CN102264436A - 粒子射线治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够减小射束尺寸的粒子射线治疗装置。包括：加速器(14)，该加速器(14)对带电粒子束进行加速；照射装置，该照射装置包含对上述带电粒子束进行扫描的射束扫描装置5a、5b，将上述带电粒子束照射到照射对象；以及射束输送装置(15)，该射束输送装置(15)包括管道，该管道确保有从上述加速器(14)连通到配置在上述射束扫描装置5a、5b的下游侧的射束射出窗(7)的真空区域或气体区域，将从上述加速器(14)射出的上述带电粒子束输送到上述照射装置。

Description

粒子射线治疗装置

技术领域

本发明涉及用于癌症治疗等的粒子射线治疗装置，特别涉及实现扫描式照射的粒子射线治疗装置。

背景技术

粒子射线治疗装置的照射方法中大致可分为以下两种方法：广域照射法，该广域照射法对照射对象即患者的整个患部同时照射射束；以及扫描式照射法，该扫描式照射法对射束进行扫描来进行照射。扫描式照射法中包括点扫描法、光栅扫描法等，在本说明书中将它们统称为扫描式照射法。为了实现扫描式照射法，需要适用于该照射方法的设备及控制方法。对于实际照射出带电粒子束的前端部，也需要对其进行加工以实现扫描式照射法。将照射出带电粒子束的前端部称为照射系统、照射区形成装置、照射头、照射喷头等，但在本说明书中，都称为照射装置。

在用于现有的粒子射线治疗装置的扫描式照射装置中，为了提高照射到患者的患部的照射位置精度，提出有以下方案：即，确保有真空区域、或者比空气要轻的氦气等气体区域，以抑制射束的散射、减小射束尺寸(例如，专利文献1)。在确保有真空区域或气体区域的部分，表现为腔体(射束运输腔，气体腔等)、或管道(真空管道(vacuum duct)等)等，可以认为它们本质上是相同的。因而，在本说明书中将该部分称为管道。另外，在上述管道中，将带电粒子束通过的部分称为窗。在专利文献中称为隔离窗(隔离膜)、射束射出窗，但在本说明书中，将位于带电粒子束轨道的最下游的窗称为射束射出窗。

基于图7说明现有的粒子射线治疗装置中的扫描式照射装置。扫描式照射装置包括：真空管道1，该真空管道用于确保真空区域；窗(射束射出窗)7，真空管道1中的带电粒子束通过上述窗；扫描装置5a、5b，该扫描装置5a、5b对带电粒子束进行扫描；射束位置监控器3a、9，该射束位置监控器对带电粒子束的位置进行测定；以及剂量监控器8，该剂量监控器对射束剂量进行测定。

接着，说明现有的粒子射线治疗装置中的扫描式照射装置的动作。由加速器进行了加速的带电粒子束经由未图示的射束传输装置而导入真空管道1(在图7的情况下，从图的上方向下方)。带电粒子束通过真空管道1的窗7而向大气中放出，利用第一射束位置监控器3a对射束照射位置进行确认。而且在下游侧，带电粒子束由扫描电磁铁等的射束扫描装置5a、5b等控制照射方向。照射带电粒子束，以沿着图上所记载的中心线(点划线)上；调整该射束，使得若射束扫描装置5a、5b不进行控制，则该射线最终会向着中心(照射基准点)11。

对于射束扫描装置5a、5b，通常是一个沿X方向进行扫描，另一个沿Y方向进行扫描。对于带电粒子束，还会由配置在下游的剂量监控器8来对其剂量进行测定，并还会再一次由配置在下游侧的第二射束位置监控器9来对射束位置进行确认。最终，带电粒子束会照射到照射对象即患者的患部。如图7所示，剂量监控器8及第二射束位置监控器9能够根据照射对象即患者10b的患部位置、大小而由驱动装置21进行驱动，以沿射束轴方向进行移动。另外，如图8所示，也考虑有以下方案：即，通过向现有的粒子射线治疗装置的照射装置追加新的真空管道4a、6a，从而能够在带电粒子束通过的区域中，尽可能多地确保真空区域。

使用现有的扫描式照射装置，如图8所示那样利用管道确保真空区域、或者比空气要轻的氦气等气体区域，利用该空间中的空气来降低射束的散射。然而，存在以下问题：即，由空气引起的射束散射只是决定射束尺寸的条件之一，图8的扫描式照射装置不能获得进行实用的扫描式照射所需的较小的射束尺寸。下面详细说明。

图9是说明散射角和束点直径之间的关系的示意图。前进的射束若遇到障碍物则发生散射，具有一定的展宽来进行传播。将该展宽称为散射角，在图9中表示为θ(弧度)。将在离开障碍物的距离为r的地方的束点直径如图9所示那样设为大致为rθ。在现有的扫描式照射装置中，配置在扫描电磁铁的上游侧的窗7、第一射束位置监控器3a等相当于障碍物。即，带电粒子束在该窗7的位置发生散射，之后，具有一定的展宽来进行传播。

在图7及图8所示的现有技术中，由于成为射束的散射的主要原因的障碍物位于远离照射点即中心的位置，即，在图9的示意图中的距离r较大，因此，存在束点直径变大、不能获得用于实际的扫描式照射所需的非常小的射束尺寸的问题。如图8所示，也考虑有以下方案：即，通过向现有的粒子射线治疗装置的照射装置追加新的真空管道4a、6a，从而能够在带电粒子束通过的区域中，尽可能多地确保真空区域。而且，利用该结构能够减少由空气引起的射束散射。然而，在该结构中，最开始引起射束散射的窗2a的位置并不靠近照射对象(控制对象)，因此，并未根本地解决问题。另外，带电粒子束通过隔离窗2a、2b、射束射出窗7这三个部位，数量较多，因此，这也是导致射束尺寸变大的原因。

基于图8，说明如图8所示那样仅追加真空区域的情况下的其他问题。对于存在照射对象即患者的患部的部位，并不始终为相同的大小。例如，若观察照射对象即患者的患部的部分的截面，则如图8所示那样，需要考虑患者10a(类型1)和患者10b(类型2)不同的情况。与患者10a(类型1)的情况相比，患者10b(类型2)的气隙，即带电粒子束通过大气中的距离较长。

该气隙原本是不必要的，如图9的示意图中所说明的那样，从障碍物到照射点之间的距离r应尽可能短。尽管希望尽可能减小从剂量监控器8、第二射束位置监控器9这样的产生射束散射的障碍物到照射点之间的距离，但是在图8所示的结构中，鉴于气隙的功能，而导致无法减小所示距离的问题。

专利文献1：

日本专利特开2007-268035号公报

专利文献2：

日本专利特开2007-229025号公报

发明内容

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于获得一种能够减小射束尺寸的粒子射线治疗装置。

本发明的粒子射线治疗装置包括：加速器，该加速器对带电粒子束进行加速；照射装置，该照射装置包含对上述带电粒子束进行扫描的射束扫描装置，将上述带电粒子束照射到照射对象；以及射束输送装置，该射束输送装置包括管道，该管道确保有从上述加速器连通到配置在上述射束扫描装置的下游侧的射束射出窗的真空区域或气体区域，将从上述加速器射出的上述带电粒子束输送到上述照射装置。

本发明的粒子射线治疗装置通过使射束输送装置的管道中的真空区域或气体区域从加速器连通到配置在射束扫描装置的下游侧的射束射出窗，从而能够减小射束尺寸。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1中的粒子射线治疗装置的整体简要结构图。

图2是表示本发明的实施方式1中的粒子射线治疗装置的结构图。

图3是表示使本发明的实施方式1的射束位置监控器进行退避、以使其离开射束轨道的退避机构的结构图。

图4是表示本发明的实施方式2中的粒子射线治疗装置的结构图。

图5是表示本发明的实施方式4中的粒子射线治疗装置的结构图。

图6是表示本发明的实施方式5中的粒子射线治疗装置的结构图。

图7表示现有的粒子射线治疗装置中的扫描式照射装置的结构图。

图8表示现有的粒子射线治疗装置中的其他扫描式照射装置的结构图。

图9是表示散射角和束点直径之间的关系的示意图。

具体实施方式

首先，说明在粒子射线治疗装置中是由哪些因素决定照射到照射对象即患者的患部的射束的尺寸的。由加速器进行了加速后的带电粒子束经由射束输送装置而被引导至照射装置的管道。此处，带电粒子束是由配置在管道外的两组扫描电磁铁来控制射束的照射位置和其照射方向。被控制方向的带电粒子束通过射束射出窗口，在空中传播，经由患者体内，来照射到照射对象即癌等患部。

带电粒子束的射束尺寸是由传播路径的材质和距离决定的。更具体而言，除了由管道内的介质(真空、He气等)之外，还会由射束通过管道内的长度、射束射出窗的材质和厚度、从射束射出窗到照射对象位置的距离等，来决定射束的射束程度，并决定射束尺寸。图9是表示散射角和束点直径之间的关系的示意图。

为了减小射束尺寸，本发明的特征在于，射束输送装置的管道中的真空区域或气体区域从加速器连通到配置在射束扫描装置的下游侧的射束射出窗

在实施方式中，为了减小射束尺寸，还采用以下各种结构。

(1)将上游的第一射束位置监控器配置在管道内。由此，无需位于第一射束位置监控器的前后的隔离窗，因而，能够抑制在隔离窗部发生的射束散射。

(2)采用以下机构，使得管道内的上述第一射束位置监控器能够从带电粒子束的轨道退避到管道内。由此，在实际治疗中能够使成为使射束产生散射的障碍物的上游的上述第一射束位置监控器从带电粒子束的轨道退避，能够消除该位置上的射束散射。

(3)设置使管道沿射束轴方向进行伸缩的管道伸缩单元及其驱动单元。由此，能够根据照射对象不同形状的各种情况，来尽可能地使管道接近照射对象，能够减小气隙(射束在空气中传播的距离)，能够减小作为增大束点直径的要素的距离r。

另外，通过使管道沿射束轴方向伸缩，从而在进行射束照射时，由于管道接近照射对象即患部，因此，医生和患者能够清楚地知道粒子射线束照射到何处，使得医生和患者都安心。而且，粒子射线治疗装置中具有一种将照射装置安装于旋转机架、以使得其照射方向呈360度自由变化的旋转照射式粒子射线治疗装置，其原因是，在改变其照射方向时，能够使管道远离患者，从而能够避免照射装置与患者或其他设备相碰撞的危险。

(4)利用铝来构成射束射出窗的材料。由此，能够抑制射束在射束射出窗的散射，能够减小射束尺寸。

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1中的粒子射线治疗装置的整体简要结构图。图2是表示本发明的实施方式1中的粒子射线治疗装置的结构图。在图1中，由前级加速器16产生的、被前级加速的带电粒子束入射到加速器(同步加速器)14，被加速至所需的能量，从射出偏向器17射出到射束输送装置15，直至照射装置18，并被照射到照射对象。射束输送装置15包括聚焦电磁铁13和转向电磁铁12。射束输送装置15的一部分和照射装置18安装于旋转机架19，能够利用旋转机架19的(在图中用箭头表示的)旋转来改变照射装置18的照射方向。

在图2中，粒子射线治疗装置包括：射束输送装置15，该射束输送装置15包含加速器14、聚焦电磁铁13、及转向电磁铁12，将由加速器14射出的带电粒子束在管道内进行输送；管道4b、6b，该管道4b、6b确保起自加速器14的真空区域或气体区域，并相互连通；射束扫描装置5a、5b，该射束扫描装置5a、5b对带电粒子束进行扫描；第一射束位置监控器3b，该第一射束位置监控器3b对射束位置进行测量；射束射出窗7，该射束射出窗7射出带电粒子束；对剂量进行测量的剂量监控器8；第二射束位置监控器9；使管道伸缩的管道伸缩单元20以及驱动单元21。此外，图中的x、y、z表示x方向、y方向、及z方向。各图中，相同的符号表示相同或者相当的部分。

接下来，对动作进行说明。实施方式1的粒子射线治疗装置具有四个特征。第一特征在于，使射束输送装置的管道中的真空区域或气体区域延长(连通)到位于射束扫描装置的下游侧的射束射出窗。即，使设置在射束输送装置的管道1和设置在照射装置的管道4b、6b相连通，射束输送装置的管道中的真空区域或气体区域连通到位于射束扫描装置的下游侧的射束射出窗。因此，如图2所示，使带电粒子束产生散射的障碍物的数量成为最小值，将射束射出窗7配置在射束扫描装置5的下游，而散射射束射出窗7会有射束通过且因其结构无可避免地会成为障碍物。由此，通过尽可能将产生射束散射的障碍物配置在下游侧，从而能够缩短图9的示意图中所示出的距离r，能够抑制带电粒子束的束点大小，使其减小。

若仅想实现“将射束射出窗7配置在射束扫描装置5a、5b的下游侧”，则可考虑上述图8所示的结构。其大致思路为：相对于现有技术的扫描式照射装置，追加在两端由窗构成的管道4a、6a，以增加带电粒子束所通过的区域中的真空区域。的确对于射束而言，空气本身也是产生散射的障碍物，因此利用上述结构，能够减少由空气产生的射束散射。但是，在该结构中，不能减小最开始引起射束散射的隔离窗2a、2b与照射对象之间的距离，因此，难以抑制带电粒子束尺寸，使其减小。(相比由空气引起的散射，由窗引起的散射是主要因素)。

另外，将射束射出窗配置在射束扫描装置的下游侧，在该射束扫描装置的配置部位，能够确保连通到射束射出窗为止的真空区域或气体区域，从而能够减小这部分的射束散射。射束扫描装置大多采用在射束通过的部位设置有开口的电磁铁构成，但是，通过减小该射束扫描装置配置部位的射束散射，从而还能够减小该开口，因此，还具有能够使射束扫描装置小型化的优点。

实施方式1的第二特征在于，配置在上游侧的第一射束位置监控器3b可在管道4b中、从带电粒子束轨道上退避开。此外，第一射束位置监控器3b可以位于射束扫描装置5a、5b的上游侧或下游侧的任一侧。图2是表示其位于下游侧的一例。需要配置在上游侧的第一射束位置监控器3b和配置在下游侧的第二射束位置监控器9来一起确认所照射的射束位置，但并不需要始终同时使用两个射束位置监控器3b、9。即，也可以选择上游侧的第一射束位置监控器3b仅在维护时或治疗前后使用，而在治疗照射时不使用。因此，如图2所示，可采用能够使第一射束位置监控器3b根据需要从射束轨道退避开的结构。

图3是表示使实施方式1的射束位置监控器进行退避、以使其离开射束轨道的退避机构的结构图。图3是射束位置监控器的退避机构的一个例子。管道4b中设置有退避管道4c。22是环状凸缘，23是端板，在凸缘22和端板23之间密封接合有波纹管24，以阻止外部气体的进入。25是导棒，从端板23的贯通孔插入，引导端板23前进或后退。端板23上固定有轴26，该轴26在管道4c内对射束位置监控器3b进行支承。轴26贯通环状凸缘22。端板23在外界气体侧固定有带螺钉的动作轴27，利用电动机等使由支承板28支承的螺栓29旋转，从而使动作轴27前进或后退，从而使射束位置监控器3b通过端板23和轴26来前进或后退。由此，能够将射束位置监控器3b设置在射束轨道上，或使其从射束轨道上退避开。

实施方式1的第三特征在于，设置有能够使管道沿射束轴方向伸缩的管道伸缩单元20及其驱动单元21。在图2中，在管道4b和管道6b之间插入管道伸缩单元20，并用驱动单元21对其进行驱动。由此，通过设置使管道伸缩的伸缩单元20及驱动单元21，从而能够使管道向患者10b侧延伸，即使是在相对于现有技术中追加了真空管道的图8的结构中所导致的气隙增大的患者10b(类型2)的情况下，也能够减小不必要的气隙，能够减小射束尺寸。

在图2中，在管道4b和管道6b之间以密封接合的方式设置有波纹管51，以断开外部气体。52是带螺钉的动作轴，一端固定于管道6b，另一端贯通管道4b侧的支承板53。54是动作轴52被拧入、且由支承板53支承的螺栓，利用电动机等驱动单元21使螺栓54旋转，从而能够使波纹管52伸缩，使管道6b相对于管道4b伸缩，使管道沿着射束轴方向伸缩。对于带电粒子束而言，空气也是产生散射的障碍物，但是窗是主要引起散射的因素，此处，所谓的减小气隙是指减小射束射出窗7和照射对象之间的距离，其效果较好。由此，能够将射束射出窗7配置在照射对象即患者的附近。

实施方式1的第四特征是将设置于射束射出窗7的附近的、下游侧的剂量监控器8和射束位置监控器9安装于保持构件，以使其与管道在射束轴方向上的移动一起进行移动。在图2中，在管道6b的前端部，剂量监控器8和射束位置监控器9是由保持构件55保持的。由此，随着管道沿射束轴方向的移动(伸缩)，剂量监控器8和射束位置监控器9也移动，因此，能够避免管道移动(伸缩)时，剂量监控器9和射束位置监控器9与患者10或设备相接触的事故。

此外，实施方式1中示出了具有特征1～4的粒子射线治疗装置，但是粒子射线治疗装置中不需要满足所有的特征1～4，例如，即使是仅具有第一特征的粒子射线治疗装置，也能发挥减小射束尺寸的效果。

实施方式2.

图4是表示实施方式2中的粒子射线治疗装置的结构图。对于一般用于癌症治疗等的粒子射线治疗装置，由于照射对象为人体中存在的癌等，因此使用对照射对象的正确位置进行确定的X射线摄像装置等。此处所谓的照射对象的位置，需要三维的位置信息，因此，X射线摄像装置通常使用两组，分别进行配置，使得在摄像方向上正交。X射线摄像装置包括：X射线源，该X射线源产生X射线；以及摄像管，该摄像管用于对被投影的X射线进行摄像。实施方式2的粒子射线治疗装置包括两组X射线摄像装置，分别具有X射线源30和摄像管31，但是配置各X射线源和与其相对的摄像管的摄像方向，使得如图4所示那样，带电粒子束的射束轴方向不同。此外，32是X射线通过区域。

实施方式2的粒子射线治疗装置与现有的粒子射线治疗装置(图7)相比，管道延伸至照射基准点即中心11的附近。因而，与现有的装置相比，需要注意管道6b与摄像管31的干涉，通过如图4所示那样进行配置，使得X射线摄像装置的摄像方向与射束轴方向(即，管道的收缩方向)不同，从而能够避免干涉。此外，在用于癌症治疗的粒子射线治疗装置中，为了实现360度的照射方向，大多使用采用了旋转机架的旋转照射型装置，实施方式2所示的结构当然也可应用于旋转照射型的粒子射线理疗装置。在这种情况下，将照射装置、X射线摄像装置都安装于旋转机架，能够一边保持图4所示的照射装置和X射线摄像装置的位置关系一边使其自由旋转，因此，垂直方向、水平方向当然不用说，还能够以任意角度的进行X射线摄像。

实施方式3.

如图9的示意图所示那样，在带电粒子束遇到障碍物时产生散射。因而，为了尽可能减小束点尺寸，最理想的是消除产生散射的障碍物。但是，如射束射出窗7那样，存在结构上不可避免的障碍物那样的要素。射束射出窗7是真空区域或气体区域与大气的边界，因此是必须的。相对于上述在结构上不可避免的产生散射的障碍物的要素，如实施方式1所示那样尽可能将其配置在下游侧，尽可能减小图9所示的距离r，这样的措施是有效的。

若从其他角度来考虑该问题，若对于配置于相同位置的障碍物，也能减小其散射角，由此，则能够减小束点尺寸。散射角取决于产生散射的障碍物的材质、厚度。对于材质，原子序数较小的散射角较小。对于厚度，厚度越小则散射角越小。

因此，在实施方式3的粒子射线治疗装置中，在考虑耐放射性、强度、及散射角的基础上，将射束射出窗7设为厚度为0.8mm左右的铝。金属耐放射性，且在金属中，铝的原子序数也较小(原子序数13)。由此，通过严格选择射束射出窗7的材质和厚度，从而能够避免无端地扩大射束射出窗7的散射角，能够抑制束点尺寸。另外，尽管未图示，但是作为射束射出窗7的材质，使用在Kapton(登录商标)等树脂上蒸镀铝薄膜而形成的材质，也能获得同样优异的效果。

实施方式4.

图5是表示本发明的实施方式4中的粒子射线治疗装置的结构图。上述的照射装置示出了沿从上向下的垂直方向来照射带电粒子束的情况，但是实际的照射方向有很多。例如图5所示的那样，照射方向有时也可为水平方向。实施方式4的照射装置的特征是管道可沿射束轴方向伸缩，但是这也意味着，与现有的照射装置相比，该照射装置变长。为了在水平方向维持较长的照射装置，需要注意强度等许多因素。

在实施方式4的照射装置中，管道的伸缩单元20使用真空波纹管。尤其是，若使用多级的真空波纹管20，则能够如图5所示那样抑制由重力引起的松弛，因此，是有效的。在图5中，40是凸缘，41是将凸缘40保持到动作轴52的保持具。由此，通过将管道的伸缩单元20设为多级的真空波纹管，因此，即使是在照射方向为水平方向的情况下，也能实现减小射束尺寸的照射。此外，此处示出了使用多级真空波纹管来作为管道的伸缩单元的例子，但也可使用其他伸缩单元。

实施方式5.

图6是表示本发明的实施方式5中的粒子射线治疗装置的结构图。实施方式5是照射装置安装于旋转机架的旋转照射型的粒子射线治疗装置。在各实施方式中，当然能够使用旋转机架进行照射。在实际照射带电粒子束时，一般是在使旋转机架停止的状态下进行，如上面所述那样，为了减小射束尺寸，希望使窗尽可能地接近照射对象。然而，在改变带电粒子束的照射角度时，若保持管道延伸的状态进行旋转，则从图6中可知，管道和照射对象即患者可能会发生干涉。

因此，进行实际的带电粒子束的照射时，是在伸长管道的状态下进行的，为了改变照射角度而使旋转机架旋转时，是在缩短管道的状态下进行的。由此，通过将管道设置为可伸缩，从而即使是具有旋转机架的旋转照射型的粒子射线治疗装置，也能使得管道不与照射对象即患者发生干涉，从而进行安全的射束照射。

本发明的各种变形或者变更，是相关的熟练技术人员在不脱离本发明的范围和精神内可以实现的，应当理解为不限于本说明书的上述的实施方式。

Claims (12)

1.一种粒子射线治疗装置，其特征在于，包括：

加速器，该加速器对带电粒子束进行加速；

照射装置，该照射装置包含对所述带电粒子束进行扫描的射束扫描装置，将所述带电粒子束照射到照射对象；以及

射束输送装置，该射束输送装置包括管道，该管道确保有从所述加速器连通到配置在所述射束扫描装置的下游侧的射束射出窗的真空区域或气体区域，将从所述加速器射出的所述带电粒子束输送到所述照射装置。

2.如权利要求1所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述管道包括管道伸缩单元，该管道伸缩单元可使所述射束射出窗沿所述带电粒子束的轴方向移动。

3.如权利要求2所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述管道伸缩单元使用波纹管来构成。

4.如权利要求3所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述波纹管是多级的。

5.如权利要求2所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述射束射出窗配置在照射对象的附近。

6.如权利要求2所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

包括X射线摄像装置，该X射线摄像装置包含在与所述射束射出窗的移动方向不同的方向上相对配置的X射线源和摄像管，对所述照射对象的位置进行测量。

7.如权利要求1～6的任一项所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

包括射束位置监控器，该射束位置监控器配置在所述管道内，对在所述管道内输送的所述带电粒子束的位置进行测定。

8.如权利要求7所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述射束位置监控器配置在所述射束扫描装置的下游。

9.如权利要求7所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述射束位置监控器能够从所述管道内的所述带电粒子束的轨道退避开。

10.如权利要求2所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

射束位置监控器通过保持构件安装于所述射束射出窗。

11.如权利要求1所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述射束射出窗的材质是铝。

12.如权利要求1至11的任一项所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，还包括旋转机架，该旋转机架上安装有所述射束输送装置的一部分和所述照射装置。

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