Fisiopatología laberíntica en aviación

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PATOLOGÍA DEL BUCEO Y LA AVIACIÓN EN OTORRINOLARINGOLOGÍA
Fisiopatología laberíntica en aviación
Miguel Muñoz Colado
Servicio Otorrinolaringología. Hospital Militar Central Gómez Ulla. Madrid. España.
Cuando se somete al organismo a cambios de presión extremos y aceleraciones a las cuales no está acostumbrado sobrevienen alteraciones en el sistema vestibular que pueden provocar graves accidentes por desorientación espacial. En este
capítulo intentamos explicar la fisiología del sistema vestibular en condiciones extremas y las posibles soluciones a
estos problemas que se han ido desarrollando para evitar
accidentes aéreos.
Palabras clave: Ilusiones vestibulares. Fisiología vestibular.
Ilusiones vectoriales o de movimiento. Ilusiones somatográvicas. Ilusiones de inclinación.
ILUSIONES VESTIBULARES
Los fenómenos fisiológicos y las sensaciones que ocurren
durante el vuelo motivaron preguntas que, desde los mismos comienzos de la aviación a principios del siglo XX, se
hacían los científicos. Éstas se referían tanto a los fenómenos que aparecían al volar entre nubes densas, donde el piloto tendía a desorientarse al no tener puntos de referencias
visuales, como a lo que sucedía en el organismo al enfrentarse con cierta altitud y determinadas aceleraciones.
Esta preocupación motivó la Primera Conferencia Internacional de Medicina Aeronáutica celebrada en Roma en 1920,
año en el que se funda en Inglaterra la primera escuela de medicina aeronáutica, o la creación en Alemania y Holanda de
los grupos de trabajo para el estudio de las aceleraciones radiales, construyéndose en Berlín la primera centrifugadora humana. Tras la Segunda Guerra Mundial, al observar los efectos
que comenzaron a aparecer, como la visión gris y negra en
los pilotos de combate, se idearon dispositivos automáticos
que permiten al avión volar solo durante el tiempo en que el
piloto esta inconsciente (se pierde el conocimiento por exposición inmediata a grandes aceleraciones, de 1-9 G en 0,8 s).
Sin embargo, el inicio del desarrollo espectacular de la
medicina aeronáutica se produjo tras la aparición de nuevos
motores a reacción, ya que ocasionan en los pilotos aceleraciones tanto lineales como radiales impresionantes. Se empe-
Correspondencia: Dr. M. Muñoz Colado.
Servicio de Otorrinolaringología. Hospital Militar Central Gómez Ulla.
C/ Glorieta del Ejército, s/n. 28047 Madrid. España.
Correo electrónico: [email protected]
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Physiopathology of the vestibular system in flying
When the human body is subjected to extreme changes in
pressure and accelerations to which it is unaccustomed, alterations can occur in the vestibular system that can provoke serious accidents due to spacial disorientation. The present article aims to explain the physiology of the vestibular
system under extreme conditions and the possible solutions
to these problems that have been developed to avoid aviation accidents.
Key words: Vestibular illusions. Vestibular physiology. Vection illusions. Somatogyral illusions. The leans.
zaron a fundar los centros de investigación aeronáutica, como
el español (CIMA) creado en 23 de febrero de 1940 e instalado en el Departamento de Fisiología de la Facultad de
Medicina de la Universidad Complutense en el año 1942. En
esa época se creó también La Canadian Air Medicine, bajo
la dirección de Banting, el íntimo colaborador de Best, descubridor de la insulina, o el departamento de la naval Air
Station de Pensacola, dirigida por el Dr. Luis Iverson.
Posteriormente, en 1949, el general mayor de las fuerzas
aéreas americanas, el Dr. Amstromg, puso en relación y colaboración íntima a médicos, ingenieros, astrónomos, etc., los
cuales realizaron estudios muy interesantes sobre la ingravidez y las aceleraciones.
Sin duda, el aparato vestibular forma parte, junto con el
visual, el propioceptivo y el somatosensorial, de los fenómenos que ocurren en los vuelos y de la capacidad de orientarse en el espacio1-10. Para un piloto, no estar orientado es ser
incapaz de saber en qué posición se encuentra en el espacio
y esto, según las estadísticas, causa el 12% de los accidentes de la aviación comercial y el 20% de los accidentes de la
aviación militar.
La visión es el principal sentido implicado en la orientación en el vuelo; por un lado se encuentra la llamada visión
central foveana, que es la que identifica y reconoce los objetos, por ejemplo, los instrumentos de vuelo y el paisaje u
horizonte, y por otro la visión periférica, que es menos precisa y que se encuentra ligada directamente a la función vestibular. Así pues, la visión desempeña un papel primordial,
aunque también esta sometida a ilusiones, a veces muy fuertes, que se contraponen a los estímulos vestibulares.
En el espacio, el papel que desempeña la sensibilidad propioceptiva es poco fiable, ya que en vuelo las fuerzas cen-
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trífugas y centrípetas rivalizan con la fuerza de la gravedad
y, lógicamente, pueden perturbar la propiocepción, de manera que el piloto que no esté entrenado en el vuelo instrumental (fig. 1) y se fíe solamente del movimiento de su cuerpo en el asiento corre un gran peligro.
Fisiología del aparato vestibular
El aparato vestibular tiene 3 funciones claramente definidas1: asegura la percepción de los movimientos en el espacio,
orienta el cuerpo al moverse y estabiliza la visión gracias a
los reflejos oculovestibulares.
Estas funciones la llevan a cabo estructuras claramente
diferenciadas, los receptores vestibulares, contenidas en el
oído interno en una cavidad de 1,5 cm. Cada cavidad central o vestíbulo tiene 3 canales semicirculares óseos situados en el llamado laberinto posterior, situado cada canal en
un plano del espacio. Por otro lado se encuentran las crestas semicirculares y las máculas del utrículo y el sáculo. Estos
2 últimos tienen la misión de informar sobre los movimientos lineales y la fuerza de la gravedad. Contienen una placa de epitelio sensorial que se denomina mácula. Cuando
nos encontramos de pie, vertical, las maculas del utrículo
se encuentran en un plano horizontal y las del sáculo, en un
plano vertical. Estas máculas presentan una serie de células sensoriales que se denominan esterocilios y quinocilios,
y que tienen las características de inclinarse en un sentido
u otro, según las fuerzas de inercia que actúe en el organismo, y por tanto, sobre ellas.
Así, por ejemplo, los cilios de las máculas saculares son
horizontales y su polarización se hace del centro de la mácula hacia los extremos. Son estimulados por los movimientos laterales de la cabeza. Si la cabeza se inclina hacia la derecha, los otolitos del sáculo derecho se inclinan hacia bajo y
tiran sobre la mácula, de forma que la estimulación es máxima. Al contrario, los otolitos del sáculo izquierdo reposan
verticalmente sobre la mácula y la estimulan contraídamente en los movimientos de la cabeza hacia delante o hacia
atrás. Los otolitos deforman los cilios y estimulan el utrículo, de manera que son las máculas utriculares las que realizan la polarización desde los extremos hacia el centro.
Cuando la cabeza está en posición vertical, los cilios están
verticales y el estimulo es mínimo3.
Las fibras nerviosas de las máculas utriculares y saculares actúan de manera espontánea a unas 60 espigas/s y, aunque responden básicamente a aceleraciones lineales, también recogen las angulares de baja frecuencia (cabeceo y
rotación).
La sensibilidad de estos órganos otolíticos es realmente
muy precisa; así, son capaces de detectar cambios desde 1,5°
en la dirección de una aceleración lineal. En movimientos
lentos con el individuo sentado se percibe un cambio de
posición si el movimiento supera los 24° en el plano vertical o los 10° en el plano frontal.
Lo mismo ocurre con las aceleraciones radiales. Así, una
aceleración de solamente 0,006 g, es decir 0,06 m/s, puede
percibirse en el plano horizontal, y una aceleración de 0,01 g,
en el plano vertical.
Además de estos órganos del oído interno, utrículo y
sáculo, el organismo cuenta con los canales semicirculares,
Figura 1. Instrumentos de
navegación en un avión militar.
que son 3: canal vertical posterior o frontal, canal vertical
anterior o sagital, y canal horizontal externo o lateral; están
distribuidos en los 3 ejes del espacio.
Cada canal presenta un arco y una ampolla que está
situada cerca del utrículo. Cada una de estas ampollas contiene una formación sensorial llamada cresta ampular, y
cada una de estas crestas esta compuesta de células ciliadas muy parecidas a las del utrículo o el sáculo. En los
canales horizontales, todos los quinocilios están orientados hacia el utrículo, y al contrario en los canales verticales; contrariamente a la membrana otolíticas, sólo se estimulan con el desplazamiento de la endolinfa.
La actividad espontánea de descarga en reposo es de
90 espigas/s; hay aproximadamente 20.000 fibras en cada
nervio vestibular, por lo que cada laberinto envía cerca de
1,5 × 103 espigas/s al sistema nervioso central en condiciones de reposo.
Estos movimientos de la endolinfa son provocados por
los movimientos de rotación de la cabeza en el plano de su
canal y en sentido inverso al movimiento de la cabeza. Así,
si hacemos girar a un individuo con la cabeza recta en sentido horario, de izquierda a derecha, el movimiento de la
endolinfa es ampulípeto en el canal horizontal derecho y
ampulífugo en el izquierdo. Si la rotación continúa, aproximadamente a los 30 s la endolinfa se desplaza a la misma velocidad en el canal y la impresión de rotación desaparece, ya que la cúpula alcanza la posición de reposo. Al
frenar ocurren las sensaciones contrarias: la impresión subjetiva será la de una rotación en sentido inverso, es decir,
de derecha a izquierda. Estos datos fisiológicos son la causa de numerosas ilusiones sensoriales vestibulares que pueden llegar a provocar accidentes graves.
Los canales horizontales son los más sensibles a las aceleraciones angulares. Así, la aceleración angular mínima detectada por el canal horizontal es de 0,14°/s2 y el vertical 0,5°/s2.
También hay que tener en cuenta que la detección de una aceleración (a) no depende sólo del valor de esta aceleración,
sino también del tiempo (t) de ésta, ya que para que sea percibida tiene que cumplir la ecuación de a × t = 2,5°/s.
Como consecuencia de esta ecuación, hay un tiempo de
latencia en la percepción del giro que está en función de la
intensidad en la aceleración.
Pero no son solamente los órganos del oído interno, utrículo, sáculo y canales, los causantes de la sensación que tenemos de estar situados en el espacio, sino que intervienen
otra serie de factores, como los reflejos vestibulooculares,
que se encargan de estabilizar la imagen en la retina. La estimulación de un canal semicircular provoca una desviación
lenta de los ojos en el sentido del movimiento de la endoActa Otorrinolaringol Esp. 2007;58 Supl. 2:60-64
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Figura 2. Avión F-18.
linfa, es decir, en sentido inverso a la dirección de la aceleración. Si la aceleración angular mantiene el tiempo suficiente esta desviación lenta de los ojos, es interrumpida por
una desviación rápida en sentido inverso distinta, y esta
sucesión rápida de movimientos lentos y rápidos es lo que
conocemos con el nombre de nistagmo.
Es importante recordar que los canales semicirculares no
tiene la misión de mantener el equilibrio estático o dinámico; lo que hacen es servir de señal de información rápida al sistema nervioso central del desequilibrio que se va a
producir antes que el sistema otolítico mida exactamente la
amplitud real, alertando a los nódulos floculonodulares del
cerebelo4 para coordinar los movimientos compensatorios.
Así pues, estos órganos, que trabajan muy activamente
para señalarnos la posición que tenemos en el espacio y si
estamos sometidos a aceleraciones, en el campo de la aeronáutica tiene un papel muy importante, ya que el organismo se enfrenta a aceleraciones realmente impresionantes,
sobre todo en la aviación militar o las misiones espaciales3.
Estas aceleraciones pueden ser:
1. Lineales: sólo se registran cambios en la velocidad,
uniformes o no, en unidad de tiempo.
2. Radiales: las aeronaves experimentan modificaciones
de su velocidad y de dirección.
3. Angulares.
Estas aceleraciones son agresivas5 para el organismo, no
tanto por la velocidad en sí, sino por la acción de la gravedad. Así, cuando la velocidad se modifica en 9,8 m/s, la gravedad ejerce una atracción sobre el organismo similar a la
que desarrolla sobre un cuerpo en el vacío. Convencionalmente, esta acción a 9,8 m/s ha sido definida como “G”6.
Por regla general, hasta que no se alcanzan los 3 G no aparecen fenómenos patológicos; el organismo tarda más de un
segundo en presentar la enfermedad y necesita un máximo
de 20 s para poder adaptarse a ella.
Estas aceleraciones influyen en el aparato vestibular y,
además de ello, si la aceleración es importante, se provoca
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un desplazamiento de la sangre hasta los miembros inferiores, con lo que aparece una lógica vacuidad de los vasos del
cuello, con una disminución del volumen de expulsión
cardíaco. Esto es compensado mediante un fenómeno de
reajuste de los presorreceptores de los senos aórticos y carotídeos, dando lugar a una taquicardia compensadora y un
incremento del tono de las fibras circulatorias y, finalmente, la movilización de la sangre hacia los órganos vitales.
Sin embargo, cuando hay fallo circulatorio, que suele
ocurrir alrededor de los 6 s de comienzo de la aceleración, se
produce anoxia retiniana, con el fenómeno de visión negra,
y entre 6 y 10 s aparece la pérdida de conciencia, expresión
de la anoxia cerebral. Pasados 20 se reajusta la circulación de manera automática y se recupera la conciencia.
De ahí la necesidad de llevar trajes especiales anti-G que,
mediante mecanismos de presión en las extremidades, intentan evitar estos fenómenos.
Lógicamente, en la aviación comercial, tanto para los tripulantes de cabina como para los pasajeros, debido a las
características del vuelo, lo que prima es la seguridad y
la comodidad de los pasajeros, y este mecanismo de aceleraciones tanto radiales como angulares normalmente no
se produce, salvo en emergencias. Sin embargo, en la aviación militar (fig. 2), con los nuevos aviones de cuarta generación7, con capacidad de llegar hasta los 60.000 pies de altitud con una velocidad de ascenso de hasta 15.000 pies por
minuto y capaz de generar en sus maniobras hasta +9 G,
como el Gripen JAS 39, o el EF 2000 Thipoon8, el piloto recibe un gran input de estimulación sensorial de todos los órdenes. De haber tenido que modificar el traje anti-G con el
nuevo FCAGT (Full Coverage Anti G Trousers) y el chaleco de contrapresión, el personal militar deberá ser entrenado de manera escrupulosa para hacer frente a tantos estímulos sensoriales, cambios de presión y aceleraciones
realmente lesivas. En el curso de una experiencia llevada
a cabo con pilotos privados, con licencia solamente de vuelo visual y que no estaban familiarizados con el vuelo instrumental o nocturno, se les situó en una cabina de simulación que volaba entre nubes densas y se les hizo realizar
un giro brusco de 180°; en todos los casos, el avión se estrelló en menos de 3 min.
En un artículo publicado en Air Safety Foundation se
comenta que el conjunto de ilusiones perceptivas y vestibulares ha causado al menos 271 accidentes entre 1990 y 1999,
de los cuales el 90% ha acabado con el aparato estrellado en
tierra y la muerte de los pasajeros (fig. 3).
Por tanto, la desorientación espacial es producto de la
mezcla de sensaciones incongruentes que provienen de
la visión, el oído interno (utrículo, sáculo y canales semicirculares, es decir, los otolitos) y los músculos y las articulaciones, al llegar a los “centros vestibulares” de la base
del cerebro. Cuando no son armónicas se producen extrañas sensaciones y respuestas diversas, la más peligrosa de
las cuales es la desorientación, que pasa inadvertida y puede llevar fatalmente hasta el suelo. Como dato curioso, en
el programa Apolo y para algunos tripulantes del Shuttle,
la NASA9 usa escopolamina (antinauseoso) y dextraanfetamina, para contrarrestar el efecto sedativo de la anterior,
cada 8 h.
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Figura 3. Variación de dirección.
Figura 4. Acrobacias aéreas.
ILUSIONES VECTORIALES O DE MOVIMIENTO
piloto se da cuenta de que está inclinado hacia la derecha
y trata de corregir para colocarse horizontal, a una velocidad de 20°/s, claramente por debajo de la percepción de los
canales semicirculares, lo que le da la impresión de que ha
derivado en exceso hacia la izquierda, tendiendo a hacerlo
o a corregir esta maniobra hacia la derecha, a pesar de que
puede que el aparato este ya horizontal. Solamente los instrumentos de a bordo pueden informarle con claridad de
su posición exacta en el espacio, ya que su cerebro le da
impresiones falsas. Al igual ocurre cuando, en un viraje rápido debido a una turbulencia, el piloto recibe una información sensorial de que está inclinando hacia la derecha de
forma brusca, y lo que hace es intentar restablecer la horizontalidad de manera suave infraliminar, de forma que,
aunque haya corregido la maniobra, él continuará creyendo que sigue inclinado hacia la derecha, y pasará de la horizontal hacia la izquierda de manera inconsciente.
En la aviación comercial, normalmente, las aceleraciones
son uniformes, salvo en el despegue y el aterrizaje, por lo
que la fuerza de la gravedad es la única que influye en la
membrana otolítica.
Las ilusiones de origen vestibular pueden ser debidas a
los otolitos, a los canales semicirculares o a la combinación
de estas 2 estructuras y son, evidentemente, las más graves
que puede presentar un piloto
Sin embargo, en aviación militar y en la acrobática (fig. 4),
los pilotos se encuentran sometidos a aceleraciones lineales
o angulares, con cambios bruscos en la posición en el espacio que hacen que sean víctimas en ocasiones de las llamadas ilusiones vestibulares. Ésta se clasifican de la siguiente
manera:
1. Ilusiones oculogiras o somatogiras: son debidas a la
estimulación de los canales semicirculares por aceleración angular.
2. Ilusiones oculográvidas o somatogravídicas: están
ocasionadas por la estimulación de los otolitos por
las aceleraciones lineales.
Ilusiones de inclinación
Es el desplazamiento angular alrededor del eje de alabeo
o longitudinal.
En caso de mala o nula visibilidad, las llamadas ilusiones de inclinación son explicables por la sensibilidad de
los canales semicirculares y son extraordinariamente frecuentes. Así, si por ejemplo un piloto alabea hacia la derecha muy lentamente a una velocidad de 0,20°/s durante
10 s, este movimiento no será percibido debido a la ley
de Mulder (a × t = 0,20 × 10 = 2). Al cabo de estos 10 s, el
Ilusiones somotográvicas
Estas ilusiones son debidas a la presencia de aceleraciones lineales o radiales pero de larga duración, en las que los
canales semicirculares son estimulados por los movimientos de la cabeza que los acompañan, lo que permite una interpretación correcta de la estimulación otolítica; sin embargo, si la aceleración dura mucho tiempo, los canales dejan
de estimularse y puede haber una mala percepción de la
orientación del cuerpo en el espacio.
Esto ocurre, evidentemente, en la inclinaciones de los
virajes o en las de ascenso o picado, sobre todo en los aterrizajes de aviones de altas prestaciones en portaviones; así,
cuando son catapultados en el avión durante el despegue
y hay mala visibilidad o es de noche, el componente gravitatorio inercial se dirige de abajo hacia arriba, lo que origina la impresión de estar situado un ángulo de unos 45°
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“morro arriba” de manera tan intensa que el piloto trata de
corregir esta sensación y tiende a llevar la palanca hacia
abajo, intentando corregir instintivamente la maniobra, lo
que hace que se estrelle en el agua a pocos metros del final
de la pista.
Estos pilotos de portaviones requieren un entrenamiento especialmente duro, ya que experimentan fuerzas inerciales de –3 a +5 G en un tiempo de 2-4 s.
de un giro, puede creer que el faro se mueve, lo que provocará una actitud de vuelo no correcta.
Hay otras sensaciones que se denominan autocinesia y
se produce en la noche con las estrellas o las pequeñas luces.
El piloto que las mira fijamente puede llegar a creer que parpadean y las pueden confundir con una aeronave en movimiento y hacer maniobras de evitación.
Las ilusiones ligadas a los accidentes más frecuentes son:
Ilusiones oculográvidas
Es otra ilusión originada en el utrículo y el sáculo en la
que está implicado el efecto de la visión.
La ilusión oculogravídica, al igual que la oculogira, se
debe probablemente al intento de mantener la fijación visual
cuando se está recibiendo un reflejo vestíbulo ocular. Por
ejemplo, la ilusión de tener el avión “encabritado” o con el
morro alto puede aparecer durante una aceleración provocada por una turbulencia o después de una maniobra de
restablecimiento de la posición en caso de descenso rápido.
La estimulación del sistema otolítico ocasiona por vía refleja un movimiento de los ojos hacia abajo, lo que provoca en
el piloto una sensación de que los instrumentos están más
abajo, lo que es característico cuando el morro está más alto.
Ilusiones somatogiras
El efecto somatogiro resulta de la incapacidad de los conductos semicirculares de registrar con precisión una rotación prolongada, es decir, una velocidad angular sostenida, porque llega un momento en que la sensación de
rotación se hace cada vez menor y, eventualmente, desaparece, mientras que la cúpula retorna de manera gradual a
su posición de reposo en ausencia de estímulo de aceleración angular.
Si el sujeto en rotación se somete con posterioridad a una
deceleración angular, después de llevar, por ejemplo, más
de 10 s de movimiento rotatorio continuo, su sistema cupuloendolinfático enviará una señal que producirá una sensación de movimiento en sentido contrario al de la velocidad angular constante que había alcanzado, dándole la
impresión que irá en sentido contrario.
En vuelos a baja cota esta ilusiones somatogiras pueden
ser mortales.
Dos ejemplos de estas ilusiones somatogiras son efectos
prácticos, las barrenas y la llamada espiral mortal, en donde un piloto no entrenado haría una maniobra brusca para
intentar corregir lo que él cree que es un giro hacia el lado
contrario, cuando en realidad es en el mismo sentido.
Ilusiones oculogiras
Mientras que la ilusión somatogira es una falsa sensación de autorrotación de un sujeto sometido a un movimiento angular inusual, en la ilusión oculogira se produce una falsa sensación de movimiento de un objeto visto
por el piloto.
Se trata del desplazamiento aparente de un objeto situado delante del piloto que presenta una aceleración angular,
y se desencadena como consecuencia del reflejo vestibuloocular producido por la rotación. Así, sí hay solamente un
faro visible por la noche en la oscuridad, el piloto, después
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1. Ilusión somatogira a la salida de un viraje prolongado. En vuelo en el que el piloto gire, por ejemplo, hacia
la derecha de una manera constante por encima de los
límites de la estimulación de los canales semicirculares, como el estímulo es constante, al final se dejan de
estimular. Cuando el piloto decide no seguir virando,
por un lado, la endolinfa continúa su sentido de la rotación, y por otro lado, los cilios otolíticos, al percibir el
piloto un giro en sentido inverso, es decir, hacia la
izquierda, inicia una maniobra de compensación que
puede llevarle incluso a una desorientación de 180° si
no mira los instrumentos.
La misma desorientación se da en vez de en un viraje en una inclinación y al intentar compensarla.
2. Efecto o vértigo de coriolis. Es la forma más extrema de desorientación debido al aparato vestibular
y, evidentemente, la más peligrosa. En realidad es una
falsa sensación de movimiento generada por una estimulación anómala de los conductos semicirculares.
Así, si un piloto en vuelo instrumental comienza el
despegue y en el ascenso gira hacia la izquierda, las
estructuras vestibulares estimuladas serán los otolitos y uno de los canales semicirculares; pero si, por
cualquier situación, como mirar un instrumento o
recoger un mapa del suelo, baja bruscamente la cabeza y gira hacia la derecha, aparecen estímulos de diferentes canales semicirculares, por lo que habrá un vértigo agudo que puede verse agravado aún más por
los reflejos oculovestibulares, lo que provocará una
gran desorientación y puede ser víctima de accidente mortal, sobre todo en maniobras cerca del suelo.
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