CN1555493A - 用于抑制电磁耦合现象的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振陷波电路(8)，用于抑制一个导线(1)的电磁耦合现象，该谐振陷波电路包括一个导体(10)，它平等于导线延伸并沿该导线(1)的长度的一部分延伸。传统的谐振陷波电路(8)的缺点在于RF导线和单独谐振陷波电路(8)之间存在直接的连接。本发明的目的是提供一种谐振陷波电路(8)，它可以在导线(1)上实现模块化安装。本发明是通过下面这种谐振陷波电路(8)实现的，其中内导体(10)平行于导线(1)延伸，外导体(11)平行于内导体(10)延伸，所述内导体(10)与导线(1)之间的径向距离小于该外导体(11)与导线(1)之间的距离，在相对于导线(1)的径向方向将该外导体(11)布置为至少部分的覆盖内导体(10)。这样就可以省略谐振陷波电路(8)与导线(1)之间的连接。

Description

用于抑制电磁耦合现象的装置

本发明涉及一种谐振陷波装置，用于抑制至少一个导线的电磁耦合现象，所述导线用于传导电流或电磁波，特别是MR装置中的RF交流电流，该谐振陷波装置包括一个导体，该导体沿导线的一部分长度延伸。

在传统的核磁共振成像方法中，通过例如1.5特斯拉的强而稳定的磁场，使质子的磁矩在一个空间方向上取向。利用简单的磁场RF脉冲，可以使各质子激发旋进并随后使其取向再次变得符合外部强磁场。特别是该旋进运动的激发和松弛时间以及频率都取决于生理组织，在测量中，它们结合激发的位置码来提供在不同组织的空间内的关于该位置的信息。该位置码利用基于位置的频率和旋进激发的相位，可以通过所测量到的MR信号的傅立叶变换，得到关于相关发射的位置的信息。

为了得到较高的图像质量，最好使用多个特征曲线以便于区分被检查组织的类型。MR装置中磁场可以变化提供的速度成为在可接受的检查时间内实现高图像质量的一个限制因素。因此，我们一直都在希望改进线圈系统，该线圈系统与放大器和电压源结合可以得到高的磁场强度瞬变。

为了对于该位置码产生所需的磁场强度梯度，通常在三个相互垂直的空间方向上使用不同的线圈系统。通常在本体的纵轴方向上布置两个彼此相对的Helmholz线圈，该纵轴通常被称为z轴。在垂直于本体纵轴的方向上，通常提供多个螺旋形平面线圈，它们彼此相对布置从而包围圆筒形状的检查空间。通常沿本体的纵轴方向，在垂直于本体纵轴方向延伸的空间方向上提供两个或更多这种螺旋形线圈。这两个垂直于本体纵轴方向取向的空间方向通常称为x方向和y方向，对于这两个方向使用下面类型的独立线圈系统。

用于质子的旋进激发的线圈位于由其他线圈包围的检查室内。为了容易操作，检查室的侧壁的不同位置通常都具有用于RF线圈的连接器。从而可以使线圈按照相关检查的需要在被检查患者上布置。但是与各连接器连接的电线会与RF线圈的RF磁场电磁耦合，从而在这些线和屏蔽层上产生电流和电压。一方面增加的电压、电流和电磁场会导致错误的测量结果，而另一方面所感应的电压和电流所能达到的数量级幅值将变得对被检查的患者有害。

为了至少避免对被检查患者有害的电压和电流，已经知道在到RF线圈的导线周围包围一个导体。所形成的电感通常与反馈耦合到该导线的电容串联，可以将所得到的谐振电路的谐振频率调谐到MR装置的频率。从而通过所激发的谐振电路可以屏蔽该谐振电路的线圈中存在的导线，从而保持该导线的RF信号不受影响。但是这有一个主要缺点，该谐振电路的杂散磁场增加，从而需要对该结构进行进一步的屏蔽。另一个关于该装置的制造和维护的主要缺点在于需要将谐振电路的电容和RF信号的实际导线彼此连接。这些部件彼此连接从而准不可分，因此在出现缺陷时就需要将包括屏蔽层的全部导线替换。模块化结构形式的替代物需要很多可拆卸连接，这些连接一方面会极大的增加制造成本到不能接受的程度，另一方面缺陷的数量也会极大增加从而损害可用性。

对于RF导体的屏蔽，美国专利5742165已经教导利用圆柱形导体在对应该MR装置电磁辐射波长的四分之一的长度上包围该导线，该相关波长是存在于圆柱屏蔽层和导线之间介质中的波长。该圆柱屏蔽层的一端直接与将被屏蔽的导线短路，但在另一轴端，它通过电容与该导线连接。由于通过电容器的连接，可使该圆柱屏蔽层的电有效长度(下面也称为电长度)相对于实际长度显著降低。

这种复杂的结构具有严重的缺陷，RF导线和各屏蔽层之间存在直接连接，从而在一个部件实效的情况下，全部导线与所有的屏蔽层都必须被替换，成本极高。

考虑到现有技术中的缺陷和问题，本发明的一个目的是提供一用于导线的谐振陷波电路，用于传导能够可靠屏蔽RF电磁辐射的电流，并在导线上实现该谐振陷波电路的模块化结构。

根据本发明，该目的是通过前述类型的谐振陷波电路实现的，其中至少一个内导体沿该导线延伸并覆盖该导线长度的一部分，至少一个外导体沿该内导体延伸，该布置内导体与导线之间的距离小于该外导体与导线之间的距离，将该外导体布置为至少部分的覆盖与该导线相关的内导体。

该内导体最好与导线平行延伸。外导体与内导体也最好平行布置，从而可以确保导体之间以及导体和导线之间的结构上可感应距离。该导线和内导体以及外导体都以这样布置，即它们的原则尺寸至少部分地沿一公共直连接导线延伸，从而确保高质量屏蔽。

本发明谐振陷波电路的最重要的优点在于不再需要将谐振陷波电路与导线电连接。由于谐振陷波电路与导线无关，因此首次可以实现模块化结构，其中导线和谐振陷波电路构成了单独部件。导线和谐振陷波电路之间不再需要插入类型的连接。该同时作为单独部件的导线和谐振陷波电路的结构提高了这两个部件的耐用性。该模块化结构可以实现多种可能的标准化，从而可以实现真正的成本节约。最后，根据本发明的谐振陷波电路可以更容易的安装在MR装置上，一点也不因为其更为坚固。该导线可以简单的经过各谐振陷波电路滑动。该谐振陷波电路的数目可根据导线的长度来选择。

在本发明的另一最佳实施例中，内导体在导线的纵轴方向上具有一电长度，对于RF交流电流频率的电磁波来说，该电长度大约对应于内导体和外导体之间介质中波长的四分之一。该电长度取决于内导体和外导体之间介质的所有属性，最重要的是介电常数和导磁率。具有波长的四分之一的电长度的谐振陷波电路可以抑制在相对较窄的带宽区域内具有最大品质因素(例如Q＝250)的电磁耦合现象。与电谐振电路中的谐振现象相似，在该结构中出现相似类型的谐振现象，从而在理想情况下使该线上的电磁波的输入阻抗没有一点阻碍的增加。该内导体和外导体最好具有近似相等的长度，即它们的长度近似对应于该导线上RF交变电流频率的电磁波在内导体和外导体之间介质中产生的波长的四分之一。

在本发明谐振陷波电路的另一最佳实施例中，内导体和外导体分别为沿该导线延伸的平板。在此情况下，每次最好使用成对的两个内部和外部导体，其它们彼此相对布置，该导线位于两个内导体之间。另外，可以在该导线周围布置两个以上的谐振陷波电路，每个谐振陷波电路包括一平面内导体和一平面外导体。这种简单的结构非常坚固，并可实现非常高的屏蔽品质因素。围绕该导线布置的各单独谐振陷波电路不需要彼此导电连接。开放式结构可以实现灵活的操作并最小化安装所需的工作量。对于这种结构还有一个优点是本发明的谐振陷波电路相对于谐振频率具有非常大的公差范围。即使由于花费不多的制造过程导致很大的机械尺寸公差，也可以实现非常突出的屏蔽品质因素。该内导体的尺寸，特别是该导线横方向上的尺寸最好小于外导体的尺寸，从而可以避免谐振陷波电路和环境之间产生不希望的耦合。特别优点在于将内导体和外导体在一个轴线端短路。为了减少实际长度并调谐谐振频率，最好在外导体和内导体之间提供一个电容，特别是在它们的一个轴线端处。两个谐振陷波电路的对称组合也是有利的。在此情况下，可以在轴心，特别是外导体的轴心提供一个电容，或者可以利用两个电容将内导体和外导体的两个轴端彼此连接。在前一种结构中，即在轴心布置电容的结构中，最好在两侧端都短路。

在谐振陷波电路的一最佳实施例中，将内导体和外导体分别形成为导电中空圆柱。在安装时，导线可以简单的穿过内导体，将多个谐振陷波电路按照在轴线方向上彼此间隔一定距离的方式布置，该距离小于与周围介质(通常为大气)相关的波长的四分之一。这种导体为中空圆柱体或管子的特别简单的结构可以实现非常经济的制造，而且非常坚固。这种结构特别适用于具有较小直径的导线的屏蔽。除了圆形或椭圆形截面，该谐振陷波电路的导体还可采用多边形截面，例如矩形或八角形截面。

根据本发明对于具有大直径的导线，可以将内导体和外导体分别形成为用于导线的导电封套，这两个封套具有中断器，这些中断器沿纵向方向是连续的并沿圆周分布。大直径导线需要一个在该导体方向的垂直方向上具有更大尺寸的封闭谐振陷波电路。但是，根据给定的幅度，相对较大尺寸的导体终将产生涡流，该涡流是由外部梯度场感应产生的。为了避免涡流影响该梯度场，为本发明的导体提供中断器，这些中断器在纵向方向上是连续的。当采用该简单步骤时，就可以有效的避免该涡流和相关干扰场。因此该谐振陷波电路最好被形成为多个导体，它们沿圆周分布并沿至少两个不同方向延伸。

为了减少实际长度，在多个导体之间可能出现不同的介质，例如环境空气或合适的电介质。在两个导体之间存在液体介质也是可行的。存在于导体之间的介质可以包含质子，因为干扰信号的形成是由谐振陷波电路排除的。

为了形成可以谐振的谐振陷波电路，最好将内导体与外导体的一个轴端电连接。整个结构的电感与整个结构的电容构成一线(line)谐振器。

为了减少该谐振陷波电路的长度，内导体的一个轴端可以通过电容与外导体的相关轴端连接。这样可以显著减小该谐振陷波电路的实际长度，从而可以在特别是安装期间更容易的操作该谐振陷波电路，通常在该导线的纵轴方向上连续布置该谐振陷波电路。应当注意由于将被屏蔽的导线的长度很短，因此经常需要更短的屏蔽层。

在本发明的另一最佳实施例中，两个导体相对于它们的轴心对称，这两个对分轴(axial halves)中的每一个在导线的纵轴方向上都具有一个电长度，该电长度大约对应于导线RF交变电流频率的电磁波在内外导体之间的介质中具有的波长的四分之一。该谐振陷波电路的结构实质上包括两个谐振陷波电路，它们在内外导体之间的连接器的端部彼此轴向相对布置；由于这种对称布置导致该内导体和外导体之间的连接器中产生的电流相互抵消。因此可以省略内导体和外导体之间的电连接。在对称谐振陷波电路的两个外侧端之间具有相同电容的对应结构使该谐振陷波电路的实际长度相对于电长度减小。该谐振陷波电路的电长度是对于该导线RF交变电流频率在外导体和内导体之间介质中电磁波的波长的一半。

在本发明的一个最佳实施例中，内导体与外导体的两个实际端彼此电连接，该外导体在其轴心处通过电容中断。这种结构相对于轴心是对称的。由于这种镜像对称结构，产生的电流可以彼此抵消，因此可以省去内导体和外导体之间的中心导电连接。使谐振陷波电路的电长度有益地为去耦合的频率的波长的一半。

当将谐振陷波电路形成作为导线封套的一部分时，可以实现本发明的一最佳实施例，可以将该导线封套在圆周方向上分割，且该导线封套具有例如导线导轨(line guide)或导线通道(line channel)的功能。导体的中断器还可作为该导线导轨的分离槽，该中断器可用于抑制涡流且是由沿导线纵向防线延伸的谐振陷波电路的中断器形成的。由于导体中宽槽或宽的中断器导致屏蔽品质恶化，因此该槽的宽度取决于对屏蔽品质因素的要求。

本发明的谐振陷波电路的模块化结构可以为导线提供多个谐振陷波电路，这些谐振陷波电路被调谐到不同频率。这些陷波电路可以例如彼此顺序或同轴布置。从而对于一个导线可以实现在多个很窄的带宽频率范围内的高品质去耦合，从而可以利用不同的激发频率和不同的主场强度来实现操作。

下面将参照附图说明本发明最佳实施例，其中附图为：

图1用图表示出了MR装置的多个部件的结构布置，这些部件对本发明非常重要；

图2示出同轴线的截面图，该同轴线被根据本发明的谐振陷波电路包围。

图3示出图2结构的等效示意图；

图4示出利用本发明的谐振陷波电路屏蔽的导线，以及内导体的外表面和外导体的内表面的等效示意图；

图5、6、7、8示出利用本发明谐振陷波电路屏蔽的导线的示意纵向截面图；

图9示出根据本发明的谐振陷波电路的内导体和外导体之间的连接的示意截面图；

图10示出本发明谐振陷波电路的另一实施例的示意透视图。

图1中的附图标记1表示用于该检查腔体(examination volume)2内的RF信号的导线路径。该导线1的一端具有与RF线圈4连接的连接器3。该导线1的另一端具有另一个连接电路5，滤波器6与该连接电路5连接。该滤波器6后级是一连接器7，用于传输和接收放大器。根据本发明利用谐振陷波电路8来使该导线1通过检查腔体2延伸的部分屏蔽以避免干扰影响。根据本发明通过谐振陷波电路8也可以屏蔽导线1上电磁波导致的干扰场，多个谐振陷波电路8的各端按照与导线1的纵轴方向相同的方向布置，且每个谐振陷波电路8距离相邻谐振陷波电路8的相同一端的距离都小于MR装置的RF线圈在周围介质(通常为空气)中操作时频率的电磁波波长的四分之一。

图2示出由内导体10和外导体11包围的同轴线9的截面图。该同轴线9包括内部电缆心线束12，这些线束按照特别方式扭绞在一起并被绝缘层13包围。在绝缘层13周围具有多个外部芯线14，一外部绝缘层15包围它们。该同轴线9位于内部导体10内，该内部导体10为中空圆柱形结构且与外部导体11同轴布置。检查室2的侧壁16与导线1或同轴线9之间有一定距离。

图3示出图2结构的等效示意图，其中导线1或同轴线9由三个彼此相连的线段9a、9b、9c表示。该谐振陷波电路8的多个部分与中间线段9b直接接近，这些部分也用线段来表示，该谐振陷波电路包括内部导体10和外部导体11。该内部导体10和外部导体11都已经被示出，且被分割为相应的内表面(10i)和相应的外表面(10o)，该内部导体10的内表面10i临近导线1的导体线段9b，然后是内部导体10的外表面10o，外部导体11的内表面11i和外部导体11的外表面11o。如图3中等效示意图所示，在该谐振陷波电路8的一个轴端，通过连接器17使内部导体10和外部导体11彼此短路。通过连接器18使两侧的内表面(10i，11i)和外表面(10o，11o)之间导电连接。内表面和外表面上的电流仅在谐振陷波电路8的两个轴端区域处彼此影响；表面10i，11i和外表面10o，11o上的电流在所有其他位置都彼此不会影响。在谐振陷波电路8的其他轴端，内部导体10通过电容19与外部导体11连接。该电容19使谐振陷波电路8的轴线长度相对于它的有效电长度减小。在该等效方块图中，外部导体11的上表面11o临近侧壁16，该侧壁16由三个连续的彼此连接的线段16a、16b、16c表示。

当不存在谐振陷波电路8时，在导线1或同轴线9的表面与侧壁16之间的整个长度上都发生电磁耦合。该侧壁16和同轴线9的表面构成电磁波的传输导线。根据电磁信号的强度，对患者有害的电压和电流将在检查腔体2内增加。因此，通过多个谐振陷波电路8将导线1或同轴线9与周围部件屏蔽，这些谐振陷波电路8按照间距最多为波长的四分之一的方式布置。对于电磁波，这意味着导线1或同轴线9被沿纵轴方向切割为多个很短的线段，这些线段随着谐振陷波电路8所屏蔽的分段而变化。这种对导线1的分割抑制了有害电压和干扰辐射形成的不希望的影响。如图3所表示的各单独线段9a、9b、9c、10i、10o、11i、11o、16a、16b、16c中的引起电流分别由箭头表示。在图2中，在所涉及部件的表面模拟似的表示这些电流。相邻部件上的电流通常取向彼此相反。在线1或同轴线9与侧壁16之间，即在谐振陷波装置8的前(9a，16a)和后(9c，16c)面的非已屏蔽的线段之间，出现电磁耦合。另外，在同轴线9的已屏蔽表面9b和内导体10的内表面10i之间，内部导体10的外表面10o和外部导体11的内表面11i之间以及外部导体11的外表面11o和侧壁16的相邻表面16b之间，发生耦合。

下面将简要说明物理关系。如图4所示，根据本发明通过谐振陷波电路8在长度1范围内包围导线1或同轴线9。在导体10、11的内表面和外表面上形成图3所示的电流。如图3的等效示意图中，导体10和11的内外表面之间的阻抗Z₁和Z₂所示，仅在谐振陷波电路8的轴端出现电磁耦合效应。阻抗Z₂₁应当考虑该谐振陷波电路8的长度。

下面关系式是由图4的等效示意图得出的。

并联Z₁和Z₂产生输入阻抗Z_i：

$Z_i=\frac{Z_1\·Z_{2,l}}{Z_1+Z_{2,l}}$

与欧姆法则相符合，下面的值是在谐振陷波电路8的两个轴端获得的：

$Z_1=\frac{U(x=-l)}{I(x=-l)}$

$Z_2=\frac{U(x=0)}{I(x=0)}$

当输入阻抗变得非常高时，可以实现抑制电磁耦合。在谐振的情况下，输入阻抗增加很大：本发明中谐振陷波电路8利用了这个情况。在理想环境中(欧姆损耗可以小到忽略不计)的谐振条件下，Zi→∞，假设纯隐蔽(pureblind)电阻Y1，Y2  以及波传播的特征阻抗Z0一起产生如下的谐振条件：

$\tan (\mathrm{\β}\·1)=\frac{(Y_1+Y_2)\·Z_0}{-Y_1\·Y_2+{Z_0}^2}\→\∞$

其中 $\mathrm{\β}=\frac{2\·\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}$ 是在导线上波传播的相位常数，它是由内导体(10)和外导体(11)之间的介质中的波长λ产生的。该谐振陷波电路8的输入阻抗在谐振情况下极大的增加(理想情况下：Zi→∞)，这意味着导线1的分割(segmentation)。当电容19将外导体(11)和内导体(10)彼此的一个轴端连接在一起 $(Y_1=\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·f\·c})$ 且另一轴端短路(Y₂＝0)时，可以得到谐振陷波电路8的长度：

$\tan (\mathrm{\β}\·1)=\frac{1}{Z_0\·2\·\mathrm{\π}\·f\·c}$

在缺少电容(C＝0)时该长度是：

tan(β·1)→∞   $1=\frac{2\·n+1}{4}\·\mathrm{\λ}$

例如，对于n＝0： $1=\frac{\mathrm{\λ}}{4}$

图5中导线1由谐振陷波电路8包围，内导体10与外导体11一端短路，即，通过连接器17短路。两个导体10、11的另一端保持开路，该线谐振器的性能由几何结构、电感和电容来保证。

在图6中，导线1由谐振陷波电路8包围，该谐振陷波电路8的一轴端通过内导体10和外导体11之间的连接器17短路。在另一轴端，该内导体10和外导体11通过电容彼此连接。

在图7中，导线也被包括内导体10和外导体11的谐振陷波电路8包围，该内导体10与外导体11的两个轴端分别通过电容19和20连接。然后该谐振陷波电路8的总电长度等于在内导体和外导体之间的介质中以导线1中的交流电频率传播的波长的一半。在图7的结构中，实质上与图6实施例一致的两个谐振陷波电路8通过它们的短路端彼此相对布置；由于这种对称，因此在谐振陷波电路8的轴心可以省略该内导体10和外导体11之间的短路连接器17。

在如图8所示的谐振陷波电路18中，内导体10与外导体11的两个轴端都彼此电连接。该外导体11在轴心处通过电容19中断。这种结构相对于轴心对称。本实施例原则上包括本发明的谐振陷波电路8的连接，这些谐振陷波电路8的一个轴端具有一电容，且另一轴端每次短路。在本文中，这两个电容最好被合并以形成一个单独的电容。

所有提出的实施例都最好具有中断器21，它们沿圆周分布并沿该谐振陷波电路8的轴向方向延伸。图9示出谐振陷波电路8的短路轴端的截面图。沿该圆周分布的八个连接器17最好是“印刷电路板”的形式构成。利用沿圆周分布的多个中断器21使这些连接器彼此分离，这些中断器沿该谐振陷波电路8的纵轴方向延伸。

图10示出根据本发明的另一实施例。内导体10和外导体11的结构分别为平面、矩形、彼此位置相对的板，且它们彼此平行延伸并与位于内导体之间的导线9平行。选择该内导体10的平面尺寸使其小于外导体11。连接器17使内导体10和外导体11的一个轴端短路。该内导体10和外导体11的另一轴端分别都是开路端。

Claims (13)

1.一种谐振陷波电路(8)，用于抑制至少一个用于传导电流的导线(1)的电磁耦合现象，特别是MR装置中的RF交变电流的导线(1)的电磁耦合现象，该谐振陷波电路包括一个导体(10)，它沿该导线(1)的长度的一部分延伸，其特征在于至少一个内导体(10)沿该导线(1)延伸并覆盖该导线长度的一部分，至少一个外导体(11)沿该内导体(10)延伸，布置内导体(10)与导线(1)之间的距离小于该外导体(11)与导线(1)之间的距离，将该外导体(11)布置为至少部分的覆盖与该导线(1)相关的内导体(10)。

2.如权利要求1所述的谐振陷波电路(8)，其特征在于内导体(10)在导线(1)的纵轴方向上具有一电长度，该电长度对应于以导线(1)的RF交流电流频率在内导体(10)和外导体(11)之间的介质中传播的电磁波的波长的大约四分之一。

3.如权利要求1所述的谐振陷波电路(8)，其特征在于内导体(10)和外导体(11)构成为沿该相邻导线(1)延伸的各个平板。

4.如权利要求1所述的谐振陷波电路(8)，其特征在于将内导体和外导体形成为各个导电中空圆柱。

5.如权利要求1所述的谐振陷波电路(8)，其特征在于将内导体(10)和外导体(11)形成为导线(1)的各个导电封套，这两个封套具有中断器(21)，这些中断器(21)沿圆周分布并沿纵向方向是连续的。

6.如权利要求1所述的谐振陷波电路(8)，其特征在于将内导体(10)与外导体(11)的一个轴端电连接。

7.如权利要求1所述的谐振陷波电路(8)，其特征在于内导体(10)的一个轴端可以通过电容(19)与外导体(11)的所述轴端连接。

8.如权利要求1所述的谐振陷波电路(8)，其特征在于内导体(10)的一个轴端通过电容(19)与外导体(11)的所述轴端连接，内导体(10)的另一个轴端与该外导体(11)的所述另一个轴端电连接。

9.如权利要求1所述的谐振陷波电路(8)，其特征在于内导体(10)的两个轴端都通过电容(19，20)与外导体(11)的这些轴端电连接。

10.如权利要求1所述的谐振陷波电路(8)，其特征在于内导体(10)的两个轴端都与外导体(11)电连接，该外导体(11)在它的轴心通过电容(19)中断。

11.如权利要求1或7所述的谐振陷波电路(8)，其特征在于两个导体(10)相对于它们的各个轴心对称，这两个对分轴中的每一个在导线(1)的纵轴方向上都具有一个电长度，该电长度大约对应于以导线(1)的RF交变电流频率在内导体和外导体(11)之间的介质中传播的电磁波的波长的四分之一。

12.如权利要求1所述的谐振陷波电路(8)，其特征在于内导体(10)和外导体(11)形成导线封套的一部分，作为导线导轨或导线轨道的导线封套可在圆周方向上被分割。

13.如权利要求1所述的谐振陷波电路(8)，其特征在于可以在一个导线(1)上提供多个谐振陷波电路(8)，它们可被调谐到多个不同频率。

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