KR20110024486A - 스티어링 각도를 고려하여 합성영상을 제공하는 초음파 시스템 및 방법 - Google Patents

스티어링 각도를 고려하여 합성영상을 제공하는 초음파 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

수열을 이용하여 스티어링 각도를 설정하고 설정된 스티어링 각도를 고려하여 합성영상을 제공하는 초음파 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 초음파 시스템은, 복수의 프레임 각각에 해당하는 기준 스티어링 각도를 설정하고, 기준 스티어링 각도를 기준으로 복수의 프레임 각각에 대해 복수의 스캔라인 각각의 스티어링 각도를 산출하도록 동작하는 스티어링 설정부; 스티어링 각도를 고려하여 초음파 신호를 대상체에 송신하고 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하여 복수의 프레임 각각에 해당하는 초음파 데이터를 획득하도록 동작하는 초음파 데이터 획득부; 초음파 데이터에 스캔 변환을 수행하여 복수의 프레임 각각에 해당하는 초음파 영상을 형성하도록 동작하는 영상 형성부; 및 복수의 초음파 영상에 대해 중복되는 영역을 합성하여 합성영상을 형성하도록 동작하는 영상 처리부를 포함한다.
초음파, 공간 합성, 스캔라인, 스티어링, 수열

Description

스티어링 각도를 고려하여 합성영상을 제공하는 초음파 시스템 및 방법{ULTRASOUND SYSTEM AND METHOD FOR PROVIDING COMPOUND IMAGE CONSIDERING STEERING ANGLE}
본 발명은 초음파 시스템에 관한 것으로, 특히 수열을 이용하여 스티어링 각도를 설정하고 설정된 스티어링 각도를 고려하여 합성영상을 제공하는 초음파 시스템 및 방법에 관한 것이다.
초음파 시스템은 무침습 및 비파괴 특성을 가지고 있어, 대상체 내부의 정보를 얻기 위한 의료 분야에서 널리 이용되고 있다. 초음파 시스템은 대상체를 직접 절개하여 관찰하는 외과 수술의 필요 없이, 대상체 내부의 고해상도 영상을 실시간으로 의사에게 제공할 수 있어 의료 분야에서 매우 중요하게 사용되고 있다.
초음파 시스템은 복수의 스캔라인(scanline)을 사전 설정된 스티어링 각도(steering angle)로 스티어링하여 보다 넓은 시야각을 갖는 초음파 영상을 얻을 수 있다. 한편, 초음파 시스템은 초음파 영상을 화질을 향상시키기 위해 서로 다른 스티어링 각도를 갖는 복수의 초음파 영상을 합성하여 합성영상을 제공하고 있다.
종래에는 스캔라인을 스티어링하지 않는 초음파 영상을 기준으로 좌우 대칭 되는 초음파 영상을 이용하여 공간적으로 중복되는 영역을 합성하여 합성형상을 형성하였다. 이로 인해, 합성 영상을 형성하는데 필요한 초음파 영상의 개수에 제약이 있을 뿐만 아니라 스캔라인이 스티어링된 초음파 영상의 경계선이 합성영상에 표시되어 합성영상의 화질을 저하시키는 문제점이 있었다.
한편, 종래에는 합성영상을 형성하는데 필요한 복수의 초음파 영상에 대해 스캔라인의 공통점 - 공통점은 스캔라인을 대상체의 반대편으로 연장시켜 만나는 점을 의미함- 을 고려하여 스캔라인의 스티어링 각도를 산출하였다. 이로 인해 스티어링 각도를 산출하기 위한 추가 하드웨이 또는 소프트웨어가 필요하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 합성영상을 형성하는데 필요한 복수의 초음파 영상 각각에 상이한 기준 스티어링 각도를 설정하고, 설정된 기준 스티어링 각도를 기준으로 수열을 이용하여 스캔라인의 스티어링 각도를 산출하는 초음파 시스템 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 초음파 신호를 송수신하도록 동작하는 초음파 프로브의 종류를 고려하여 초음파 데이터에 스캔변환을 수행하여 초음파 영상을 형성하고, 초음파 영상을 합성하여 합성영상을 제공하는 초음파 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 초음파 시스템은, 복수의 프레임 각각에 해당하는 기준 스티어링 각도를 설정하고, 상기 기준 스티어링 각도를 기준으로 상기 복수의 프레임 각각에 대해 복수의 스캔라인 각각의 스티어링 각도를 산출하도록 동작하는 스티어링 설정부; 상기 스티어링 각도를 고려하여 초음파 신호를 대상체에 송신하고 상기 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하여 상기 복수의 프레임 각각에 해당하는 초음파 데이터를 획득하도록 동작하는 초음파 데이터 획득부; 상기 초음파 데이터에 스캔 변환을 수행하여 상기 복수의 프레임 각각에 해당하는 초음파 영상을 형성하도록 동작하는 영상 형성부; 및 상기 복수의 초음파 영상에 대해 중복되는 영역을 합성하여 합성영상을 형성하도록 동작하는 영상 처리부를 포함한다.
또한 본 발명에 따른, 초음파 프로브를 포함하는 초음파 시스템의 합성영상 제공 방법은, a) 복수의 프레임 각각에 해당하는 기준 스티어링 각도를 설정하는 단계; b) 상기 기준 스티어링 각도를 기준으로 상기 복수의 프레임 각각에 대해 복수의 스캔라인 각각의 스티어링 각도를 산출하는 단계; c) 상기 스티어링 각도를 고려하여 초음파 신호를 대상체에 송신하고 상기 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하여 상기 복수의 프레임 각각에 해당하는 초음파 데이터를 획득하는 단계; d) 상기 초음파 데이터에 스캔 변환을 수행하여 상기 복수의 프레임 각각에 해당하는 초음파 영상을 형성하는 단계; 및 e) 상기 복수의 초음파 영상에 대해 중복되는 영역을 합성하여 합성영상을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 스캔라인이 지나는 공통점을 고려하여 스캔라인의 스티어링 각도를 산출할 필요없이 수열을 이용하여 스캔라인의 스티어링 각도를 용이하게 산출할 수 있다.
또한 본 발명은 초음파 프로브의 종류에 따라 초음파 데이터에 적절한 스캔변환을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 초음파 영상에 대해 중복되는 영역을 합성하여도 스캔라인이 스티어링된 초음파 영상의 경계선이 합성영상에 표시되지 않아 합성영상의 화질을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 시스템(100)의 구성을 보이는 블록도이다. 초음파 시스템(100)은 스티어링(steering) 설정부(110), 초음파 데이터 획득부(120), 영상 형성부(130), 영상 처리부(140), 제어부(150) 및 디스플레이부(160)를 포함한다.
전술한 실시예에서는 스티어링 설정부(110), 영상 형성부(130), 영상 처리부(140) 및 제어부(150)를 별개로 구성하는 것으로 설명하였지만, 다른 실시예에서는 스티어링 설정부(110), 영상 형성부(130), 영상 처리부(140) 및 제어부(150)를 하나의 프로세서, 예를 들어, CPU(central processing unit), 마이크로프로세서(microprocessor) 등으로 구현될 수 있다.
스티어링 설정부(110)는 프레임(Pi(1≤i≤K)) 각각에 대해 기준 스티어링 각도(view angle)를 설정한다. 기준 스티어링 각도는 스캔라인(Si(1≤i≤n))에서 첫번째 스캔라인(S1) 또는 마지막 스캔라인(Sn)의 스티어링 각도를 나타내며, 프레임 마다 상이하게 설정될 수 있다. 프레임은 B 모드(brightness mode) 영상의 프레임을 포함할 수 있다. 스티어링 설정부(110)는 기준 스티어링 각도를 기준으로 스캔라인(Si(1≤i≤n))의 스티어링 각도를 산출한다. 스캔라인(Si(1≤i≤n))의 스티어링 각도는 기준 스티어링 각도를 기준으로 등차수열, 등비수열, 등차수열과 등비수열을 조합한 수열, 기타 수열 등을 이용하여 산출될 수 있다. 일례로서, 스캔라인(Si)의 스티어링 각도(θi)는 등차수열을 이용하여 아래의 수학식과 같이 산출될 수 있다.
θi = θ1 + (i-1)×θd
수학식 1에서, θd는 공차를 나타내고, 공차(θd)는 아래의 수학식과 같이 산출될 수 있다.
θn = θ1 + (n-1)×θd
θn = -θ1
θd = (2×θn)/(n-1)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 스티어링 설정부(110)에서 기준 스티어링 각도 및 스티어링 각도를 산출하는 예를 설명한다.
스티어링 설정부(110)는 도 3에 도시된 바와 같이 프레임(P1)에 대해 제1 기준 스티어링 각도(즉, 0°)를 설정한다. 스티어링 설정부(110)는 제1 기준 스티어링 각도(0°)를 기준으로 스캔라인(S1 내지 Sn) 각각의 스티어링 각도(0°)를 산출한다.
스티어링 설정부(110)는 도 4에 도시된 바와 같이 프레임(P2)에 대해 스캔라인(S1)의 제2 기준 스티어링 각도(θ21)를 설정한다. 스티어링 설정부(110)는 제2 기준 스티어링 각도(θ21)를 기준으로 수학식 1 및 수학식 2를 통해 스캔라인(S1 내지 Sn) 각각의 스티어링 각도(θ21 내지 θ2n)를 산출한다.
스티어링 설정부(110)는 도 5에 도시된 바와 같이 프레임(P3)에 대해 스캔라인(S1)의 제3 기준 스티어링 각도(θ31)를 설정한다. 스티어링 설정부(110)는 제3 기준 스티어링 각도(θ31)를 기준으로 수학식 1 및 수학식 2를 통해 스캔라인(S1 내지 Sn) 각각의 스티어링 각도(θ31 내지 θ3n)를 산출한다.
스티어링 각도 산출부(110)는 프레임(Pi(4≤i≤K)) 각각에 대해서도 전술한 바와 같이 기준 스티어링 각도(θi1)를 상이하게 설정하고, 설정된 기준 스티어링 각도(θi1)를 기준으로 수학식 1 및 수학식 2를 통해 스캔라인(S1 내지 Sn) 각각의 스티어링 각도를 산출한다.
다시 도 1을 참조하면, 초음파 데이터 획득부(120)는 스티어링 설정부(110)에서 산출된 스티어링 각도를 고려하여, 초음파 신호를 대상체에 송신하고 대상체로부터 반사되는 초음파 신호(즉, 초음파 에코신호)를 수신하여 프레임(Pi(1≤i≤K)) 각각에 해당하는 초음파 데이터를 획득한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 데이터 획득부(120)의 구성을 보이는 블록도이다. 초음파 데이터 획득부(120)는 송신신호 형성부(121), 복수의 변환소자(transducer element)(도시하지 않음)를 포함하는 초음파 프로브(122), 빔 포머(123) 및 초음파 데이터 형성부(124)를 포함한다.
송신신호 형성부(121)는 스티어링 각도 산출부(110)에서 산출된 스티어링 각도, 변환소자의 위치 및 집속점을 고려하여 프레임(Pi(1≤i≤K)) 각각을 얻기 위한 송신신호를 형성한다.
초음파 프로브(122)는 송신신호 형성부(121)로부터 송신신호가 제공되면, 송신신호를 초음파 신호로 변환하여 대상체에 송신하고 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하여 수신신호를 형성한다. 초음파 프로브(122)는 선형(linear) 프로브, 컨벡스(convex) 프로브 등을 포함할 수 있다.
빔 포머(123)는 초음파 프로브(122)로부터 송신신호가 제공되면, 송신신호를 아날로그 디지털 변환하여 디지털 신호를 형성한다. 빔 포머(123)는 변환소자의 위치, 집속점 및 스티어링 각도를 고려하여 디지털 신호를 수신집속시켜 수신집속신호를 형성한다.
초음파 데이터 형성부(124)는 빔 포머(123)로부터 수신집속신호가 제공되면, 수신집속신호를 이용하여 초음파 데이터를 형성한다. 초음파 데이터는 RF(radio frequency) 데이터, IQ 데이터 등을 포함할 수 있다. 아울러, 초음파 데이터 형성부(124)는 초음파 데이터를 형성하는데 필요한 다양한 신호 처리(예를 들어, 게인(gain) 조절, 필터링 처리 등)를 수신집속신호에 수행할 수도 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 영상 형성부(130)는 초음파 데이터 획득부(120)로부터 제공되는 프레임(Pi(1≤i≤K)) 각각의 초음파 데이터에 스캔변환(scan conversion)을 수행하여 초음파 영상(Ii(1≤i≤K))을 형성한다. 영상 형성부(130)는 초음파 프로브(122)의 종류를 고려하여 초음파 데이터의 스캔변환을 수행할 수 있다. 일실시예에서, 초음파 프로브(122)가 선형 프로브인 경우, 영상 형성부(130)는 아래의 수학식을 이용하여 초음파 데이터에 스캔변환을 수행한다.
Figure 112009054102218-PAT00001
Figure 112009054102218-PAT00002
Figure 112009054102218-PAT00003
, ,
Figure 112009054102218-PAT00004
,
Figure 112009054102218-PAT00005
Figure 112009054102218-PAT00006
,
Figure 112009054102218-PAT00007
,
Figure 112009054102218-PAT00008
수학식 3에 있어서, θext는 도 6에 도시된 바와 같이 기준 스티어링 각도를 나타내고, w는 프레임의 폭, (x,y)는 스캔변환 이후의 초음파 영상의 좌표를 나타내고, b는 영상 오프셋(offset)으로 일반적으로 무시될 수 있다.
즉, 영상 형성부(130)는 수학식 3을 통해 초음파 영상의 (x, y) 좌표에 대응하는 (d, r) 좌표의 초음파 데이터를 추출함으로써, 초음파 데이터의 스캔 변환을 수행할 수 있다.
다른 실시예에서, 영상 형성부(130)는 초음파 프로브(122)가 컨벡스 프로브임을 고려하여, 아래의 수학식을 통해 초음파 데이터에 스캔변환을 수행한다.
Figure 112009054102218-PAT00009
Figure 112009054102218-PAT00010
Figure 112009054102218-PAT00011
, ,
Figure 112009054102218-PAT00012
,
Figure 112009054102218-PAT00013
Figure 112009054102218-PAT00014
수학식 4에 있어서, θext는 도 7에 도시된 바와 같이 기준 스티어링 각도를 나타내고, w는 초음파 영상의 폭, (x,y)는 스캔변환 이후의 초음파 영상의 좌표를 나타내고, b는 영상 오프셋(offset)으로 일반적으로 무시될 수 있다.
즉, 영상 형성부(130)는 수학식 4를 통해 초음파 영상의 (x, y) 좌표에 대응하는 (σ, r)의 초음파 데이터를 추출함으로써, 초음파 데이터의 스캔 변환을 수행할 수 있다.
영상 처리부(140)는 영상 형성부(130)로부터 제공되는 초음파 영상(Ii(1≤i≤K))에 대해 공간적으로 중복되는 영역을 합성하여 합성영상을 형성한다. 즉, 영상 처리부(140)는 스캔라인이 스티어링되지 않은 초음파 영상(I1)을 기준으로 나머지 초음파 영상(Ii(2≤i≤K))에 대해 초음파 영상(I1)에 공간적으로 중복되는 영역을 추출하고, 추출된 영역과 초음파 영상(I1)을 합성하여 합성영상을 형성한다. 일실시예에서 영상 처리부(140)는 초음파 영상(Ii(1≤i≤K)) 각각에 대해 픽셀들의 값을 산술평균, 기하평균 또는 조화평균하여 합성할 수 있다. 다른 실시예에서, 영상 처리부(140)는 초음파 영상(Ii(1≤i≤K)) 각각에 서로 다른 가중치를 가하여 합성할 수 있다. 일례로서, 영상 처리부(140)는 기준 스티어링 각도의 크기에 따라, 즉 스캔라인을 스티어링하지 않은 초음파 영상에 최대의 가중치를 가하고, 기준 스티어링 각도가 최대인 초음파 영사에 최소의 가중치를 가하여 합성할 수 있다.
아울러, 영상 처리부(140)는 영상 형성부(130)로부터 제공되는 초음파 영상(Ii(1≤i≤K))에 대해 공간적으로 중복되는 영역을 합성하여 합성영상을 형성할 수도 있다.
제어부(150)는 스티어링 각도의 설정을 제어하며, 스티어링 각도에 따른 스 캔라인의 스티어링을 제어한다. 제어부(150)는 초음파 신호의 송수신을 제어하며, 초음파 데이터의 획득을 제어한다. 제어부(150)는 초음파 영상의 형성 및 디스플레이를 제어하며, 합성 영상의 형성 및 디스플레이를 제어한다.
디스플레이부(160)는 영상 처리부(140)로부터 제공되는 합성 영상을 디스플레이한다. 아울러, 디스플레이부(160)는 영상 형성부(130)로부터 제공되는 초음파 영상을 디스플레이한다.
본 발명이 바람직한 실시예를 통해 설명되고 예시되었으나, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 사항 및 범주를 벗어나지 않고 여러 가지 변경 및 변형이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.
일례로서, 전술한 실시예에서는 초음파 프로브(122)가 1차원 어레이 프로브(array probe)인 경우에 대해 스캔라인의 스티어링 각도를 설정하는 것으로 설명하였지만, 다른 실시예에서는 도 8에 도시된 바와 같이 초음파 프로브(122)가 2차원 어레이 프로브(또는 3차원 프로브)인 경우에 대해서도 측면(lateral) 방향에 대해 스티어링하지 않은 스캔라인을 기준으로 스캔라인들의 스티어링 각도를 전술한 바와 같이 수열을 이용하여 설정하고, 고도(elevational) 방향에 대해 스티어링을 하지 않은 프레임을 기준으로 프레임들의 스티어링 각도를 전술한 바와 같이 수열을 이용하여 설정하며, 서로 다른 스티어링 각도를 갖는 복수의 볼륨 데이터를 합성하여 3차원 합성 영상을 형성할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 시스템의 구성을 보이는 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 데이터 획득부의 구성을 보이는 블록도.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 산출되는 스티어링 각도의 예를 보이는 예시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 선형 프로브에서 스티어링 각도에 따라 획득된 초음파 데이터의 스캔변환을 보이는 예시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 컨벡스 프로브에서 스티어링 각도에 따라 획득된 초음파 데이터의 스캔변환을 보이는 예시도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 측면 방향에 대한 스캔라인의 스티어링 각도 및 고도 방향에 대한 프레임의 스티어링 각도를 설정하는 예를 보이는 예시도.

Claims (17)

  1. 초음파 시스템으로서,
    복수의 프레임 각각에 해당하는 기준 스티어링 각도를 설정하고, 상기 기준 스티어링 각도를 기준으로 상기 복수의 프레임 각각에 대해 복수의 스캔라인 각각의 스티어링 각도를 산출하도록 동작하는 스티어링 설정부;
    상기 스티어링 각도를 고려하여 초음파 신호를 대상체에 송신하고 상기 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하여 상기 복수의 프레임 각각에 해당하는 초음파 데이터를 획득하도록 동작하는 초음파 데이터 획득부;
    상기 초음파 데이터에 스캔 변환을 수행하여 상기 복수의 프레임 각각에 해당하는 초음파 영상을 형성하도록 동작하는 영상 형성부; 및
    상기 복수의 초음파 영상에 대해 중복되는 영역을 합성하여 합성영상을 형성하도록 동작하는 영상 처리부
    를 포함하는 초음파 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스티어링 설정부는, 상기 기준 스티어링 각도를 프레임마다 상이하게 설정하도록 동작하는 초음파 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기준 스티어링 각도는 상기 복수의 스캔라인에서 첫번째 스캔라인 및 마지막 스캔라인중 어느 하나의 스티어링 각도인 초음파 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스티어링 설정부는, 상기 기준 스티어링 각도를 기준으로 수열을 이용하여 상기 스티어링 각도를 산출하도록 동작하는 초음파 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 초음파 데이터 획득부는 초음파 프로브를 포함하는 초음파 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 영상 형성부는, 상기 초음파 프로브를 고려하여 상기 초음파 데이터에 스캔 변환을 수행하도록 동작하는 초음파 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 영상 처리부는, 상기 복수의 초음파 영상에 대해 픽셀들의 값을 산술평균, 기하평균 및 조화평균중 어느 하나를 이용하여 합성하도록 동작하는 초음파 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 영상 처리부는, 상기 복수의 프레임 각각에 상이한 가중치를 가하여 합성하도록 동작하는 초음파 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합성영상을 디스플레이하도록 동작하는 디스플레이부
    를 더 포함하는 초음파 시스템.
  10. 초음파 프로브를 포함하는 초음파 시스템의 합성영상 제공 방법으로서,
    a) 복수의 프레임 각각에 해당하는 기준 스티어링 각도를 설정하는 단계;
    b) 상기 기준 스티어링 각도를 기준으로 상기 복수의 프레임 각각에 대해 복수의 스캔라인 각각의 스티어링 각도를 산출하는 단계;
    c) 상기 스티어링 각도를 고려하여 초음파 신호를 대상체에 송신하고 상기 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하여 상기 복수의 프레임 각각에 해당하는 초음파 데이터를 획득하는 단계;
    d) 상기 초음파 데이터에 스캔 변환을 수행하여 상기 복수의 프레임 각각에 해당하는 초음파 영상을 형성하는 단계; 및
    e) 상기 복수의 초음파 영상에 대해 중복되는 영역을 합성하여 합성영상을 형성하는 단계
    를 포함하는 합성영상 제공 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 단계 a)는,
    상기 기준 스티어링 각도를 프레임마다 상이하게 설정하는 단계
    를 포함하는 합성영상 제공 방법.
  12. 제10항에 있어서, 기준 스티어링 각도는 상기 복수의 스캔라인에서 첫번째 스캔라인 및 마지막 스캔라인중 어느 하나의 스티어링 각도인 합성영상 제공 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 단계 b)는,
    상기 기준 스티어링 각도를 기준으로 수열을 이용하여 상기 스티어링 각도를 산출하는 단계
    를 포함하는 합성영상 제공 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 단계 d)는,
    상기 초음파 프로브를 고려하여 상기 초음파 데이터에 스캔 변환을 수행하는 단계
    를 포함하는 합성영상 제공 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 단계 e)는,
    상기 복수의 초음파 영상에 대해 픽셀들의 값을 산술평균, 기하평균 및 조화평균중 어느 하나를 이용하여 합성하는 단계
    를 포함하는 합성영상 제공 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 단계 e)는,
    상기 복수의 프레임 각각에 상이한 가중치를 가하여 합성하는 단계
    를 포함하는 합성영상 제공 방법.
  17. 제10항 내지 제16항중 어느 한 항에 있어서,
    f) 상기 합성영상을 디스플레이하는 단계
    를 더 포함하는 합성영상 제공 방법.
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