DE3214789C2 - - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
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- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
- B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
- B06B1/0625—Annular array
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen dynamisch fokussierenden
Ultraschallwandler gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Ein Ultraschallwandler dieser Art ist beispielsweise
durch den Aufsatz "Annular Array Design and Logarithmic
Processing for Ultrasonic Imaging" von H. E. Melton,
Jr. und F. L. Thurstone in Ultrasound Med. Biol., Vol. 4,
Seiten 1 bis 12 vorbekannt. Der vorbekannte Ultraschallwandler
umfaßt dabei ein Array aus kreisförmigen piezoelektrischen
Elementen. Jeder der piezoelektrischen
Ringe ist mit Elektroden versehen, über die im Sendefall
die Sendespannung angelegt und im Empfangsfall
die Empfangsspannung abgegriffen wird. Die einzelnen
Ringe des Arrays sind durch Spalten voneinander getrennt,
wodurch die benachbarten Ringflächenareale
akustisch voneinander entkoppelt werden.
Ein Ringwandler dieser Art kann bei Betrieb im B-mode
zur dynamischen Fokussierung verwendet werden. Die verschiedenen
Ringe des Wandlers werden dazu nacheinander
eingeschaltet, so daß der Wandler in dynamischer Weise
auf unterschiedliche Empfangstiefen fokussiert wird.
Arrays mit Ringelementen, die durch ringförmige Spalten
voneinander getrennt sind, lassen sich jedoch nur
schwierig herstellen. Gewöhnlich muß zum Einschneiden
der einzelnen kreisringförmigen Spalten ein spezielles
Sägewerkzeug, z. B. ein Kernbohrer, eingesetzt werden.
Dieses Werkzeug ist jedoch für unterschiedliche Ausführungsformen
des Ultraschallwandlers entsprechend
unterschiedlich. Jede neue Form erfordert also ein eigenes
spezielles Werkzeug. Die Zahl der benötigten
Werkzeuge ist damit also insgesamt recht hoch. Mit
den bekannten, bisher eingesetzten Werkzeugen lassen
sich außerdem nur Spalten erzeugen, die relativ breit
sind. Die Empfindlichkeit des Wandlers wird dadurch
herabgesetzt und es treten außerdem in unerwünschter
Weise sowohl im Sende- als auch im Empfangsfall Nebenkeulen
auf, die die Bildauflösung des Wandlers erheblich
verschlechtern. Zu breite Spalten führen aber
auch gleichzeitig zu Verlusten in der aktiven Abstrahl-
und Empfangsfläche. Wegen der nur groben Herstellungsart
ist eine Feinteilung der Wandlerelemente zu Elementen
mit besonders geringer Dicke kaum möglich. Bei
der Feinteilung kommt es aufgrund des Anpreßdruckes
des Werkzeuges an die zerbrechliche Piezoplatte häufig
zu Brüchen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen dynamisch
fokussierenden Ultraschallwandler der eingangs genannten
Art aufzubauen, der mit einfachstem Werkzeug herstellbar ist.
Die Spalten zwischen den Elementringen
sollen besonders schmal sein und sie sollen auch so
dicht nebeneinandergelegt werden, daß sich dazwischenliegend
feingeteilte Wandlerelemente ergeben. Die Feinteilung
soll den Einsatz des Ultraschallwandlers bei
relativ hohen Frequenzen ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung besteht jetzt der Ultraschallwandler
aus einer Mehrzahl von Segmenten, in die zueinander
parallele gerade Spalten eingeschnitten sind. Erst mit
dem Zusammensetzen der einzelnen Segmente schließen
sich die Spalten zu einer mehreckigen, aber noch annähernd
kreisringförmigen Form. Dasselbe gilt auch für
die Oberflächenareale zwischen den Spalten. Die reine
Kreisringform des Standes der Technik wird also durch
eine Mehreckform aus Einzelsegmenten, von denen jedes
etwa nach Art eines "Kuchenstückes" geformt ist, angenähert.
Die einzelnen Segmente können in sehr einfacher
Weise und sehr genau mit Hilfe einer feinen Säge hergestellt
werden. Mit Hilfe dieser Säge können sowohl die
Segmentstücke selbst als auch die Spalten in die Segmente
gesägt werden. Mit sehr feiner Säge können auch sehr
dünne Spalten gesägt werden. Ferner können in einem
Segment die Spalten sehr dicht aufeinander folgen, so
daß also das Segment feingeteilt wird. Insgesamt gesehen
ist also aufgrund der Erfindung ein Ultraschallwandler
geschaffen, der angenäherte Kreisringstruktur
der Wandlerelemente aufweist und der dennoch mit einem
einzigen einfachen Werkzeug hergestellt werden kann.
Eine Feinteilung der Wandlerelemente mit diesem einzigen
Werkzeug bereitet keine Schwierigkeiten, so daß
mit zunehmender Feinteilung entsprechend höherfrequente
Ultraschallwandler mit dynamischer Fokussierung gebaut
werden können. Unter normalen Umständen reicht es
aus, wenn der Ultraschallwandler aus insgesamt sechs
Segmenten zusammengesetzt ist. Der Ultraschallwandler
kann jedoch durchaus aus sehr viel mehr Segmenten bestehen,
je nachdem, wie stark die reine Kreisringform
angenähert werden soll.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer
Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung und in Verbindung
mit den Unteransprüchen.
Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Ultraschallwandler
gemäß der Erfindung in einer
ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Ultraschallwandler
gemäß der Erfindung in einer
zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 ein Einzelsegment eines Wandlers gemäß
der Erfindung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Ultraschallwandler
gemäß der Erfindung, bei dem die
unterschiedlichen Wandlerelemente für unterschiedliche
Betriebsfrequenzen ausgelegt
sind,
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Segment eines Ultraschallwandlers
gemäß der Erfindung,
bei dem alle piezoelektrischen Elemente
dieselbe Fläche haben,
Fig. 6 einen Sägeplan für die Herstellung von
Segmenten für einen Ultraschallwandler
gemäß der Erfindung,
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Segment mit Feinteilung
der Wandlerelemente, wobei die
einzelnen Wandlerelemente im Überlappungs-
Modus elektrisch angesteuert werden,
Fig. 8 eine Tabelle, die den Überlappungs-Modus
einer Feinstruktur gemäß Fig. 7 näher
erläutert.
Der Ultraschallwandler 2 der Fig. 1 umfaßt sechs Dreiecksegmente
4 von identischer Form, die konzentrisch
um eine zentrale Achse 6 angeordnet sind. Die geraden
Seiten eines jeden Dreiecksegmentes bilden miteinander
einen Winkel von jeweils 60°. Jedes der Segmente 4 enthält
vier langgestreckte hervorstehende Oberflächenareale
8, die voneinander durch geradlinige Spalten 10
getrennt sind, die parallel zueinander angeordnet sind.
Die geradlinigen Spalten 10 entkoppeln die Areale 8
akustisch voneinander. Die Spalten 10 werden in einfacher
Weise mit Hilfe einer Säge (feine Würfelsäge)
hergestellt. Einander entsprechende Areale 8 aller
einzelnen Segmente 4 bilden mehreckige "Ringe", die
mehr oder weniger der reinen runden Kreisringform angenähert
sind. Die einzelnen Spalten 10 der einzelnen
Segmente 4 schließen sich zu mehreckigen Spalten, die
ebenfalls mehr oder weniger der reinen Kreisringform
angenähert sind. Die "ringförmigen" Spalten entkoppeln
benachbarte Areale 8, die einzelne Wandlerelemente
bilden, akustisch voneinander. Benachbarte Elemente 8
sind mittels Kontaktbrücken 12 miteinander verbunden.
Alle Segmente 4 haben dieselbe Dicke. Der dargestellte
Ultraschallwandler 2 sendet und empfängt also mit einer
einzigen vorgewählten Ultraschallfrequenz.
In jedes der Segmente 4 können Spalten mit einer Genauigkeit
bis zu beispielsweise 0,0127 mm (= 0,5 mils; 1 mil =
0,001 inch = 0,0254 mm) gesägt werden, wobei die Spalten
selbst z. B. ca. 0,038 mm (= 1,5 mils) breit sein können. Die
Breite eines jeden Areals 8, d. h. die Breite der späteren
"Elementringe", hängt von den Erfordernissen des
Ultraschallbildgerätes ab. Sie kann z. B. im Bereich
von 1 mm liegen.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 erreicht mit insgesamt
acht aneinandergesetzten Dreiecksegmenten 4 eine
noch stärkere Annäherung an die reine Kreisform.
Jedes der Elemente 4 enthält vier geradlinige Spalten
10, die wieder alle parallel zueinander angeordnet
sind und die alle dieselbe Breite haben. Auf diese Weise
werden also insgesamt fünf angenäherte "Ringe" gebildet,
die nacheinander im Betriebsfall eingeschaltet
werden. Auch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist
wieder eine symmetrische Anordnung gewählt. Jedes der
Segmente hat auch wieder zwei gerade Seiten, mit denen
es dicht an den Seiten der jeweils benachbarten Segmente
anliegt.
Grundsätzlich kann eine beliebige Zahl von Segmenten
zum Aufbau verwendet werden. Es hat sich jedoch gezeigt,
daß unter bestimmten Bedingungen eine geradzahlige
Anzahl von Segmenten von Vorteil ist.
Die Zahl der Oberflächenareale 8 soll vorzugsweise zwischen
vier und zehn liegen. Andere Zahlen sind jedoch
auch möglich.
Die Fig. 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eines
der "Kuchenstück"-förmigen Segmente 4. Das dargestellte
Segmente 4 umfaßt eine dreieckförmige oder "Kuchenstück"-förmige
Platte 14 aus piezoelektrischem Material,
insbesondere piezoelektrischer Keramik. Die Dicke der
Platte 14 beträgt vorzugsweise λ/2, wobei λ die Wellenlänge
der Ultraschallwellen in diesem speziellen
Material bei einer vorgegebenen Frequenz ist. Es soll
festgehalten werden, daß in Fig. 3 auf der oberen
Deckfläche der Platte 14 Elektroden 16 a, 16 b, 16 c,
16 d und 16 e angeordnet sind. Diese Elektroden 16 a bis
16 e bestehen aus einer dünnen Metallschicht. Die untere
Deckfläche der Platte 14 ist mit einer einzigen
Elektrode 18 versehen. Diese Elektrode 18 ist für alle
einzelnen Elemente eines Segmentes 4 gemeinsam, d. h.
sie verbindet alle diese Einzelelemente elektrisch
miteinander.
Das Segment 4 der Fig. 3 beinhaltet insgesamt fünf
hervorstehende Teile oder Areale 8, die voneinander
durch insgesamt vier Spalten 10 getrennt sind. Diese
Spalten 10 erhält man dadurch, daß mittels einer linearen
Würfelsäge die metallbeschichtete Keramikplatte
14 gesägt wird. Aus diesem Grunde können die einzelnen
piezoelektrischen Wandlerelemente 8 und die
individuellen Elektroden 16 a bis 16 e sehr leicht hergestellt
werden. Die Spalten 10 sind bis wenigstens
etwa 3/4 der Gesamtdicke der piezoelektrischen Keramikplatte
14 eingesägt. Hierdurch ergibt sich eine gute
akustische Entkopplung. Grundsätzlich können die Spalten
das keramische Material auch völlig zerteilen, wodurch
aber die gemeinsame Elektrode 18 ebenfalls geteilt
würde, so daß der Vorteil, von vornherein eine
gemeinsame Elektrode zu haben, die einfacher kontaktierbar
ist, verloren ginge.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist die untere Fläche
des Segmentes 4 auch noch mit zwei Anpassungsschichten
20 und 22 beschichtet. Diese Anpassungsschichten
20 und 22 sorgen für eine gute Ankopplung
der Piezokeramikplatte 14 an den Körper eines (nicht
dargestellten) Patienten. Vorzugsweise ist jede dieser
Anpassungsschichten 20, 22 λ/4 dick, wobei λ die
Wellenlänge der Ultraschallwellen in dem betreffenden
Material der Anpassungsschicht ist. Die unterste Anpassungsschicht
22 liegt bei Einsatz des Ultraschallwandlers
direkt am Patienten an, der z. B. untersucht
werden soll.
In der Fig. 3 ist dargestellt, daß jedes Segment 4 des
Ultraschallwandlers eine Dreiecksform hat. Mehrere
dieser Dreiecksformen, z. B. sechs, acht oder auch noch
mehr, können dann so zusammengesetzt werden, daß sich
ein Ultraschallwandler mit "Ringen", z. B. entsprechend
den Fig. 1 oder 2, ergibt. Die einzelnen "Ringe" werden
durch die Aneinanderreihung von jeweils benachbarten
piezoelektrischen Stücken 8 gebildet.
Die Fig. 4 zeigt einen Ultraschallwandler 2, der insgesamt
drei "Ringe" trägt, die mit Betriebsfrequenzen
f 1, f 2, f 3 arbeiten, die voneinander unterschiedlich
sind. Entsprechend den unterschiedlichen Frequenzen
f 1, f 2, f 3 haben die einzelnen piezoelektrischen "Ringe"
eine Dicke von λ 1/2, λ 2/2 und λ 3/2, wobei λ₁,
λ₂, λ₃ die Wellenlängen der Ultraschallwellen im
jeweiligen piezoelektrischen Material bei den vorgegebenen
Frequenzen f 1, f 2, f 3 sind. Mit anderen Worten,
"die verschiedenen Ringe haben unterschiedliche
Dicken".
In der Fig. 5 ist ein Segment 4 dargestellt, das unterschiedliche
Areale A 1, A 2, A 3 . . . An aufweist, die
alle dieselbe Flächengröße haben (A 1 = A 2 = . . . An).
Es ergibt sich in diesem Falle der Vorteil, daß alle
einzelnen "Ringe" dieselbe Empfindlichkeit haben. Es
wurde gefunden, daß der Abstand d n eines Elementes n
von der zentralen Achse 6 nach der Beziehung
gewählt werden sollte, wobei n die Nummer des entsprechenden
Elementes und d₁ der Abstand der Basislinie des
ersten Elementes von der zentralen Achse 6 ist. Anders
ausgedrückt, gibt die vorstehende Beziehung eine Anweisung,
wie und in welchen Abständen gesägt werden muß,
damit man trapezförmige Areale A₂, A₃ . . . A n erhält,
die genauso groß sind wie das dreiecksförmige Areal A₁.
In der Fig. 6 ist ein Sägeplan dargestellt, wie ein
"ringförmiger" Ultraschallwandler 2 aus einer rechteckigen
Keramikplatte 30 gesägt werden kann. Dazu werden
in Längsrichtung der rechteckigen Keramikplatte 30
zuerst z. B. drei Schnitte gelegt, um die drei Spalten
32, 34, 36 zu formen. Die erste Spalte 32 hat dabei den
Abstand d₁ von der unteren Kante der Keramikplatte 30.
Die nächste Spalte 34 liegt im Abstand d₂ und die
dritte Spalte 36 entsprechend im Abstand d₃. Mit einem
vierten Schnitt wird die Keramikplatte 30 auf die
Breite d₄ geschnitten, sofern dies nicht schon zuvor
geschehen ist.
Nachdem alle longitudinalen Spalten geschnitten wurden,
werden einzelne Dreiecksegmente 40, 42, 44, 46 etc.
ausgeschnitten. Zu diesem Zweck werden mittels einer
Linearsäge Schnitte 50, 52, 54, 56 etc. gelegt. Diese
Schnitte gehen durch die Platte 30, um so die eine Seite
eines jeden dreieckigen Segmentes 40, 42, 44, 46
etc. zu formen. Danach werden weitere Schnitte 60, 62,
64, 66 etc. gelegt, die z. B. in einem Winkel von 60°
zu den erstgelegten Schnitten liegen. Auf diese Weise
wird die andere Seite der dreieckigen Segmente 40, 42,
44, 46 etc. geformt. Die ausgesägten Segmente 40, 42,
44, 46 etc. werden dann zu einem "ringförmigen" Wandler
(z. B. entsprechend Fig. 1) zusammengesetzt. Die
restlichen Dreiecksegmente werden weggeworfen. Werden
jedoch die Längsschnitte so gelegt, daß sich Spalten
32, 34 und 36 mit jeweils gleichem Abstand voneinander
ergeben, so können auch die Reststücke 70, 72, 74, 76
etc. zu einem zweiten Ultraschallwandler ähnlich dem
ersten zusammengesetzt werden.
Die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf ein Segment 4,
das in eine Vielzahl von einzelnen Arealen 8 feingeteilt
ist. Das gesamte Dreiecksegment 4 ist also in
eine große Anzahl von schmalen langgestreckten Arealen
8 unterteilt. Jede einzelne Elektrode 26 a, 26 b, 26 c . . .
jeder dieser Areale 8 ist mit einer Signalleitung verbunden.
Wie in der Tabelle 8 näher angegeben ist, können
freiselektierte Gruppen von Arealen 8 in einem
Überlappungs-Mode angesteuert werden. Zu einem bestimmten
Zeitpunkt t₁ befinden sich z. B. die Elektroden 26 a
bis 26 g im Empfangszustand, so daß sie alle an eine
Verzögerungsleitung D₁ zur elektronischen Fokussierung
angeschlossen sind. Zum folgenden Zeitpunkt t₂ sind die
Elektroden 26 e bis 26 j elektronisch mit einer zweiten
Verzögerungsleitung D₂ verbunden. Die Elemente 26 e,
26 f und 26 g sind sowohl zum Zeitpunkt t₁ als auch zum
Zeitpunkt t₂ mit den Verzögerungsleitungen D₁ und D₂
verbunden. Zum nächsten Zeitpunkt t₃ sind die Elemente
26 h bis 26 l elektronisch mit einer dritten Verzögerungsleitung
D₃ verbunden. Wieder sind drei Elemente
26 h, 26 i und 26 j sowohl zum Zeitpunkt t₂ als auch zum
Zeitpunkt t₃ gemeinsam aktiviert. Der Überlappungs-Modus
wird so fortgesetzt, bis die letzte der schmalen Elektroden
26 erreicht ist.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele haben lediglich
exemplarischen Charakter. Es ist selbstverständlich,
daß die Erfindung nicht auf diese speziellen Ausführungsformen
beschränkt ist. Vielmehr gibt es eine
Vielzahl von Modifikationen, die alle mit in den Bereich
der Erfindung fallen.
Claims (14)
1. Dynamisch fokussierender Ultraschallwandler mit einer
Mehrzahl von konzentrisch zueinander angeordneten
ringförmigen Wandlerelementen, die durch Spalte voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Mehrzahl von piezoelektrischen
Segmenten (4), die mit linearen und zueinander
parallelen Spalten (10) versehen sind, in konzentrischer
Anordnung so zusammengefaßt sind, daß sich die
Spalten (10) in den einzelnen Segmenten (4) zu Ringen
schließen, die annähernd kreisförmig sind und die die
dazwischenliegenden Areale (8), die sich ebenfalls
ringförmig schließen und die die ringförmigen Wandlerelemente
bilden, elektrisch voneinander entkoppeln.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes der Segmente
(4) zwei lineare Seiten hat, mit denen es an die entsprechenden
linearen Seiten benachbarter Segmente eng
anlegbar ist.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Segmente (4) Dreiecksegmente sind, die symmetrisch
um eine Zentralachse (6) angeordnet sind.
4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zahl der Segemente
(4) gerade ist.
5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß er aus insgesamt
sechs Segmenten (4) zusammengesetzt ist, von denen jedes
Segment zwei lineare Seiten hat, die miteinander
einen Winkel von 60° einschließen.
6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes
Segment (4) zwischen vier bis zehn hervorgehobene
piezoelektrische Areale (8) umfaßt.
7. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Areale, die die
Wandlerelemente bilden, durch die Spalten (10) voneinander
getrennt sind.
8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die
linearen Spalten (10) etwa 3/4 der Gesamtdicke der Segmente
tief in die Segmente hineinreichen.
9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß alle
Segmente (4) gleichartig geformt sind.
10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes
der Segmente (4) eine erste und eine zweite Deckfläche
hat, die parallel zueinander sind, wobei die
Spalten (10) von der ersten Deckfläche her eingeschnitten
sind und wobei die zweite Deckfläche mit einer gemeinsamen
Elektrode (18) versehen ist, die zusammen mit
allen anderen elektrisch durchverbundenen gemeinsamen
Elektroden der anderen Segmente eine gemeinsame Wandlerelektrode
bildet, und wobei die Oberflächenareale
(16 a bis 16 e) der oberen Deckfläche im Ringverband mit
den entsprechend benachbarten Arealen benachbarter Segmente
elektrisch verbunden sind.
11. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß
auf die gemeinsame Elektrode wenigstens eine akustische
Anpassungsschicht (20, 22) folgt.
12. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens zwei der Wandlerelemente (8) für unterschiedliche
Ultraschallfrequenzen ausgelegt sind.
13. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberflächenareale (8) eines jeden Segmentes (4) dieselbe
Fläche (A₁ = A₂ = . . . A n ) haben.
14. Ultraschallwandler nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand d n der
n-ten Arealfläche von der zentralen Achse (6) sich nach
der Gleichung
bestimmt, wobei d₁ der Abstand der äußeren Kante des
innersten Elementes von der Zentralachse ist.
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