CN1404573A - 自动进行组织染色的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于样本载玻片(710)制备的方法及设备被公开。本发明的方法和设备采用载玻片盘(700)，载玻片盘(700)具有容纳至少一个样本载玻片(710)和相关的试剂包(720)的容器。样本载玻片(710)和/或试剂包(720)包括一个标记(420)，它指定随后的特定载玻片制备规程。该方法和设备读取标记(420)以确定该特定载玻片制备规程，然后根据该特定载玻片制备规程制备样本载玻片。该设备从试剂包(400)可获得该特定载玻片制备规程所需要的若干或全部试剂。

Description

自动进行组织染色的方法和设备

发明领域

本发明涉及到医学试验设备领域。本发明特别提出一种用于对组织样本进行染色和细胞制备的全自动系统。

发明背景

在显微镜下检查细胞及细胞组织是一项医学实验室的常规功能。由于在单个细胞和背景基质之间或者在单个细胞的不同部分之间反差不足，造成细胞检查和组织制备困难。为了增大反差，研究人员曾将染色剂施加于被检查的细胞和组织样本。细胞中的不同结构吸收的染料不同，从而提高不同细胞结构之间的反差。

组织样本染色是一项消耗时间的工作。经常要求经过大量不同的染色和漂洗阶段。每一个阶段要求特定量的试剂或者缓冲液以及特定的时间量。因此，往往需要经过训练的技术人员进行这类操作。不仅如此，为了进行病人疾病诊断，在医院和实验室必须进行大量的组织样本染色。因此，人们开发了自动化组织染色系统。通过使该过程自动化，消除了代价高昂的人力劳动，而且自动化样本染色显著降低在染色过程中发生错误的可能性。

为了确保染色程序的进行是合乎要求的，大多数自动化染色系统要求用户仔细地进入染色规程(protocol)，并加入适当的试剂。这些复杂的程序要求用户接受训练，然后这些设备才能被有效地操作。因此，人们期望简化自动化组织染色设备的操作。

发明概述

本发明公开一种用于样本载玻片(slide)制备的方法和设备。本发明的方法和设备使用具有容纳至少一个样本载玻片之容器的载玻片盘和相关的试剂包。该样本载玻片和/或试剂包包括一个标记，该标记指定随后的特定载玻片制备规程。该方法和设备读取该标记以确定特定的载玻片制备规程，然后根据该特定的载玻片制备规程的方法制备样品载玻片。该设备能从该试剂包得到该特定载玻片制备规程所需要的部分或全部的试剂。

根据附图及以下的详细说明，将清楚地说明本发明的其他目的、特征和优点。

附图简述

根据以下详细说明，本领域技术人员将理解本发明的目的、特征和优点，其中：

图1A示出第一可倾斜槽部件实施例的截面图。

图1B示出图1A的可倾斜槽部件，其中该可倾斜槽部件向右倾斜。

图1C示出图1A的可倾斜槽部件，其中该可倾斜槽部件向左倾斜。

图2A示出第二可倾斜槽部件实施例的截面图。

图2B示出图2A的可倾斜槽部件，其中该可倾斜槽部件向右倾斜。

图2C示出图2A的可倾斜槽部件，其中该可倾斜槽部件向左倾斜。

图3示出自动染色仪设备的内部液流部件的原理图。

图4A示出用于本发明之自动染色仪设备的试剂包的第一配置。

图4B示出用于本发明之自动染色仪设备的试剂包的第二配置。

图5a示出本发明之自动染色仪设备的四孔试剂包。

图5a示出本发明之自动染色仪设备的六孔试剂包。

图5c示出本发明之自动染色仪设备的八孔试剂包。

图6a示出散装试剂包的第一实施例。

图6b示出散装试剂包的第二实施例。

图7a示出用于制备4个载玻片的组合的载玻片及试剂架的前视图。

图7b示出用于制备4个载玻片的组合的载玻片和试剂架的后视图。

图8A示出自动染色仪设备之一般操作的流程图。

图8B示出自动染色仪控制程序的载玻片规程调度系统的控制流程图。

图9a到图9d示出添加新的载玻片到当前调度排列(CurrentlyScheduled Array)的详细流程图。

优选实施例的详细说明

一种对组织样本自动染色的方法和设备被公开。在下面的描述中，以解释为目的，阐明专有名词以利于充分的理解本发明。然而，本领域技术人员将清楚的是，这些具体细节并不是实施本发明所必须的。例如，本发明中描述了关于组织样本的染色。然而，相同的技术可以很容易被用于其他类型的载玻片制备工作。

                   自动染色仪硬件

本发明所包括的优点在于自动的载玻片染色。在1998年11月17日公开的美国专利5839091号中介绍了第一例自动载玻片染色设备，其名称为“自动组织染色的方法和设备”，将该专利全部包含在此作为参考。自动染色系统被用于对置于玻璃载玻片上的组织样本进行染色。本发明采用若干种不同的载玻片架，其中每一个载玻片架能够承载1个或者更多的载玻片。在一个实施例中有6个载玻片架，并且每个载玻片架能够容纳4个载玻片，因此该自动染色仪能够同时制备24个不同的载玻片。

自动染色仪采用一个机器人传送系统，该系统将批量试剂、少量供给试剂、缓冲溶液以及空气传送到玻璃片上。该机器人传送系统受控于一个计算机系统。该计算机系统执行自动染色仪程序控制程序，发出控制指令来控制该机器人传送系统。在一个实施例，该自动染色仪的机器人传送系统包括X轴机械装置、Y轴机械装置和Z头，如在美国专利5839091中所述。Z头装置有巴氏(Bulk)液体分发管，用于分发一些被选择的散装试剂和缓冲清洗液。气刀将空气吹到载玻片上，并且用吸液器探头(syringe probe)拾取将要被置于玻璃载玻片上的试剂。

为了防止污染，在使用不同试剂时，在试剂探头洗涤箱中将吸液器探头清洗干净。该洗涤箱有3个不同的室被用在3个阶段。第一孔被用于洗涤探头的内部，通过强迫洗涤缓冲溶液通过探头的内部并向下进入第一排水室。第二室是用于清洗探头的外部，通过强迫缓冲洗涤液通过探头的内部、同时该探头处于紧密有限的第二室中，从而使缓冲溶液被迫冲向探头的外部上。最后，将探头置于第三个室中，强制空气通过该探头以清除洗涤缓冲溶液。

在自动染色仪的载玻片架的下面有一个凹槽部件。该凹槽部件挡住滴到载玻片上的试剂和洗涤缓冲液。图1A示出凹槽部件的第一实施例的截面顶视图。如图1A所示，一个可倾斜槽210位于用于载玻片架(未示出)的支撑架205之下。该可倾斜槽210利用倾斜装置220可以向左倾斜或者向右倾斜。当该可倾斜槽210向下倾斜在右侧时，如图1B所示，溢出载玻片的所有废液右侧的排泄孔231排出，通过波纹管241和排水管251，最后到达废液管道#1(未示出)。与此相似，当可倾斜槽210向下倾斜在左侧时，如图1C所示，所有废液将从排泄孔232排出，通过波纹管242和排水管252，废液最后到达废液管道#2(未示出)。如图1A至1C所示，这两个废液管道方便地在相同位置引出该装置。

利用本发明的可倾斜槽系统，本发明能够在不同的废液管道中传送完全不同类型的废液，使得第一废液管道可被用于清除无危险性废液，另外的废液管道可被用于清除危险性废液。无危险性废液管道可以简单地连接到下水道排水管上。危险性废液管道应连接到被适当设置的废液容器中。

图2A到图2C示出一种可倾斜槽系统的可替换实施例。参照图2A到图2C，排水管道直接向下延伸，使得这两个废液管道在不同部位引出。液流部件

在自动染色仪的内部还安装有一些其他部件。图3示出自动染色仪的液流部件的原理图。在图3中，三个不同的输出装置安装在自动染色仪的Z头部件上，它们传送空气或者液体到载玻片上。

第一输出装置是批量液体分发管321。该批量液体分发管321用于传送较大量的液体到载玻片上，批量液体分发管321能够分发来自缓冲液供应装置301的缓冲溶液或者来自内部的批量试剂供应装置302、303和304的试剂。所分发的特殊液体是由八通道调节阀331来选择的。

第二输出装置是试剂分发探头322。试剂分发探头322通过使用注射泵340吸入专用的试剂，然后将吸入的试剂分发到特定的载玻片上。为了防止试剂分发探头322受到不同试剂的污染，自动染色仪对试剂分发探头322进行清洗。具体来说，通过使用三通阀332使缓冲溶液强制通过试剂分发探头322，自动染色仪首先冲洗试剂分发探头322。然后，通过使用三通阀333强制空气通过试剂分发探头322，自动染色仪使试剂分发探头322干燥。

第三输出装置是气刀323。气刀323用来干燥载玻片和吹开多余的试剂。自动染色仪试剂包

为了简化操作，本发明提出了一种大大简化操作的自动染色仪系统。为使用本发明的自动染色仪系统，用户只需要添加一组载玻片，其中每一片载玻片附带有一特定试剂包，它包含一特定载玻片制备规程所需要的试剂。该试剂包还包括有识别将被执行的载玻片制备规程的信息。

图4A描述了试剂包的第一实施例，它可被用于本发明的自动染色仪系统。如图4A所示，该试剂包包括具有一组孔室的容器(图4A中的401到406)用于储存试剂。该容器用封盖410密封，该封盖410可包括一个标记，如条形码411，用来标识将要执行的载玻片制备规程。在孔室401到406中的试剂受到封盖410的保护并保留在孔室中。如果需要，试剂分发探头322也能够穿入并且存取试剂。

封盖410上还可包括第二条形码标识粘签420，条形码标识粘签420可被直接贴到将被执行的载玻片上，使得自动染色仪将自动得知将被执行的载玻片制备规程。

图4B描述的是一种试剂包490的可替换实施例。在图4B的替换实施例中，标记431和441被放置于与401到406各孔之轮廓平行的位置。在另一实施例中(未示出)，形成的可倾斜槽有4个排泄孔，每个角有一个孔。在这一实施例中，可以采用4个不同的废液管线。

本发明的自动染色仪系统能够控制要求不同数量的试剂的很多不同的载玻片制备规程。图5A、5B和5C示出不同尺寸的试剂包适用于不同的规程。图5A示出一种简单的四试剂包用于简单的载玻片制备。图5B示出图4A的六试剂包。图5C所示的八试剂包适用于复杂载玻片制备规程。

自动染色仪将用于大量载玻片的制备。每一载玻片的制备需要一个试剂包。为了简化购买，试剂包的购买可采用散装方式。图6A示出一种可行性的散装方式，其中在多孔二维矩阵的各试剂包中售出若干个试剂包。图6B示出另一种散装包装，其中各试剂包被连接为一条状并售出若干个试剂包。自动染色仪的载玻片架

本发明自动染色仪的载玻片架的设计是为了易于使用和具有最大的灵活性。图7A示出可用于本发明的自动染色仪的一种载玻片架的前视图。载玻片架700有4个载玻片的位置，所以载玻片架700能够容纳4张载玻片710。其他载玻片架的实施例能容纳多于或者少于4张载玻片。这些载玻片可以是标准的美国或国际尺寸的载玻片。载玻片架700还包括用于存放试剂包720的4个试剂包位置，它们与相邻的载玻片位置相关联。图7B所示的是载玻片架700的后视图。

               自动染色仪的控制和编程

如前所述，自动染色仪受计算机系统的控制。在本实施例中，该计算机系统是以带有PCI总线的标准个人计算机(PC)主板为基础。计算机系统运行自动染色仪控制程序以控制自动染色仪的操作。

自动染色仪控制程序是一套完善的控制程序，它执行安全、自动载玻片规程编程、控制和记录(log)功能。为充分描述自动染色仪的控制程序，本说明书将通过该自动染色仪使用的示例演示来说明。用户装载

为操作自动染色仪，用户要将载玻片样本和相关的试剂包放置到载玻片盘(如图7a和7b所示)。在一个实施例中，用户只要简单地将适当的试剂包放置到与要制备的样本载玻片相邻的试剂包容器中，在另一实施例，用户将相关的标记贴到将被制备的样本载玻片的无光泽区域。这是通过从试剂包400上剥离条形码粘签420并将其粘到载玻片的无光泽区域来完成的。通过利用将被执行的规程来专门标记每一个载玻片。偶然放置错误的试剂包相邻于样本载玻片，也不会引起错误。载玻片制备规程识别

装好1个或者更多的载玻片盘之后，用户将装好的载玻片盘放入自动染色仪系统内。然后用户激活“restart”输入，指示自动染色仪系统开始载玻片制备。如果用户已将很高优先级的载玻片加到自动染色仪中，用户可以改为按“STAT”输入，以指示新的载玻片是很高优先级的。然后自动染色仪系统开始操作，首先检查装载的载玻片和试剂包以确定需要执行的载玻片制备规程。具体来说，自动染色仪系统读取所有标记(在载玻片上和/或试剂包上)，然后该系统查阅一个载玻片制备规程数据库，该数据库映射试剂包上不同的标记与将要执行的载玻片制备规程。

该载玻片制备规程数据库通过装载介质(例如软盘或者只读光盘)可以被定期更新，这些介质插入自动染色仪上的适当驱动器中。在一个实施例中，该自动染色仪系统利用网络自动检索数据库更新。进行这种操作时，利用调制解调器将自动染色仪与电话线连接，使得自动染色仪自动呼叫专用的号码以获得载玻片制备规程数据库更新。在一可替换实施例中，自动染色仪可被连接到全球互联网，使得自动染色仪能够连接到一个服务器，其中储存有很多最新的载玻片制备规程数据库信息。在这些实施例中的任一个中，自动染色仪页可以同时接受程序更新，这样，控制该自动染色仪的软件可以被自动更新。载玻片染色装置操作

一旦用户安装好该自动染色设备，用户就可以进行染色。如图8A示出该自动染色装置的运行的一般程序。参照图8A，用户在步骤801装载一个载玻片/染色盘。在步骤802，然后用户通过按“restart”或“stat”按钮启动该设备。接着，在步骤803，该自动染色设备检测所有的载玻片，以确定必须执行的载玻片规程。该系统可以比较载玻片上的条形码粘签402与相邻试剂包之封盖410上的条形码411，以确保适当的试剂包已被放置并与每一载玻片相邻。检测了所有载玻片和试剂包后，该系统产生一个染色调度表。以下将说明该染色设备产生该染色调度表的细节。

在计算染色调度表后，自动染色设备根据产生的染色调度表来处理载玻片。该系统继续染色操作，直到步骤805的情况之一被检测到(或发生错误)。具体来说，步骤805确定是否染色操作被全部完成、染色操作被部分完成、或是否该用户已按暂停(pause)按钮。

如果染色操作被部分完成，那么系统继续到步骤807，在此将完成的载玻片告知用户。用户可以希望移开这些载玻片，使得它们可以被检查。

如果用户按下pause按钮，那么系统暂时停止操作。接着用户可以在步骤801装载另外的载玻片盘。系统保持暂停状态并等待用户按下restart或stat按钮。一旦用户在步骤802按下restart或stat按钮之一，系统继续到步骤803，产生一个新的染色调度表。然后系统在步骤804采用新的染色调度表重新开始载玻片染色。

参照步骤805，如果该系统全部完成染色操作，系统可终止操作。如在图8A中所示，通过仅利用pause和restart/stat按钮，用户可以进行不断移开完成的载玻片盘以及不断添加新的载玻片盘。这样，该染色设备能够整天进行连续的操作。载玻片制备调度

一旦已识别需要被执行的载玻片制备规程，自动染色仪控制程序计算最有效率的分发模式，用于执行所要求的载玻片规程。

图8B示出自动染色仪控制程序如何计算最有效的分发模式的概要过程。如图8B所示，在步骤810，自动染色仪控制程序首先确定是否操作已在进行中。如果操作已在进行中，在步骤815，自动染色仪控制程序添加当前载玻片到调度表中。该调度表将用于编程自动染色仪控制程序。

下一步，在步骤820中，自动染色仪控制程序令Z头部件扫描全部载玻片位置，以确定是否已添加了任何新载玻片或者取走了任何现存的载玻片。如果尚未完成其规程的一个载玻片被移开，自动染色仪将此错误通知用户，并且询问用户是否希望将该载玻片放回到自动染色仪上。当添加1个或者更多新的载玻片时，自动染色仪控制程序添加这些载玻片到当前调度表中，如图8B的步骤820所示。如果用户设定新的载玻片为“STAT”，这些新添加的载玻片将给予最高优先级。

自动染色仪控制程序所填充的内容至调度表后，自动染色仪控制程序执行到步骤830，开始自动编程。在步骤830，自动染色仪控制程序首先进行载玻片专有顺序的安排。在一个装置中，自动染色仪控制程序按照以下的顺序安排载玻片：

1.高优先级载玻片(例如STAT载玻片)。

2.具有最长培育(incubation)时间的载玻片。

3.数字顺序。

然后，系统用明确定义方法进行载玻片的重新排序。图8B示出载玻片排序的一种可行方法。最初，在步骤830，排序中的第一载玻片定义当前调度排列(CSA)。CSA定义新提出的载玻片顺序。在步骤845，该方法选择从调度表选择下一个未被调度的载玻片。然后，此被置于该CSA，如步骤850所述。在步骤860，该方法确定载玻片是否完全适合于CSA的当前阶段。确定载玻片是否完全适合于CSA的当前阶段的该方法将在图9a到图9d中进行详细说明。如果该载玻片不适合，该方法执行步骤870，以确定是否该控制程序已尝试使所有剩余的未调度载玻片适合于当前阶段，如果还有未被调度的载玻片，自动染色仪控制程序未试图使其进入到当前阶段，则该方法执行到步骤837，以选择具有不同规程的未被调度载玻片。然后，自动染色仪控制程序返回到步骤850，尝试添加此载玻片到当前阶段。

如果，在步骤870，自动染色仪控制程序不能使任何未被调度的载玻片适于当前阶段，则自动染色仪控制程序移动到当前调度排列(CSA)的下一阶段，如步骤879中所示。自动染色仪控制程序然后返回到步骤845，开始将载玻片置于新的阶段。

参照步骤860，当每个新载玻片添加到CSA中后，自动染色仪控制程序确定是否所有的载玻片已被调度，如步骤880所示。如果所有载玻片已被调度，自动染色仪控制程序确定是否它已建立一个载玻片处理调度表，它比当前最佳时间更快。如果自动染色仪控制程序确定它建立了比先前的最佳时间更快的一个载玻片处理调度表，则在步骤883中，自动染色仪控制程序保存新建立的调度表作为最佳调度表。在步骤890，自动染色仪控制程序确定是否它已试过所有可能的载玻片排序。如果没有，自动染色仪控制程序执行步骤859，在此，自动染色仪控制程序改变载玻片排序，同时保持设定的优先级顺序。然后，自动染色仪控制程序返回到步骤840，以测试新的载玻片调度表。如果在步骤890，自动染色仪控制程序确定它已经试过每一个可能的载玻片顺序(保持载玻片优先级顺序)，自动染色仪控制程序返回最佳调度表。

以上描述了用于自动化组织及细胞制备染色的方法和设备。应该预期的是，本领域普通技术人员可以改变和修改本发明的元件的材料和配置，而不背离本发明的范围。

Claims (27)

1、一种操作自动染色仪装置的方法，所述的方法包括以下步骤：

接受载玻片盘，所述的载玻片盘具有至少一个样本载玻片和与所述的样本载玻片相关的一个试剂包，所述的试剂包包括第一标记，它指定特定的载玻片制备规程；

从所述的试剂包读取所述的第一标记；

根据所述特定的载玻片制备规程制备所述样本载玻片。

2、如权利要求1所述的方法，其中，通过与所述的样本载玻片相邻，所述试剂包与所述样本载玻片相关联。

3、如权利要求1所述的方法，其中，通过使所述样本载玻片上带有与所述第一标记相同的第二标记，所述试剂包与所述样本载玻片相关联。

4、如权利要求1所述的方法，其中，所述试剂包包括一组孔室，每个孔室中包含所述特定载玻片制备规程所需要的试剂。

5、如权利要求1所述的方法，其中，所述试剂包包括一个剥离标记，所述剥离标记置于所述样本载玻片上。

6、一种操作自动染色仪装置的方法，所述的方法包括以下步骤：

接受载玻片盘，所述的载玻片盘带有至少一个样本载玻片和与所述的样本载玻片相关联的一个试剂包，所述的试剂包包括第一标记，它指定用于所述样本载玻片的特定的载玻片制备规程；

读取所述第一标记；

根据所述的特定载玻片制备规程制备所述样本载玻片。

7、如权利要求6所述的方法，其中，通过与所述的样本载玻片相邻，所述试剂包与所述样本载玻片相关联。

8、如权利要求6所述的方法，其中，通过使所述样本载玻片上带有与所述第一标记相同的第二标记，所述试剂包与所述样本载玻片相关联。

9、如权利要求6所述的方法，其中，所述试剂包包括一组孔室，每个孔室中包含所述特定载玻片制备规程所需要的试剂。

10、如权利要求6所述的方法，其中，所述试剂包包括一个剥离标记，其中包含所述第一标记，所述剥离标记置于所述样本载玻片上。

11、一种用于染色样本载玻片的设备，所述的设备包括：

至少一个载玻片盘，所述的载玻片盘用于容纳至少一个样本载玻片；

一个自动染色头部件，所述的自动染色头部件用于将试剂放置到所述样本载玻片上，所述的自动染色头部件还包含一个用于读取标记的输入装置，所述标记指定要执行的载玻片制备规程；

一个控制系统，所述的控制系统与自动染色头部件相连接，用于控制所述自动染色头部件在染色操作期间制备所述样本载玻片；

一个暂停输入件，所述暂停输入件用于在所述染色操作期间暂停所述设备；及

一个再启动输入件，所述的再启动输入件用于在把新的样本载玻片加到所述载玻片盘上之后、再启动所述设备；

其中，所述控制系统使所述的自动染色头部件读取与所述新样本载玻片相关联的一组新标记，以将所述新样本载玻片加到所述染色操作。

12、如权利要求11所述的设备，其中，所述设备还包括试剂包。

13、如权利要求11所述的设备，其中，每一个所述试剂包包括一组孔室，每个孔室中包含所述特定载玻片制备规程所需要的试剂。

14、如权利要求11所述的设备，其中，所述标记包括在每一个所述试剂包上的条形码。

15、如权利要求11所述的设备，其中，所述标记包括在所述样本载玻片上的一组条形码。

16、如权利要求11所述的设备，还包括：

STAT再启动输入件，所述的STAT再启动输入件用于在添加新的样本载玻片到所述的载玻片盘上之后、再次启动所述的设备，其中，所述的新样本载玻片被给予高优先级。

17、一种载玻片架，用于一种载玻片染色设备，所述的载玻片架包括：

第一容器，用于接受样本载玻片；

第二容器，用于接受试剂包，所述的试剂包包括制备所述样本载玻片所需要的至少一种试剂。

18、如权利要求17所述的载玻片架，其中，所述试剂包还包括标记，它标识用于所述样本载玻片的载玻片制备规程。

19、如权利要求17所述的载玻片架，其中，所述第一容器和所述第二容器相互邻接。

20、一种试剂包，用于载玻片染色设备，所述的试剂包包括：

一组孔室，所述的孔室包含有用于特定载玻片制备规程的试剂；及

一个标记，所述的标记与所述的载玻片制备规程相关。

21、如权利要求20所述的试剂包，其中，所述标记包括置于相关的样本载玻片上的剥离粘签。

22、如权利要求20所述的试剂包，其中，所述标记包括置于相关的样本载玻片上的剥离粘签。

23、一种载玻片染色设备，所述的设备包括：

至少一个载玻片架，用于容纳要制备的载玻片样本；和

一个可倾斜槽部件，所述的可倾斜槽部件包括位于第一面上的第一排泄孔，使得当其向下倾斜在所述第一面时、液体物通过所述第一排泄孔排出，所述的可倾斜槽部件还有位于第二面上的第二排泄孔，使得当其向下倾斜在所述第二面上时、液体物通过所述第二排泄孔排出。

24、如权利要求23所述的设备，其中，所述第一排泄孔与下水道系统连接。

25、如权利要求23所述的设备，其中，所述第二排泄孔与危险性废液容器相连接。

26、如权利要求23所述的设备，其中，所述第二排泄孔与波纹管相连接。

27、一种用于染色样本载玻片的设备，所述设备包括：

至少一个载玻片盘，所述的载玻片盘用于容纳至少一个样本载玻片和一个相关的试剂包，所述的相关的试剂包具有用于处理所述样本载玻片所需要的试剂；及

一个自动染色头部件，所述的自动染色头部件用于从所述相关的试剂包获得所述的试剂、并将试剂放置到所述的样本载玻片上。

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