JP3622967B1 - 放射線撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 放射線検出部101は、4行×4列に配置された半導体検出器1を備える。半導体検出器1は、半導体母材4、および半導体母材4を挟んで互いに対峙するアノードの電極膜(第1電極膜)およびカソードの電極膜(第2電極膜)を備える。各第1電極膜には、第1導電部材が別々に設置される。行内の4個の半導体検出器1の各第2電極膜は1つの第2導電部材で接続される。列内の4個の半導体検出器1に設けられる各第1導電部材と配線14で接続されるシェイピングアンプ12Bは、第2導電部材に配線13で接続されるシェイピングアンプ12Aのシェイピングタイムよりも短いシェイピングタイムで波形整形処理を行う。
【選択図】 図10
Description
信号誘起電荷は半導体内での電荷の移動とともに信号読出電極に生成するため、半導体内部の不純物準位などによる電荷の捕獲や再結合が起これば、その電荷は電荷を生成した放射線の信号に寄与しなくなる。この捕獲や再結合による信号の欠損現象を捕獲欠損とする。
CdTeやHgI2などの化合物半導体素子を用いた半導体放射線検出器では、一般に正孔の移動度が電子の移動度と比較して著しく小さく、正孔が収集されるまでの時間は捕獲までの平均寿命に対し不充分な短さとなる。捕獲までの平均寿命には従って、正孔が長時間で収集されるときに捕獲欠損が大きい。
電子はアノードに、正孔はカソードに収集されるため、放射線反応位置がアノードに近いときに正孔が長距離(長時間)をかけて収集され、捕獲欠損が最も顕著となる。逆に、放射線反応位置がカソードに近いときには、電子の収集は長距離でも移動度が大きいため、ほぼ捕獲欠損を起こさず、正孔も短距離で収集されるため捕獲欠損が小さい。
従って、出力信号は半導体内での放射線の相互作用位置に依存して変化し、同じ入力エネルギーに対して、異なる出力信号が得られることとなり、エネルギー分解能劣化の大きな原因となる。
また、特許文献2は、複数の半導体放射線検出器を複数列、複数行に配置し、各列毎に、列に含まれた各半導体放射線検出器の第1電極を第1配線で接続し、各行毎に、行に含まれた各半導体放射線検出器の第2電極を第2配線で接続した放射線撮像装置を記載する。複数の第1配線および複数の第2配線にそれぞれシェイピングアンプを接続し、これらのシェイピングアンプの出力を同時性判定装置に入力する。また、第1配線に接続されたシェイピングアンプの出力を、積分回路および増幅器を含み波形整形を行う主増幅器、および微分回路を含み波形整形を行う補助増幅器(時定数は主増幅器のそれよりも短い)にそれぞれ入力する。特許文献2に記載された放射線撮像装置は、主増幅器および補助増幅器のそれぞれの出力信号の波高を比較して弾道欠損を推測し、この弾道欠損を用いて主増幅器の出力信号の波高を補正する。
その一方向の配列内において互いに電気的に接続されている複数の半導体放射線検出器の第2電極に接続されて第2電極からの出力の波形整形処理を行う第2波形整形装置の、波形整形処理を行うシェイピングタイムが、第1電極からの出力の波形整形処理を行う第1波形整形装置のそのシェイピングタイムよりも短く設定されていることにある。
その一方向の配列内で互いに電気的に接続されている第2電極からの出力の波形整形処理を行う第2波形整形装置の、波形整形処理を行うシェイピングタイムが、第1波形整形装置のそのシェイピングタイムよりも短く設定することで電気的ノイズの増加を回避し、、第1出力信号および第2出力信号の各波高値に基づいて第1出力信号の波高値を補正することによって、第1出力信号の波高値の精度を高めることができ、エネルギー分解能を向上させることができる。
第1出力信号の波高値の補正は、具体的には、第1出力信号の波高値と第2出力信号の波高値の差である弾道欠損に基づいて捕獲欠損を求め、この捕獲欠損を用いて第1出力信号の波高値を補正することによって行われる。
図1に示すように、半導体検出器1は、半導体母材4、および半導体母材4に取り付けられたアノード電極23(以下、電極23という)、カソード電極24(以下、電極24という)を備え、更に、電極23および電極24が高圧電源5に接続されて構成される。電極23は、高圧電源5のプラス側に接続される。電極24は、高圧電源5のマイナス側に接続される。半導体母材4は、電極23と電極24との間に介在しており、高圧電源5によって2つの電極間に所定の電圧が印加されている。なお、電極23および電極24は、例えば、数mm×数mmの導電性金属板である。半導体母材4は、例えば、約1mmの厚さを持つ素子である。また、図2以降では、高圧電源5の図示を省略する。
x≒0、すなわち、γ線6が電極24の直近に入射した場合は、電子7は電極23まで長距離を移動する。正孔8は発生するが、すぐに電極24に到達し、移動距離は非常に小さい。
0<x<d、すなわち、γ線6が電極24と電極23との中間に入射した場合は、電子7および正孔8が発生し、電子7が電極23まで移動し、正孔8が電極24まで移動する。
x≒d、すなわち、γ線6が電極23の直近に入射した場合は、正孔8は電極24まで長距離を移動する。電子7は発生するが、すぐに電極23に到達し、移動距離は非常に小さい。
図3(b)は、x≒dの場合を示す。x≒dのケースでは、出力信号電圧の大部分が正孔8によって発生するので、正孔8の移動速度が遅い分、出力信号電圧の立ち上がり時間が長い値(例えば、300nsec)になる。また、正孔8の移動度が低いため、収集経路において一部の正孔8が捕獲され、その一部の正孔8は誘起電荷の生成に寄与しなくなる。言い換えれば捕獲欠損が発生する。例えば誘起電荷に5%の捕獲欠損があった場合、後段回路の出力信号電圧も5%の捕獲欠損を受け、95Eとなる。
図3(c)は、0<x<dの場合を示す。0<x<dのケースでは、電子7による信号と、正孔8による信号の加算となるため、立ち上がりの開始から終了までの出力信号電圧が2つの傾きを持つ。また、捕獲欠損はx≒0のケースおよびx≒dのケースの中間の値となり、立ち上がった後の出力信号電圧もx≒0のケースおよびx≒dのケースの中間の値となる。
実際には移動度のみではなく、移動度μと寿命τの積(μτ積)を考えるべきであるが、移動度が異なれば上記シェイピングタイム長短によるエネルギー補正を用いることができるため、簡単のため移動度の違いのみで同様の議論を行う。逆に言えば、電子と正孔で移動度が非常に近く、寿命のみが大きく異なる場合には以下の補正方法は適用できない。
例えば、立ち上がり時間が30[nsec]であれば、電子7の信号に対する寄与率が100%であり、捕獲欠損が1%であるとみなして、波高値を(100%/99%)倍する補正処理を行う。また、立ち上がり時間が300[nsec]であれば、正孔子8の寄与率が100%の信号であり、捕獲欠損が10%であるとみなして、波高値を(100%/90%)倍する補正処理を行う。このような補正処理により、真の信号値に近い値が得られる。
しかしながら、立ち上がり時間を得るためには複雑な後段回路が必要となり、立ち上がり時間を取得する方法に比べて、以下に説明する方法では簡便な回路構成で同等以上の効果が得られる。
図4に示すように、半導体検出装置10は、半導体検出器1、チャージアンプ11,11、シェイピングアンプ12,12、信号処理装置20を含んでいる。半導体検出器1の電極23および電極24のそれぞれにチャージアンプ11が接続される。それぞれのチャージアンプ11にシェイピングアンプ12がそれぞれ接続されている。
チャージアンプ11は、半導体検出器1が出力するγ線検出信号(誘起電荷信号)を受けて、その電荷量に比例する信号電圧を出力する増幅器である。シェイピングアンプ12は、チャージアンプ11の出力信号電圧を入力し、所定の波形整形処理を行った出力信号電圧を出力する回路である。
シェイピングアンプ12には、シェイピングアンプ12の出力信号電圧を入力して、この出力信号電圧に対して所定の信号処理を行う信号処理装置20が接続される。また、同時性判定装置21が信号処理装置20に内蔵されている。図4は、信号処理装置20が内蔵された場合を示す。同時性判定装置21は、信号処理装置20の外部に配置して信号処理装置20に接続することも可能である。
第1に、入射時刻から数えてシェイピングタイムの数倍程度の短時間で信号電圧をベースライン(例えば信号電圧≒0)に戻すことである。これにより、入射時刻が異なる他のγ線による信号電圧の影響を受ける時間を短くすることができ、高頻度の放射線入射に対応することができる。
第2に、出力信号電圧の波高値を増幅する(例えば、数十mVを数Vにする)ことである。これにより、信号処理装置20が容易に取り扱える出力信号電圧を得る。
第3に、出力信号電圧をそのピークの前後において、平滑にすることである。これは、信号処理装置20が波高値を精確に把握できるようにするためである。
シェイピングアンプ12も入力信号電圧に比例した信号電圧を出力し、理想的にはシェイピング出力電圧信号∝チャージアンプ出力電圧信号∝(誘起電荷量=生成電荷量)∝入射エネルギーとなる。
図5(b)は、シェイピングアンプ12の出力信号電圧である。これは、図5(a)のチャージアンプ11が出力する出力信号電圧に対して、前記波形整形処理を行ったものである。一般的なセミガウシアンフィルタでは、シェイピングタイム程度の立ち上がり時間を持ち、その数倍程度でベースラインに復帰する。
しかし、シェイピングタイムが立ち上がり時間より短くなるに従って、そのときのシェイピングアンプ12の出力信号電圧の波高値は、前記の入射エネルギーに比例した波高値よりも低い値となる。この、シェイピングタイムを早くすることで信号を伝達しきれずに起きる信号の欠損を弾道欠損という。
x≒0(電極24の直近)では捕獲欠損も弾道欠損も非常に小さく、信号電圧がほぼ100Eとなる。
これに対し、図4の構成において、例えば、電極23につながるシェイピングアンプ12のシェイピングタイムを弾道欠損が無視できるほど長くとり、電極24につながるシェイピングアンプ12のシェイピングタイムを弾道欠損が顕著になるほど短くし、捕獲欠損に弾道欠損を加えた出力信号電圧を考える。γ線6の入射位置がx≒dに近付くにしたがって、出力信号電圧は、特性S(図6(b))に示すように、捕獲欠損および弾道欠損を合わせた分、下降する。このように、意図的に弾道欠損を起こさせた、短いシェイピングタイムによる出力信号電圧を用いることで捕獲欠損を補正することができる。以下に2つの同エネルギーに見える信号の上記補正による見分け方の具体例を示す。
一方、図8(b)では、2つのシェイピングタイムによって得られた2つの出力信号電圧のそれぞれの波高値H1に差がなく、すなわち、弾道欠損がないことが分かる。このことから、信号が速く、電子7の寄与率が非常に大きく、従って捕獲欠損が非常に少ない信号出力であることが分かる。これによって、図8(b)は、捕獲欠損のない第2の場合であると推定することができる。
簡便のため、複数の欠損は和として表した。実際には複合欠損は1−(1−捕獲欠損)×(1−弾道欠損)のように表される。捕獲欠損および弾道欠損が小さいとき、その式で得られる複合欠損は捕獲欠損と弾道欠損の和にほぼ等しくなる。
このように短いシェイピングタイムの出力を利用することで、未知の値であった捕獲欠損量を計算し補正を行うことができる。しかし、問題はその補正を行うとき、シェイピングタイムを短くするとき、寄生容量の影響でシェイピングアンプ12のノイズが非常に大きくなることである。この寄生容量の影響を抑制できる波高値の補正を適用した放射線撮像装置の実施形態を以下に述べる。
図9は、本発明の好適な実施の形態に係る放射線撮像装置の一種である核医学診断装置の一例のSPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)装置を、図9、図10および図11を用いて以下に説明する。ここで、放射線撮像装置とは、患者などの被検体にRI(Radio Isotope、放射性同位元素)によって標識された放射性薬剤を投入し、そのRIから放出されるγ線を検出して、被検体内のRI分布を取得する装置である。SPECT装置100は、支持部材11に旋回可能に設置された回転支持台105、回転支持台105に向き合うように設置された一対のカメラヘッド部109、長手方向に移動可能なベッド106、複数の半導体検出装置10、複数の信号処理装置20、データ収集解析装置103および表示装置50を備える。カメラヘッド部109は、回転支持台105から、ベッド106の長手方向に突出している。被検体である被検者Pを載せるベッド106は対向する2つのカメラヘッド部109の間に挿入される。カメラヘッド部109は、回転支持台105に設置されて回転支持台105の半径方向に移動可能な支持部材(図示せず)、複数セットの半導体検出装置10、複数の信号処理装置20およびコリメータCMを有する。複数セットの半導体検出装置10、複数の信号処理装置20およびコリメータCMは、その支持部材に設置される。コリメータCMは、多数の貫通孔(放射線通路)を有し、ベッド106に面して配置される。半導体検出装置10(図10参照)に含まれる放射線検出部101の各半導体検出器1は、コリメータCMの後段に配置され、コリメータCMの貫通孔を通過する放射線(γ線)を入射する。
各行の半導体検出器1の配列において、隣接する電極膜15同士、および導電部材2同士をそれぞれ絶縁する。本実施形態では、カソードの導電部材3側をグランドとしている。しかし、アノードの導電部材2側をグランドとしてもよい。
ちなみに、カメラヘッド部109に設けられた多数の放射線検出部101はマトリックス状に配置される。列方向において隣り合う放射線検出部101同士は、電極膜17同士、具体的には導電部材3同士が向き合うように配置される。これらの導電部材3同士は、互いに電気的に接続されていない。
放射線検出部101における各半導体検出器1は、γ線の検出感度を高めるために稠密に配置する必要がある。このため、列内で隣り合う導電部材3の相互間の間隔は、数10〜300μmと狭くしなければならない。これらの導電部材3同士は、相互に電気的に接続されていなく、互いに面と面を向かい合わせるように配置することになる。したがって、その間隔は十分な間隔であるとは言えず、それらの導電部材3間に大きな寄生容量が発生してしまう。導電部材3間に発生する寄生容量は、例えば約5〜20[pF]である。その寄生容量によって、導電部材3に接続されたシェイピングアンプ12Aにおける波形整形処理の特性が劣化してしまう。その特性の劣化は、特に短いシェイピングタイムによる波形整形処理において顕著になるため、同じシェイピングタイムを有する12A,12Bを用いた場合における捕獲欠損補正において特に問題となる。それらの導電部材3間で寄生容量が発生することは、それらの導電部材3が取り付けられて互いに向き合っている2つの電極膜17間でも寄生容量が発生していることになる。
列内で向き合っている2つの電極膜15は導電部材2で互いに直流的に接続されているため、それらの電極膜15間では寄生容量は発生しない。なお、行において隣接する導電部材2同士は電極膜15の端部で向かい合っており半導体母材4に対向する面で向き合わないため、それらの導電部材2間で発生する寄生容量は非常に小さい。
印加電圧を下げると捕獲欠損が増え、通常のシェイピングアンプ一個の測定ではエネルギー分解能が悪くなる。しかしながら、本実施形態により、シェイピングアンプ二個(第1及び第2シェイピングアンプ)での補正が稠密配置でも実際に使えるものになるため、シェイピングアンプ一個での測定に比べて低い印加電圧で高いエネルギー分解能を得ることができる。ちなみに、従来の印加電圧は例えば600Vであり、本実施形態では150Vである。この差により実装上の線間距離などの制約が大幅に改善される。このように、本実施形態は、印加電圧を低減できて、エネルギー分解能を向上できる。その印加電圧の低減は、放射線検出部101の絶縁を緩和することができる。
また、導電性の金属板で構成された導電部材2で2つの半導体検出器1の電極膜15同士を接続し、また、行内の4個の半導体検出器1の電極膜17を導電性の金属板で構成された導電部材3で接続し、配線の最初期段階で上記マトリクス状配線を行うことで、その接続作業を容易に行うことができる。導電部材2,3で接続した複数の半導体検出器1を支持基板上に配置し、導電部材2,3と支持基板に設けた該当する配線(配線14,13)を接続すればよいので、半導体検出器1の電極膜15,17と支持基板の配線との接続を短時間に完了することができる。
以上に本発明の好適な一実施形態である放射線撮像装置について説明したが、本発明は前記実施の形態やその説明上記載した数値に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、以下のような実施形態が考えられる。
(1)図10に示す実施形態は、半導体検出器1が4×4のマトリックス状に配置された放射線検出部101の構成を有している。これに限定されることなく、半導体検出器1をm×n(m≧2、n≧2、m、nは自然数)のマトリックス状に配置した放射線検出部を用いてもよい。
2,3 導電部材
4 半導体母材
5 高圧電源
6 γ線(放射線)
7 電子
8 正孔
10 半導体検出装置(半導体放射線検出装置)
11,11A,11B チャージアンプ(増幅装置)
12,12A,12B シェイピングアンプ(増幅装置)
15 電極膜(電極)
17 電極膜(電極)
20 信号処理装置
21 同時性判定装置
40 画像データ作成装置
100 SPECT装置
101 放射線検出部
103 データ収集解析装置
105 回転支持台
109 カメラヘッド部
Claims (14)
- 半導体部材、および間に前記半導体部材を挟むようにして前記半導体部材に設けられた第1電極および第2電極を有し、およびある一方向の配列内で、前記第1電極同士が電気的に接続されない状態で向き合うように配置された複数の半導体放射線検出器と、
前記配列内の複数の前記半導体放射線検出器の前記第1電極に別々に設けられ、前記第1電極からの出力の波形整形処理を行う第1波形整形装置と、
前記配列内において互いに電気的に接続されている複数の前記半導体放射線検出器の前記第2電極に接続され、前記第2電極からの出力の波形整形処理を行う第2波形整形装置と、
前記第1波形整形装置および前記第2波形整形装置からのそれぞれの出力を入力する信号処理装置とを備え、
前記第2波形整形装置の、前記波形整形処理を行うシェイピングタイムが、前記第1波形整形装置のそのシェイピングタイムよりも短く設定されている
ことを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記配列内の複数の前記半導体放射線検出器毎に別々に設けられ、前記第1電極に接続され、前記第1電極からの出力を増幅する第1前置増幅装置と、
前記配列内の複数の前記半導体放射線検出器のそれぞれの前記第2電極に接続され、前記第2電極からの出力を増幅する第2前置増幅装置とを備え、
前記第1波形整形装置は前記第1前置増幅装置の出力を入力する第1波形整形増幅装置であり、
前記第2波形整形装置は前記第2前置増幅装置の出力を入力する第2波形整形増幅装置である
ことを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 半導体部材、および間に前記半導体部材を挟むようにして前記半導体部材に設けられた第1電極および第2電極を有し、ある一方向に複数配列、その一方向と交差する他の方向に複数配列となるように配置され、および前記一方向の各配列内で、前記第1電極同士が電気的に接続されない状態で向き合うように配置された複数の半導体放射線検出器と、
前記他の方向の前記複数配列毎に別々に設けられ、前記他の方向の前記配列内において互いに電気的に接続されている複数の前記半導体放射線検出器の前記第1電極に接続され、前記第1電極からの出力の波形整形処理を行う第1波形整形装置と、
前記一方向の前記複数配列毎に別々に設けられ、前記一方向の前記配列内において互いに電気的に接続されている複数の前記半導体放射線検出器の前記第2電極に接続され、前記第2電極からの出力の波形整形処理を行う第2波形整形装置と、
前記第1波形整形装置および前記第2波形整形装置からの出力に基づいて、放射線を検出した前記半導体放射線検出器を特定する同時性判定装置とを備え、
前記第2波形整形装置の、前記波形整形処理を行うシェイピングタイムが、前記第1波形整形装置のそのシェイピングタイムよりも短く設定されている
ことを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記他の方向の前記複数配列毎に別々に設けられ、前記他の方向の前記配列内の複数の前記半導体放射線検出器のそれぞれの前記第1電極に接続され、前記第1電極からの出力を増幅する第1前置増幅装置と、
前記一方向の前記複数配列毎に別々に設けられ、前記一方向の前記配列内の複数の前記半導体放射線検出器のそれぞれの前記第2電極に接続され、前記第2電極からの出力を増幅する第2前置増幅装置とを備え、
前記第1波形整形装置は前記第1前置増幅装置の出力を入力する第1波形整形増幅装置であり、
前記第2波形整形装置は前記第2前置増幅装置の出力を入力する第2波形整形増幅装置である
ことを特徴とする請求項3に記載の放射線撮像装置。 - 前記他の方向の前記配列内のそれぞれの前記半導体放射線検出器の第1電極が一体化されていることを特徴とする請求項3に記載の放射線撮像装置。
- 前記一方向の前記配列内で複数の前記半導体放射線検出器は、前記第1電極同士が向き合い、前記第2電極同士が向き合うように配置され、互いに向き合って配置された2つの前記第2電極は互いに電気的に接続され、これらの第2電極は前記一方の前記配列内で向き合っていない他の前記第2電極とも電気的に接続されていることを特徴とする請求項3ないし請求項5のいずれか一項に記載の放射線撮像装置。
- 前記第1電極および前記第2電極が、支持部材に垂直に取り付けられていることを特徴とする請求項1または請求項3に記載の放射線撮像装置。
- 半導体部材、および間に前記半導体部材を挟むようにして前記半導体部材に設けられた第1電極および第2電極を有し、ある一方向に複数配列、その一方向と交差する他の方向に複数配列となるように配置され、および前記一方向の各配列内で、前記第1電極同士が電気的に接続されない状態で向き合うように配置された複数の半導体放射線検出器と、
前記他の方向の前記複数配列毎に別々に設けられ、前記配列内のそれぞれの前記半導体放射線検出器の第1電極に取り付けられ、これらの半導体放射線検出器を一体化する第1導電部材と、
前記複数の半導体放射線検出器の前記第2電極にそれぞれ取り付けられた第2導電部材と、
前記他の方向の前記複数配列毎に別々に設けられ、前記第1導電部材を介して入力される前記第1電極からの出力の波形整形処理を行う第1波形整形装置と、
前記一方向の前記複数配列毎に別々に設けられ、前記一方向の前記配列内において互いに電気的に接続されている前記第2導電部材に接続され、前記第2導電部材を介して入力される前記第2電極からの出力の波形整形処理を行う第2波形整形装置と、
前記第1波形整形装置および前記第2波形整形装置からの出力に基づいて、放射線を検出した前記半導体放射線検出器を特定する同時性判定装置とを備え、
前記第2波形整形装置の、前記波形整形処理を行うシェイピングタイムが、前記第1波形整形装置のそのシェイピングタイムよりも短く設定されている
ことを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記第1導電部材毎に別々に設けられ、前記第1導電部材を介して入力される前記第1電極からの出力を増幅する第1前置増幅装置と、
前記一方向の前記複数配列毎に別々に設けられ、前記一方向の前記配列内のそれぞれの前記第2導電部材に接続され、前記第2導電部材を介して入力される前記第2電極からの出力を増幅する第2前置増幅装置とを備え、
前記第1波形整形装置は前記第1前置増幅装置の出力を入力する第1波形整形増幅装置であり、
前記第2波形整形装置は前記第2前置増幅装置の出力を入力する第2波形整形増幅装置である
ことを特徴とする請求項8に記載の放射線撮像装置。 - 前記一方向の前記配列内で複数の前記半導体放射線検出器は、前記第1電極同士が向き合い、前記第2電極同士が向き合うように配置され、互いに向き合って配置された2つの前記第2電極は互いに電気的に接続され、これらの第2電極は前記一方の前記配列内で向き合っていない他の前記第2電極とも電気的に接続されていることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の放射線撮像装置。
- 前記第1電極、前記第2電極、前記第2導電部材および前記第1導電部材が、支持部材に垂直に取り付けられていることを特徴とする請求項8に記載の放射線撮像装置。
- 前記第1導電部材および前記第2導電部材は導電性の金属板であることを特徴とする請求項8ないし請求項11のいずれか一項に記載の放射線撮像装置。
- 前記半導体放射線検出器を前記一方向に複数個並べた前記配列を、前記一方向と直交する前記他の方向に複数列並べて配置したことを特徴とする請求項3ないし請求項8のいずれか一項に記載の放射線撮像装置。
- 前記第1電極および前記第2電極が、支持部材に垂直に取り付けられていることを特徴とする請求項1または請求項3に記載の放射線撮像装置。
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