JP5127309B2 - 磁気共鳴装置の温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴装置に関する温度制御方法に関し、特に、永久磁石を用いた永久磁気共鳴装置の磁場構成要素の温度制御方法に関する。

磁石ブロック、磁極板、磁気積層体およびシム鉄を含み磁場の発生および調節に用いられる磁場構成要素は永久磁気共鳴装置の中核である。図１を参照すると、典型的な永久磁気共鳴装置において、下側磁気ヨークおよび上側磁気ヨーク１０ａ，１０ｂ上に、磁石ブロック２０ａ，２０ｂ、磁極板３０ａ，３０ｂ、磁気積層体４０ａ，４０ｂおよびシム鉄５０ａ，５０ｂが対向して配置されている。

安定性は磁場構成要素の重要なパラメータである。永久磁石の安定性に影響を及ぼす外部条件が数多く存在するが、最も重要な外部条件は温度安定性である。しかしながら、永久磁気共鳴装置の磁場構成要素、とりわけ、磁場の発生に用いられる磁石ブロック２０ａ，２０ｂは温度変化に極めて敏感である。理由は永久磁石材料の特性が温度に応じて著しく変化するためであり、従って、磁石によって励起される磁場が同様に変化し、それが磁場強度の変動および均質性の低下に反映される。こうした磁場の変化は磁気共鳴装置の画質低下に直接つながる。

磁場強度の安定性を保つため、既存の技術では、断熱材を用いて、下側磁気ヨーク１０ａ、上側磁気ヨーク１０ｂおよび磁場構成要素を被うか、下側磁気ヨーク１０ａおよび上側磁気ヨーク１０ｂ上またはそれらの間に冷却または加熱装置を用いて、磁場構成要素の温度を一定に保つ場合が多い。

しかしながら、断熱材を用いて、下側磁気ヨーク１０ａおよび上側磁気ヨーク１０ｂおよび磁場構成要素を被う方法の場合、これらの構成要素のサイズが大きくなるだけではなく、その結果も良好ではなく、とりわけ、断熱材は、あたかも周囲温度の変化に対する磁場構成要素の感度を低下させるかのように、図１に示すシム鉄５０ａ，５０ｂに取付けられた傾斜磁場コイル６０ａ，６０ｂのような、磁気共鳴装置におけるいくつかの熱発生部品の磁場構成要素の温度安定性に対する影響を増大させる。

下側磁気ヨーク１０ａおよび上側磁気ヨーク１０ｂ上で冷却装置を用いる方法の場合、下側磁気ヨーク１０ａおよび上側磁気ヨーク１０ｂの全長にわたって電子冷却装置で包み込んで、周囲温度より１０〜５０度低い温度範囲内まで磁場構成要素を冷却し、さらに、断熱材を用いて、下側磁気ヨーク１０ａおよび上側磁気ヨーク１０ｂを覆うことにより、周囲温度変化の影響を軽減することが必要になる。上記冷却装置による方法は、磁場の安定性が結果として向上する可能性があるが、構造が大きすぎ、電力消費が大きいために、その実用性は大幅に低下する。

下側磁気ヨーク１０ａおよび上側磁気ヨーク１０ｂ上またはそれらの間に加熱装置を利用する場合、図１に示すように、構造が比較的単純になる。加熱素子１００ａ，１００ｂは、磁場構成要素の温度を制御するために、下側磁気ヨーク１０ａおよび上側磁気ヨーク１０ｂの内部（またはそれらの内部表面）に取付けられる。さらに、加熱素子１００ａ，１００ｂは、リアルタイムで温度を制御するため、それぞれ、温度制御ユニット７０ａ，７０ｂに接続される。しかし、こうした単チャネル加熱装置は狭い範囲の温度制御だけしかできない。磁石ブロック２０ａ，２０ｂに対して閉じられると、加熱装置は磁石ブロック２０ａ，２０ｂの温度を一定に保つことが可能になる。しかし、この加熱装置は、もはや、ある一定の距離だけ離れた又はそれ以上離れた磁石ブロック２０ａ，２０ｂ、磁極板３０ａ，３０ｂ、磁気積層体４０ａ，４０ｂおよびシム鉄５０ａ，５０ｂの温度を有効に制御せず、これらの領域における温度変化に極めて緩やかに反応しない。

従来技術には、上記加熱装置を改良し、多チャネル加熱装置を提供するものもある（例えば特許文献１参照）。多チャネル加熱装置の場合、下側磁気ヨークおよび上側磁気ヨーク１０ａ，１０ｂ、磁石ブロック２０ａ，２０ｂおよび磁極板３０ａ，３０ｂ内に加熱素子を設けて、磁場構成要素を効率的に一定温度状態に保ち、安定した磁場強度が得られるようにする。

しかし、多チャネル加熱装置を利用することによって実現する磁場構成要素の一定温度状態は、例えば、磁石ブロック２０ａ，２０ｂの両端に加熱素子を設けて、磁石ブロック２０ａ，２０ｂを強制的に静的一定温度状態にすることによる静的安定状態にすぎない。しかしながら、いったん静的安定状態が壊れると、例えば、磁石ブロック２０ａ，２０ｂのある場所に熱的外乱（突然の温度変化）が生じると、両端が加熱装置によって強制的に静的一定温度状態にされるので、熱的外乱は磁石ブロック２０ａ，２０ｂの内部温度安定性に劇的で強烈な衝撃を与えることになる。こうした衝撃は、磁場強度の強さおよび均質性に厳しい影響を及ぼすので、この衝撃を相殺するのに要する時間が長くなる。

中国特許出願公開第９９８００９７３．３号明細書

本発明の課題は、磁場構成要素の両端間に特定の温度差を維持して、動的温度安定性、従って、安定した磁場強度を実現する温度勾配を形成する永久磁気共鳴装置の磁場構成要素の温度制御方法を提供することにある。

このため、本発明によれば、磁場構成要素の両端の温度を一定に維持することによって磁場構成要素の温度安定性を実現する磁気共鳴装置の磁場構成要素の温度制御方法において、磁場構成要素内に温度勾配が形成されるように、磁場構成要素両端の温度間の差が維持される。
より具体的には、本発明によれば、第１の磁場構成要素と第２の磁場構成要素とを含む永久磁石装置を備え、前記第１の磁場構成要素と前記第２の磁場構成要素とが、前記第１の磁場構成要素と前記第２の磁場構成要素との間の領域に磁気共鳴装置の静磁場を構成し、前記第１の磁場構成要素および前記第２の磁場構成要素の各々は２つの向き合った面を有し、前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの一方の面は前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの他方の面よりも前記領域に接近し、前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの一方の面は前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの他方の面よりも前記領域に接近している磁気共鳴装置の温度制御方法であって、
前記第１の磁場構成要素の２つの向き合った面における温度をそれぞれ一定に維持しかつ前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面におけるそれぞれの温度の間に差を維持することによって、前記第１の磁場構成要素の温度を安定化させ、
前記第２の磁場構成要素の２つの向き合った面における温度をそれぞれ一定に維持しかつ前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面におけるそれぞれの温度の間に差を維持することによって、前記第２の磁場構成要素の温度を安定化させる磁気共鳴装置の温度制御方法が提案される（請求項１）。
本発明の有利な実施態様は次の通りである。
・前記磁気共鳴装置が上側磁気ヨークおよび下側磁気ヨークを含み、前記上側磁気ヨークに、前記第１の磁場構成要素が前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの前記他方の面で取付けられ、前記下側磁気ヨークに、前記第２の磁場構成要素が前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの前記他方の面で取付けられ、前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面の前記他方の面に向かって低下する温度勾配を維持することによって、前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面におけるそれぞれの温度の間に前記差が維持され、前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面の前記他方の面に向かって低下する温度勾配を維持することによって、前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面におけるそれぞれの温度の間に前記差が維持される（請求項２）。
・前記第１の磁場構成要素の前記温度勾配は第１の最低温度値に向かって低下し、前記第２の磁場構成要素の前記温度勾配は第２の最低温度値に向かって低下し、前記第２の最低温度値が前記第１の最低温度値より低い（請求項３）。
・前記磁気共鳴装置が、熱を発生する第１の傾斜磁場コイルおよび熱を発生する第２の傾斜磁場コイルを含み、前記第１の傾斜磁場コイルは前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの前記一方の面に取付けられ、前記第２の傾斜磁場コイルは前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの前記一方の面に取付けられ、前記第１の磁場構成要素と前記第１の傾斜磁場コイルとの間に設けられた断熱層により、前記第１の傾斜磁場コイルから前記第１の磁場構成要素を熱絶縁し、前記第２の磁場構成要素と前記第２の傾斜磁場コイルとの間に設けられた断熱層により、前記第２の傾斜磁場コイルから前記第２の磁場構成要素が熱絶縁される（請求項４）。
・前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面にそれぞれ設けられた第１の加熱素子の温度を制御することによって、前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面におけるそれぞれの温度の間に前記差が維持され、前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面にそれぞれ配置された第２の加熱素子の温度を制御することによって、前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面におけるそれぞれの温度の間に前記差が維持される（請求項５）。
・前記第１の加熱素子に接続された第１の温度制御ユニットで前記第１の加熱素子の温度が制御され、前記第２の加熱素子に接続された第２の温度制御ユニットで前記第２の加熱素子の温度が制御される（請求項６）。

永久磁気共鳴装置が下側磁気ヨークおよび上側磁気ヨークを含み、磁場構成要素が下側磁気ヨークおよび上側磁気ヨーク上に対向して取付けられ、磁場構成要素の両端の温度が下側磁気ヨークおよび上側磁気ヨークに向かって漸次低下すると望ましい。下側磁気ヨークに取付けられた磁場構成要素の両端の最低温度値は、上側磁気ヨークに取付けられた磁場構成要素の両端の最低温度値より低い。磁場構成要素が傾斜磁場コイルを備え、磁場構成要素と傾斜磁場コイルとの間に断熱のためにサンドイッチ式断熱材が設けられている。磁場構成要素の両端に加熱素子を設けることによって温度差が得られ、加熱素子の温度を制御するために加熱素子に対応する温度制御ユニットが接続されている。

温度勾配によって、磁場構成要素の両端の温度は下側磁気ヨークおよび上側磁気ヨークに向かって漸次低下することが可能になり、下側磁気ヨークにおける磁場構成要素の最低温度値を上側磁気ヨークにおける磁場構成要素の最低温度値より低く設定することによって、下側磁気ヨークと上側磁気ヨークとの間に温度勾配が形成される。温度勾配が形成されると、磁場構成要素内に動的温度安定性が確立される。この動的温度安定性が熱的外乱によって壊されると、温度勾配によって熱的外乱を下側磁気ヨークに急速に伝達し、さらに、磁気共鳴装置の基部を介して外部へ送り出すことによって、熱的外乱を均し、動的温度安定性を回復することが可能になる。

図１は永久磁気共鳴装置の磁場構成要素の既存の温度制御装置を例示した概略図を示す。
図２は永久磁気共鳴装置の磁場構成要素の本発明による温度制御装置を例示した概略図を示す。

磁場構成要素の一定温度制御、従って静的温度安定性を実現する従来技術とは異なり、本発明の磁気共鳴装置の磁場構成要素の温度制御方法は、磁場構成要素の両端間に特定の温度差を維持して温度勾配を形成するので、結果として動的温度安定が得られる。

図２を参照すると、永久磁気共鳴装置において、磁石ブロック２０ａ，２０ｂ、磁極板３０ａ，３０ｂ、磁気積層体４０ａ，４０ｂおよびシム鉄５０ａ，５０ｂを含む磁場構成要素が、下側磁気ヨークおよび上側磁気ヨーク１０ａ，１０ｂ上に対向して配置されている。シム鉄５０ａ，５０ｂには、永久磁気共鳴装置の傾斜磁場コイル６０ａ，６０ｂが取付けられている。

磁石ブロック２０ａの両端にはそれぞれ加熱素子１００ａ，２００ａが設けられており、加熱素子１００ａ，２００ａ間には温度差があるので、磁石ブロック２０ａ内に温度勾配が形成されている。加熱素子１００ａは下側磁気ヨーク１０ａの内部に取付けるのが望ましく、加熱素子２００ａは磁極板３０ａの内部に取付けるのが望ましい。加熱素子２００ａの加熱温度は、磁石ブロック２０ａの温度が下側磁気ヨーク１０ａに向かって漸次低下するように、加熱素子１００ａの加熱温度より高いのが望ましい。

さらに、磁気積層体４０ａの両端にはそれぞれ加熱素子２００ａ，３００ａが設けられており、加熱素子２００ａ，３００ａ間には温度差があるので、磁気積層体４０ａ内に温度勾配が形成されている。加熱素子２００ａが、磁極板３０ａの内部に取付けられた加熱素子を共有するのが望ましい場合、加熱素子３００ａは、シムブロック５０ａと磁気積層体４０ａの間に取付けられるのが望ましく、加熱素子３００ａの加熱温度は、磁気積層体４０ａの温度が下側磁気ヨーク１０ａに向かって漸次低下するように、加熱素子２００ａの加熱温度より高いのが望ましい。

加熱素子１００ａ，２００ａ，３００ａは対応する温度制御ユニット７０ａ，７２ａ，７４ａに個別に接続されている。温度制御ユニット７０ａ，７２ａ，７４ａはそれぞれ加熱素子１００ａ，２００ａ，３００ａの温度を制御するために利用される。

さらに、シム鉄５０ａと傾斜磁場コイル６０ａとの間には、傾斜磁場コイル６０ａによって生じた熱が、シム鉄５０ａを介して他の磁場素子に伝達されて、それらの温度安定性に影響を及ぼすことがないようにするために、サンドイッチ式断熱材４００ａが設けられている。

磁場構成要素は対称に配置されるので、磁石ブロック２０ｂの両端には加熱素子１００ｂ，２００ｂも設けられており、加熱素子１００ｂ，２００ｂ間にも温度差があるので、磁石ブロック２０ｂ内に温度勾配が形成される。加熱素子１００ｂは上側磁気ヨーク１０ｂの内部に取付けるのが望ましく、加熱素子２００ｂは磁極板３０ｂの内部に取付けるのが望ましい。加熱素子２００ｂの加熱温度は、磁石ブロック２０ｂの温度が上側磁気ヨーク１０ｂに向かって漸次低下するように、加熱素子１００ｂの加熱温度より高いのが望ましい。

さらに、磁気積層体４０ｂの両端にはそれぞれ加熱素子２００ｂ，３００ｂが設けられており、加熱素子２００ｂ，３００ｂ間には温度差があるので、磁気積層体４０ｂ内に温度勾配が形成されている。加熱素子２００ｂが磁極板３０ｂの内部に取付けられた加熱素子を共有するのが望ましい場合、加熱素子３００ｂはシムブロック５０ｂと磁気積層体４０ｂの間に取付けられるのが望ましく、加熱素子３００ｂの加熱温度は、磁気積層体４０ｂの温度が上側磁気ヨーク１０ｂに向かって漸次低下するように、加熱素子２００ｂの加熱温度より高いのが望ましい。

加熱素子１００ｂ，２００ｂ，３００ｂはそれぞれ対応する温度制御ユニット７０ｂ，７２ｂ，７４ｂに接続されている。温度制御ユニット７０ｂ，７２ｂ，７４ｂはそれぞれ加熱素子１００ｂ，２００ｂ，３００ｂの温度を制御するために利用される。

さらに、シム鉄５０ｂと傾斜磁場コイル６０ｂとの間には、傾斜磁場コイル６０ｂによって生じた熱が、シム鉄５０ｂを介して他の磁場素子に伝達されて、それらの温度安定性に影響を及ぼすことがないようにするために、サンドイッチ式断熱材４００ｂが設けられている。

上記構成によって、磁石ブロック２０ａ，２０ｂおよび磁気積層体４０ａ，４０ｂ内の温度、および、磁石ブロック２０ａ，２０ｂ、磁極板３０ａ，３０ｂ、磁気積層体４０ａ，４０ｂおよびシム鉄５０ａ，５０ｂ間の温度は、下側磁気ヨークおよび上側磁気ヨーク１０ａ，１０ｂに向かって漸次低下し、温度勾配Ｔａ，Ｔｂを形成する。下側磁気ヨーク１０ａに向かって漸次低下する温度の最低値は、下側磁気ヨーク１０ａと上側磁気ヨーク１０ｂとの間にも温度勾配が形成されるように、上側磁気ヨーク１０ｂに向かって漸次低下する温度の最低値より低いのが望ましい。

温度勾配が形成されると、磁石ブロック２０ａ、磁気積層体４０ａ内に、および、磁石ブロック２０ａ、磁極板３０ａ、磁気積層体４０ａおよびシムブロック５０ａ間に、動的温度安定性が確立される。この動的温度安定性が熱的外乱によって壊されると、温度勾配Ｔａによって、熱的外乱を下側磁気ヨーク１０ａに急速に伝達し、さらに、磁気共鳴装置の基部を介して外部へ送り出すことによって、熱的外乱を均し、動的温度安定性を回復することが可能になる。

同様に、温度勾配が形成されると、磁石ブロック２０ｂ、磁気積層体４０ｂ内に、および、磁石ブロック２０ｂ、磁極板３０ｂ、磁気積層体４０ｂおよびシムブロック５０ｂ間に、動的温度安定性が確立される。この動的温度安定性が、熱的外乱によって壊されると、温度勾配Ｔｂによって、熱的外乱を上側磁気ヨーク１０ｂに伝達し、さらに、上側磁気ヨーク１０ｂと下側磁気ヨーク１０ａとの間の温度勾配によって、下側磁気ヨーク１０ａに対し矢印Ｍで示す方向に伝達し、最後に、磁気共鳴装置の基部を介して外部へ送り出すことによって、熱的外乱を均し、動的温度安定性を回復することが可能になる。

空気の対流のために、熱は下から上に伝達するほうが容易である。従って、一般には、温度外乱の影響を弱める装置能力を高めるために、下側より上側において大きい温度勾配が利用される。

実際の要求に応じて、上記加熱素子の一部または全てを利用することが可能である。磁気共鳴装置が温度安定性をあまり必要としない場合には、加熱素子１００ａ，１００ｂだけを利用することが可能である。磁気共鳴装置が温度安定性を大いに必要とする場合には、加熱素子１００ａ，１００ｂ，２００ａ，２００ｂを利用することが可能である。磁気共鳴装置が温度安定性を極めて強く必要とする場合には、上記加熱素子の全てを利用することが可能である。

永久磁気共鳴装置の磁場構成要素の公知の温度制御装置を示す概略図 永久磁気共鳴装置の磁場構成要素の本発明による温度制御装置を示す概略図

符号の説明

１０ａ 下側磁気ヨーク
１０ｂ 上側磁気ヨーク
２０ａ 磁石ブロック
２０ｂ 磁石ブロック
３０ａ 磁極板
３０ｂ 磁極板
４０ａ 磁気積層体
４０ｂ 磁気積層体
５０ａ シム鉄
５０ｂ シム鉄
６０ａ 傾斜磁場コイル
６０ｂ 傾斜磁場コイル
７０ａ 温度制御ユニット
７０ｂ 温度制御ユニット
７２ａ 温度制御ユニット
７２ｂ 温度制御ユニット
７４ａ 温度制御ユニット
７４ｂ 温度制御ユニット
１００ａ 加熱素子
１００ｂ 加熱素子
２００ａ 加熱素子
２００ｂ 加熱素子
３００ａ 加熱素子
３００ｂ 加熱素子
４００ａ 断熱層
４００ｂ 断熱層

Claims (6)

1. 第１の磁場構成要素と第２の磁場構成要素とを含む永久磁石装置を備え、前記第１の磁場構成要素と前記第２の磁場構成要素とが、前記第１の磁場構成要素と前記第２の磁場構成要素との間の領域に磁気共鳴装置の静磁場を構成し、前記第１の磁場構成要素および前記第２の磁場構成要素の各々は２つの向き合った面を有し、前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの一方の面は前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの他方の面よりも前記領域に接近し、前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの一方の面は前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの他方の面よりも前記領域に接近している磁気共鳴装置の温度制御方法であって、
   前記第１の磁場構成要素の２つの向き合った面における温度をそれぞれ一定に維持しかつ前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面におけるそれぞれの温度の間に差を維持することによって、前記第１の磁場構成要素の温度を安定化させ、
   前記第２の磁場構成要素の２つの向き合った面における温度をそれぞれ一定に維持しかつ前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面におけるそれぞれの温度の間に差を維持することによって、前記第２の磁場構成要素の温度を安定化させる
   ことを特徴とする磁気共鳴装置の温度制御方法。
2. 前記磁気共鳴装置が上側磁気ヨークおよび下側磁気ヨークを含み、
   前記上側磁気ヨークに、前記第１の磁場構成要素が前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの前記他方の面で取付けられ、
   前記下側磁気ヨークに、前記第２の磁場構成要素が前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの前記他方の面で取付けられ、
   前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面の前記他方の面に向かって低下する温度勾配を維持することによって、前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面におけるそれぞれの温度の間に前記差を維持し、
   前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面の前記他方の面に向かって低下する温度勾配を維持することによって、前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面におけるそれぞれの温度の間に前記差を維持する
   ことを特徴とする請求項１記載の温度制御方法。
3. 前記第１の磁場構成要素の前記温度勾配は第１の最低温度値に向かって低下し、前記第２の磁場構成要素の前記温度勾配は第２の最低温度値に向かって低下し、前記第２の最低温度値が前記第１の最低温度値より低いことを特徴とする請求項２に記載の温度制御方法。
4. 前記磁気共鳴装置が、熱を発生する第１の傾斜磁場コイルおよび熱を発生する第２の傾斜磁場コイルを含み、
   前記第１の傾斜磁場コイルは前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの前記一方の面に取付けられ、
   前記第２の傾斜磁場コイルは前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面のうちの前記一方の面に取付けられ、
   前記第１の磁場構成要素と前記第１の傾斜磁場コイルとの間に設けられた断熱層により、前記第１の傾斜磁場コイルから前記第１の磁場構成要素を熱絶縁し、
   前記第２の磁場構成要素と前記第２の傾斜磁場コイルとの間に設けられた断熱層により、前記第２の傾斜磁場コイルから前記第２の磁場構成要素を熱絶縁する
   ことを特徴とする請求項２記載の温度制御方法。
5. 前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面にそれぞれ設けられた第１の加熱素子の温度を制御することによって、前記第１の磁場構成要素の前記２つの向き合った面におけるそれぞれの温度の間に前記差を維持し、
   前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面にそれぞれ配置された第２の加熱素子の温度を制御することによって、前記第２の磁場構成要素の前記２つの向き合った面におけるそれぞれの温度の間に前記差を維持する
   ことを特徴とするを含む請求項１に記載の温度制御方法。
6. 前記第１の加熱素子に接続された第１の温度制御ユニットで前記第１の加熱素子の温度を制御し、前記第２の加熱素子に接続された第２の温度制御ユニットで前記第２の加熱素子の温度を制御することを特徴とする請求項５に記載の温度制御方法。

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