロー式の粒子画像解析装置において、試料不足，染色液不足，シース液不足、及び装置異常といった異常要因の有無を、通常の分析と並行して行うことができる。これによって、測定異常を検出するために特別な労力やコストを要さずランニングコストの低減につながる。また、多種類の異常を見逃すことなく検知し、異常状態が検出された場合には即時にオペレータが対応可能なため、信頼性の高いデータを臨床に提供することができる。

また、本発明の他の効果としては、特別な機構の追加や装置構成を煩雑にすることなく、測定異常要因の特定するフロー式粒子画像解析装置を提供することができる。そのため、低価格で検査室の効率及び信頼性の向上に貢献する。

本発明の実施形態に係る尿沈渣自動分析装置の構成図。 撮影した画像の処理を示すフローチャート。 背景エラー画像例。 気泡画像のヒストグラム。 正常な状態で測定した試料画像のヒストグラム。 本発明の第１の実施例を示すフローチャート。 画像の背景領域における背景レベルの分布。 本発明の第２の実施例を示すフローチャート。 シース液不足試料画像のヒストグラム。 本発明の第３の実施例を示すフローチャート。

本発明を以下実施例により詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例であるフロー方式粒子画像解析装置のフローセルを中心とした構成図である。このフロー方式粒子画像解析装置は、フローセル１０と、粒子検出部１０３と、画像撮影部１０９で構成される。以下、図１をもとにフロー方式粒子画像解析装置の測定動作について説明する。

試料としては尿や血液等の生体試料中であって粒子を含むものを想定している。これらの試料は試験管１４に収容された状態で装置へ供給される。サンプルノズル３が試験管１４内の試料を吸引し、測定対象粒子を染色する染色液１があらかじめ入っている染色槽４に吐出する。一定時間が経過したら、ダイレクトサンプル機構６のダイレクトサンプルノズル５で上記染色槽４内の染色試料１２を吸引し、フローセル１０に注入する。染色試料１２をフローセル１０に注入するのと同時に、シース液容器７内のシース液８をシリンジ機構９で、染色試料１２を挟み込むようにフローセル１０に注入する。フローセル１０では試料とシース液の流量比を調節することで、機構系の構成を変えずに測定流路の染色試料の厚さを変えて検出感度を最適に調整する。

計測の際には、予め測定対象の粒子が測定部たる粒子検出領域１０８を通過したか否かを検出するために、レーザ光源１０１からレーザ光を粒子検出領域１０８に照射し、染色試料１２中の粒子が通過した際に生じる散乱光１０２を粒子検出部１０３で受光する。粒子検出部１０３は、粒子の有無を判断する粒子判断論理に従って測定対象粒子の通過の有無を検出する。

粒子検出部１０３で測定対象粒子の通過を検出したら、フラッシュランプ１０４を発光させ、顕微鏡コンデンサレンズ１０６と顕微鏡対物レンズ１０７を介して、フローセル１０中を流れる染色試料１２内の粒子を拡大し、例えばＴＶカメラなどの画像撮影部１０９で撮影画像１１０を得る。

撮影画像１１０は、撮影画像処理部１１０ａにおいて画像処理される。撮影画像処理部１１０ａには、撮影された粒子の種類を分類し計数する粒子分類処理部１１０ｂと、撮影された試料について異常の有無を判定する異常判断処理部１１０ｃとがある。次に述べる本発明は、特に異常判断処理部１１０ｃに関するものである。

次に粒子分類処理部１１０ｂと異常判断処理部１１０ｃの処理フローについて図２を用いて説明する。

初めに、画像撮像部１０９で全体画像を撮影する（Step１０１）。その全体画像に対して、背景（シース液）と対象粒子成分の分離を行う。これを領域分割という（Step１０２）。次に、背景から分離された対象中の成分毎に番号を付けて区分けする。これをラベリングという（Step１０３）。その後、大きさ，形状，色情報などの特徴パラメータを抽出し（Step１０４）、抽出した特徴パラメータに基づき、識別アルゴリズムを用いて対象の種類を決定する（Step１０５）。分類された粒子の画像は、画像レビュー用画像として格納する。ここまでが粒子分類処理部１１０ｂの処理フローである。

次に、異常判断処理部１１０ｃの測定処理フローについて説明する。異常判断処理部１１０ｃは粒子分類処理部１１０ｂの処理と並行して行われる。まず、Step１０１において全体画像を撮影した後、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の濃度ヒストグラムを抽出する（Step１０１ａ）。次に、抽出した濃度ヒストグラムが、予め用意した試料不足，染色液不足，シース液不足，装置異常等の異常状態にあるか否かを判定するための画像情報を抽出する（Step１０１ｂ）。Step１０１ｂは検出する異常の種類によって異なる。

抽出された画像情報と異常値判定条件とを比較し、異常の有無を判定する（Step１０１ｃ）。異常の判定は特有の判別関数で検出をする場合も考えられる。異常であると判定された場合には、試料不足，染色液不足，シース液不足等の異常が発生した状態で試料を測定した可能性があるため、結果を一時格納し（Step１０１ｄ）その画像に対する処理を終了とする。１つの試料に対する全ての画像に対する粒子分類処理と異常判断処理が終了した後に、Step１０１ｄで格納しておいた異常画像を確認し、異常と判断された画像の枚数、あるいは当該試料に対する全ての画像に対して異常と判断された画像の枚数の割合を算出する（Step１０１ｅ）。異常と判断された画像の枚数あるいはその試料に対する全ての画像の枚数に対して異常と判断された画像の枚数の割合が規定値を超えた場合、その試料は異常試料であると判断し（Step１０１ｆ）、アラームを出力する（Step１０１ｇ）。アラームが出力された場合、異常の種類によっては装置を停止して測定結果が出力されるのを中断する（Step１０１ｈ）。また、処理フロー中に異常が検出されない場合は、そのまま結果を検査室のホストサーバに送信し、測定終了となる（Step１０１ｉ）。

本発明を用いて、試料不足を判別する方法を図３〜図６を用いて説明する。

試料のない空の試験管を装置にセットして測定した場合や、装置に異常が発生して試料を吸引できず空気をフローセルに吐出した場合、図３（ａ）に示すような気泡の画像がＴＶカメラ１０９等にて高頻度に撮影される。これは測定対象の有形成分、つまり尿や血液中の粒子とは形態的特徴が大きく異なり、粒子測定の妨げとなるため、これらの気泡が発生する場合にはセットした試料が異常である、あるいは装置に異常が発生している旨を検出してオペレータに通知することが望ましい。

正常な状態で測定した試料の静止画像（図５（ａ）〜図５（ｃ））は、Ｒ，Ｇ，Ｂ全ての色信号の濃度ヒストグラムにおいて、背景濃度のピーク以外のピークは認められないのに対し、気泡を含む画像は背景濃度のピーク以外に、低濃度領域にピークが出現（図４（ａ）〜図４（ｃ））していることが特徴的である。このピークは気泡混入によるピークであると考えられる。異常判断処理部１１０ｃは、Ｒ，Ｇ，Ｂ各画像全体の濃度ヒストグラムを分析し、気泡混入によるピークの有無を判断すれば、試料不足状態又は装置異常状態にあるか否かの判定が可能である。

図６を用い、具体的な異常判断の処理ステップを説明する。まず、測定粒子を含む全体画像から、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号の濃度ヒストグラムを算出する（Step２０１）。次に、得られた濃度ヒストグラムから気泡の特徴である、濃度値が４０以下の領域の画像情報となるピーク値を抽出し（Step２０２）、抽出された画像情報が正常値範囲から外れた場合、気泡が混入した異常画像であると判定する（Step２０３）。気泡の混入した画像を抽出する他の方法では、まず濃度値が６０以下の領域で頻度が１００以上のピークを示すものを一次抽出し、その中から更に濃度値が４０以下のピークを持つものを二次抽出しても良い。二次抽出することによって、より正確に気泡の混入した画像を抽出することができる。画像に異常が検出された場合、結果を一時的に格納して、当該画像に対する異常判断処理を終了する（Step２０４）。

一つの試料の全画像に対して粒子分類処理と異常判断処理が終了した時点で、異常と判定され格納された全ての画像枚数を集計し（Step２０５）、それが規定値枚数以上（本実施例では１０枚以上とした）あった場合、撮影した試料は試料不足であったと判断する（Step２０６）。Step２０６では取得した全ての画像に対して異常と判断された画像の枚数の割合を算出し、規定値以上であるかどうかで試料不足を判定することも可能である。

装置は、異常判定処理部が試料不足と判断した場合、アラームを表示しオペレータに確認等の注意を促すとともに、試料不足の結果には、試料不足のフラグを登録する（Step２０７）。試料不足と判断された試料が連続して複数枚出現する場合（Step２０８）、ハードウェアに異常が発生している可能性が高いため、装置を停止させるかどうかの判断を行う（Step２０９）。規定値以上連続して、アラームが検出された場合には、装置を停止することにより（Step２１０）、試料や試薬類の損失を防止することが可能となる。Step２０１からStep２１０の全ての判断において、試料不足の判断がされない場合は、そのまま測定結果を出力する（Step２１１）。

本発明を用いて染色液不足試料を判別する方法を、図７，図８を用いて説明する。

図３（ｂ）画像は、染色液が添加された試料をＴＶカメラ１０９で撮影した画像である。破線に囲まれた領域は測定対象領域であり、粒子と染色液が存在する領域である。異常判定処理部１１０ｃでは、測定粒子を含む全体画像から抽出した測定粒子以外の背景領域における背景レベルの分布を解析して染色液の添加状況を判定する。

図７は撮影した画像の背景領域について背景レベルの分布をＲ−Ｇ，Ｇ−Ｂ，Ｂ−Ｒ間でプロットしたグラフであり、染色液が添加されていない試料を□でプロットし、染色役を添加した試料を◆でプロットしている。染色液を添加していない試料は枠で囲まれている範囲にプロットが集中しているが、染色液を添加した試料は広範囲にプロットが広がっており、染色液の添加によって背景レベルの分布に変化が見られる。背景レベルの変化を元に、試料に添加された染色液不足を判定する判別関数を０.１８８６Ｒｐ−０.４８２Ｇｐ＋０.２２５Ｂｐ＋１３.９９６＜０として定めた。判別関数に代入するＲｐ，Ｇｐ，Ｂｐはヒストグラムのピーク値（最頻値濃度値）より算出し、前記判別関数を満たす場合は染色液不足と判定する。

次に、図８を用いて具体的な染色液不足判定の処理ステップを説明する。まず、一つの試料に対して撮影された一つの全体画像（Step３０１）からＲ，Ｇ，Ｂ信号の濃度ヒストグラムを算出する（Step３０２）。次にＲ，Ｇ，Ｂ各信号における最頻値濃度値（Ｒｐ，Ｇｐ，Ｂｐ）を求める（Step３０３）。次にこれらの値を判別関数、０.１８８６Ｒｐ−０.４８２Ｇｐ＋０.２２５Ｂｐ＋１３.９９６＜０に代入し、条件を満たす場合には粒子検出領域の背景領域には染色液が無い、つまり染色液異常であると判断する（Step３０４）。染色液異常と判定された画像を一時格納して、本画像に対する異常処理判断を終了する（Step３０５）。これを当試料に対する全ての測定画像に対して実施する。

一つの試料に対して撮影した全ての画像に対する粒子分類処理と異常判定処理が終了した時点で、当該試料の全画像に対する染色液異常と判断された画像の割合を算出する（Step３０６）。その中で染色液異常であると判定された画像の割合が規定値を超えた場合（Step３０７）、装置の異常判定処理部が染色液不足としてアラームを出力し、オペレータに確認等の注意を促すとともに、対象試料の測定結果には染色液不足試料のフラグを登録する（Step３０８）。異常画像の割合としては、例えば一つの試料に対して測定した全ての画像の枚数に対して異常画像の枚数が５０％以上である場合などが考えられる。また、他の方法として、異常画像の枚数が規定枚数以上検出された場合には当該試料に添加された染色液が不足していると判断することも考えられる。

染色液不足試料のアラームが複数連続して検出された場合（Step３０９）、ハードウェア等に異常が発生している可能性が高いため、装置を停止させるかどうかの判断を行う（Step３１０）。規定値以上連続してアラームが検出された場合には装置を停止することにより（Step３１１）、試料や試薬類の損失を防止することが可能となる。染色液異常の判断がされない場合は、そのまま測定結果を出力する（Step３１２）。

本発明を用いてシース液の不足を判別する方法を、図９，図１０を用いて説明する。

シース液が不足している場合、フローセル中に試料を扁平形状にするシース液が十分流れないため、測定開始直後にはフローセル内を流れる液体は主に染色液を添加された試料であり、通常の状態と比較して染色液の濃い青紫色の画像が撮影される。一方、試料が全てフローセルを通過した後にはフローセル内に何も映らない画像が撮影される。このような場合、測定開始直後にＴＶカメラ１０９で測定される画像では、Ｒ，Ｇ，Ｂのヒストグラムは、通常の測定時に得られるヒストグラムと比べてＲとＧのヒストグラムから得られる最頻度濃度値（Ｒｐ，Ｇｐ）は濃度値４０〜６０の低〜中濃度値においてピークが出現する（図９（ａ），図９（ｂ）参照）。一方、Ｂのヒストグラムから算出される最頻度値濃度値Ｂｐのピーク位置は正常な状態からの変化は少ない（図９（ｃ）参照）。異常判断処理部１１０ｃは、これら画像全体のＲ，Ｇ，Ｂヒストグラムの傾向を分析し、シース液不足の状態にあるか否かを判定する。

次に図１０を用い、具体的な異常判定の処理ステップを説明する。まず、撮影された全体画像（Step４０１）からＲ，Ｇ，Ｂ信号の濃度ヒストグラムを算出する（Step４０２）。次に、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号の最頻値濃度値（Ｒｐ，Ｇｐ，Ｂｐ）を算出する（Step４０３）。

各濃度値が以下の異常判定条件を満たした場合、シース液不足画像として判定する（Step４０４）。

Ｒｐ＜Ｒｔｈ
Ｇｐ＜Ｇｔｈ
Ｂｐ＜Ｂｔｈ
特にシース液不足時にはＲｐ，Ｇｐの値が大きく変化するため、Ｒｐ・Ｇｐを主な判定関数として使用すれば確実に異常を検知することができる。加えてＢｐも加味することで正確に異常要因をシース液不足とに判定することができる。図９の場合であれば、Ｒｔｈ＝４０，Ｇｔｈ＝４０，Ｂｔｈ＝９０として判定すればシース液の不足が検出可能である。

シース液不足と判定された画像が検出されたら、その画像を一時格納して本画像に対する異常処理判断を終了する（Step４０５）。一つの試料に対して撮影した全ての画像に対する粒子分類処理と異常判定処理が終了した時点で、シース液不足と判定された画像枚数を集計する（Step４０６）。異常画像と判定された枚数が規定値以上、あるいはその試料に対して撮影した全ての画像に対する異常画像と判定された画像の割合が規定値異常であった場合、シース液が不足した状態で測定した試料であると判断する（Step４０７）。本実施例では、例えば異常と判定された画像の割合が全ての画像の枚数の半数以上であった場合に、シース液不足と判定することとした。

装置は、異常判定処理部がシース液不足と判断した場合、アラームを出力し、オペレータに確認等の注意を促すとともに、対象試料の結果には、シース液不足試料のフラグを登録する（Step４０８）。シース液不足のアラームが連続して複数の試料に対して検出される場合（Step４０９）、ハードウェア等に異常が発生している可能性が高いため、装置を停止するかどうかの判断を行う（Step４１０）。規定値以上連続してアラームが検出された場合、装置を停止することにより（Step４１１）、試料や試薬類の損失を防止することが可能となる。シース液不足試料の判断がされない場合は、そのまま測定結果を出力する（Step４１２）。

なお、上記実施例で使用した異常判定の濃度値，画像枚数、その他定数は、そのシステムの取得画像の階調や１試料あたりの取得画像枚数，使用する染色液の特性に従って最適化されるものであり、本実施例に限定されるものではない。

１ 染色液
２ 試料
３ サンプルノズル
４ 染色槽
５ ダイレクトサンプルノズル
６ ダイレクトサンプル機構
７ シース液容器
８ シース液
９ シリンジ機構
１０ フローセル
１２ 染色試料
１３ 染色液ポンプ
１４ 試験管
１０１ レーザ光源
１０２ 散乱光
１０３ 粒子検出部
１０４ フラッシュランプ
１０５ 光束
１０６ 顕微鏡コンデンサレンズ
１０７ 顕微鏡対物レンズ
１０８ 粒子検出領域
１０９ 画像撮影部
１１０ 撮影画像

Claims (8)

1. 染色液により染色された測定粒子を含有する試料液とシース液が注入されるフローセル内を流れる液体の画像を処理して測定粒子の分類および計数を行う粒子分類処理部と、
   前記撮像手段により撮影された画像全体から得られる赤，緑及び青の画像信号に基づいてヒストグラムを作成する画像処理部と、
   前記赤，緑，青の少なくともいずれかのヒストグラムにおいて、最頻値よりも低濃度値のピークの有無に基づいて当該画像に気泡が含まれているか否かを判断する画像異常判断部と、
   前記画像異常判断部と前記粒子分類処理部とを並行して実行する制御部と、を備えたことを特徴とする粒子画像解析装置。
2. 請求項１記載の粒子画像解析装置において、
   一つの試料について、前記画像異常判断部で異常と判断された画像を格納する記憶部を備え、
   前記異常判定部は、記憶部に当該試料について記憶された画像が規定枚数以上、または当該試料を撮影した全画像に対して前記記憶部に格納された画像の割合が規定値以上である場合には、当該試料が不足していると判断することを特徴とする粒子画像解析装置。
3. 請求項１記載の粒子画像解析装置において、
   前記画像処理部は赤，緑、及び青の画像信号において、最大頻度を持つ最大頻度濃度値を算出し、
   前記画像異常判断部は、前記算出した最大頻度濃度値と予め設定された判定関数を用いて当該画像に染色液不足が生じているか否かを判定することを特徴とする粒子画像解析装置。
4. 請求項３記載の粒子画像解析装置において、
   一つの試料について、前記画像異常判断部で染色液不足と判断された画像を格納する記憶部を備え、
   前記異常判定部は、前記記憶部に当該試料について記憶された画像が規定枚数以上、または当該試料に対して撮影した全画像に対して前記記憶部に格納された画像の割合が規定値以上である場合には、当該試料に添加された染色液が不足していると判定することを特徴とする粒子画像解析装置。
5. 請求項１記載の粒子画像解析装置において、
   予め正常測定時の赤，緑、及び青の画像信号データを持ち、
   前記画像処理部は測定された画像について赤，緑、及び青の画像信号の最大頻度を持つ最大頻度濃度値Ｒｐ，Ｇｐ，Ｂｐを算出し、
   前記画像異常判断部は少なくとも前記ＲｐもしくはＧｐのいずれかが正常測定時のデータ範囲外であって、前記Ｂｐが正常測定時のデータ範囲内にある場合には、シース液が不足していると判断することを特徴とする粒子画像解析装置。
6. 請求項５記載の粒子画像解析装置において、
   一つの試料について、前記画像異常判断部でシース液不足と判断された画像を格納する記憶部を備え、
   前記異常判定部は、前記記憶部に当該試料に関連して記憶された画像が規定枚数以上、または当該試料に対して撮影した全画像に対して前記記憶部に格納された画像の割合が規定値以上である場合には、当該試料に添加されたシース液が不足していると判断することを特徴とする粒子画像解析装置。
7. 請求項２，４又は６のいずれか一項記載の粒子画像解析装置において、
   前記異常判定部が試料に対して試料不足，染色液不足，シース液不足のいずれかを判断した場合、その旨をオペレータに通知する通知手段を備えたことを特徴とする粒子画像解析装置。
8. 請求項２，４又は６のいずれか一項記載の粒子測定装置において、
   前記異常判定部が、試料不足，染色液不足，シース液不足の少なくともいずれかが検出された試料を規定回数以上連続して判定した場合には、当該粒子測定装置を停止させることを特徴とする粒子測定装置。

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