JP2003220059A - 超音波撮像システムでの合成開口集束方法 - Google Patents
超音波撮像システムでの合成開口集束方法Info
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Abstract
波の回折特性によるビーム広がり現象を減少させるべ
く、受信副開口の中心位置に対応する伝播角度で平面波
を診断対象に向けて送信し、その後診断対象から反射さ
れた信号を受信副開口によって受信して組合せることに
よって両方向の動的集束ができ、横方向の解像度を向上
させ得る。 【解決手段】 平面波を生成し、各トランスデューサに
よって平面波を診断対象に向けて送信し、各トランスデ
ューサによって診断対象から反射される各エコー信号を
受信し、これらの受信エコー信号を動的集束し、受信し
た各エコー信号を受信パターン・メモリに格納し、動的
集束した各エコー信号を組合せてビームを形成する。
Description
ムの合成開口集束方法に関し、特に、超音波の回折特性
によるビーム広がり現象を減少させるために平面波を用
いる合成開口集束方法に関するものである。
デューサを通じて人体内に超音波を送信して反射されて
帰ってきた受信信号を多様な信号処理方法を適用するこ
とによって、リアルタイムにて2次元断面映像を与え
る。図1に示した通り、超音波映像の解像度はトランス
デューサを基準として送信ビームの進行方向として定義
される軸方向2、トランスデューサの幅方向として定義
される横方向4、トランスデューサの高さ方向として定
義される高さ方向6の解像度によって決定される。軸方
向の解像度は、他の2つの解像度より3〜5倍程度高い
ために、超音波映像の解像度を決定する重要な要素では
ない。しかし、横方向の解像度と高さ方向の解像度とは
軸方向の解像度とは異なり、送受信ビームの集束方法に
よって変わる。
よって診断対象から反射されるエコー信号を受信する
時、全像点においてリアルタイムにて動的集束を行うこ
とによって急速に向上した。図2に示した超音波撮像シ
ステムを参照して、受信動的集束方法に対して略記す
る。
ず)は、送信集束遅延部8によって各々のトランスデュ
ーサ9の集束深さに該当する時間だけ遅れる。時間遅延
された送信信号は、送信パターン・メモリ10に格納さ
れて送信部11及び送受切換え用スイッチ12を通じて
トランスデューサ列13から診断対象に向けて送信集束
される。このような過程を通じて送信された全ての送信
ビームは集束点14において集束され、該集束点14か
ら反射されたエコー信号はトランスデューサ列13の各
トランスデューサ9によって電気信号に変わり、送受切
換え用スイッチ12及び受信部15を介して受信パター
ン・メモリ16に格納される。受信パターン・メモリ1
6に格納されたエコー信号はトランスデューサ9間の集
束深さによって位相が異なるため、受信集束遅延部17
によって可変時間遅延を加えてエコー信号を同相とす
る。同相の各エコー信号はビーム形成部18によって組
合せられて、信号処理部19によって多様な信号処理方
式が適用された後、スキャン変換部20を通じてディス
プレイ21上に表示される。
して説明したが、受信動的集束方法は一回の送信で得ら
れた受信エコー信号をもって一つの走査線をなす全像点
に対して受信集束を行うことができる。
集束方法は、固定送信集束を行うために固定送信集束点
でのみ両方向集束ができる。その理由は、求めようとす
る全像点に対して送信集束を行うためには、像点の数分
のビームを送信しなければならないので、超音波撮像シ
ステムの長所であるリアルタイム映像を得ることができ
ない。また、集束点14から遠いほど、超音波の回折特
性のため、ビームが急速に広がるために横方向の解像度
が低下する欠点がある。
られる超音波の回折特性によって横方向の解像度が深さ
によって低くなる現象を説明する。受信動的集束方法は
トランスデューサ26間の距離差を補償することによっ
て行われるが、これは全像点に送信集束してビームを送
信することと同じ結果が得られる。受信集束のための時
間補償を行った場合、各々のトランスデューサn1、n
2、n3において受信したエコー信号は同相を意味する
W1、W2、W3曲面上の反射体から反射された信号が
組合わせられる。W1、W2、W3曲率は各トランスデ
ューサから深さZ1までの距離を半径とする円の曲率と
同一である。もし、深さZ1上に2つの反射体22a、
22bが存在し、各々のトランスデューサ26が受信し
た各エコー信号を組合せる場合、L0線上に位置した反
射体22aから反射されたエコー信号の大きさだけ大き
くなる。しかし、深さがさらに深いZ2上の反射体に対
して各々のトランスデューサが受信した各エコー信号を
組合せる場合、L0線上に位置した反射体24aによる
エコー信号の大きさだけでなく、L1線上に位置した反
射体24bによるエコー信号の大きさもともに大きくな
る。このような現象は、Z1では3個の曲線がL0線上
の反射体22aだけに対して重畳されるが、Z2ではL
0線上の反射体24aだけでなく、L1線上の反射体2
4bに対しても、重畳効果を有するために横方向の解像
度が深さによって低くなる。
するために、最近には、合成開口集束方法を適用して全
像点に対して両方向動的集束が行われ、受信動的集束方
法に比べて向上した横方向の解像度を得ることができ
た。しかし、合成開口集束方法も映像の深さが増加する
ことに伴い、超音波の回折特性によってビーム幅が線形
的に増加するために横方向の解像度が低下する問題点が
生じる。
目的は、診断対象に対する撮像深さの増加に伴い超音波
の回折特性によるビーム広がり現象を減少させるため
に、受信副開口の中心位置に対応する伝播角度で平面波
を診断対象に向けて送信し、その後診断対象から反射さ
れた信号を受信副開口によって受信して組合せることに
よって両方向動的集束ができ、横方向の解像度を向上さ
せ得る合成開口集束方法を提供することにある。
めに、本発明の好適実施例によれば、複数のトランスデ
ューサを有する超音波撮像システムでの合成開口集束方
法において、平面波を生成する第1段階と、前記複数の
トランスデューサによって前記平面波を診断対象に向け
て送信する第2段階と、前記複数のトランスデューサに
よって前記診断対象から反射される各エコー信号を受信
する第3段階と、前記受信した各エコー信号を動的集束
する第4段階と、前記受信した各エコー信号を受信パタ
ーン・メモリに格納する第5段階と、前記動的集束した
各エコー信号を組合せてビームを形成する第6段階とを
含む。
て、 図4〜図14を参照しながらより詳しく説明す
る。
横方向の解像度を平面波を用いて改善できることを説明
するための図面である。複数のトランスデューサを含む
非常に大きい送信開口30を用いて送信されたビームが
全像点で重畳になるように相異なる角度で平面波を送信
すれば、各々の平面波に対する同相はW1、W2、W 3
で表現される。この場合、Z1深さでは、図3を参照し
て説明した球面波の場合のようにL0上の反射体32だ
けに対して重畳になるため、エコー信号の大きさが大き
くなるようになる。また、平面波の重なった形態は深さ
によって変わらないために、Z2深さでもL0上の反射
体34だけに対して各平面波が重なる。このような事実
は平面波を用いる場合、深さ増加に応じる横方向の解像
度の限界を改善できることを示す。
開口集束方法によって両方向動的集束が可能であり、従
来の合成開口集束方法に比べて横方向の解像度が優れる
ことを説明する。
コー信号を用いて、最小回折特性を有するビームパター
ンを得るための合成開口集束方法の送受信モデルを示
す。詳記すると、平面波36をZ軸に対して−θの角度
で送信し、その中心がχ=ζに位置した有限な大きさの
受信副開口38によってエコー信号を受信する送受信モ
デルである。ここで、Rは受信副開口上の一点から任意
の着目点40(x、z)までの距離、Rfは受信副開口
上の一点と像点42(xs、z)までの距離を示す。平
面波を用いる合成開口集束方法では、送信平面波の伝播
角度θを受信副開口の中心位置ζによって下記式のよう
に変更する。
波の伝播角度の変化量と最大伝播角度(θmax=ζmax/
η)を決定する。また、θmax≪1であれば、下記式の
ように近似的に表現できる。
異なる角度で送信平面波を伝送し、診断対象から反射さ
れたエコー信号をその角度に対応する位置にある受信副
開口を用いて受信した後、それを受信パターン・メモリ
に格納する。次に、多様な各受信副開口によって受信さ
れて受信パターン・メモリに格納されたエコー信号を動
的集束してビームを形成する。以上のようなビーム形成
過程を経て集束された超音波ビームパターンは上記式
(2)を適用して下記式(3)のように表現できる。
いられる受信副開口の範囲を示す合成ウィンドウ関数、
t(ζ)は動的集束された各受信副開口信号を組合せる時
に用いる合成送信遅延、γは各々の走査線を合成する時
に用いられる合成ウィンドウ関数の中心位置を示す。平
面波を用いる合成開口集束方法によるビームパターン
は、下記式(4)のような合成送信遅延を適用して下記
式(5)のように表現できる。
信副開口関数pr(χ0)のフーリエ変換と合成ウィン
ドウ関数ps(ζ)のフーリエ変換との積として示され
るため、両方向動的集束ができることが分かる。しか
し、このような結果を得るため
方法は、パルス送信方式を用いた場合だけに対して簡単
に説明したが、図6に示したように相関器50を付加し
て受信した信号を圧縮すれば、コード化送信方式によっ
ても行われる。
号を用いて映像を構成する方法を用いるが、超音波が媒
質を進行する時は減衰現象によって受信信号の電力が減
少する。従って、遠く離れた所にある反射体から受信さ
れる信号から映像を構成するための情報を得ることは非
常にむずかしい。これは、信号対雑音の比が制限される
からである。本発明による合成開口集束方法は、映像の
深い所で超音波の回折特性を抑制して横方向の解像度を
高めるためのことで、映像の深い所でも充分のSNRを
得ることができる必要がある。このような理由で、重み
チャープ、ゴレーコードのような長周期を有するコード
を送信する時、ステアリング時間遅延を与えて平面波を
作り、受信信号を相関器50によって圧縮してビームを
形成することによって、本発明による合成開口集束方法
の長所を最大限に生かすことができる。
に動く反射体による動き問題が存在する。このような問
題点を解決できる一つの方法は、映像のフレーム率を増
加させることであるが、このフレーム率はデータ獲得方
式によって大きく左右される。本発明による合成開口集
束方法では、フレーム率を増加させるために自己相関は
大きくて、相互相関は小さい直交特性を有するコードを
用いてもよい。直交特性を有するコードを用いて色々な
角度の平面波を同時に送信して受信し、相関器50によ
って各受信コードを取出し圧縮した後、短いパルスのビ
ーム形成のようにビームを形成する。このような場合、
同時に送信した直交コードの数分に対応してフレーム率
が増加するようになる。例えば、ゴレーコードのように
互いに直交特性を有するコードを送信するか周波数バン
ドを分割し、分割した各々の周波数領域に重みチャープ
信号や他のコードを送信することができる。特に重みチ
ャープ信号の場合、相互相関を減らすため、一方の周波
数領域において周波数の増加する重みチャープ信号を送
信すれば、隣接する周波数領域においては周波数の減少
する重みチャープ信号を送信する。
トランスデューサから構成されている線形アレイ・プロ
ーブ及びフェーズド・アレイ・プローブを用いて具現で
きる。以下、簡単な説明のために、線形アレイ・プロー
ブを用いる場合だけに対して説明する。
ランスデューサにステアリング時間遅延を加えて平面波
を送信することができ、送信毎に送信角度に対応して受
信副開口を移動するとともに受信したエコー信号を受信
パターン・メモリに格納する。このような過程を通じて
格納された各エコー信号を合成送信時間遅延と受信動的
集束とのための時間遅延を考慮して組合せることによっ
て、各々の走査線を構成する。しかし、送信開口の大き
さD(=Dt)が減少することによって最大撮像深さ
(imaging depth)が減少する問題点が発
生する。このような問題点に対して図7を参照しながら
詳記する。
走査線別の最大撮像深さを示し、x=xs=0とx=x
s>0に位置した二つの走査線56a、56bの最大撮
像深さがどうして決定されるのかを説明する。z
m(0)とzm(xs)は、送信平面波の最大伝播角度
がζmax/ηである時、二つの走査線の最大撮像深さ
を示す。この時、各走査線別の最大撮像深さは下記式
(7)のように表現される。
査線別の最大撮像深さは走査線を構成するのに用いられ
る合成ウィンドウ関数の幅Dsとその位置を決定するγ
とによっても決定される。これは、最大撮像深さを示す
式(7)をDsとγ(図7における符号52)とに対す
る式に直せば確認することができる。即ち、各々の走査
線を構成するのに実際に用いられる送信平面波の量の最
大伝播角度を計算すれば、θmaxでなく(γ+Ds/
2)/ηになる。従って、任意の走査線に対する実像深
さ58za(xs)は下記式(8)のように計算され
る。
線に対する実像深さ58は、有限送信開口による後方拡
散領域(以下、RSRと称す)が始まる個所として定義
することができる。即ち、有限送信開口の使用によって
送信平面波が伝えられる深さが制限されるが、その深さ
を超過した領域では、式(5)のように表現するビーム
パターンが得られず、メインローブが深さによって再度
増加する。しかし、式(8)によれば、実像深さ58z
a(xs)は各走査線の位置xsによって異なり、送信
トランスデューサの大きさDtとηとに比例して増加す
る。従って、合成ウィンドウ関数の幅を小さくするか、
その位置を適当に移動することによって、即ち、γを調
節してza(xs)を増加させることができる。特に、
図7の場合、γを-Ds/2に近く定められれば、za
(xs)を大きく増加させることができる。これは、走
査線が正のx軸位置にある時、正の伝播角度で送信され
た平面波はzm(xs)以後の像点には寄与しないが、
負の伝播角度で送信された平面波はzm(xs)以後の
像点に寄与するからである。即ち、このように与えられ
た像点に寄与する各平面波に対する各信号だけを用いて
組合せれば最大撮像深さが増加される。この時、横方向
の解像度はηとDsによって決定されるため、γ、η及
びDsを適宜選択して所望の横方向の解像度と実像深さ
を得ることができる。
3.5MHzの線形アレイ・プローブを用いてコンピュ
ータ・シミュレーションを施した。別途に明らかにした
場合でなければ合成送信ウィンドウ関数の幅Dsと受信
副開口の大きさは全て64dであり、送信開口は全体ト
ランスデューサを用いたため128dとして決定した。
(図1参照)。
ジアン(ζmax=192mm、η=96mm)の場合、無
限送信開口(点線)で平面波を送信した時の送信ビーム
パターンが有限送信開口(実線)ではどのように変わる
のかを示す。図8で有限送信開口の場合、小さな深さで
は無限送信開口の場合と殆ど同じ送信ビームパターンを
見せて、深さが増加することによってサイドローブの各
値が変わり、200mmではメインローブが微細であって
も差異が生ずることを確認することができる。従って、
この深さ以後からは有限送信開口のメインローブがます
ます増加するようになる。このような結果は、有限送信
開口を用いて、平面波を用いる合成開口集束方法を近似
的に具現できることを示す。
合、η値が合成開口集束されたビームパターンに及ぼす
影響を示す。図9(a)はη=96mm、図9(b)はη
=48mmである時、音場の等高線を示す。図9(a)は
前方拡散領域(以下、FSRと称す)がη値と同じ96
mm、図9(b)はFSRが48mmであることを確認する
ことができる。また、図9(a)の48mm、96mmにお
ける−6dBのビーム幅は各々0.74mm、1.22mm
で、図9(b)の48mm、96mmにおける−6dBのビ
ーム幅は各々0.62mm、0.89mmであり、η値が減
少するほどそのビーム幅がさらに小さくなることが分か
る。これは有限送信開口の場合でも、ηがビーム幅とF
SRとを決定づける要素として作用することを示したも
のである。FSRでは、横方向のビーム幅が線形的に増
加するが、非拡散領域では、近似的に均一の横方向のビ
ームパターンを維持する。
によって決定されるが、γ=xs=0の時、式(8)に
よってRSRはz=za(0)=2ηの深さから始ま
る。即ち、図9(a)はRSRが192mmから始まり、
図9(b)はRSRが96mmから始まることを示す。こ
のようなRSRの各開始値は式(7)によって計算され
る最大伝播角度による最大撮像深さzm(0)より2倍
増加したものである。前述のように、実像深さは合成ウ
ィンドウ関数の幅Dsだけでなく、その中心位置γを調
整することによって更に増加させることができるが、図
10〜図13を参照して、そのような各要素が実像深さ
に及ぼす影響に対してより詳記する。
の幅Dsが実像深さに及ぼす影響に対して詳察するため
のコンピュータ・シミュレーションの結果である。図1
0においてDs=32d、γ=0の時、図10(a)は
x=xs=0に位置した走査線の送受信音場の等高線、
図10(b)はx=xs=10mmに位置した走査線の送
受信音場の等高線を示す。一方、コンピュータ・シミュ
レーションの他の各条件は同一にし、合成ウィンドウ関
数の幅だけDs=64dに変更した時、二つの走査線の
実像深さは式(8)によって各々za(0)=192m
m、za(10)=92mmとなる。しかし、Ds=32
dにした場合、式(8)と図10とで確認できるよう
に、za(0)(図示せず)及びza(10)は各々3
84mm、184mmであるため、Ds=64dである時に
更に実像深さが2倍増加する。また、Ds=64dであ
る場合、z=zm(0)=96mmの−6dBのビーム幅
は1.2mmと測定したことと比較する時、Ds=32d
である図10(a)は2.364mmと測定されることに
よって、Dsが1/2に減少することに伴いビーム幅は
約2倍増加することが分かる。従って、合成ウィンドウ
関数の幅Dsが増加することに伴いビーム幅は半比例し
て減少し、実像深さza(xa)は比例して増加するよ
うになるが、このようなコンピュータ・シミュレーショ
ンの結果は合成ウィンドウ関数の幅Dsがビームパター
ンに及ぼす影響を定量的に説明する。
11(a))、z=zm(0)=96mm(図11
(b))、z=za(10)=184mm(図11
(c))、z=250mm(図11(d))の深さであ
り、Ds=32d、γ=0である時、x=x s=0の有
限送信開口(実線)、x=xs=10mmの有限送信開口
(点線)、x=xs=0の無限送信開口(一点鎖線)で
の両方向ビームパターンを示す。x=xs=0である
時、有限送信開口のメインローブはz=250mmでも無
限送信開口のメインローブと同一である。しかし、x=
xs=10mmである時、有限送信開口のメインローブ
は、z=184mmでは無限送信開口のメインローブと同
一であるが、z=250mmでは無限送信開口のメインロ
ーブよりさらに広がっていることが確認できる。
ドウ関数の中心位置を示すγが実像深さに及ぼす影響に
対して説明する。図12はDs=64d、xs=10mm
に対して、γ=0の場合における送受信音場の等高線
(図12(a))と、γ=−15dの場合における送受
信音場の等高線(図12(b))を示したものであっ
て、図13は走査線がx=xs=0に位置する時、無限
送信開口(一点鎖線)の横方向ビームパターンと、走査
線がx=xs=10mmに位置してγ=0(点線)、γ=
−15d(実線)である時の有限送信開口の横方向ビー
ムパターンをz=z m(10)=45mm(図13
(a))、z=zm(0)=96mm(図13(b))、
z=za(10)=173mm(図13(c))、z=2
50mm(図13(d))の深さについて示す。
=0の場合、z=zm(0)=96mm以後からはメイン
ローブ幅は増加する。その反面、図12(b)と図13
とで分かるように、γ=−15dの場合にはz=z
a(10)=173mmまでは無限送信開口と同じメイン
ローブ幅を示す。また、180mm、190mm、200mm
の深さにおける−6dBのビーム幅が、図12(b)の
場合には各々1.705mm、1.7801mm、1.86
1mmと測定され、無限送信開口の場合には−6dBのビ
ーム幅が各々1.634mm、1.669mm、1.702
mmと測定された。図12と図13とのコンピュータ・シ
ミュレーションの結果は、γを適宜選択することによっ
て映像の有効深さを増加させ得ることを定量的に説明す
る。
集束方法が従来の集束方法に比べて横方向の解像度がど
のくらい向上しているのかを説明する。
デューサで構成された3.5MHz線形アレイ・プロー
ブで−6dBのビーム幅が3MHzになる短いパルスを
送信した。送受信開口と合成ウィンドウ関数との大きさ
は64dとし、受信動的集束方法は60mmで固定送信集
束を行い、本発明による合成開口集束方法で最大伝播角
度は0.35ラジアンとした。反射体は、総13個であ
って一番上の反射体はx=0、z=60mmに位置し、一
番深い所の反射体はx=0、z=195mmに位置する。
また、最外角反射体はx=15mm、z=139mmに位置
する。図14(a)のコンピュータ・シミュレーション
の結果は、受信動的集束方法による横方向の解像度、図
14(b)のコンピュータ・シミュレーションの結果は
本発明による合成開口集束方法による横方向の解像度を
示す。コンピュータ・シミュレーションの結果本発明に
よる合成開口集束方法の解像度が全像点に対して遥かに
優れていることを確認することができる。
について説明したが、本発明の請求範囲を逸脱すること
なく、当業者は種々の改変をなし得る。
束を可能にして優れた横方向の解像度を提供し、パルス
送信方式だけでなくコード化送信方式によっても行うこ
とができる。また、合成ウィンドウ関数の大きさとその
中心位置とを適宜選択することによって、映像の有効深
さを増加させることができ、従来の集束方法が適用され
る応用分野に用いられて映像の横方向の解像度を改善す
るのに有用に用いることができる。
を示すブロック図である。
す模式図である。
の改善のための模式図である。
を示す模式図である。
撮像システムを示すブロック図である。
線別撮像深さを示す模式図である。
ターンを示す模式図である。
す模式図である。
つの走査線に対する本発明による合成開口集束方法の送
受信音場の等高線を比較した模式図である。
ームパターンを比較した模式図である。
査線に対する本発明による合成開口集束方法の送受信音
場の等高線を比較した模式図である。
ームパターンを比較した模式図である。
動的集束方法と比較する図面である。
Claims (13)
- 【請求項1】 複数のトランスデューサを有する超音波
撮像システムでの合成開口集束方法において、 平面波を生成する第1段階と、 前記複数のトランスデューサによって前記平面波を診断
対象に向けて送信する第2段階と、 前記複数のトランスデューサによって前記診断対象から
反射される各エコー信号を受信する第3段階と、 前記受信した各エコー信号を動的集束する第4段階とを
含むことを特徴とする合成開口集束方法。 - 【請求項2】 前記受信した各エコー信号を受信パター
ン・メモリに格納する第5段階を、さらに含むことを特
徴とする請求項1に記載の合成開口集束方法。 - 【請求項3】 前記動的集束した各エコー信号を組合せ
てビームを形成する第6段階を、さらに含むことを特徴
とする請求項1に記載の合成開口集束方法。 - 【請求項4】 前記平面波が、受信副開口の中心位置に
対応する伝播角度で前記診断対象に向けて送信されるこ
とを特徴とする請求項1に記載の合成開口集束方法。 - 【請求項5】 前記平面波が、相異なるステアリング時
間遅延を有する前記複数のトランスデューサによって生
成されることを特徴とする請求項1に記載の合成開口集
束方法。 - 【請求項6】 前記平面波が、パルス送信方式及びコー
ド化送信方式の中のいずれかによって生成することを特
徴とする請求項1に記載の合成開口集束方法。 - 【請求項7】 前記第3受信段階が、前記受信副開口の
位置を移動させることによって前記各エコー信号を受信
することを特徴とする請求項1に記載の合成開口集束方
法。 - 【請求項8】 前記複数のトランスデューサが、線形ア
レイ・プローブ及びフェーズド・アレイ・プローブの中
のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の合
成開口集束方法。 - 【請求項9】 前記格納された各エコー信号を相関器で
圧縮する第7段階を、さらに含むことを特徴とする請求
項2に記載の合成開口集束方法。 - 【請求項10】 前記第6段階が、合成送信時間遅延と
受信動的集束のための時間遅延とを用いることを特徴と
する請求項3に記載の合成開口集束方法。 - 【請求項11】 前記平面波が、直交特性を有するゴレ
ーコードと周波数分割した重みチャープ信号とを用いる
ことを特徴とする請求項6に記載の合成開口集束方法。 - 【請求項12】 前記受信副開口の位置が、前記伝播角
度に対応して決定されることを特徴とする請求項7に記
載の合成開口集束方法。 - 【請求項13】 前記受信副開口の中心位置であるγを
選択して実像の深さを増加させることを特徴とする請求
項7に記載の合成開口集束方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002018397A JP3740066B2 (ja) | 2002-01-28 | 2002-01-28 | 超音波撮像システムでの合成開口集束方法 |
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