DE19521662A1 - Magnetresonanz(MR)-Angiographie unter Verwendung eines Faraday-Katheters - Google Patents

Magnetresonanz(MR)-Angiographie unter Verwendung eines Faraday-Katheters

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf die medizinische Bildgebung von Blutgefäßen und insbesondere auf die Verwendung von Ma­ gnetresonanz, um eine derartige Bildgebung zu erhalten.
Angiographie oder die Bildgebung von Gefäßstrukturen ist sehr nützlich bei diagnostischen und therapeutischen medi­ zinischen Verfahren. Bei der Röntgen-Angiographie wird eine Menge von für Röntgenstrahlen undurchlässiger Flüssigkeit in das interessierende Gefäß durch eine invasive Vorrich­ tung eingebracht, die in das Gefäß eingeführt wird. Während die Menge in dem Gefäß ist, wird eine Reihe von Röntgenbil­ dern erhalten, die die Röntgenstrahlen absorbierende Flüs­ sigkeit hervorheben.
Die Röntgen-Angiographie hat mehrere signifikante Risiken für den Patienten. Beispielsweise kann die für Röntgen­ strahlen undurchlässige Flüssigkeit unbequeme und nachtei­ lige Reaktionen in dem Patienten hervorrufen. Zwar sind konventionelle Röntgen-Fluoreskope so ausgelegt, daß sie die Röntgendosis minimieren, aber einige Verfahren können sehr lang sein und die akkumulierte Röntgendosis für das Subjekt kann signifikant werden. Die Langzeitbestrahlung des betroffenen medizinischen Personals ist sogar von noch größerer Bedeutung, da sie regelmäßig an diesen Verfahren teilnehmen. Infolgedessen ist es wünschenswert, die Rönt­ gendosis während dieser Verfahren zu reduzieren oder zu eliminieren.
Magnetresonanz (MR)-Bildgebungsverfahren für die Bildgebung von Gefäßstrukturen sind kürzlich verfügbar geworden. MR Angiographie wird mit einer Vielfalt von Methoden durchgeführt, die alle auf einer von zwei Grunderscheinun­ gen basieren. Die erste Erscheinung entsteht aus Änderungen in der longitudinalen Spinmagnetisierung, wenn sich Blut von dem einen Bereich des Patienten zum anderen bewegt. Verfahren, die Nutzen aus dieser Erscheinung ziehen, sind als "In-Strömungs-" oder "Laufzeit"-Verahren bekannt gewor­ den. Ein üblicherweise verwendetes Laufzeitverfahren ist die dreidimensionale Laufzeit-Angiographie. Bei diesem Ver­ fahren wird ein interessierender Bereich mit einer relativ kurzen Wiederholungszeit TR und einem relativ starken Anre­ gungs-Hochfrequenz(HF)-Puls abgebildet. Dies führt dazu, daß die MR Spins in dem Sichtfeld gesättigt werden und schwache MR Antwortsignale ergeben. In das Sichtfeld strömendes Blut tritt jedoch in einem vollständig entspannten Zustand ein. Infolgedessen gibt dieses Blut ein relativ starkes MR Ant­ wortsignal, bis es ebenfalls gesättigt wird. Infolge der Natur der Blutgefäßedetektion mit Laufzeitverfahren kann das stationäre Gewebe, das das Gefäß umgibt, nicht voll­ ständig unterdrückt werden. Darüber hinaus wird sich lang­ sam bewegendes Blut und Blut, das zu lange in dem abgebil­ deten Volumen gewesen ist, gesättigt und schlecht abgebil­ det.
Ein zweiter Typ der MR Angiographie basiert auf der Indu­ zierung von Phasenverschiebungen in der Spin-Quermagneti­ sierung. Diese Phasenverschiebungen sind direkt proportio­ nal zur Geschwindigkeit und werden durch strömungskodie­ rende Magnetfeld-Gradientenpulse hervorgerufen. Phasenemp­ findliche MR Angiographie-Verfahren nutzen diese Phasenver­ schiebungen, um Bilder hervorzurufen, in denen die Pixelin­ tensität eine Funktion der Blutgeschwindigkeit ist. Während die phasenempfindliche MR Angiographie eine langsame Strö­ mung in komplizierten Gefäßgeometrien einfach detektieren kann, so detektiert sie auch jedes sich bewegende Gewebe in dem Sichtfeld. Infolgedessen haben phasenempfindliche MR Angiogramme des Herzens Artefakte, die aus dem sich bewe­ genden Herzmuskel und den sich bewegenden Blutmengen in den Herzkammern resultieren.
Es gibt auch mehrere Verfahren zum Verfolgen einer inter­ ventionalen Vorrichtung unter Verwendung von MR. Das Ver­ folgen einer invasiven Vorrichtung in einem Patienten unter Verwendung dieser MR Techniken hat den Vorteil, daß die Lage der invasiven Vorrichtung unter Verwendung der glei­ chen physikalischen Relationen ermittelt wird, die zur Her­ stellung des MR Bildes verwendet werden. Infolgedessen ist die Registrierung der Position der invasiven Vorrichtung in bezug auf das Bild hervorragend. Diese bilden jedoch nicht speziell Blutgefäße ab, sondern liefern MR Bilder mit einem überlagerten Symbol, das die Position von einer invasiven Vorrichtung darstellt.
Gegenwärtig besteht ein Bedarf für ein einfaches Verfahren zum Erhalten von Angiogrammen hoher Qualität von einem ge­ wählten Gefäß ohne die Risiken, ionisierender Strahlung und Injektionen von für Röntgenstrahlen undurchlässiger Kon­ trastmittel ausgesetzt zu sein.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Ab­ bilden von gewählten Blutgefäßen unter Verwendung von Ma­ gnetresonanz zu schaffen.
Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der MR Angiographie zu schaffen, das eine invasive Vorrich­ tung verwendet, um den Magnetresonanzzustand von Blut in dem detektierten Gefäßbaum zu modifizieren.
Erfindungsgemäß wird ein Katheter in dem Gefäßbaum von ei­ nem Patienten während einer MR Abtastung angeordnet. Der Katheter ist teilweise mit einem elektrisch leitenden Mate­ rial versehen und wirkt als ein Faraday-Käfig für das Fluid, das in dem Lumen (Kanal) des Katheters enthalten ist. Dann wird eine MR Bildgebungssequenz ausgeführt. Die Pulssequenz ist so gewählt, daß eine Sättigung der Kern­ spins in dem Sichtfeld herbeigeführt wird. Fluid wird durch den Katheter und in den Gefäßraum während der MR Untersuchung injiziert. Da der Katheter als ein Faraday-Kä­ fig wirkt, ist das in den Gefäßraum eintretende Fluid nicht den nutierenden Effekten der HF Pulse der MR Pulssequenz ausgesetzt. Infolgedessen ergibt dieses Fluid ein starkes MR Signal, während dasjenige des umgebenden Gewebes schwach ist aufgrund von Spinsättigung. Auf diese Weise ausgeführte MR Angiographie sollte für die bildliche Darstellung von Koronararterien gut geeignet sein.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung von einem er­ sten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Betrieb, bei dem ein Gefäß-selektives Angiogramm von einem Subjekt erhalten wird.
Fig. 2 ist eine Darstellung von einem Faraday-Katheter, der gemäß der Erfindung in den Körper von einem Subjekt eingeführt werden soll.
Fig. 3a ist eine perspektivische Darstellung von einem zweiten Ausführungsbeispiel des Faraday-Katheters gemäß der Erfindung.
Fig. 3b ist eine schematische Darstellung des in Fig. 3a dargestellten Ausführungsbeispiels.
In Fig. 1 ist ein Subjekt 100 auf einem Tragetisch 110 an­ geordnet und befindet sich in einem homogenen Magnetfeld, das durch einen Magneten 125 erzeugt wird, der in einem Ma­ gnetgehäuse 120 eingeschlossen ist. In diesem Ausführungs­ beispiel haben der Magnet 125 und das Magnetgehäuse 120 eine zylindrische Symmetrie und sind in zwei Hälften ge­ schnitten gezeigt, um die Position des Subjektes 100 zu verdeutlichen. Ein Bereich von Interesse in dem Subjekt 100 ist etwa in der Mitte der Bohrung des Magneten 125 angeord­ net. Das Subjekt 100 ist von einem Satz zylindrischer Ma­ gnetfeld-Gradientenspulen 130 umgeben, die Magnetfeldgradi­ enten von vorbestimmter Stärke zu vorbestimmten Zeiten ge­ mäß vorbestimmten MR Pulssequenzen hervorrufen, die später beschrieben werden. Die Gradientenspulen 130 sind in der Lage, gepulste Magnetfeldgradienten in drei zueinander or­ thogonalen Richtungen zu erzeugen. Wenigstens eine Hochfre­ quenz(HF)-Spule 140 (in Fig. 1 ist nur eine gezeigt) um­ gibt ebenfalls den interessierenden Bereich des Subjektes 100. In Fig. 1 hat die HF Spule 140 eine zylindrische Form mit einem ausreichenden Durchmesser, um das gesamte Subjekt zu umschließen. Andere Geometrien, wie beispielsweise klei­ nere Zylinder, die speziell gestaltet sind für die Bildge­ bung des Kopfes oder einer Extremität, können in alternati­ ven Ausführungsbeispielen verwendet werden. Es können auch nicht-zylindrische HF Spulen, wie beispielsweise Oberflä­ chenspulen verwendet werden. Die HF Spule 140 strahlt Hoch­ frequenzenergie in das Subjekt 100 zu vorbestimmten Zeiten und mit genügender Leistung bei einer vorbestimmten Fre­ quenz, um eine Population von magnetischen Spins, die nach­ folgend als "Spins" bezeichnet werden, des Subjektes 100 in bekannter Weise zu nutieren. Die HF Spule 140 kann auch als ein Empfänger wirken, der die MR Antwortsignale detektiert, die durch Nutation stimuliert werden, wenn dies erwünscht ist.
Die Nutation der Spins bewirkt, daß sie bei der Larmor-Fre­ quenz schwingen. Die Larmor-Frequenz für jedes Spin ist di­ rekt proportional zur Stärke des Magnetfeldes, das von dem Spin erfahren wird. Diese Feldstärke ist die Summe des sta­ tischen Magnetfeldes, das durch den Magneten 125 erzeugt wird, und des lokalen Feldes, das durch die Magnetfeld-Gra­ dientenspule 130 erzeugt wird.
Ein Faraday-Katheter 150 wird in einen interessierenden Be­ reich des Subjektes 100 von einem Operator 160 eingesetzt.
Ein Ausführungsbeispiel des Faraday-Katheters 150 ist in Fig. 2 dargestellt. Der Faraday-Katheter 150 wird in ein Gefäß 3 des Subjektes 100 eingesetzt. Die Konstruktion des Faraday-Katheters 150 ist ein kritischer Aspekt der Erfin­ dung. Der Faraday-Katheter 150 muß keine bestimmte Form oder Größe haben, er muß aber eine leitende Schicht oder Hülle 157 um das Lumen herum für eine gewählte Länge nahe dem Ende des Katheters aufweisen. Die leitende Hülle 157 hat die Funktion, einen Faraday-Käfig um einen Lumen (Kanal) 155 herum zu bilden, wodurch im wesentlichen ver­ hindert wird, daß Hochfrequenzenergie auf irgendein MR-ak­ tives Material darin einwirkt. Aus Sicherheitsgründen kann es wünschenswert sein, die leitende Hülle gegenüber dem Subjekt 100 mit einem Isolator 159 elektrisch zu isolieren. Es sei darauf hingewiesen, daß die Hülle 157 nicht aus ei­ ner massiven Leiterschicht hergestellt sein muß. Es sind auch Konstruktionen denkbar, bei denen die Hülle mit einem Geflecht, Gitter oder Drähten hergestellt sein kann.
Sobald der Faraday-Katheter 150 in seiner Lage ist, wird eine übliche MR Bildgebungssequenz gestartet. Die meisten konventionellen MR Bildgebungssequenzen arbeiten gut für diesen Anwendungsfall, vorausgesetzt, daß der Kipp- oder Flippwinkel des HF Anregungspulses relativ groß gemacht ist und die Wiederholungszeit TR relativ kurz ist. Der große Flippwinkel und die kurze TR bewirken eine Spin-Sättigung und haben ein kleines Signal/Rausch-Verhältnis für alle Spins zur Folge, die während der gesamten oder dem größten Teil der Bildgewinnung innerhalb des Sichtwinkels bleiben. Pulssequenzen, die sich als brauchbar erweisen sollten, um­ fassen 3D Gradienten-Sequenzen, sequentielle Dünnscheiben- 2D-Sequenzen, projektive 2D-Sequenzen, Zeit-aufgelöste (d. h. Kino-) Sequenzen, Phasenkontrastsequenzen und seg­ mentierte und spiralförmige K-Raum-Sequenzen.
Unmittelbar vor und während der Pulssequenz wird ein MR-ak­ tives Fluid 151 (eines, das bei einer MR Abbildung gut abbildet) durch den Faraday-Katheter 150, notfalls unter Verwendung einer Pumpe 153 gemäß Fig. 1, injiziert. Das Fluid 151 ist idealerweise eine starke MR Signalquelle. Mehrere bevorzugte Wahlmöglichkeiten für das Fluid 151 sind:
  • 1) eine physiologische Salzlösung (möglicherweise dotiert mit einem Relaxationsmittel, wie beispielsweise Gadolinium, verbunden mit Diäthylentriaminpentasäure (Gd-DTPA),
  • 2) Blut von dem Patienten (möglicherweise dotiert mit einem Relaxationsmittel). Dieses Blut muß nicht aus dem Patienten entfernt werden (d. h. der Katheter könnte eine Pumpe auf­ weisen und Blut aus einem Port bewegen, der außerhalb des MR Bildvolumens, aber immer noch innerhalb des Körpers, ist)
  • 3) gesundes Blut oder Plasma von einem Spender,
  • 4) ein Blutersatz, wie beispielsweise fluoridierte Kohlen­ wasserstoffe, die Sauerstoff zu einem Gewebe führen können.
Da das Fluid, das den Faraday-Katheter verläßt, von den Wirkungen der abbildenden HF Pulse der Sequenz abgeschirmt ist, tritt es in das Gefäß 3 des Subjektes 100 in einem völlig entspannten Zustand ein. Unmittelbar nachdem es den Faraday-Katheter 150 verläßt, wird es HF Pulsen ausgesetzt, wodurch eine starke transversale Magnetisierung MT herbei­ geführt wird, die später in einen stationären Wert abgebaut wird, nachdem es wiederholten HF Pulsen ausgesetzt ist. In­ folgedessen gibt es ein relativ starkes MR Signal, bevor es in seinen stationären Zustand verbraucht wird. Umgekehrt werden "Spins", die nicht durch den Faraday-Katheter 150 abgeschirmt sind, mehreren HF Pulsen ausgesetzt, wodurch sie in einen gesättigten stationären Zustand sind, wodurch ein verkleinertes MR Antwortsignal erzeugt wird im Ver­ gleich zu dem MR Antwortsignal von dem Fluid aus dem Fara­ day-Katheter 150. Die an der HF Spule 140 empfangenen MR Antwortsignale werden zu einer MR Abbildungselektronik ge­ leitet, die hier als ein Gehäuse 170 gezeigt ist, um eine Bildrekonstruktion auszuführen, wie es allgemein in der Technik bekannt ist, und dann das MR Angiographiebild auf einem Display 180 darzustellen. Da der Faraday-Katheter 150 bewirkt, daß das MR Signal aus dem Fluid 151 stärker ist, das durch den Faraday-Katheter 150 hindurchgetreten ist, würden die MR Bildgebungssequenz und die Bildrekonstruktion einfach die für die Standard-Bildgebung von stationärem Ge­ webe sein, ohne das Erfordernis, das sich bewegende Gewebe besonders abzubilden, da der Faraday-Katheter bewirkt, daß der Kontrast des Fluids in dem rekonstruierten Bild er­ scheint. Da auch der verstärkte Kontrast nur in den Fluids bzw. Strömungsmitteln erscheint, die durch den Faraday-Ka­ theter 150 hindurchgetreten sind, werden andere Strömungs­ mittel in der Nähe nicht von Strömungsmitteln aus dem Fara­ day-Katheter 150 beeinflußt, wodurch exzellente dynamische Fluidstudien gestattet werden. Die vorliegende Erfindung arbeitet auch gut zur Schaffung eines exzellenten Gefäßkon­ trastes selbst in Situationen, in der der Gefäßbaum sich bewegt und/oder sich benachbart zu einem großen Pool von sich bewegendem Blut befindet (wie es in der Koronar-Angio­ graphie gefunden wird) im Gegensatz zu anderen Typen der MR Angiographie.
Der Flippwinkel und die Sequenzwiederholzeit TR der MR Pulsfrequenz werden so gewählt, daß die Sichtbarmachung des den Katheter verlassenden Fluids maximiert ist. T1 Relaxa­ tionsmittel, wie beispielsweise Gd-DTPA, können dem Fluid zugesetzt werden, um sein T1 zu verkleinern. Dies macht es dem Fluid 151 schwieriger, in Sättigung zu kommen, wenn es sich durch ein Bildvolumen bewegt, wodurch es eine längere Zeit braucht, seinen stationären Zustand zu erreichen, wo­ durch eine Sichtbarmachung von relativ längeren Längen ent­ lang Gefäßen und/oder Gefäßbäumen ermöglicht wird.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel können kleine HF Spulen an dem Faraday-Katheter 150 befestigt sein, die dann durch MR Verfolgung oder HF Verfolgung verfolgt werden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet das Fluid 151 fluoridierte Blut-Substitute und es wird eine MR Bildgebungssequenz für Fluor (¹⁹F) verwendet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 gezeigt, wonach ein dynamischer Faraday-Käfig in der Lage ist, durch ein externes Signal aktiviert oder deaktiviert zu werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Faraday-Käfig in eine Anzahl von N Segmenten 300a, 300b, 300c, . . . 300n un­ terteilt wird, und jedes Segment mit einer oder mehr Dioden 310 verbunden wird. Der Käfig kann dann aktiviert werden, indem eine Gleichvorspannung an die Dioden über zwei Leiter 320a, 320b angelegt wird. Ein oder mehr Kondensatoren 315 kann über die ersten und letzten Segmente 300a, 300n ge­ schaltet werden, so daß der Faraday′sche Käfig vollständig ist. Auf Wunsch kann eine umgekehrte Vorspannung verwendet werden, um eine Deaktivierung des Faraday′schen Käfigs selbst bei Vorhandensein von HF Pulsen zu garantieren.
Gemäß der Erfindung sollte die Gewinnung von Koronar-MR-An­ giogrammen hoher Qualität auf konventionellen MR Bildge­ bungssystem mit minimalen Modifikationen gestattet werden. Obwohl sie invasiver als konventionelle MR Angiographie ist, wird die Verbesserung in der Bildqualität wesentlich sein. Die Verwendung der Erfindung mit einem offenen Magne­ ten sollte dem Kardiologen gestatten, Angiographie in weit­ gehend der gleichen Weise auszuführen, wie sie derzeit mit konventionellen Röntgen-Angiographieverfahren ausgeführt wird.

Claims (5)

1. Magnetresonanz (MR)-Bildgebungseinrichtung zum Erhalten Gefäß-selektiver MR Angiographiebilder von einem Sub­ jekt, enthaltend:
  • a) eine Magneteinrichtung zum Anlegen eines homogenen Magnetfeldes mit einer im wesentlichen gleichförmi­ gen Amplitude an das Subjekt,
  • b) einen Faraday-Katheter, der in das Subjekt einzu­ setzen ist und eine leitfähige Hülle aufweist, die einen Lumen umgibt und das Fluid in dem Lumen ge­ genüber HF Energie abzuschirmt, wodurch das Fluid in dem entspannten Zustand bleibt,
  • c) eine HF Sendereinrichtung, die außerhalb des Sub­ jektes angeordnet ist, zur Übertragung von HF Ener­ gie in das Subjekt mit einer gewählten Dauer, Am­ plitude und Frequenz zur Nutation von einer ersten Menge von Spins in dem Subjekt, aber außerhalb des
Faraday-Katheters, wobei aber eine zweite Gruppe von Spins in einem entspannten Zustand innerhalb des Faraday-Katheters verbleibt,
  • d) eine Gradientenvorrichtung zum Verändern der Ampli­ tude des Magnetfelds über dem Subjekt in wenigstens einer Dimension über der Zeit,
  • e) eine HF Empfangsspule zum Detektieren von MR Ant­ wortsignalen aus der ersten Gruppe von nutierten Spins und aus der zweiten Gruppe von nutierten Spins innerhalb des Subjekts,
  • f) eine Rekonstruktionsvorrichtung, die mit der HF Empfangsspule verbunden ist, zum Empfangen der MR Antwortsignale und zum Erzeugen eines angiographi­ schen Bildes aus den detektierten MR Antwortsignalen, in denen die zweite gewählte Gruppe von Spins sich von der ersten gewählten Gruppe von Spins unterscheidet,
  • g) eine Steuereinrichtung, die mit dem HF Sender, dem Empfänger, der Rechenvorrichtung und der Gradien­ tenvorrichtung verbunden ist, zum Aktivieren des HF Senders, der Empfängers, der Rekonstruktionsvor­ richtung und der Gradientenvorrichtung jeweils ge­ mäß einer vorbestimmten MR Bildgebungspulssequenz, und
  • h) ein Display, das mit der Rekonstruktionsvorrichtung verbunden ist, zum Darstellen des angiographischen Bildes, wobei die gewählten Gefäße des Subjektes sichtbar sind.
2. Magnetresonanz (MR)-Bildgebungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Faraday-Katheter aufweist:
  • a) mehrere so angeordnete leitfähige Platten, daß we­ nigstens ein Teil des Lumens umschlossen ist,
  • b) wenigsten einen Kondensator, der zwei gewählte leitfähige Platten verbindet,
  • c) mehrere Dioden, wobei jede Diode mit zwei Platten in einer Richtung verbunden ist, die einen Strom­ fluß durch die mehreren leitfähigen Platten in ei­ ner einzigen Richtung um den Lumen herum gestattet,
  • d) eine Vorspanneinrichtung zur Lieferung einer Vor­ wärtsvorspannung an die Dioden, um den Faraday-Ka­ theter zu aktivieren, wobei die Vorspanneinrichtung die Dioden auch in Sperrichtung vorspannen kann, um den Faraday-Katheter zu inaktivieren.
3. Magnetresonanz (MR)-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei ferner eine Fluidantriebseinrichtung zum Bewegen von Fluid durch den Faraday-Katheter vorge­ sehen ist.
4. Verfahren zum Erhalten eines Gefäß-selektiven Magnetre­ sonanz(MF)-Angiographiebildes von einem Subjekt, ent­ haltend die Schritte:
  • a) Anlegen eines homogenen Magnetfeldes mit im wesent­ lichen gleichförmiger Amplitude über das Subjekt,
  • b) Einführen eines Faraday-Katheters mit einer leitfä­ higen Hülle und einem Lumen in ein gewähltes Gefäß des Subjektes derart, daß das Fluid durch den Lumen hindurch in das Gefäß strömt,
  • c) Übertragen von HF Energie in das Subjekt mit einer gewählten Dauer, Amplitude und Frequenz, um für eine Nutation von einer ersten gewählten Gruppe von Spins zu sorgen derart, daß das Fluid innerhalb des Lumens abgeschirmt ist, aber nicht nutiert wird, wenn es den Lumen verläßt,
  • d) Verändern der Amplitude des Magnetfeldes über we­ nigstens einer räumlichen Dimension in bezug auf die Zeit,
  • e) Detektieren mehrerer MR Antwortsignalen aus der ge­ wählten Gruppe von Spins und
  • f) Berechnen eines MR Angiographiebildes von dem ge­ wählten Gefäß aus den verarbeiteten MR Antwortsig­ nalen.
DE19521662A 1994-06-23 1995-06-14 Magnetresonanz(MR)-Angiographie unter Verwendung eines Faraday-Katheters Withdrawn DE19521662A1 (de)

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