JP5577757B2 - 成分測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、成分測定装置に関し、詳しくは、レーザー光で成分の濃度などを測定する成分測定装置の改善に関する。

従来から、たとえば血液中の血糖値などの成分の濃度などを測定する場合には、注射器で人体から血液を採取したり、指先や耳たぶを穿刺したりして、血液を実際に採取して血液中のグルコース濃度をすることが多い。

一般に、血糖値は、食事の前後や運動後などの測定条件によって大きく変化することから、正確な血糖値データを得るためには頻繁に測定しなければならないが、その都度採血して直接分析する従来の方法は、被験者に与える苦痛も大きいという問題がある。

そこで、出願人は、このように生体を侵襲して血液を採取せずに、生体にレーザー光を照射してその生体からの反射光を検出し、レーザー光が生体により吸収された度合（吸光度）に基づいて目的の成分（たとえば血液中のグルコース）の濃度などを測定する共焦点光学系を用いた生体成分測定装置を出願している（特許文献１参照）。

図１１は、特許文献１に記載されている生体成分測定装置の構成図である。
図１１において、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光は、コリメートレンズ２で平行光に整形され、コリメートレンズ２の光軸に対してほぼ４５°の傾斜を有する状態で配置されたハーフミラー３に入射される。なお、レーザーダイオード１としては、たとえばグルコースの吸収が比較的大きい１５００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長領域のレーザー光を出力できる可変波長レーザーを用いる。

ハーフミラー３を透過した平行光は、対物レンズ４により集光されて生体ＬＢの内部組織に照射される。生体ＬＢの内部組織で反射されたレーザー光は、再び対物レンズ４に入射されて平行光に整形され、ハーフミラー３に入射されてほぼ９０°の方向に反射するように光路変換される。

ハーフミラー３で光路変換されて反射されたレーザー光は、レンズ５により集光されてピンホール６に入射される。ピンホール６を通過したレーザー光は、受光素子７に入射されて電気信号に変換される。

受光素子７は、受光したレーザー光の光量に応じて強さや大きさが増減する電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器８に入力する。Ａ／Ｄ変換器８は、受光素子７から入力される電気信号をデジタルデータに変換し、データ解析部９に入力する。

データ解析部９は、波長の異なる２波長以上の各レーザー光が生体ＬＢに照射されたときに受光素子７から変換出力される複数の電気信号に基づいて生体ＬＢの成分の定量解析を行う。

具体的には、血糖値すなわち血液内のグルコース濃度の定量を行う場合、データ解析部９にはあらかじめ測定された血液内のグルコース濃度とレーザー光の吸光度との検量線が記憶されていて、データ解析部９は、この検量線に基づいて生体ＬＢの血液内のグルコース濃度の定量を行う。

特開２００８−３０１８４４号公報

しかし、このような従来の生体成分測定装置は、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光をコリメートレンズ２で平行光に整形してからハーフミラー３に入射し、ハーフミラー３を透過したレーザー光を対物レンズ４により集光して生体ＬＢの内部組織に照射するように構成されているので、光学部品間の光軸合わせなど、組立調整にかなりの作業工数がかかってしまうという問題がある。

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、その目的は、組立調整が比較的容易で、測定対象における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる成分測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
対物レンズを含む共焦点光学系を介してレーザーの出力光を測定対象の内部組織に照射し、前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する第１の受光素子から出力されるデータに基づき前記測定対象の成分の測定を行うデータ解析部を有する成分測定装置において、
波長可変光源よりなる前記レーザーと、
複数の受光体が同心円状に設けられた前記第１の受光素子と、
前記共焦点光学系と前記測定対象とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構と、
前記レーザーの出力光を測定対象表面に照射する光ファイバと、
この光ファイバの照射に基づく測定対象の表面における反射光を検出する第２の受光素子と、
この第２の受光素子の検出信号に基づき前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動するレーザー駆動回路とを具備し、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記第１の受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うことにより前記測定対象の表面反射による変動分を補償する
ことを特徴とするものである。

請求項２は、
対物レンズを含む共焦点光学系を介してレーザーの出力光を測定対象の内部組織に照射し、前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する第１の受光素子から出力されるデータに基づき前記測定対象の成分の測定を行うように構成された成分測定装置において、
波長可変光源よりなる前記レーザーと、
複数の受光体がマトリクス状に設けられこれら受光体の直交する一方向の配列パターンが他方向に１／２ピッチずつずらされた前記第１の受光素子と、
前記共焦点光学系と前記測定対象とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構と、
前記レーザーの出力光を測定対象表面に照射する光ファイバと、
この光ファイバの照射に基づく測定対象の表面における反射光を検出する第２の受光素子と、
この第２の受光素子の検出信号に基づき前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動するレーザー駆動回路とを具備し、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記第１の受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うことにより前記測定対象の表面反射による変動分を補償する
ことを特徴とするものである。

請求項３は、請求項１または請求項２記載の成分測定装置において、
前記測定対象の成分は、血液内のグルコースであり、
前記データ解析部は、前記受光素子から出力されるデータに基づいて前記測定対象の内部組織中の前記グルコースによる吸光度を測定して前記グルコースの濃度の定量を行い、血糖値を測定することを特徴とする。

請求項４は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記レーザーから出射されるレーザー光の光束を拡大する手段を設け、前記第１の受光素子の前段の前記対物レンズの焦点位置にはピンホールを設けたことを特徴とする。

このように構成することにより、組立調整が比較的容易で、測定対象における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる。

本発明の一実施例を示す構成図である。 本発明で用いる受光素子の具体例を示す構成図である。 本発明で用いる受光素子の他の具体例を示す構成図である。 本発明で用いる受光素子の他の具体例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 従来の生体成分測定装置の一例を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１の装置と図１１の装置の相違点は、受光素子７の構造を工夫してピンホール６を省略していることと、受光素子７の出力信号をマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力していることにある。

図１において、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光は、コリメートレンズ２で平行光に整形され、コリメートレンズ２の光軸に対してほぼ４５°の傾斜を有する状態で配置されたハーフミラー３に入射される。なお、レーザーダイオード１としては、たとえばグルコースの吸収が比較的大きい１４００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長領域のレーザー光を出力できる可変波長レーザーを用いる。１個のレーザーダイオードで１４００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長領域のレーザー光を出力できない場合には、複数のレーザーダイオードを組み合わせて用いればよい。

ハーフミラー３を透過した平行光は、対物レンズ４により集光されて生体ＬＢの内部組織に照射される。生体ＬＢの内部組織で反射されたレーザー光は、再び対物レンズ４に入射されて平行光に整形され、ハーフミラー３に入射されてほぼ９０°の方向に反射するように光路変換される。

ハーフミラー３で光路変換されて反射されたレーザー光は、レンズ５により集光され、複数の受光体よりなる受光素子７に入射されて電気信号に変換される。

受光素子７は、受光したレーザー光の光量に応じて強さや大きさが増減する電気信号に変換し、複数の受光体の出力信号をマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力する。Ａ／Ｄ変換器８は、受光素子７の複数の受光体から入力される電気信号をデジタルデータに変換し、データ解析部９に入力する。

データ解析部９は、従来と同様に、波長の異なる２波長以上の各レーザー光が生体ＬＢに照射されたときに受光素子７の各受光体から変換出力される複数の電気信号に基づいて生体ＬＢの成分の定量解析を行う。

図２は、図１で用いる受光素子７の具体例を示す構成説明図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ（Ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。

図２において、受光素子７の受光面には、（Ａ）に示すように、同心円状に複数の受光体が設けられている。ここで、本実施例では４個の受光体ＰＤ１〜ＰＤ４が設けられた例を示しているが、同心円状の受光体パターンの個数およびピッチはこの実施例に限るものではなく、半導体製造プロセスや装置に要求される解析処理能力などを勘案して適切な仕様が選定される。

（Ａ）に示す受光素子７の断面形態としては、（Ｂ）に示すように基板上にＮ型拡散層とＰ型拡散層が積層された受光体パターンが物理的に同心円状に分離されたもの、（Ｃ）に示すように基板上の全面に形成されたＮ型拡散層上にＰ型拡散層が同心円状に積層されて受光体パターンとして形成されたもの、（Ｄ）に示すようにＮ型拡散基板の表面近傍にＰ型拡散層が同心円状に形成されたものなどが考えられる。

図２のように、同心円状に複数の受光体ＰＤ１〜ＰＤ４が設けられた受光素子７を用いることにより、受光素子７の各受光体ＰＤ１〜ＰＤ４はレンズ５により集光された結像パターンに応じた光量を検出する。

すなわち、図２に示すような受光素子７を用いることにより、受光素子７が共焦点結像位置になくても、同心円状の各受光体ＰＤ１〜ＰＤ４の信号強度を測定して信号強度が大きい受光体ＰＤ１の信号を積算することで、目的とする対物レンズ４の焦点位置からの散乱信号のみを検出できる。

なお、共焦点位置以外の散乱信号は、信号が大きく取れている受光体ＰＤ１よりさらに外周に位置する受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の信号として得られ、これらは皮膚の表面情報や他の生体情報として、解析アルゴリズムなどで活用できる。

図３は、図１で用いる受光素子７の他の具体例を示す構成説明図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ（Ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。

図３において、受光素子７の受光面には、（Ａ）に示すように、全面にわたってマトリクス状に複数の受光体が設けられている。

（Ａ）に示す受光素子７の断面形態としては、（Ｂ）に示すように基板上に形成されたＮ型拡散層とＰ型拡散層の積層パターンがマトリクス状に設けられたもの、（Ｃ）に示すように基板上の全面に形成されたＮ型拡散層上にＰ型拡散層パターンがマトリクス状に設けられたもの、（Ｄ）に示すようにＮ型拡散基板の表面近傍にＰ型拡散層がマトリクス状に設けられたものなどが考えられる。

図３に示すような受光素子７を用いることにより、受光素子７が共焦点結像位置になくてさらに光学系に収差があっても、検出信号の大きい受光体の信号を選択して積算することで、目的とする対物レンズ４の焦点位置からの散乱信号のみを検出できる。そして、共焦点位置以外の散乱信号は、検出信号が大きく取れている受光体以外の受光体の信号として得られ、これらは皮膚の表面情報や他の生体情報として、解析アルゴリズムなどで利用できる。

図４も、図１で用いる受光素子７の他の具体例を示す構成説明図であり、図３における受光体の縦方向の配列パターンを横方向に１／２ピッチずつずらしたものである。このように配列された受光素子７を用いることにより、図３の場合には隣接する受光体間に規則的な格子状のマトリクスパターンとして存在する光信号検出に対する不感帯の影響を分散軽減できる。

このように構成することにより、図１１の従来構成に比べて光学部品間の光軸合わせなど、組立調整を簡略化できる。

図５は、本発明の他の実施例を示す構成図である。図５において、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光の光束は平凸レンズ１１で拡大され、受光素子７の前段の対物レンズ４の焦点位置にはピンホールを有する受光素子１２が設けられている。

この受光素子１２の検出信号もマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力されてデジタルデータに変換され、Ａ／Ｄ変換器８で変換されたデジタルデータはデータ解析部９に入力されて各種生体情報のデータ解析処理に用いられる。

このように構成することにより、図１１の装置におけるレンズ２と５が不要になり、図１１に比べて光学部品間の光軸合わせなど、組立調整を簡略化できる。

また、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光を平行光に整形することなく対物レンズ４で集光して生体内における測定位置に照射するので、生体ＬＢ内における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる。

また、図１よりも光路長を短くでき、光路長を短くできる分だけ小型化が図れる。

そして、ピンホール付きの受光素子１２を用いることにより、ピンホールを通過しない対物レンズ４の焦点位置以外に散乱された光を受光することができ、受光素子７の検出信号とともにマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力してデジタルデータに変換し、変換されたデジタルデータをデータ解析部９に入力してデータ解析処理を行うことにより、受光素子７の検出信号のみでは得られない各種生体情報のデータ解析結果が期待できる。

上記各実施例において、レーザーダイオード１から測定対象に照射される光強度を所定の値に維持するように、レーザーダイオード１を自動出力制御ループで駆動することにより、安定した測定が行える。

図６は、このような構成を前述図１の実施例に適用した例を示す構成図である。図６の実施例では、レーザーダイオード１の出力光の一部を光ファイバ１３を介して測定対象である生体ＬＢの表面に照射させてその反射光を第２の受光素子１４で検出し、この第２の受光素子１４の出力信号をレーザーダイオード駆動回路１５に与えてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。

これにより、レーザーダイオード１の温度変化および空間強度変動に起因する出力光強度変化を抑制でき、安定した成分測定結果が得られる。

また、第２の受光素子１４の出力信号をＡ／Ｄ変換器１６を介してデータ解析部９に加え、第１の受光素子７の出力信号を第２の受光素子１４の出力信号で除算して規格化することにより、レーザーダイオード１の出力変動分や測定対象ＬＢの表面反射による変動分を補償できる。

図７は、図６のレーザーダイオード１として、その出力光をモニタする図示しない第３の受光素子が内蔵されたものを用いた実施例を示す構成図である。第３の受光素子の出力信号もレーザーダイオード駆動回路１５に入力され、レーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。

また、第３の受光素子の出力信号もＡ／Ｄ変換器１７を介してデータ解析部９に入力され、第１の受光素子７の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算して規格化する。これにより、データ解析部９は、２つの規格化信号を線形結合して多変量解析により結合係数を求め、これらの値に基づきレーザーダイオード１の出力変動分や測定対象ＬＢの表面反射による変動分を高精度に補償する。

図８は、図７の実施例に、さらにハーフミラー３で反射された反射光を検出する第４の受光素子１８と、この第４の受光素子１８の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１９を追加したものである。第４の受光素子１８は、レーザーダイオード１の出力光の空間変動分を検出する。第４の受光素子１８の出力信号もレーザーダイオード駆動回路１５に入力され、レーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。

また、第４の受光素子１８の出力信号もＡ／Ｄ変換器１９を介してデータ解析部９に入力され、第１の受光素子７の出力信号を第４の受光素子１８の出力信号で除算して規格化する。これにより、データ解析部９は、３つの規格化信号を線形結合して多変量解析により結合係数を求め、これらの値に基づきレーザーダイオード１の出力変動分と空間変動分および測定対象ＬＢの表面反射による変動分をさらに精度よく補償する。

図９は、図８の実施例から、光ファイバ１３と第２の受光素子１４およびＡ／Ｄ変換器１６からなる信号系統を省いたものである。図９の構成によれば、レーザーダイオード駆動回路１５は、第３の受光素子と第４の受光素子１８の出力信号に基づいてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。そしてデータ解析部９は、第１の受光素子７の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算した規格化信号と第１の受光素子７の出力信号を第４の受光素子１８の出力信号で除算した規格化信号に基づき、レーザーダイオード１の出力変動分および空間変動分を精度よく補償する。

図１０は、図９の実施例からさらに第４の受光素子１８およびＡ／Ｄ変換器１９からなる信号系統を省くとともに、マルチプレクサ１０からＡ／Ｄ変換器８に入力される信号を分岐してレーザーダイオード駆動回路１５にも入力するようにしたものである。レーザーダイオード駆動回路１５には、マルチプレクサ１０を介して、第１の受光素子７の出力信号のうち、信号が大きく取れている共焦点位置の受光体ＰＤ１よりさらに外周の共焦点位置以外に位置して散乱光を検出する受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の出力信号が入力される。これら受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の出力信号は皮膚の表面情報や他の生体情報を含むものであり、測定対象ＬＢの表面反射による変動分を精度よく補償できる。

図１０の構成によれば、レーザーダイオード駆動回路１５は、第３の受光素子と第１の受光素子７の受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の出力信号に基づいてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。そしてデータ解析部９は、第１の受光素子７全体の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算した規格化信号と第１の受光素子７全体の出力信号を第１の受光素子７の受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の出力信号で除算した規格化信号に基づき、レーザーダイオード１の出力変動分および空間変動分を精度よく補償する。

なお、図８〜図１０の実施例ではレーザーダイオード１としてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用いているが、装置に求められる補償精度に応じて、図６のように第３の受光素子が内蔵されていないものを用いてもよい。

これら図６〜図９の構成は、図１に示す実施例にのみ適用できるものではなく、図５に示すように、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光の光束を平凸レンズ１１で拡大するように構成された実施例にも適用できるものであるが、図５の実施例に適用した構成図は省略する。

上記各実施例では、対物レンズ４として固定焦点レンズを用いる例を示したが、可変焦点レンズを用いてもよい。可変焦点レンズとしては、たとえばレンズ状に形成された空間に液晶が封入され、印加電圧を調整して見かけ上の液晶の屈折率を変化させるように構成された液晶レンズを用いることができる。液晶レンズによれば、同じレンズ形状でありながら、構成材料の屈折率が変化することにより、焦点距離が変化することになる。

このような可変焦点レンズを対物レンズ４として用いることにより、対物レンズ４の位置を光軸方向に移動させずに可変焦点レンズに対する印加電圧を調整することで、生体ＬＢの組織内における深さ方向の測定位置を任意に設定でき、レンズ移動機構が簡略化できる。

上記各実施例では、光源として可変波長レーザーを用いる例を説明したが、測定成分が特定されている場合には、単波長レーザーであってもよい。

上記各実施例では、人体の血液中の血糖値を測定する例について説明したが、血糖値以外の血液成分や組織液成分の定量測定にも有効である。

上記各実施例において、共焦点光学系と測定対象との相対位置を相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構を設けることにより、測定対象内部の成分に関する３次元情報を得ることができる。

また、測定対象は人体に限るものではなく、動物や植物などの内部物質の定量測定にも有効である。

また、測定対象は生体に限るものではなく、農産物、水産物、食品、有機材料などの構造、組成の非破壊検査、化学物質の定量測定にも有効である。

以上説明したように、本発明によれば、組立調整が比較的容易で、測定対象における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる成分測定装置を実現することができ、人体の血液中の血糖値をはじめとする各種の成分測定に好適である。

１ レーザーダイオード
２ コリメートレンズ
３ ハーフミラー
４ 対物レンズ
５ 集光レンズ
７、１４、１８ 受光素子
８、１６、１７、１９ Ａ／Ｄ変換器
９ データ解析部
１０ マルチプレクサ
１１ 平凸レンズ
１２ ピンホール付き受光素子
１３ 光ファイバ
１５ レーザーダイオード駆動回路

Claims (4)

1. 対物レンズを含む共焦点光学系を介してレーザーの出力光を測定対象の内部組織に照射し、前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する第１の受光素子から出力されるデータに基づき前記測定対象の成分の測定を行うデータ解析部を有する成分測定装置において、
   波長可変光源よりなる前記レーザーと、
   複数の受光体が同心円状に設けられた前記第１の受光素子と、
   前記共焦点光学系と前記測定対象とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構と、
   前記レーザーの出力光を測定対象表面に照射する光ファイバと、
   この光ファイバの照射に基づく測定対象の表面における反射光を検出する第２の受光素子と、
   この第２の受光素子の検出信号に基づき前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動するレーザー駆動回路とを具備し、
   前記データ解析部は、前記第２の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記第１の受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うことにより前記測定対象の表面反射による変動分を補償する
   ことを特徴とする成分測定装置。
2. 対物レンズを含む共焦点光学系を介してレーザーの出力光を測定対象の内部組織に照射し、前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する第１の受光素子から出力されるデータに基づき前記測定対象の成分の測定を行うように構成された成分測定装置において、
   波長可変光源よりなる前記レーザーと、
   複数の受光体がマトリクス状に設けられこれら受光体の直交する一方向の配列パターンが他方向に１／２ピッチずつずらされた前記第１の受光素子と、
   前記共焦点光学系と前記測定対象とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構と、
   前記レーザーの出力光を測定対象表面に照射する光ファイバと、
   この光ファイバの照射に基づく測定対象の表面における反射光を検出する第２の受光素子と、
   この第２の受光素子の検出信号に基づき前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動するレーザー駆動回路とを具備し、
   前記データ解析部は、前記第２の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記第１の受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うことにより前記測定対象の表面反射による変動分を補償する
   ことを特徴とする成分測定装置。
3. 前記測定対象の成分は、血液内のグルコースであり、
   前記データ解析部は、前記第１の受光素子から出力されるデータに基づいて前記測定対象の内部組織中の前記グルコースによる吸光度を測定して前記グルコースの濃度を定量化することにより血糖値を測定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成分測定装置。
4. 前記レーザーから出射されるレーザー光の光束を拡大する手段を設け、前記第１の受光素子の前段の前記対物レンズの焦点位置にはピンホールを設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の成分測定装置。

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