CN109831037A - 一种针对脑内传感器的全向无线供电系统及其供电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对脑内传感器的全向无线供电系统及其供电方法。常规的无线充电器为脑内微型传感器充电时容易出现死区。本发明一种全向无线供电系统，包括三个无线传输单元。无线传输单元包括发送线圈层。发送线圈层由n1个第一相位线圈、n2个第二相位线圈和n3个第三相位线圈。第一相位线圈包括第一前置半圈和第一后置半圈。n1个第一前置半圈、n1个第一后置半圈依次串联。第二相位线圈包括第二前置半圈和第二后置半圈。n2个第二前置半圈、n2个第二后置半圈依次串联。三个无线传输单元的发送线圈层依次叠置且相互错开。本发明上方的磁场的均匀性较高，从而使得各向的接收线圈均能够得到均匀充电。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器供电技术领域，具体涉及一种针对脑内传感器的全向无线供电系统及其供电方法。
背景技术
无线供电技术可以不接触地从能量源传输电能到负载端，比有线供电技术更便捷。在传统的磁感应耦合无线供电技术中，能量通过发送线圈和接收线圈之间的互感耦合进行无线传输。由于发送线圈和接收线圈之间的互感与两个线圈之间的相对角度有关，当两个线圈互相垂直时，互感很微弱，在某些应用场合会导致无法有效传输电能，存在“死区”。比如，在给传感器无线供电时，由于布置传感器时传感器及其带有的接收线圈并不一定有确定的朝向，充电器对其充电时，并不能做到很好的线圈对准，这种情况下，无线供电便会有“死区”的存在。比如，在将接收线圈植入大脑给植入在大脑皮层上的微型电子设备无线供电时，微型线圈的朝向随着大脑皮层的起伏处于不同的方向，在体外的发送线圈不知道接收线圈的方向的情况下，无线供电也极有可能存在“死区”。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对脑内传感器的全向无线供电系统及其供电方法。
本发明一种全向无线供电系统，包括三个无线传输单元。无线传输单元包括发送线圈层。发送线圈层由n1个第一相位线圈、n2个第二相位线圈和n3个第三相位线圈。第一相位线圈、第二相位线圈和第三相位线圈均呈正六边形状。
所述的第一相位线圈包括第一前置半圈和第一后置半圈。n1个第一前置半圈、n1个第一后置半圈依次串联。位于端部的第一前置半圈、第一后置半圈的悬空端作为发送线圈层的两个第一相位输入端。所述的第二相位线圈包括第二前置半圈和第二后置半圈。n2个第二前置半圈、n2个第二后置半圈依次串联。位于端部的第二前置半圈、第二后置半圈的悬空端作为发送线圈层的两个第二相位输入端。所述的第三相位线圈包括第三前置半圈和第三后置半圈。n3个第三前置半圈、n3个第三后置半圈依次串联。位于端部的第三前置半圈、第三后置半圈的悬空端作为发送线圈层的两个第三相位输入端。
三个无线传输单元的发送线圈层依次叠置，且互不电连接。三个无线传输单元线圈相互错开。
进一步地，本发明一种全向无线供电系统还包括FPGA。每个无线传输单元均包括三个供电电路。所述的供电电路包括非门、第一与非门、第二与非门、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第一高频扼流圈L1、第二高频扼流圈L2、二极管D1、稳压管D2、滤波电感L3和滤波电容C1。非门的输入端与第二与非门的第一输入端连接，输出端与第一与非门的第一输入端连接。第一与非门、第二与非门的输出端与第一MOS管M1、第二MOS管M2的栅极分别连接。第一MOS管M1、第二MOS管M2的源极均接地。第一MOS管M1的漏极接滤波电感L3、滤波电容C1及第一高频扼流圈L1的一端。第二MOS管M2的漏极接滤波电感L3、滤波电容C1的另一端及第二高频扼流圈L2的一端。第一高频扼流圈L1与第二高频扼流圈L2的另一端相连。第三MOS管M3的栅极接第一与非门、第二与非门的第二输入端，源极接二极管D1的阳极、稳压管D2的阴极及第一高频扼流圈L1、第二高频扼流圈L2的相连端，漏极接接二极管D1的阴极及外部电压VDD。稳压管D2的阳极接地。
三个供电电路中第一MOS管M1的漏极与对应发送线圈层的其中一个第一相位输入端、其中一个第二相位输入端、其中一个第三相位输入端。三个供电电路中第二MOS管M1的漏极与对应发送线圈层的另一个第一相位输入端、另一个第二相位输入端、另一个第三相位输入端分别连接。三个供电电路的非门的输入端与FPGA的第一方波输出端、第二方波输出端、第三方波输出端分别连接。
第一个无线传输单元内的三个供电电路内第三MOS管M3的栅极均接FPGA的第四方波输出端。第二个无线传输单元内的三个供电电路内第三MOS管M3的栅极均接FPGA的第五方波输出端。第三个无线传输单元内的三个供电电路内第三MOS管M3的栅极均接FPGA的第六方波输出端。
进一步地，所述FPGA的型号为EP4CE6F17C8。
进一步地，n1个第一相位线圈、n2个第二相位线圈和n3个第三相位线圈在同一平面内呈蜂巢状排布，且任意两个第一相位线圈互不相邻，任意两个第二相位线圈互不相邻，任意两个第三相位线圈互不相邻。
进一步地，三个无线传输单元线圈按照边长为a的正三角形错开。任意两个无线传输单元线圈均沿着自身的其中一条边错开。a为第一相位线圈、第二相位线圈及第三相位线圈的边长。
进一步地，所述第一相位线圈、第二相位线圈及第三相位线圈的边长均为35mm。
进一步地，n1＝13，n2＝12，n3＝12。
该针对脑内传感器的全向无线供电系统的供电方法具体如下：
步骤一、FPGA的第一方波输出端、第二方波输出端、第三方波输出端分别输出三个相位信号。三个相位信号两两之间的相位差均为120°。FPGA的第四方波输出端、第五方波输出端、第六方波输出端分别输出三个层选择信号。三个层选择信号的占空比均为1/3。三个层选择信号的高电平依次错开设置。
各对应的相位线圈输入跟随对应的相位信号变化的振荡电流。同一发送线圈层内第一相位线圈、第二相位线圈、第三相位线圈的电流相位相互错开120°。三个发送线圈层依次错开通入振荡电流。
步骤二、将三个无线传输单元的发送线圈层靠近使用者的头部；三个无线传输单元的发送线圈层上交替输入的振荡电流为使用者脑内各个位姿的微型传感器感应充电。
进一步地，步骤一中，三个相位信号的频率均为12.5MHz。
进一步地，三个层选择信号的频率均为3.3kHz。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明采用“三层三相发送线圈”结构，由于在每一层布置线圈阵列时，六边形线圈的依次排列扩展，任意相邻线圈的激励电流相差120°，不仅在结构上形成了均匀性，也在激励电流上形成了均匀性，使得线圈上方的磁场的均匀性得到提高。
2、本发明通过将三层线圈交错排列，并且让它们分时工作的方法，使得发送线圈产生的磁场在各个方向的强度进一步得到平均，从而在目标区域实现各向均匀磁场的目的。
3、本发明通过产生各向均匀的磁场，可以解决无线供电系统中因单个发送线圈和单个接收线圈之间的角度未知或者难以控制，导致发送和接收线圈垂直时，接收线圈无法接收到能量的问题。
附图说明
图1为本发明中三个发送线圈层的组合示意图；
图2为本发明中单个发送线圈层的示意图；
图3为本发明中相邻的第一相位线圈、第二相位线圈、第三相位线圈的组合示意图；
图4为本发明中供电电路的电路原理图；
图5为本发明的磁场强度最小值、均值与正六边形边长的关系仿真图；
图6a为本发明针对与自身成0°角的接收线圈的无线传输情况仿真图；
图6b为本发明针对与自身成45°角的接收线圈的无线传输情况仿真图；
图6c为本发明针对与自身成60°角的接收线圈的无线传输情况仿真图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2和3所示，一种全向无线供电系统，包括FPGA(Field Programmable GateArray，即现场可编程门阵列)和三个无线传输单元。无线传输单元包括发送线圈层和三个供电电路。图1中，粗实线、细实线、点连线分别指代三个发送线圈层。发送线圈层由n1个第一相位线圈1、n2个第二相位线圈2和n3个第三相位线圈3，n1＝13，n2＝12，n3＝12。第一相位线圈1、第二相位线圈2和第三相位线圈3均呈正六边形状。n1个第一相位线圈1、n2个第二相位线圈2和n3个第三相位线圈3在同一平面内呈蜂巢状排布，且任意两个第一相位线圈1互不相邻，任意两个第二相位线圈2互不相邻，任意两个第三相位线圈3互不相邻。正六边形的线圈具有良好的延展性，方便全向无线供电系统尺寸的扩大和缩小。
第一相位线圈1包括第一前置半圈1-1和第一后置半圈1-2。n1个第一相位线圈1内的第一前置半圈1-1依次首尾电连接，n1个第一相位线圈1内的第一后置半圈1-2依次首尾电连接。其中一个位于端部的第一相位线圈1内的第一前置半圈1-1与该第一相位线圈1内的第一后置半圈1-2电连接。从而使得n1个第一前置半圈1-1、n1个第一后置半圈1-2依次串联。具有悬空端的第一前置半圈1-1、具有悬空端的第一后置半圈1-2的悬空端(即图2中的A1端、A2n1+2端)分别作为发送线圈层的两个第一相位输入端。
第二相位线圈2包括第二前置半圈和第二后置半圈。n2个第二相位线圈2内的第二前置半圈依次首尾电连接，n2个第二相位线圈2内的第二后置半圈依次首尾电连接。其中一个位于端部的第二相位线圈2内的第二前置半圈与该第二相位线圈2内的第二后置半圈电连接。从而使得n2个第二前置半圈、n2个第二后置半圈依次串联。具有悬空端的第二前置半圈、具有悬空端的第二后置半圈的悬空端(即图2中的B1端、B2n2+2端)分别作为发送线圈层的两个第二相位输入端。
第三相位线圈3包括第三前置半圈和第三后置半圈。n3个第三相位线圈3内的第三前置半圈依次首尾电连接，n3个第三相位线圈3内的第三后置半圈依次首尾电连接。其中一个位于端部的第三相位线圈3内的第三前置半圈与该第三相位线圈3内的第三后置半圈电连接。从而使得n3个第三前置半圈、n3个第三后置半圈依次串联。具有悬空端的第三前置半圈、具有悬空端的第三后置半圈的悬空端(即图2中的C1端、C2n3+2端)分别作为发送线圈层的两个第三相位输入端。
任意一个无线传输单元上发送线圈层的线圈结构均如图1所示，A、B、C分别表示第一相位线圈1、第二相位线圈2、第三相位线圈3。图中标号相同的端口电连接在一起(如A1与A1连接)。第一相位线圈1、第二相位线圈2、第三相位线圈3的电流分别为A1→A2…→A2n+2、B1→B2…→B2n+2、C1→C2…→C2n+2。
三个无线传输单元的发送线圈层依次叠置，且互不电连接。三个无线传输单元线圈按照边长为a的正三角形错开。a为第一相位线圈、第二相位线圈及第三相位线圈的边长。任意两个无线传输单元线圈均沿着自身的其中一条边错开。即在一个Z轴垂直于发送线圈层所在平面，X轴平行于第一相位线圈1其中一条边的空间直角坐标系中，三个无线传输单元上发送线圈层的中心点坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)。x2＝x1+a，y2＝y1；x3＝x1+0.5a，这使得任意一个正六边形线圈的中心点均在另两个发送线圈层的其中一个六边形线圈的一个角上。由此能够减少接收不到能量的死区。三个发送线圈层的排布方式通过三维电磁仿真软件(HFSS，High Frequency Structure Simulator)设计得到，其能够尽可能地实现在正上方2cm高度的范围内磁场的均匀性。
如图4所示，供电电路包括非门N1、第一与非门U1、第二与非门U2、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第一高频扼流圈L1、第二高频扼流圈L2、二极管D1、稳压管D2、滤波电感L3和滤波电容C1。非门N1的输入端与第二与非门U2的第一输入端连接，输出端与第一与非门U1的第一输入端连接。第一与非门U1、第二与非门U2的输出端与第一MOS管M1、第二MOS管M2的栅极分别连接。第一MOS管M1、第二MOS管M2的源极均接地。第一MOS管M1的漏极接滤波电感L3、滤波电容C1及第一高频扼流圈L1的一端。第二MOS管M2的漏极接滤波电感L3、滤波电容C1的另一端及第二高频扼流圈L2的一端。第一高频扼流圈L1与第二高频扼流圈L2的另一端相连。第三MOS管M3的栅极接第一与非门U1、第二与非门U2的第二输入端，源极接二极管D1的阳极、稳压管D2的阴极及第一高频扼流圈L1、第二高频扼流圈L2的相连端，漏极接接二极管D1的阴极及外部电压VDD。稳压管D2的阳极接地。
三个供电电路中第一MOS管M1的漏极与对应发送线圈层的其中一个第一相位输入端、其中一个第二相位输入端、其中一个第三相位输入端。三个供电电路中第二MOS管M1的漏极与对应发送线圈层的另一个第一相位输入端、另一个第二相位输入端、另一个第三相位输入端分别连接。三个供电电路的非门N1的输入端与FPGA的第一方波输出端、第二方波输出端、第三方波输出端分别连接。
第一个无线传输单元内的三个供电电路内第三MOS管M3的栅极均接FPGA的第四方波输出端。第二个无线传输单元内的三个供电电路内第三MOS管M3的栅极均接FPGA的第五方波输出端。第三个无线传输单元内的三个供电电路内第三MOS管M3的栅极均接FPGA的第六方波输出端。FPGA的型号为EP4CE6F17C8，其时钟芯片为50MHz。
该针对脑内传感器的全向无线供电系统的供电方法具体如下：
步骤一、FPGA的第一方波输出端、第二方波输出端、第三方波输出端分别输出三个相位信号。三个相位信号的频率均为12.5MHz，且两两之间的相位差均为120°。相位信号频率选择12.5MHz的原因在于：12.5MHz能够通过FPGA的固有晶振分频得到，且接近于医疗领域常用的13.56MHz。三个相位信号两两之间的相位差取120°的原因在于：发送线圈层呈蜂巢状排列，相位差120°的两个信号产生的磁场不会相互削弱(可以对比同相两线圈邻边产生的磁场会削弱；反相在垂直方向整体的磁场会削弱)，进而达到相互叠加的效果。
FPGA的第四方波输出端、第五方波输出端、第六方波输出端分别输出三个层选择信号。三个层选择信号的频率均为3.3kHz，且占空比为1/3。三个层选择信号的高电平依次错开设置。即同一时刻，仅有一个层选择信号为高电平，其余两个层选择信号均为低电平。
三个不同的相位信号是将50MHZ晶振利用PLL锁相环倍频至150MHz，12分频后产生12.5MHz的相位信号，通过在相邻信号之间设置26.67ns的延迟实现。三个层选择信号的周期为300us，每个发送线圈层的选通时间为100us。
步骤二、一个供电电路输入的层选择信号处于高电平时，第一高频扼流圈L1、第二高频扼流圈L2的相连端与外部电压VDD接通，使得供电电路能够输出电流。当一个供电电路内第一与非门U1的第二输入端输入低电平时，第一MOS管M1导通，使得对应的线圈内产生正向电流；当一个供电电路内第二与非门U2的第二输入端输入低电平时，第二MOS管M2导通，使得对应的线圈内产生反向电流；由此，各对应的相位线圈输入跟随对应的相位信号变化的振荡电流。振荡电流的电压幅值为VDD。由于三个相位信号两两之间的相位差均为120°，故输入同一发送线圈层内第一相位输入端、第二相位输入端第三相位输入端的电流信号两两之间的相位差均为120°。由于三个层选择信号的高电平依次错开设置，故在同一时刻，仅有一个发送线圈层输入振荡电流，另两个发送线圈层均没有输入振荡电流。
步骤三、将三个无线传输单元的发送线圈层靠近使用者的头部；三个无线传输单元的发送线圈层上交替输入的振荡电流为使用者脑内各个位姿的微型传感器感应充电。
第一相位线圈1、第二相位线圈2及第三相位线圈3的边长相等，其值根据电能传输距离确定；具体确定方法如下：
(1)将边长设定为初始值。
(2)按照前述的供电方法向将三个无线传输单元的发送线圈层输入振荡电流，并进行磁场计算将各发送线圈层产生的磁场进行矢量叠加，可以得到距离该发送线圈层2cm的空间面内各点磁场的幅值和角度；在磁场的计算中，将正六边形线圈简化为该六边形的外接圆线圈，以方便计算。
(3)改变边长并重复按照步骤(2)进行仿真，通过拟合得到距离该发送线圈层2cm的空间面内磁场强度最小值和均值与正六边形边长的关系曲线；在磁场强度最小值与正六边形边长的关系曲线中选取最大值对应的边长作为第一相位线圈1、第二相位线圈2及第三相位线圈3的边长。
由于植入大脑皮层的微型传感器与头皮的距离趋近于2cm，故设定电能传输距离为两厘米，从而得到磁场强度最小值、均值与正六边形边长的关系图如图3所示，图中，实线表示磁场强度最小值与正六边形边长的关系曲线，虚线表示磁场强度最小值与正六边形边长的关系曲线。从图3可见，六边形线圈的边长值为35mm时，具有最大的磁场强度最小值和较大的磁场强度平均值。因此，选择35mm作为第一相位线圈1、第二相位线圈2及第三相位线圈3的边长。
为验证本发明的全向无线传输效果，进行全向传输试验如下：
以本发明正上方2cm处的一个6cm×6cm大小的正方形区域，作为试验区域。将试验区域划分为36个1cm×1cm的小正方形区域，36个小正方形区域形成49个顶点。分别在49个顶点处设置接收线圈，进行测试。每个顶点处的测试中，接收线圈均变换三个空间位姿。三个空间位姿下，接收线圈的轴线与水平面的夹角分别为0°、45°、90°，每个位姿下，均通过测量5次取平均值以减小测量误差。
接收线圈采用AWG36铜线绕制在4mm直径的磁芯上，通过测量各个位置和方向上此线圈感应的电压来判断发送线圈阵列产生的各向磁场的均匀性。
接收线圈的轴线与水平面的夹角为0°时，接收线圈位于各顶点处产生电压的幅值情况如图6a所示。接收线圈的轴线与水平面的夹角为45°时，接收线圈位于各顶点处产生电压的幅值情况如图6b所示。接收线圈的轴线与水平面的夹角为90°时，接收线圈位于各顶点处产生电压的幅值情况如图6c所示。
结合图6a、6b、6c，可以看出，在接收线圈在目标区域内以不同空间位姿摆放均能输出接近1V的电压；可见，本发明能够为脑内任意空间位姿的微型芯片充电，并产生的感应电压较均匀。
Claims (10)
1.一种针对脑内传感器的全向无线供电系统，其特征在于：包括三个无线传输单元；无线传输单元包括发送线圈层；发送线圈层由n1个第一相位线圈、n2个第二相位线圈和n3个第三相位线圈；第一相位线圈、第二相位线圈和第三相位线圈均呈正六边形状；
所述的第一相位线圈包括第一前置半圈和第一后置半圈；n1个第一前置半圈、n1个第一后置半圈依次串联；位于端部的第一前置半圈、第一后置半圈的悬空端作为发送线圈层的两个第一相位输入端；所述的第二相位线圈包括第二前置半圈和第二后置半圈；n2个第二前置半圈、n2个第二后置半圈依次串联；位于端部的第二前置半圈、第二后置半圈的悬空端作为发送线圈层的两个第二相位输入端；所述的第三相位线圈包括第三前置半圈和第三后置半圈；n3个第三前置半圈、n3个第三后置半圈依次串联；位于端部的第三前置半圈、第三后置半圈的悬空端作为发送线圈层的两个第三相位输入端；
三个无线传输单元的发送线圈层依次叠置，且互不电连接；三个无线传输单元线圈相互错开。
2.根据权利要求1所述的一种针对脑内传感器的全向无线供电系统，其特征在于：还包括FPGA；每个无线传输单元均包括三个供电电路；所述的供电电路包括非门、第一与非门、第二与非门、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第一高频扼流圈L1、第二高频扼流圈L2、二极管D1、稳压管D2、滤波电感L3和滤波电容C1；非门的输入端与第二与非门的第一输入端连接，输出端与第一与非门的第一输入端连接；第一与非门、第二与非门的输出端与第一MOS管M1、第二MOS管M2的栅极分别连接；第一MOS管M1、第二MOS管M2的源极均接地；第一MOS管M1的漏极接滤波电感L3、滤波电容C1及第一高频扼流圈L1的一端；第二MOS管M2的漏极接滤波电感L3、滤波电容C1的另一端及第二高频扼流圈L2的一端；第一高频扼流圈L1与第二高频扼流圈L2的另一端相连；第三MOS管M3的栅极接第一与非门、第二与非门的第二输入端，源极接二极管D1的阳极、稳压管D2的阴极及第一高频扼流圈L1、第二高频扼流圈L2的相连端，漏极接接二极管D1的阴极及外部电压VDD；稳压管D2的阳极接地；
三个供电电路中第一MOS管M1的漏极与对应发送线圈层的其中一个第一相位输入端、其中一个第二相位输入端、其中一个第三相位输入端；三个供电电路中第二MOS管M1的漏极与对应发送线圈层的另一个第一相位输入端、另一个第二相位输入端、另一个第三相位输入端分别连接；三个供电电路的非门的输入端与FPGA的第一方波输出端、第二方波输出端、第三方波输出端分别连接；
第一个无线传输单元内的三个供电电路内第三MOS管M3的栅极均接FPGA的第四方波输出端；第二个无线传输单元内的三个供电电路内第三MOS管M3的栅极均接FPGA的第五方波输出端；第三个无线传输单元内的三个供电电路内第三MOS管M3的栅极均接FPGA的第六方波输出端。
3.根据权利要求3所述的一种针对脑内传感器的全向无线供电系统，其特征在于：所述FPGA的型号为EP4CE6F17C8。
4.根据权利要求1所述的一种针对脑内传感器的全向无线供电系统，其特征在于：n1个第一相位线圈、n2个第二相位线圈和n3个第三相位线圈在同一平面内呈蜂巢状排布，且任意两个第一相位线圈互不相邻，任意两个第二相位线圈互不相邻，任意两个第三相位线圈互不相邻。
5.根据权利要求1所述的一种针对脑内传感器的全向无线供电系统，其特征在于：三个无线传输单元线圈按照边长为a的正三角形错开；任意两个无线传输单元线圈均沿着自身的其中一条边错开；a为第一相位线圈、第二相位线圈及第三相位线圈的边长。
6.根据权利要求1所述的一种针对脑内传感器的全向无线供电系统，其特征在于：所述第一相位线圈、第二相位线圈及第三相位线圈的边长均为35mm。
7.根据权利要求1所述的一种针对脑内传感器的全向无线供电系统，其特征在于：n1＝13，n2＝12，n3＝12。
8.如权利要求2所述的一种针对脑内传感器的全向无线供电系统的供电方法，其特征在于：步骤一、FPGA的第一方波输出端、第二方波输出端、第三方波输出端分别输出三个相位信号；三个相位信号两两之间的相位差均为120°；FPGA的第四方波输出端、第五方波输出端、第六方波输出端分别输出三个层选择信号；三个层选择信号的占空比均为1/3；三个层选择信号的高电平依次错开设置；
各对应的相位线圈输入跟随对应的相位信号变化的振荡电流；同一发送线圈层内第一相位线圈、第二相位线圈、第三相位线圈的电流相位相互错开120°；三个发送线圈层依次错开通入振荡电流；
步骤二、将三个无线传输单元的发送线圈层靠近使用者的头部；三个无线传输单元的发送线圈层上交替输入的振荡电流为使用者脑内各个位姿的微型传感器感应充电。
9.根据权利要求8所述的一种针对脑内传感器的全向无线供电系统的供电方法，其特征在于：步骤一中，三个相位信号的频率均为12.5 MHz。
10.根据权利要求8所述的一种针对脑内传感器的全向无线供电系统的供电方法，其特征在于：三个层选择信号的频率均为3.3kHz。
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