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经验交流
磁共振超短回波时间及梯度回波序列在早产儿肺部的应用研究
宋宇 宁刚 李学胜 陈锡建 廖怡

Cite this article as: Song Y, Ning G, Li XS, et al. Application of MRI ultrashort echo time and gradient echo sequence in the lungs of preterm infants[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(6): 102-107.本文引用格式:宋宇, 宁刚, 李学胜, 等. 磁共振超短回波时间及梯度回波序列在早产儿肺部的应用研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(6): 102-107. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.06.020.


[摘要] 目的 探讨三维超短回波时间(three-dimensions ultra short echo time,3D UTE)序列和三维梯度回波(three-dimensions gradient echo,3D GRE)序列对早产儿肺部磁共振成像的可行性,优化磁共振序列扫描参数。材料与方法 前瞻性纳入于2021年3月至7月在我院行肺部MR检查的早产儿95例,男婴50例,女婴45例,年龄1天~1岁10个月,中位年龄5个月。所有志愿者均在联影3.0 T儿科专用磁共振设备(UIH uMR Alpha)上进行肺部磁共振检查,扫描序列包括3D UTE和3D GRE序列。各序列分别采用不同扫描参数进行序列调试。采用随机分配的方法将3D UTE序列按照不同扫描参数组别将所有受试者分为组一(18例)、组二(17例)、组三(19例)、组四(21例)和组五(20例)等五个组别。3D GRE序列按照不同扫描参数组别将所有受试者分为组Ⅰ (24例)、组Ⅱ (22例)、组Ⅲ (23例)和组Ⅳ (26例)等四个组别。两名放射科医师采用客观评价法对不同扫描参数时图像质量进行评价,客观评价指标包括信噪比(signal noise ratio,SNR)和对比噪声比(contrast noise ratio,CNR),并进一步对不同组间扫描时间进行比较。结果 3D UTE和3D GRE序列不同扫描参数时肺部图像SNR和CNR差异有统计学意义(P<0.05)。在3D UTE序列中,组一、二、三分别与组四和组五图像的SNR和CNR差异有统计学意义(P<0.05),而组四和组五图像质量差异无统计学意义(P>0.05)。同时,组四较组一、二、三扫描时间分别减少77.95%、75.55%和6.67%,组五较组一、二扫描时间分别减少76.06%和73.45%。在3D GRE序列中,组Ⅰ、Ⅱ分别与组Ⅲ、Ⅳ图像的SNR和CNR差异有统计学意义(P<0.05),而组Ⅲ与组Ⅳ图像质量差异无统计学意义(P>0.05)。同时,组Ⅲ较组Ⅰ、Ⅱ扫描时间分别减少70.80%和24.24%,组Ⅳ较组Ⅰ扫描时间减少40.71%,而图像质量却显著提高。结论 3D UTE和3D GRE序列对早产儿肺部进行磁共振成像是可行的,3D UTE序列推荐扫描参数为组四和组五,3D GRE推荐扫描参数为组Ⅲ和组Ⅳ。其在保证较高图像质量的同时,大大缩短临床扫描时间,提高检查成功率。
[Abstract] Objective To explore the feasibility of three-dimensions ultra short echo time (3D UTE) sequence and three-dimensions gradient echo (3D GRE) sequence for magnetic resonance imaging of preterm infants' lungs, and to optimize magnetic resonance sequence scanning parameters.Materials and Methods Prospectively enrolled 95 preterm infants, 50 male infants and 45 female infants who underwent pulmonary MR examinations in our hospital from March to July 2021, aged from 1 day to 1 year and 10 months, and the median age was 5 months. All volunteers performed lung magnetic resonance examinations on the United Imaging 3.0 T pediatric specific magnetic resonance equipment (UIH uMR Alpha). The scanning sequence included 3D UTE and 3D GRE sequences. Each sequence uses different scanning parameters for sequence debugging. According to different scanning parameters, all subjects were randomly divided into five groups in 3D UTE sequence: Group 1 (18 cases), Group 2 (17 cases), Group 3 (19 cases), Group 4 (21 cases) and Group 5 (20 cases). 3D GRE sequence were randomly divided into four groups: Group Ⅰ (24 cases), Group Ⅱ (22 cases), Group Ⅲ (23 cases) and Group Ⅳ (26 cases). Two radiologists evaluated the image quality at different scanning parameters using objective evaluation methods. The objective evaluation indicators include signal noise ratio (SNR) and contrast noise ratio (CNR). Scanning time among different groups were further compared.Results There were statistically significant differences (P<0.05) in SNR and CNR of lung images at different scanning parameters for the 3D UTE and 3D GRE sequences. In the 3D UTE sequence, the SNR and CNR of Group 1, 2, and 3 were significantly different from those of Group 4 and 5, respectively (P<0.05), while there was no significant difference in image quality between Group 4 and 5 (P<0.05). Meanwhile, the scanning time was reduced by 77.95%, 75.55% and 6.67% in Group 4 compared with Group 1, 2, and 3, and 76.06% and 73.45% in Group 5 compared with Groups 1 and 2, respectively. In the 3D GRE sequence, the SNR and CNR of Group Ⅰ and Ⅱ were statistically significant (P<0.05) compared with those in the Group Ⅲ and Ⅳ, respectively, while no statistically significant differences were seen in the image quality between the Group Ⅲ and Ⅳ (P>0.05). Meanwhile, the scan time was reduced by 70.80% and 24.24% in Group Ⅲ compared with Group Ⅰ and Ⅱ, respectively, and 40.71% in Group Ⅳ compared with Group Ⅰ, while the image quality was significantly improved.Conclusions 3D UTE and 3D GRE sequences are feasible for MRI of the of preterm infants' lungs. The recommended scanning parameters for 3D UTE sequences are the Group 4 and 5, and the recommended scanning parameters for 3D GRE are the Group Ⅲ and Ⅳ. While ensuring high image quality, it greatly shortens the clinical scan time, and improves the success rate of examinations.
[关键词] 早产儿;磁共振成像;三维超短回波时间序列;三维梯度回波序列;图像质量
[Keywords] preterm infants;magnetic resonance imaging;three-dimensional ultrashort echo time sequence;three-dimensional gradient echo sequence;image quality

宋宇 1, 2   宁刚 1, 2   李学胜 1, 2   陈锡建 1, 2   廖怡 1, 2*  

1 四川大学华西第二医院放射科,成都 610041

2 出生缺陷与相关妇儿疾病教育部重点实验室,成都 610041

廖怡,E-mail:connie0064@126.com

作者利益冲突声明:全体作者均声明无利益冲突。


基金项目: 国家重点研发计划 2017YFC0109004
收稿日期:2021-09-18
接受日期:2022-05-18
中图分类号:R445.2  R722 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.06.020
本文引用格式:宋宇, 宁刚, 李学胜, 等. 磁共振超短回波时间及梯度回波序列在早产儿肺部的应用研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(6): 102-107. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.06.020

       早产儿是指胎龄小于37周出生的活产婴儿,其器官功能和适应能力与足月儿相比较差,并且可能出现呼吸困难,体温调节困难且不稳定等问题[1, 2]。早产儿呼吸系统疾病多需要通过影像学检查辅助诊断,但部分呼吸系统疾病会引起患儿呼吸困难,在检查过程中需要呼吸支持及生理信号监控设备。目前,X射线摄影和计算机断层成像(computed tomography,CT)是临床较常采用的检查手段,但均存在电离辐射,在早产儿长期的随访中电离辐射的累积会对抵抗力较弱的早产儿带来潜在的风险。MRI作为一种无辐射、无创伤的成像技术,目前在肺部成像方面仍然存在诸多挑战。由于肺实质的氢质子密度很低,横向弛豫时间短,常规MRI序列均表现为极低信号。同时,空气—组织界面的存在会引起明显的磁敏感伪影,加上心脏和呼吸运动伪影,导致空气—肺纹理—肺病灶对比度差[3, 4, 5]。此外,早产儿肺体积小,呼吸频率较快且无法完成屏气等,均导致早产儿肺部MRI质量较差。

       近年来,随着MRI技术的快速发展与进步,使得其在肺部中的应用成为可能。其中,三维超短回波时间(three-dimensions ultra short echo time,3D UTE)序列是近年来研发的可显示组织短T2成分的新技术,是目前最常用的肺结构成像技术,可显示肺部的细微结构[6]。而三维梯度回波(three-dimensions gradient echo,3D GRE)序列在显示肺纹理等血管结构上具有一定优势[7]。但是目前在早产儿肺部磁共振检查参数优化方面的研究报道却较少,因此早产儿肺部磁共振扫描方案亟待优化和临床验证。本研究拟采用3.0 T儿科专用磁共振设备对早产儿肺部进行成像,并通过对成像序列及参数进行优化,提高气道、肺野病灶显示以满足临床诊断需求,为儿科尤其早产儿肺部磁共振的临床应用提供依据。

1 材料和方法

1.1 一般资料

       本研究经四川大学华西第二医院医学伦理委员会批准,批准文号:医学科研2021伦审批第(020)号,所有受试者监护人均签署知情同意书。本研究前瞻性纳入2021年3月至7月在我院行肺部MR检查的早产儿95例,男婴50例,女婴45例,年龄1天~1岁10个月,中位年龄5个月。入组标准:无MRI检查禁忌证(如体内有起搏器、支架、金属植入物等);患儿生命体征良好可完成MRI检查者。

1.2 仪器与方法

       本研究采用联影3.0 T儿科专用磁共振设备(UIH uMR Alpha),梯度场强80 mT/m,梯度切换率200 mT/m,所采用的线圈是8通道胸部线圈。患者取仰卧位,头先进,双上臂自然置于身体两侧。采用吸入麻醉方式中浓度递增慢诱导法对所有受试者进行麻醉,让患儿通过吸入浓度为1%~2%的七氟烷(丸石制药株式会社)气体后逐渐丧失意识。本研究采用3D UTE和3D GRE序列对早产儿行肺部磁共振检查,3D UTE和3D GRE序列采用不同扫描参数进行序列调试,以筛选出成像最佳的参数条件。本研究采用随机分配的方法将3D UTE序列按照不同扫描参数组别将所有受试者分为组一(18例)、组二(17例)、组三(19例)、组四(21例)和组五(20例)等五个组别。3D GRE序列按照不同扫描参数组别将所有受试者分为组Ⅰ (24例)、组Ⅱ (22例)、组Ⅲ (23例)和组Ⅳ (26例)等四个组别。具体调试参数和组别如表1所示。

表1  MRI各序列扫描参数调试

1.3 图像分析与测量

       两名具有5年影像诊断经验的放射科医师作为观察者在工作站上采用双盲法对图像进行分析与测量。两名观察者采用客观评价法对各序列不同扫描参数情况下图像质量进行评价,客观评价指标包括信噪比(signal noise ratio,SNR)、对比噪声比(contrast noise ratio,CNR)。测量肺实质和正常结构的MR信号强度(signal intensity,SI):由两名具有5年影像诊断经验的放射科医生分别在肺实质、气管、周围肺血管、周围支气管等手动放置感兴趣区(region of interest,ROI),并记录MR平均信号强度。其中,周围肺血管ROI置于避开邻近肺实质的圆形肺段血管上。在周围支气管中,选择在分段支气管中绘制包括支气管壁和腔内空气的圆形ROI。选择气管区域作为背景噪声区,气管ROI内的背景噪声标准差即噪声值(SD气管),三次测量取其平均值[8]。计算公式如下:

1.4 统计学方法

       采用SPSS 26.0进行统计学分析。观察者间信度(inter-observer reliability)和复测信度(test-retest reliability)分析采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient,ICC)混合模型检验。采用Shapiro-Wilk检验分析测量数据的正态性,符合正态分布的数据采用“均数±标准差”进行描述,不符合正态分布的数据采用“中位数(下四分位数P25,上四分位数P75)”进行描述。采用Kruskal Wallis秩和检验分析比较各序列不同扫描参数时图像SNR和CNR的差异。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 观察者间信度分析

       两名具有5年影像诊断经验的放射科医师对3D UTE序列(表2)和3D GRE序列(表3)不同扫描参数下的SNR、CNR评价进行观察者间信度分析。结果显示,两名医师之间在SNR、CNR的评价结果一致性均较强,组间ICC值位于0.832~0.994之间。

表2  3D UTE序列不同扫描参数下图像质量评价的组内信度分析(ICC值)
表3  3D GRE序列不同扫描参数下图像质量评价的组内信度分析(ICC值)

2.2 复测信度分析

       其中一位具有5年影像诊断经验的放射科医师在完成第一次评价之后,间隔两周,再次对3D UTE序列(表4)和3D GRE序列(表5)不同扫描参数下的SNR、CNR进行评价。结果显示,两次影像质量评价具有较好的一致性,组内ICC值位于0.892~0.998之间。说明观察者的评价稳定,图像质量评价具有较好的可靠性。

表4  3D UTE序列不同扫描参数下图像质量评价的复测信度分析(ICC值)
表5  3D GRE序列不同扫描参数下图像质量评价的复测信度分析(ICC值)

2.3 3D UTE序列不同扫描参数时早产儿肺部MRI图像SNR、CNR及扫描时间的比较

       采用Kruskal Wallis秩和检验对3D UTE序列不同扫描参数时图像质量的差异进行检验分析,检验分析结果显示不同组间SNR和CNR差异有统计学意义(P<0.05) (表6)。其中,组一、二、三分别与组四和组五图像肺实质的SNR和CNR差异有统计学意义(P<0.05);在主动脉中,组一和组三分别与组四和组五、组二与组五图像的SNR差异有统计学意义(P<0.05);在周围肺血管中,组一和组二分别与组四和组五、组三与组五图像的SNR和CNR差异有统计学意义(P<0.05);在周围支气管中,组一、二、三分别与组五的SNR,组三与组五的CNR差异有统计学意义(P<0.05) (表7),而组四与组五图像质量差异无统计学意义(P>0.05)。不同组间图像SNR和CNR的比较如图1所示。同时,进一步对各组间的扫描时间进行比较,结果显示组四较组一、二、三扫描时间分别减少77.95%、75.55%和6.67%,组五较组一、二扫描时间分别减少76.06%和73.45%,而图像质量却显著提高(图2)。本研究结果发现,3D UTE序列选择组四和组五扫描参数,可在保证较高的图像质量的同时,大大缩短临床扫描时间,提高检查成功率。

图1  3D UTE序列不同组间图像质量比较。1A:3D UTE序列不同组间图像SNR的比较;1B:3D UTE序列不同组间图像CNR的比较。注:3D UTE:三维超短回波时间序列;SNR:信噪比;CNR:对比噪声比。
图2  早产儿肺部3D UTE图像。2A、2B:参数优化前3D UTE轴位及冠状位图像;2C、2D:参数优化后3D UTE 轴位及冠状位图像。参数优化后SNR和CNR均优于参数优化前,图像质量提高。注:3D UTE:三维超短回波时间序列;SNR:信噪比;CNR:对比噪声比。
表6  3D UTE序列不同扫描参数时肺部MR图像质量(SNR和CNR)的比较
表7  3D UTE序列不同扫描参数组间图像质量差异组间两两比较(P值)

2.4 3D GRE序列不同扫描参数时早产儿肺部MRI图像SNR、CNR及扫描时间的比较

       采用Kruskal Wallis秩和检验对3D GRE序列不同扫描参数时图像质量的差异进行检验分析,检验分析结果显示不同扫描参数时图像的SNR和CNR差异有统计学意义(P<0.05) (表8)。其中,在肺实质中,组Ⅰ、Ⅱ分别与组Ⅲ的SNR和CNR差异有统计学意义(P<0.05);在主动脉中,组Ⅰ与组Ⅲ、组Ⅳ的SNR差异有统计学意义(P<0.05);在周围肺血管中,组Ⅱ与组Ⅲ、组Ⅳ的SNR和CNR差异有统计学意义(P<0.05);在周围支气管中,组Ⅰ、Ⅱ分别与组Ⅲ、组Ⅳ的SNR和CNR差异有统计学意义(P<0.05),而组Ⅲ与组Ⅳ图像质量差异无统计学意义(P>0.05)。不同组间图像SNR和CNR的变化趋势如图3所示。同时,进一步对各组间的扫描时间进行比较,结果显示组Ⅲ较组Ⅰ、Ⅱ扫描时间分别减少70.80%和24.24%,组Ⅳ较组Ⅰ扫描时间减少40.71%,而图像质量却显著提高(图4)。本研究结果发现,3D GRE序列选择组Ⅲ和组Ⅳ扫描参数,可在保证较高的图像质量的同时,缩短临床扫描时间,提高检查成功率。

图3  3D GRE序列不同组间图像质量比较。3A:3D GRE序列不同组间图像SNR的比较;3B:3D GRE序列不同组间图像CNR的比较。注:3D GRE:三维梯度回波序列;SNR:信噪比;CNR:对比噪声比。
图4  早产儿肺部3D GRE图像。4A:参数优化前3D GRE图像;4B:参数优化后3D GRE图像。参数优化后SNR和CNR均优于参数优化前,图像质量提高。注:3D GRE:三维梯度回波序列;SNR:信噪比;CNR:对比噪声比。
表8  3D GRE序列不同扫描参数时肺部MR图像质量(SNR和CNR)的比较
表9  3D GRE序列不同扫描参数组间图像质量差异组间两两比较(P值)

3 讨论

       近年来,以MRI为代表的医学影像技术飞速发展,其具有无辐射、无创伤性、较高的时间和空间分辨率等优点,为疾病的诊断、治疗、预测及评估提供了从宏观组织形态到微观亚细胞结构、从血流和能量代谢到功能改变等不同层次的生理病理信息,体现了信息多维度与多模态的特点[9]。但对于肺部疾病而言,目前尚缺乏适合早产儿磁共振肺部检查的扫描方案及适宜环境[10]。近年来,随着MRI技术的发展,如3D UTE和3D GRE序列的出现、图像采集和成像方式的进步、呼吸门控及导航的运用及新生儿专用小型磁共振设备的开发[11, 12, 13, 14],MRI检查已成为新生儿肺部疾病如支气管肺发育不良、新生儿呼吸窘迫综合征、新生儿肺炎、新生儿气管软化、间质性肺病如囊性纤维化等的新兴检查手段[15, 16, 17, 18]。本研究通过对3D UTE和3D GRE序列进行序列探索和参数优化,来获得适合新生儿肺部MRI的最佳扫描方案,并结合呼吸门控技术和导航门控技术等两种触发方式的扫描模式来采集图像,从而获得对气道、肺野病灶的显示能满足临床诊断需求的MRI图像,为临床新生儿肺部疾病的MRI提供可供参考的扫描方案,具有较好的临床实践价值。

3.1 3D UTE序列不同扫描参数时早产儿肺部MRI图像质量及扫描时间的比较

       3D UTE是目前MRI中最常见的肺结构成像技术,可显示组织短T2成分[19]。其原理是在2D UTE序列的基础上采用短矩形硬脉冲进行激发,数据采用三维放射状进行采集,即由K空间中心向外、呈圆锥形填充[20]。由于肺是一个充满空气的器官,因而MRI具有挑战性。首先,可用的信号总量受限于肺实质中固有的质子密度。其次,有效的横向弛豫时间(T2*)的减少是由于非谐振的结果。由于空气—组织边界的失谐效应,T2*减少,加剧了信号损失,进一步损害了整体SNR。最后,要克服的障碍是呼吸运动的影响。由于GRE序列的回波时间(TE)通常在几毫秒的数量级上,将导致信号采集时出现明显的自旋去相,从而导致整个图像的信号空洞和失真。快速自旋回波序列能够通过反复的射频再聚焦来重新聚焦易感效应。与导航仪相结合,可在自由呼吸的情况下获得肺部的UTE图像。

       最近的研究表明,3D UTE序列可实现与CT相当的3D亚毫米图像分辨率、组织密度可视化和结构评估[21, 22]。Metz等[23]的研究表明3D UTE能够在单次屏气内对造血干细胞移植手术过程中的典型肺部并发症进行无创评估,但该研究针对的人群为22~78岁的成年人,而本研究探索的是针对早产儿肺部MRI的扫描方案。Renz等[24]的研究证实,与金标准胸部CT和T1WI加权序列相比,3D UTE对≤4 mm的肺小结节及细微实质区域阴影的检出率更高,表明3D UTE对于儿童是有利的并且具有较高的诊断性能。该研究结果更加突出了本研究在早产儿这一特殊群体中探索的必要性和重要性。

       MRI图像质量与设备性能及序列扫描参数的设置息息相关,而扫描参数设置的主要依据是图像SNR、空间分辨率和扫描时间三者的平衡,三者间存在着矛盾统一的关系[25]。本研究中我们在其他参数[(TE、翻转角(FA)、带宽(BW)和层厚(THK)]相对不变的情况下,尝试通过调节重复时间(TR)、视野(FOV)和矩阵(Matrix)等参数来使图像在满足临床诊断需求的情况下,尽可能地减少扫描时间以提高受试者的扫描成功率,进而提高图像质量。该序列通过减小FOV来提高图像的空间分辨率,但由于SNR和FOV成正比,因此图像的SNR会降低。此时,通过调节采集Matrix,使图像的SNR得到平衡。因此,在该序列调试过程中本研究适当减少FOV以及降低采集Matrix来使图像质量满足临床诊断需求,同时适当降低TR时间,来使总体扫描时间有所降低。本研究发现该序列不同扫描参数时肺部MRI图像质量不同,3D UTE序列选择组四和组五扫描参数可保证较高的图像质量时,大大缩短临床扫描时间,增加患儿的耐受度,提高检查成功率。

3.2 3D GRE序列不同扫描参数时早产儿肺部MRI图像质量及扫描时间的比较

       该序列结合Radial技术采用径向轨迹采集模式,利用径向采集对运动不敏感的特点[26, 27],对呼吸、吞咽蠕动、搏动等不自主的运动具有很好的抑制作用,可实现对屏气不好患者的自由呼吸成像或如纵隔等不自主运动多的部位的扫描。相对于其他采集模式,该序列具有更清晰的组织轮廓和对比度,可较清晰地显示肺纹理。该序列可用于评估病灶内是否含有脂质成分,三维快速GRE序列可提供高分辨率的图像,可用来评估肿瘤内的脂肪成分如畸胎瘤和脂肪瘤等[28, 29]。Pennati等[30]的研究结果表明,包括3D GRE序列在内的MRI为囊性纤维化患者的早期肺结构改变和区域功能障碍的纵向评估提供了一种可行的无电离辐射的工具。

       在该序列的调试过程中,本研究在FA、BW等参数不变的情况下,尝试综合调节TR、TE、THK、FOV和Matrix等参数来获得最优的图像质量。本研究首先通过调节TR和TE使图像对比度满足临床诊断需求,调节FOV大小和THK使扫描范围符合受试者肺部范围。随着FOV变小,图像受检区域减小,图像的空间分辨率增加,但SNR降低。此时,通过调节采集Matrix,使图像的SNR得到平衡。本研究发现该序列不同扫描参数时肺部MRI图像质量不同,3D GRE序列选择组Ⅲ和组Ⅳ扫描参数可保证较高的图像质量时,大大缩短临床扫描时间,增加患儿的耐受度,提高检查成功率。

       综上所述,经过一系列的序列参数筛选、图像质量和扫描时间的比较以及患者耐受度等因素的综合考虑,我们筛选出针对早产儿肺部MRI最优的扫描序列和扫描参数。同时,我们根据患儿的不同情况制订了个性化的扫描方案,当患儿呼吸幅度低浅、频率较快时采用导航门控模式来采集图像;当患儿呼吸幅度较深、频率适中,即呼吸的最大程度点可达到能够触发图像采集的幅度,则采用呼吸门控模式来采集图像。

3.3 本研究的局限性

       本研究仍存在一些不足之处,由于样本量的限制和受试者间的个体化差异,推荐的扫描参数可能不适于所有年龄段人群肺部MRI扫描,尚需进一步增加样本量和扩大年龄段范围后来进行深入分析和探讨。

       综上所述,磁共振3D UTE和3D GRE序列对早产儿肺部成像是可行的。3D UTE序列选择组四和组五扫描参数、3D GRE序列选择组Ⅲ和组Ⅳ扫描参数时可在保证较高图像质量的同时,大大缩短扫描时间,增加患儿的耐受度,为早产儿肺部磁共振临床扫描方案提供了较好的参考价值。

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