JP3934844B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大きい素子ピッチの探触子を用いて、グレーティングローブの小さい超音波ビームを形成する超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断に用いる超音波は、探触子に設けられた素子の厚み振動から発生させる。従って、素子が厚み振動のみをするのが理想であるが、実際には図２（ａ）に示すように、厚み振動以外の不要振動が発生する。そこで、図２（ｂ）に略示するように、素子をさらに細かく切断し、厚み振動はそのままで不要振動を抑制する。この素子の細かい切断をサブダイスと呼ぶ。従来の超音波診断装置には、厚み振動以外の不要振動を抑制するために各素子をサブダイスした探触子が用いられている（日本電子機械工業会編「医用超音波機器ハンドブック」コロナ社（１９８５年）１８８〜１８９ページ参照）。
【０００３】
また従来の超音波診断装置に用いられる探触子においては、独立に駆動回路、遅延回路に接続される最小単位は各素子であり、サブダイス後の各サブダイス素子には共通の電極が取り付けられている（前記「医用超音波機器ハンドブック」１８７ページ参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
超音波診断装置においては、グレーティングローブと呼ばれる好ましくない虚像が、素子ピッチに応じて断層像に出現する。これを図３で説明する。図中、１は探触子、Ｄ１は超音波主ビームの形成方向、Ｄ２はグレーティングローブの出現方向、θは２つの方向Ｄ１，Ｄ２間の角度である。ここで超音波の波長をλ、探触子の素子ピッチをｄとおくと、θ，λ，ｄの間には次の（１）式で示す関係がある。
【０００５】
ｓｉｎθ＝λ／ｄ （１）
【０００６】
つまり波長λが短いほど（周波数が高いほど）、また素子ピッチｄが大きいほど角度θが小さくなり、Ｄ１の近くに、グレーティングローブが出現する。よって超音波診断装置では、グレーティングローブを極力超音波主ビームから遠ざけるために、素子ピッチを小さくしなければならない。素子ピッチを決める基準式の例が前記「医用超音波機器ハンドブック」１９１ページに開示されている。
【０００７】
一方、超音波診断装置はビーム形成のために、送信時には各素子に対し独立に駆動パルスを与え、受信時には各素子の受信信号に対し独立に遅延を与える。独立に制御できる素子数をＮとおくと、１回の超音波送受信に使用される探触子の口径長ＤはＤ＝Ｎ・ｄとなる。ここで装置の方位分解能は口径長Ｄに逆比例し、送受信感度は口径長Ｄに比例する。よって、Ｎやｄが大きいほど装置の分解能は向上し、送受信感度は高くなる。しかし回路規模の点から、Ｎを無制限に大きくすることはできず、現在はＮ＝６４あるいはＮ＝１２８とする装置が多い。そのため装置の分解能、感度を維持するには、素子ピッチｄを大きくする必要がある。
【０００８】
つまり従来の超音波診断装置においては、Ｎが一定の時、分解能や感度を優先し素子ピッチｄを大きくすると、グレーティングローブの出現位置が超音波主ビームに近接する問題が生じ、グレーティングローブ除去を優先し素子ピッチｄを小さくすると、分解能や感度の劣化が問題となる。
【０００９】
本発明の目的は上記課題を解決し、大きい素子ピッチの探触子を用いて、高分解能、高感度、低グレーティングローブを同時に満足する撮像を行うことのできる超音波診断装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の超音波診断装置は、厚み振動以外の不要振動を抑えるために束ねられる複数の素子を備え被検体に対して超音波を送受する探触子と、素子束ね制御部と、素子束ね制御部からの制御信号に基づいて複数の素子を複数の群に束ねる素子束ね部と、素子束ね部によって同一の群に束ねられた素子に対し同一の送波パルスを与える駆動部と、素子束ね部によって同一の群に束ねられた素子からの受信信号に対して超音波ビーム形成に必要な同一の遅延時間を与える遅延部と、遅延部の出力を加算する加算部と、加算部の出力を断層像として表示する表示部と、素子束ね部の装置側信号線を駆動部又は遅延部に切り換えて接続する送受分離部とを備え、素子束ね制御部は超音波の送信時と受信時とで素子の束ねパターンを独立に決定し、送信時の束ねパターンにより発生する送信ビームのグレーティングローブ位置と受信時の束ねパターンにより発生する受信ビームのグレーティングローブ位置とを独立に制御し、前記素子束ね制御部は、超音波ビームの偏向角が所定の角度より小さいとき送信時の素子束ねパターンと受信時の素子束ねパターンを同じにし、超音波ビームの偏向角が前記所定の角度より大きいとき送信時の素子束ねパターンと受信時の素子束ねパターンを異ならせることを特徴とする。
【００１１】
前記所定の角度は送信ビームの第１グレーティングローブ出現角度の絶対値θtと、受信ビームの第１グレーティングローブ出現角度の絶対値θrのうち小さい方の角度と略等しいものとすることができる。
本発明によると、大きい素子ピッチの探触子を用いて、高分解能、高感度、低グレーティングローブを同時に満足する撮像を行う、超音波診断装置を実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明による超音波診断装置の一例を示す概略説明図である。図中１は探触子、２は束ねられた素子、３は素子、４は素子束ね部、５は素子束ね制御部、６は送受分離部、７は駆動部、８は遅延部、９は加算部、１０は表示部、２０統括制御部である。探触子１は、図４に示すように、束ねられた素子２の集合である。すなわち、物理的に最も細かく切断された圧電材が素子３であり、超音波送信時あるいは受信時に独立に信号処理される素子の組が束ねられた素子２である。探触子１の一部の素子、あるいは全ての素子が選択され、超音波ビームの送受信に用いられる。選択された探触子の部分を口径と呼ぶ。
【００１３】
送受分離部６、駆動部７、遅延部８、加算部９はビーム形成部を構成する。超音波ビーム送信時、ビーム形成部の駆動部７は探触子１の口径内に位置する各素子の駆動タイミングを制御し、送信フォーカス点に送信ビームを収束させる。また、超音波ビーム受信時、ビーム形成部の遅延部８及び加算部９は探触子１の口径内に位置する各素子の受信信号の遅延加算処理（整相加算処理）を行い、受信フォーカス点からの受信信号を増幅する。１回の超音波送受信で、受信フォーカス点を順次変えながら受信信号を受信することで断層像上の１ラスタが形成される。送受信ビームを移動し、各ビーム位置でラスタを形成し、超音波断層像を構成する。断層像は表示部１０に表示される。統括制御部２０は、ビーム形成部及び素子制御部を包括的に制御するもので、ディジタル超音波診断装置では、装置全体を制御するＣＰＵが兼用することが可能である。
【００１４】
送受信ビームの移動方法には２通りある。すなわち、図５（ａ）に略示するように、ビームごとに探触子中の口径位置を移動させ、ラスタを探触子に沿って形成するリニア走査と、図５（ｂ）に略示するように、全ビームで探触子中の口径位置を固定し、ビームごとに送信時の駆動タイミングと受信時の遅延処理を変化させ、固定口径から扇状にラスタを形成するセクタ走査である。いずれの送受信ビームの移動方法の場合であっても本発明を適用することができる。
【００１５】
以下では説明の便宜上、探触子の素子数を４とし、各束ねられた素子２が３つの素子３に分割されているとし、また駆動部７、遅延部８が独立に制御できる素子数（チャネル数）を４として説明する。ただし、これはあくまでも説明を簡単にし理解を容易にするための便宜的なものであり、本発明の適用がこのような特定の探触子に限定されることを意味するものではない。
【００１６】
まず、図１に示した素子束ね制御部５が送信時の素子束ねパターンを決める。この例を図６に示す。送信時は、素子束ね部４が素子束ね制御部５からの制御信号に従い、３つの素子３を束ね、１つの独立素子（チャネル）として扱う。ここで素子３の口径方向の幅をδとおくと、探触子１の見かけの素子ピッチは３δとなり、これは本来の素子ピッチに一致する。各チャネルは送受分離部６を通して駆動部７からの印加電圧で駆動され、結果として探触子１が被検体に対し超音波パルスを照射する。
【００１７】
照射された超音波パルスは被検体内で反射し、反射パルスが探触子１で受信される。装置の送信処理終了後、素子束ね部４は素子束ね制御部５からの制御信号に従い、素子３の束ねパターンを変化させる。ここで、素子束ね部４が素子３の束ね方を送信パターンから受信パターンに切り換えるのに要する時間をτとし、被検体内の音速をｃとすると、画像化できない被検体の深さｈは次の（２）式で与えられる。
【００１８】
ｈ＝τｃ／２ （２）
【００１９】
実際の生体イメージングでは、体表から１ｍｍ以内の深さ範囲を画像化する必要はないので、この場合、τを１．３μｓ以下とする高速のスイッチングを行えば、実用上問題は生じない。
受信時の素子束ねパターンの例を図７に示す。受信時は、２つの素子３を束ね、それを１つの独立素子（チャネル）として扱う。ここで素子３の幅をδとおくと、探触子１の見かけの素子ピッチは２δとなり、これは本来の素子ピッチの２／３である。各チャネルは送受分離部６を通して遅延部８に接続される。送信時及び受信時の素子束ねパターンの組み合わせ条件は、探触子ごとに固有のものとすることができる。その場合、束ねパターンの組み合わせ条件は、例えば工場出荷時に装置メモリにセットされ、装置使用時、探触子１が接続された時点で、素子束ね制御部５がメモリから読み出すようにすればよい。なお、図６及び図７の素子束ね部４は、素子３と送受分離部６の結線方法を決定する。遅延部８は各チャネル信号に受信フォーカシング用の遅延を与え、全信号の位相をそろえる。位相のそろった信号は加算部９で加算され、目的方向（フォーカス点）からの信号のみが増幅され、表示部１０に輝度変調されて表示される。
【００２０】
本発明では送信時と受信時で、素子束ね部４が素子３の束ねパターンを変え、大きい素子ピッチの探触子においてグレーティングローブを減少させる。これは超音波の送受信ビームが、送信ビームと受信ビームの積で表されることを利用している。送受信で束ねパターンが共通であると、グレーティングローブの出現位置も送信ビーム、受信ビームで共通である。よって送信ビームと受信ビームの積である送受信ビームにおいても、送信ビーム、受信ビームと同様の位置にグレーティングローブが出現する。ここで、送信ビームは、駆動部７により独立に電圧を印加された素子から発生した超音波が、被検体内に作り出す超音波の強度分布である。受信ビームは、遅延部８、加算部９での整相加算による受信信号の増幅処理により、被検体内のどの部分からの受信信号が強く受信されるかを示す感度分布である。受信ビームでは、被検体各部から一様に受信信号が返ると仮定する。また、送受信ビームは、送信ビームを照射された被検体からの強度分布を有する受信信号に対し、整相加算処理を行った場合の、被検体内のどの部分からの受信信号が強く受信されるかを示す感度分布である。
【００２１】
一方、送受信で束ねパターンを変化させると、束ねパターンの組み合わせを工夫することにより、送信ビームのグレーティングローブ位置を受信ビーム強度の小さい位置（理想的にはゼロ点）に一致させ、受信ビームのグレーティングローブ位置を送信ビーム強度の小さい位置（理想的にはゼロ点）に一致させることが可能である。これにより積である送受信ビームにおいて、グレーティングローブ強度を低減させることができる。つまり送信ビーム、受信ビームのそれぞれにおいてはグレーティングローブが出現するが、送信ビームと受信ビームの積である送受信ビームにおいてはグレーティングローブ強度が小さくなる。さらに本発明では素子の束ね方を変化させることにより、見かけの素子ピッチを変化させる。
【００２２】
図８は、送信ビームのグレーティングローブ位置を受信ビーム強度の小さい位置に一致させ、受信ビームのグレーティングローブ位置を送信ビーム強度の小さい位置に一致させたことによる効果を示す説明図である。図８（ａ）は送信ビームを、図８（ｂ）は受信ビームを、図８（ｃ）は送受信ビームを表す。各図において、横軸は方位方向sin（γ）、縦軸はビーム強度（ｄＢ）である。また、ＭＢは超音波主ビームを表し、ＧＬはグレーティングローブを表す。図８（ａ），（ｂ）に示すように、送信ビームのグレーティングローブ位置を受信ビームの強度の小さい位置に一致させ、受信ビームのグレーティングローブ位置を送信ビームの強度の小さい位置に一致させた場合、図８（ｃ）に示されるように、送受信ビームのグレーティングローブ強度が大きく低減する。
【００２３】
以上に述べた装置動作の有効性を、計算機シミュレーションで実証した。以下に計算機シミュレーション結果を説明する。計算機シミュレーションでは、図１における素子３の探触子口径方向の幅を０．１２ｍｍ、駆動部７、遅延部８が独立に制御できる素子数（チャネル数）を６４、送信する超音波パルスを７．５ＭＨｚのsinパルス４波（包絡線はハニング形状）、フォーカス点を送受信口径の中心前方５０ｍｍとした。ここで、ハニング形状の包絡線を有するsinパルス４波とは、図９に示すように、cos１山の包絡線中にsinキャリアが４つ入っているパルス波である。
【００２４】
図１０（ａ）に送信束ねパターン、受信束ねパターンの両者を図６としたときの送受信ビームを示す。縦軸はビーム最大値を０ｄＢに規格化したビーム強度、横軸はビームの方位方向（ｍｍ単位）である。図中、ＭＢは超音波主ビーム、ＧＬはグレーティングローブである。なお、図６では総チャネル数を４と仮定したが、上述のように実際の計算機シミュレーションでは総チャネル数を６４とした。図１０（ｂ）に送信束ねパターンを図７、受信束ねパターンを図６としたときの送受信ビームを示す（送信束ねパターンを図６、受信束ねパターンを図７としても同様の送受信ビームが得られる）。
【００２５】
図１０（ａ）は送受信で素子ピッチが共通な従来の超音波ビームであり、図１０（ｂ）は送受信で見かけの素子ピッチを変える本発明の超音波ビームである。図１０（ｂ）の送受信ビームにおいては、グレーティングローブ強度が図１０（ａ）の送受信ビームより約２０ｄＢ下がっており、本発明の有効性が実証できた。ただし、図１０（ｂ）では受信口径が図１０（ａ）の２／３となるため、ビーム最大値を規格化前の振幅で比較すると、図１０（ｂ）では最大振幅が図１０（ａ）より４ｄＢ低く、これは口径比（３．５ｄＢ減）にほぼ等しい。
【００２６】
ここで探触子の見かけの素子ピッチは図６の束ねパターンでは０．３６ｍｍ、図７の束ねパターンでは０．２４ｍｍであり、これは周波数７．５ＭＨｚにおいてはそれぞれ１．７５波長、１．１７波長に相当する。グレーティングローブを完全に除去できる素子ピッチは、一般に１／２波長以下とされている。よって図１０（ｂ）に示したグレーティングローブ強度の低減は、見かけの素子ピッチが波長に対し十分に小さくなったためではなく、送受信のグレーティングローブ打ち消し合いで生じたものと考えられる。これを確認するために、送信束ねパターン、受信束ねパターンの両者を図７としたときの送受信ビームを求めた。結果を図１０（ｃ）に示す。なお、図１０（ｃ）の計算では図１０（ａ）の場合と感度をほぼ等しくするために、便宜上チャネル数を９６とした。
【００２７】
図１０（ｃ）の送受信ビームにおいてもグレーティングローブは発生しており、素子ピッチ０．２４ｍｍはグレーティングローブを消すのに十分な細かさではないことが確認された。さらに注目すべきは、図１０（ｂ）の送受信ビームは図１０（ｃ）の送受信ビームと比べても、グレーティングローブ強度が約１０ｄＢ下がっていることである。つまり図１０（ｃ）では、受信時の見かけの素子ピッチが図１０（ｂ）より小さいにもかかわらず、グレーティングローブ強度が大きい。この結果は、回路規模の点からチャネル数を制限され、感度、分解能を維持するために素子ピッチを十分に小さく（１／２波長以下）できない場合、素子ピッチをある程度小さくして送受信で素子ピッチをそろえるよりも、送受信のどちらかは素子ピッチは大きいまま、送受信で素子ピッチを変える方が高感度、高分解能、低グレーティングローブ強度であることを示している。
【００２８】
図１１に、素子の束ねパターンを図１０（ａ）〜（ｃ）と同じにして連続波ビームで送受信ビームを計算した結果を示す。各素子の指向性は無視した。各図において、横軸は方位方向sin（γ）、縦軸はビーム強度（ｄＢ）である。また、ＭＢは超音波主ビームを表し、ＧＬはグレーティングローブを表す。図１１（ａ）は、送信束ねパターン及び受信束ねパターンの両者を図６としたときの送受信ビーム、図１１（ｂ）は送信束ねパターンを図７、受信束ねパターンを図６としたときの送受信ビーム、図１１（ｃ）は送信束ねパターンと受信束ねパターンの両者を図７としたときの送受信ビームを表す。図を比較すると明らかなように、図１１（ａ），（ｃ）ではグレーティングローブがメインビームと同程度の強度を有するが、図１１（ｂ）ではグレーティングローブが大幅に低減されている。このように、パルスビームだけでなく連続波ビームにおいても、送信ビームと受信ビームとで素子の束ねパターンを変化させることでグレーティングローブを大きく低減できることが分かる。
【００２９】
次に図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）と同条件で、フォーカス点を送受信口径の中心前方から右に３０゜傾けた場合の超音波ビームを、それぞれ図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。
【００３０】
従来方式の超音波ビームである図１２（ａ）に比べ、本発明による超音波ビームである図１２（ｂ）は、グレーティングローブ強度が約３５ｄＢ下がっている。また図１２（ｂ）の送受信ビームは図１２（ｃ）の送受信ビームに比べても、グレーティングローブ強度が約２０ｄＢ下がっている。さらに図１２（ｂ）では受信口径が図１２（ａ）の２／３であるにもかかわらず、ビーム最大値を規格化前の振幅で比較すると最大振幅が２．２ｄＢ高い。つまりビームを偏向した場合は、グレーティングローブ強度、感度の両者において、本発明は従来方式に優れている。一般にグレーティングローブは、超音波ビームの偏向角度が大きいほど、その影響が大きいとされている。よってグレーティングローブ低減に有効な本発明は、グレーティングローブの影響が大きい、偏向角度の大きい超音波ビームに対して効果がより顕著である。
【００３１】
図１２はパルスビームで計算したが、連続波ビームでの計算結果を図１３に示す。各素子の指向性は無視した。各図において、横軸は方位方向sin（γ）、縦軸はビーム強度（ｄＢ）である。また、ＭＢは超音波主ビームを表し、ＧＬはグレーティングローブを表す。図１３（ａ）は図１２（ａ）に、図１３（ｂ）は図１２（ｂ）に、図１３（ｃ）は図１２（ｃ）にそれぞれ対応する。この場合においても、送信ビームと受信ビームとで素子の束ねパターンを変化させることでグレーティングローブを大きく低減できることが分かる。
【００３２】
図１４は、本発明による超音波診断装置の他の例の概略説明図である。この超音波診断装置は、図１に示した装置にビーム偏向角出力部１１を追加したものに相当する。図１４において、図１と同じ機能部分には図１と同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３３】
図１０、図１２より、探触子の見かけの素子ピッチを変化させグレーティングローブを減少させる方法は、超音波ビームの偏向角度が大きいほど効果が顕著である。図１０では送受信で見かけの素子ピッチを変えると、グレーティングローブ強度は低くなるが感度も下がる。よって感度優先としたい場合は、フォーカス点が中心前方（偏向角０゜）では、素子３の束ねパターンは送信、受信ともに図６とするのが望ましい。一方偏向角が３０゜では感度優先の場合も、素子３の束ねパターンは送信で図７、受信で図６（あるいは送信で図６、受信で図７）とするのが望ましい。
【００３４】
そこで図１４に示した超音波診断装置においては、ビーム偏向角出力部１１が超音波ビームの偏向角を出力し、偏向角が所定値未満の場合は送信、受信で素子３の束ねパターンが共通になるように素子束ね制御部５が素子束ね部４を制御し、偏向角が所定値以上の場合は送信、受信で素子３の束ねパターンを変化させるように素子束ね制御部５が素子束ね部４を制御する。例えば、送信ビームの第１グレーティングローブ出現角度の絶対値をθt、受信ビームの第１グレーティングローブ出現角度の絶対値をθrとし、θtとθrのうち小さい方をθgとおく。このとき前記所定値としてθgを用い、素子束ね制御部５は、ビーム偏向角出力部１１が出力する超音波ビームの偏向角の絶対値がθg以上のとき送信、受信で素子３の束ねパターンが変化するように素子束ね部４を制御し、ビーム偏向角出力部１１が出力する超音波ビームの偏向角の絶対値がθgより小さいとき送信、受信で素子３の束ねパターンが共通になるように素子束ね部４を制御すればよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した如く本発明によると、大きい素子ピッチの探触子を用いて、高分解能、高感度、低グレーティングローブを同時に満足する撮像を行う超音波診断装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による超音波診断装置の一例を示す概略説明図。
【図２】 素子の厚み振動とそれ以外の不要振動の説明図。
【図３】 グレーティングローブの説明図。
【図４】 探触子と、それを構成する素子、口径の関係を示す略図。
【図５】 送受信ビームの移動方法を説明する図。
【図６】 送信時の素子束ねパターンの例を示す図。
【図７】 受信時の素子束ねパターンの例を示す図。
【図８】 送信ビームのグレーティングローブ位置を受信ビーム強度の小さい位置に一致させ、受信ビームのグレーティングローブ位置を送信ビーム強度の小さい位置に一致させたことによる効果を示す説明図。
【図９】 送信する超音波パルスの波形例を示す図。
【図１０】 偏向角０゜の場合の、超音波ビームパターンの例を示す図。
【図１１】 連続波ビームで送受信ビームを計算した結果を示す図１０に対応する図。
【図１２】 偏向角３０゜の場合の、超音波ビームパターンの例を示す図。
【図１３】 連続波ビームで送受信ビームを計算した結果を示す図１２に対応する図。
【図１４】 本発明による超音波診断装置の他の例を示す概略説明図。
【符号の説明】
１…探触子、２…束ねられた素子、３…素子、４…素子束ね部、５…素子束ね制御部、６…送受分離部、７…駆動部、８…遅延部、９…加算部、１０…表示部、１１…偏向角出力部、２０…統括制御部、Ｄ１…超音波主ビームの形成方向、Ｄ２…グレーティングローブの出現方向、ＭＬ…超音波主ビーム、ＧＬ…グレーティングローブ

Claims (2)

1. 厚み振動以外の不要振動を抑えるために束ねられる複数の素子を備え被検体に対して超音波を送受する探触子と、
   素子束ね制御部と、
   前記素子束ね制御部からの制御信号に基づいて前記複数の素子を複数の群に束ねる素子束ね部と、
   前記素子束ね部によって同一の群に束ねられた素子に対し同一の送波パルスを与える駆動部と、
   前記素子束ね部によって同一の群に束ねられた素子からの受信信号に対して超音波ビーム形成に必要な同一の遅延時間を与える遅延部と、
   前記遅延部の出力を加算する加算部と、
   前記加算部の出力を断層像として表示する表示部と、
   前記素子束ね部の装置側信号線を前記駆動部又は前記遅延部に切り換えて接続する送受分離部とを備え、
   前記素子束ね制御部は超音波の送信時と受信時とで素子の束ねパターンを独立に決定し、送信時の束ねパターンにより発生する送信ビームのグレーティングローブ位置と受信時の束ねパターンにより発生する受信ビームのグレーティングローブ位置とを独立に制御し、
   前記素子束ね制御部は、超音波ビームの偏向角が所定の角度より小さいとき送信時の素子束ねパターンと受信時の素子束ねパターンを同じにし、超音波ビームの偏向角が前記所定の角度より大きいとき送信時の素子束ねパターンと受信時の素子束ねパターンを異ならせることを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１記載の超音波診断装置において、前記所定の角度は送信ビームの第１グレーティングローブ出現角度の絶対値θtと、受信ビームの第１グレーティングローブ出現角度の絶対値θrのうち小さい方の角度と略等しいことを特徴とする超音波診断装置。

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