Radiologe 1998 · 38:810–815 © Springer-Verlag 1998
Computerassistierte Diagnostik A.J. Aschoff1 · H. Seifarth1 · T. Fleiter1 · R. Sokiranski1 · J. Görich1 · E.M. Merkle1 A.P.Wunderlich1 · H.-J. Brambs1 · M.E. Zenkel2 1 Abteilung für Diagnostische Radiologie (Ärztlicher Direktor:Prof.H.-J.Brambs), Universitätsklinikum Ulm 2 Hals-Nasen-Ohrenheilkunde (Ärztlicher Direktor:Prof.G.Rettinger),Universitätsklinikum Ulm
Hochauflösende virtuelle Laryngoskopie aus Spiral-CT-Datensätzen Zusammenfassung Im vorliegenden Beitrag wird eine Pilotstudie zur Überprüfung der Machbarkeit und des klinischen Nutzens einer hochauflösenden virtuellen Echtzeitlaryngoskopie aus Spiral-CT-Datensätzen vorgestellt.12 Patienten mit Erkrankungen im Kehlkopfbereich (3 Stimmlippentumore, 2 Larynxkarzinome, ein in den Larynx eingebrochenes Schilddrüsenkarzinom und 6 subglottische Stenosen) wurden mittels hochauflösender Spiral-CT (Kollimation 1 mm) untersucht. Anschließend wurden die Bilder auf einer Workstation mit einer standardmäßigen Visualisierungssoftware so rekonstruiert, daß eine virtuelle Endoskopie (VE) in Echtzeit möglich wurde, welche der herkömmlichen Fiberendoskopie gegenübergestellt wurde. 2 der 12 Patienten waren bedingt durch Schluckartefakte nicht zu rekonstruieren. Keines der Stimmlippenkarzinome war in der VE oder den Querschnittsbildern zu erkennen.In 8 von 12 Fällen war die VE diagnostisch (Larynxtumore, subglottische Stenosen).Die virtuelle Laryngoskopie in der hier beschriebenen Technik vermag Larynxtumoren und subglottische Stenosen, nicht aber kleine Stimmbandtumoren in einer dem Kliniker vertrauten endoskopischen Sichtweise darzustellen.Hauptproblem sind Bewegungsartefakte durch unwillkürliche Schluckbewegungen. Schlüsselwörter Spiral-CT · Virtuelle Endoskopie · Larynx
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eitdem mit der Spiral-Computertomographie (Spiral-CT) Volumendaten erfaßt werden können wurden eine Reihe von Rekonstruktionsmöglichkeiten entwickelt, die unterschiedliche Betrachtungsweisen dieser CT-Daten ermöglichen. Neben den axialen Schnittbildern haben sich v.a. die multiplanaren Rekonstruktionen, Maximum-Intensitätsprojektionen (MIP) und dreidimensionale Oberflächenrekonstruktionen (SSD,„surface-shaded-display“) etablieren können. Andere Rekonstruktionsverfahren wie die hier verwendete virtuelle Endoskopie oder das Direct-Volume-Rendering stehen an der Schwelle zum klinische Einsatz und werden derzeit in einer Reihe von Studien erprobt. Die virtuelle Endoskopie simuliert ein Endoskop und ermöglicht die interaktive Erforschung von Organen oder Hohlräumen, deren Oberflächen einen ausreichend hohen Kontrastunterschied zu den angrenzenden Strukturen aufweisen. Derzeit werden v.a. luftgefüllte Hohlorgane wie der Tracheobronchialbaum [5] oder kontrastmittelgefüllte Organe wie der Magen-Darm-Trakt [3] oder die Harnblase [8] untersucht. Die CT hat in der Diagnostik von Tumoren [14, 15] und Stenosen [6] des Larynx einen festen Platz und führt insbesondere in der Kombination mit der Endoskopie zu einer signifikanten Verbesserung des Stagings [16]. Für die endoluminale Diagnostik des Larynx und der Trachea werden im klinischen Alltag entweder die starre Endoskopie mit
der Stuckradt-Optik oder ein flexibles fiberoptisches Endoskop zur Laryngoskopie verwendet. Ziel der vorliegenden Pilotstudie war es festzustellen, inwieweit sich die dem Kliniker vertrauten endoskopischen Darstellungen durch eine nichtinvasive Spiral-CT simulieren lassen können.
Material und Methode Untersuchungstechnik Alle Untersuchungen sind mit einem Doppel-Detektor-Spiral-Computertomographen (CT-Twin, Elscint, Haifa, Israel) durchgeführt worden. Alle Untersuchungen erfolgten mit 1 mm Kollimation und einem Pitch von 1,5. Durch die Doppeldetektortechnik resultiert hieraus eine Tischvorschubgeschwindigkeit von 3 mm/s. Die Rekonstruktion der Querschnittbilder erfolgte in einem Intervall von jeweils der halben Schichtdicke (Increment 0,5 mm). Die Röhrenspannung betrug 120 kV, der Röhrenstrom 133 mAs. Eine intravenöse Kontrastmittelgabe erfolgte nicht. Im Anschluß an eine Hyperventilationsphase waren die Patienten angehalten, langsam zu expirieren, um die Stimmlippen in Expirationsstellung (d.h. Dr. A.J. Aschoff Abteilung für Diagnostische Radiologie, Universitätsklinikum Ulm, Steinhövelstraße 9, D-89075 Ulm& y d & : k c o l b n f /
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A.J.Aschoff · H.Seifarth · T.Fleiter R.Sokiranski · J.Görich · E.M.Merkle A.P.Wunderlich · H.-J.Brambs · M.E.Zenkel High-resolution virtual laryngoscopy based on helical CT data sets Summary This pilot study investigated the feasibility and clinical value of high-resolution virtual real-time laryngoscopy based on helical CT data sets.Nine patients with laryngeal pathology (three with tumors of the vocal cords, two laryngeal carcinomas, one with invasion of the larynx by thyroid carcinoma and six subglottic stenoses) underwent examination by helical CT at a collimation of 1 mm.Following acquisition, the images were processed at a workstation with standard visualization software, such that virtual endoscopy (VE) in real time was possible.The images were then compared with the findings of conventional endoscopy.Because of swallowing artifacts, reconstruction failed in 2 of 12 patients.None of the carcinomas of the vocal cords was recognized at VE or in the cross-sectional CT images.VE provided the correct diagnosis in 8 of 12 cases (laryngeal tumors, subglottic stenoses).Virtual laryngoscopy is capable of simulating the visual findings of endoscopy in cases of laryngeal tumors and subglottic stenoses. Small tumors of the vocal cords are not adequately visualized.The major problem affecting results is motion artifacts resulting from involuntary swallowing.
geöffnet) zu halten und nicht zu schlukken. Unmittelbar danach wurde eine weitere Spirale in I-Phonation mit folgenden Parametern untersucht: Kollimation 5 mm, Pitch 1,5, Rekonstruktionsintervall 5 mm, 120 kV, 199 mAs, Scanstart 95 s nach maschineller Injektion von 100 ml Solutrast 300 (Byk Gulden, Konstanz) mit einer Flußgeschwindigkeit von 1,5 ml/s. Diese Bilder wur-
den anschließend nicht multiplanar oder virtuell rekonstruiert sondern dienten der Routinediagnostik und unmittelbaren Befunderstellung.
Rekonstruktion Die Querschnittbilder wurden auf einen separaten Bildrechner (Indigo2 Maximum IMPACT, Silicon Graphics, Mountain View, USA) transferiert. Hier
Key words Helical CT · Virtual endoscopy · Larynx
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Abb.1 m 66jähriger Patient mit subglottischem Larynxkarzinom. a Virtuelle Passage bis zur Stimmlippenebene (Stern: Epiglottis, lange Pfeile: Stimmlippen, kurzer Pfeil: Blick in die Trachea). b Blick auf den subglottischen Tumor (Sternchen). c Dieses Gitternetz aus Dreiecken veranschaulicht die mathematische Grundlage hinter der Aufnahme von b Der Radiologe 10·98
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Computerassistierte Diagnostik Tabelle 1 VR-Rekonstruktion bei 12 Patienten Pat.-Nr.
M/W
Alter
Indikation
Technischer Erfolg
VR diagnostisch
Stimmlippen
Bewegungsartefakte
1 2
M M
66 69
ja ja
ja ja
offen offen
mäßig kaum
3 4
M W
54 72
ja ja
kaum kaum
W W
54 61
ja ja
nein ja (in retrograder Blickrichtung) ja ja
offen geschlossen
5 6
offen offen
kaum mäßig
7 8 9 10 11 12
W M W M W M
57 66 71 58 61 74
subglottisches Larynx-CA Z.n. Larynx-CA, V.a. post.op. narbige Stenose Stimmlippen-Tu re,T1 subglottische Trachealstenose nach Langzeitintubation Larynx-CA T3 subglottische Trachealstenose (Struma nodosa) Larynxinfiltration eines SD-Ca Stimmlippen Tu li,T1 Stimmlippen Tu re,T2 subglottische Trachealstenose subglottische Trachealstenose subglottische Trachealstenose
nein ja nein ja ja ja
nein nein nein ja ja ja
offen geschlossen offen offen geschlossen offen
stark (Schluckakt) mäßig stark (Schluckakt) kaum mäßig kaum
erfolgte die Rekonstruktion mit Hilfe einer Standard Visualisierungssoftware (Iris Explorer, Silicon Graphics, Mountain View, USA). Das Ziel der Darstellung war die Erzeugung einer interaktiv und in Echtzeit zu untersuchenden Rekonstruktion des Larynx, Hypopharynx und der proximalen Trachea. Hierzu ist eine Detektion der inneren Oberfläche der oberen Luftwege notwendig. Diese ist in jedem einzelnen Schnittbild aufgrund des hohen Dichtegradienten zwischen Larynxwand und lufthaltigem Lumen relativ einfach abzugrenzen und wird mit Hilfe des Marching Cubes Oberflächenalgorithmus [2] dreidimensional verfolgt und als zusammenhängende Oberfläche identifiziert. Das Endergebnis ist eine dreidimensionale Repräsentation des Larynx in Form eines aus gleichseitigen Dreiecken bestehenden Gitternetzwerks. Auf dieses Gitternetzwerk lassen sich rechnerisch sowohl eine Textur als auch Schattenbildungen aus frei definierbaren, virtuellen Lichtquellen projizieren. Hierdurch entsteht ein realtitätsnaher Bildeindruck. Mit Hilfe einer virtuellen Kamera, die eine einem fiberoptischen Endoskop vergleichbaren Betrachtungswinkel erlaubt, kann diese virtuelle Larynxrekonstruktion von dem Untersucher in Echtzeit aus beliebigen Betrachtungswinkeln und -positionen untersucht werden. Entscheidenden Anteil an der Darstellung hat die Wahl des Schwellenwertes für die Oberflächendetektion. Ein zu
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Abb.2 m 54jährige Patientin mit Larynxkarzinom. a Beim Blick durch die geöffneten Stimmlippen (lange Pfeile) erkennt man die tumoröse Raumforderung im Larynx (kurze Pfeile). b Direkter virtueller Blick auf den Tumor (Sternchen). c Videoendoskopisch stellt sich der Befund ähnlich wie in b dar. d Retrograder Blick auf den Tumor (kurze Pfeile) nach Passage desselben zur Abschätzung der distalen Ausdehnung
Ergebnisse
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Abb.3 m 72 Jahre alte Patientin mit subglottischer Stenose nach Langzeitintubation. a Die Ansicht von außen zeigt deutlich die verschlossene Stimmlippenebene, die eine einfache kraniokaudale Exploration erschwert. b–d Die virtuelle Endoskopie von der Trachea aus nach kranial bis unmittelbar vor die verschlossene Stimmlippenebene (Sternchen) zeigt die querverlaufende kurzstreckige subglottische Stenose (Pfeile)
niedriger Schwellenwert führt zu Rekonstruktionsartefakten in Form von „Löchern“ in der Wand, ein zu hoher Schwellenwert überzeichnet die Oberfläche und kann im Extremfall zu Fehlbeurteilungen (Überschätzungen von Stenosen) führen. Wir wählen den Schwellenwert interaktiv am Monitor, in dem wir ihn langsam erhöhen, bis gerade keine relevanten Lochartefakte mehr auftreten. Die Dokumentation der Befunde erfolgte analog dem Vorgehen bei der fiberoptischen Untersuchung auf Videoband bzw. in Form von Standbildern in Farbausdrucken. Die Auswertung erfolgte gemeinsam durch zwei erfahrene Radiologen und einen Kollegen der Hals-NasenOhrenklinik, in dem die Videobänder der fiberoptischen Endoskopie mit der virtuellen Endoskopie an der Workstation verglichen wurden. Zusätzlich wur-
den gemeinsam die Einzelschichten und die multiplanaren Rekonstruktionen bewertet und diskutiert, bis ein Konsens erreicht werden konnte.
Patienten Wir untersuchten zwischen September 1996 und Mai 1998 12 Patienten mit dem oben beschriebenen Protokoll. Bei allen Patienten erfolgte zusätzlich innerhalb von 24 h eine herkömmliche Endoskopie durch die Kollegen der Hals-Nasen-Ohrenklinik, die videodokumentiert wurde. Die 12 Patienten (6 Männer, 6 Frauen) waren im Alter von 54–74 Jahren (Durchschnitt 63,6 Jahre). Überweisungsindikationen waren in 3 Fällen Stimmlippentumore, 2 Larynxkarzinome, ein in den Larynx eingebrochenes Schilddrüsenkarzinom und 6 subglottische Stenosen.
Technisch war die VR-Rekonstruktion bei 10 Patienten möglich (Tabelle 1). Zwei der 12 Patienten wiesen so starke Bewegungsartefakte durch einen Schluckakt während der Untersuchung auf, daß die VR-Rekonstruktionen nicht als technisch erfolgreich gewertet werden konnten. In 8 der 12 Fällen war die VR diagnostisch, d.h. der (herkömmliche) endoskopische Befund konnte in der VR ebenfalls gestellt werden. Keines der 3 Stimmlippenkarzinome ließ sich in der VR nachvollziehen, wobei diese auch auf den Querschnittsbildern (sowohl den der Rekonstruktion zugrundeliegenden wie auch den anschließend zur Routinediagnostik erstellten) nicht zu erkennen waren. Bei keinem einzigen Fall haben die hochauflösenden oder kontrastverstärkten Einzelschichten wichtige Zusatzinformationen erbracht. Der Patient mit einem T2-Tumor war auf Grund der oben beschriebenen Schluckartefakte nicht zu rekonstruieren. Die beiden Larynxkarzinome dagegen ließen sich in der VR-Rekonstruktion gut darstellen.Von den 6 subglottischen Stenosen waren 4 auf Anhieb zu diagnostizieren, während 2 bei verschlossener Stimmlippenebene erst durch die „retrograde Endoskopie“ von der Trachea aus nach kranial zur Darstellung kamen. Das in den Larynx eingebrochene Schilddrüsenkarzinom war zwar auf den Querschnittsbildern und den multiplanaren Rekonstruktionen zu erkennen, ließ sich jedoch wegen der Schluckartefakte nicht virtuell rekonstruieren. Neun Patienten gelang es, die Stimmlippen während der Untersuchung offen zu halten. Bei den anderen 3 handelte sich um 2 subglottische Stenosen (ein war wie oben beschrieben nur retrograd zugänglich) und eines der beiden nicht erkannten T1-Stimmlippenkarzinome.
Diskussion Eine Reihe von Autoren haben sich in letzter Zeit mit dreidimensionalen Rekonstruktionen aus CT-Datensätzen der Luftwege beschäftigt, welche eine endoskopische Betrachtungsweise simulieren sollen [1, 4, 5, 11–13]. Dabei sollte v.a. Der Radiologe 10·98
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Computerassistierte Diagnostik die virtuelle Bronchoskopie erprobt werden, weswegen in der Regel der gesamte Tracheobronchialbaum untersucht wurde. Lediglich Rodenwaldt et al. [9] haben sich auch dezidiert dem Larynx gewidmet. Da jedoch zusätzlich die gesamte Trachea mituntersucht wurde, kamen Kollimationen von 5 mm zum Einsatz. Somit können kleinere Befunde nicht dargestellt werden. In einer neueren Arbeit empfiehlt der gleiche Autor bereits bei der virtuellen Bronchoskopie Kollimationen von 3 mm [10]. Außerdem gestattet die verwendete Software keine interaktive Echtzeitexploration des Datensatzes, sondern die virtuelle Passage muß an Hand von prädeterminierten Landmarken vorherberechnet werden. Konsens über den Nutzen der virtuellen Endoskopie scheint in folgenden Punkten zu bestehen: sie ist technisch durchführbar, nichtinvasiv und vermag einen dem Endoskop vergleichbaren anatomischen Eindruck zu erzeugen. Vorteile gegenüber der konventionellen Endoskopie werden insbesondere in der Passierbarkeit auch hochgradiger Stenosen oder von Verschlüssen gesehen. Außerdem kann die virtuelle Kamera auch Blickwinkel darstellen, die normalerweise nicht eingestellt werden können (z.B. die retrograde Blickrichtung). Nachteile liegen in der fehlenden Schleimhautbeurteilbarkeit sowie der fehlenden Biopsiemöglichkeit. Mit unserer Technik können exophytisch wachsende Larynxtumoren und -infiltrationen sowie subglottische Stenosen in Millimeterauflösung in einer endoskopischen Sichtweise (wenngleich ohne eigentliche Schleimhautbeurteilung) dargestellt werden. Larynxtumoren, die nur eine geringe Niveaudifferenz, aber deutliche Oberflächenveränderungen aufweisen, werden in der Regel übersehen werden, während sie mit der herkömmlichen Endoskopie einfach gesehen werden. Stimmlippentumoren scheinen zumindest im T1-Stadium so nicht dargestellt werden können, was durch die sehr kleinenen Befunde zu erklären ist. Möglicherweise spielt hier auch das Vibrieren und somit Verwischen der Stimmbänder in Expirationsstellung eine Rolle, weswegen herkömmlicherweise die Stimmbänder in Phonationsstellung untersucht werden. Die Phonationsstellung erlaubt in der virtuellen
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Endoskopie jedoch nicht die intraluminale Passage der Stimmlippenebene (s. unten). Hier verbessert die virtuelle Rekonstruktion nicht die bekanntermaßen schlechte CT-Sensitivität [7]. Probleme machen Schluckartefakte, weswegen unmittelbar nach der Untersuchung an Hand der Querschnittsbilder oder einer schnellen sagittalen Rekonstruktion entschieden werden sollte, die Untersuchung ggf. zu wiederholen. Insgesamt stellt das Untersuchungsprotokoll relativ hohe Anforderungen an die Patienten, so daß unkooperative oder schwerkranke nicht untersucht werden können. Geschlossene Stimmlippen stellen kein absolutes Problem dar. Hier kommt insbesondere die Echtzeitbetrachtungsweise zum Tragen, wo in Sekunden eine retrograde Blickrichtung probiert wer-
den kann oder mehrere Versuche unternommen werden können, durch einfaches „Hindurchfliegen“ durch die Stimmlippen den darunterliegenden Befund zu erforschen. Der Zeitaufwand beträgt für das Planen und Durchführen der CT ca. 10 min (vorausgesetzt, der Patient liegt bereits für die „normale“ zur Diagnostik vorgesehene CT auf), für die Nachbearbeitung und Rekonstruktion an der Workstation zwischen 30 min und 1 h. Unserer Meinung liegt der Hauptvorteil der virtuellen Laryngoskopie in der Möglichkeit, auch hochgradige Stenosen oder Tumoren passieren zu können um die Länge des pathologischen Prozesses und die dahinterliegende Anatomie zu beurteilen. Außerdem können Endoskopien z.B. für Ausbildungszwekke simuliert werden.
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Abb.4 m Normalbefund mit unterschiedlichen Schwellenwerten rekonstruiert, wobei der Schwellenwert von a–d übertrieben stark ansteigend gewählt wurde. Die Oberfläche wird dadurch „dicker“, die Stimmlippenöffnung scheint enger zu werden (Stimmlippen: kurze dicke Pfeile, Taschenfalten: lange dicke Pfeile, aryepiglottische Falten: schmale Pfeile, Blick in die Trachea: Sternchen). a Normalbefund (Stimmlippen: kurze dicke Pfeile, Taschenfalten: lange dicke Pfeile, aryepiglottische Falten: schmale Pfeile, Blick in die Trachea: Sternchen)
Buchbesprechung Schlußfolgerung Die virtuelle Laryngoskopie in der hier beschriebenen Technik vermag Larynxtumoren und subglottische Stenosen, nicht aber kleine Stimmbandtumoren in einer dem Kliniker vertrauten endoskopischen Sichtweise darzustellen, wenngleich eine Beurteilung der Schleimhaut (Farbe usw.) nicht möglich ist. Hauptproblem sind gelegentliche Bewegungsartefakte durch den Schluckakt.
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Hrsg.: G. Hör, B.J. Krause, H.H.Tillmanns
Kardiologische Nuklearmedizin Landseberg: ecomed, 1997. 464 S., (ISBN 3-60962970-3), Hardcover, DM 248,– Die kardiologische Nuklearmedizin erlaubt Funktionsanalysen und Stoffwechselmessungen am gesunden und erkrankten Herzen. Der Schwerpunkt dieser Teildisziplin liegt wie die Herausgeber in ihrem Vorwort bemerken zweifellos bei der koronaren Herzkrankheit mit dem Ziel der Erkennung,Verlaufsbeobachtung und Therapiekontrolle. Das Buch ist in einen methodischen und einen klinischen Teil gegliedert.Die einzelnen Abschnitte sind klar und verständlich geschrieben und mit anschaulichen Graphiken vesehen.Jedes Kapitel weist im Anschluß ein Literaturverzeichnis auf, das aktuelle Originalarbeiten berücksichtigt. Der methodische Teil umfaßt Grundlegendes zu den in der kardiologischen Diagnostik und Forschung verwendeten Radiopharmazeutika mit besonderer Betonung der PET-Radiopharmazie, zur Strahlenexposition und zu speziellen Untersuchungsprotokollen sowie neueren Auswertetechniken. Auch wird auf die Altersabhängigkeit von Normwerten und Kompartimentmodelle zur quantitativen Auswertung von PET-Daten eingegangen.Die vorgestellten pharmakokinetischen Modelle betreffen die Myokardperfusion, den myokardialen Glukosestoffwechsel und die Bestimmung der Acetatkinetik.Die quantitative Erfassung von Neurorezeptoren wird leider nur kurz erwähnt. Der zweite Teil beschreibt den Einsatz nuklearmedizinischer Methoden bei unterschiedlichen klinischen Fragestellungen.Eingegangen wird im Besonderen auf die Detektion und Prognosestellung bei der koronaren Herzkrankheit, den Einsatz nuklearmedizinischer Methoden nach Herztransplantation, bei chronischen Herzklappenvitien und bei intraventrikulären Leitungsstörungen.Die Untersuchung der sympathischen kardialen Innervation mit 123J-MIBG ist in zwei getrennten Kapiteln dargestellt. Vor dem Hintergrund der neueren kernspintomographischen Techniken zur Untersuchung von Herzerkrankungen erscheint die Einbeziehung der Kernspintomographie und der Kernspinresonanz-Spektoskopie mit drei eigenen Kapiteln sinnvoll und unterstreicht zudem die Nähe dieser Methoden zur Nukleramedizin.Ebenso komplettieren die Kapitel über kardiologische Nukleramedizin aus der Sicht des Kardiologen bzw.Herzchirurgen das Bild eines interdisziplinären Unternehmens mit dem Ziel der Optimierung von Diagnostik und Therapie bei Patienten mit Herzerkrankungen. Insgesamt kann man davon ausgehen, daß das erklärte Ziel der Herausgeber, durch umfassende und präzise Information nuklearmedinische Untersuchungsmethoden für den Kardiologen interessanter zu machen, erreicht wird. U.Haberkorn (Heidelberg)
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