CN1989901A - 磁共振成像系统中用于局部拉长视场的系统、方法和设备 - Google Patents

磁共振成像系统中用于局部拉长视场的系统、方法和设备 Download PDF

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Abstract

提供了系统、方法和设备,通过它们,由非对称初级线圈(104)或者具有辅助高奇数阶垫片(500和600)的常规对称初级线圈在磁共振成像系统中产生局部拉长的视场(302),所述辅助高奇数阶垫片将视场朝着孔的一端拉长。为了显著提高效率,按照需要,通过注入附加电流和/或从特定绕组减去电流,所述高奇数阶垫片可以激发所述初级线圈的特定部分。

Description

磁共振成像系统中用于局部拉长视场的系统、方法和设备
技术领域
本发明一般而言涉及产生磁场,更特别地涉及改变产生的磁场。
背景技术
磁共振成像(MRI)是一种将对象放在磁场中并使其受一定频率的电磁场脉冲作用的技术。该脉冲在对象中引起核磁共振,从而对所获得的频谱进行数值处理,以形成该对象的横断面图像。MRI成像对于医学或者兽医应用尤其有用,因为不同的活组织发出不同特征的共振信号,从而使得能够在获得的图像中可视化不同的活组织。因而,MRI设备一般通过在存在其他磁场时施加射频(RF)电磁场并且随后探测和分析在体内诱发的所产生的核磁共振来进行工作。
常规MRI系统包括主磁体,该主磁体在进行成像的视场(FOV)内产生具有高时间稳定性和高空间均匀性的强静态磁场。常规MRI系统还包括梯度线圈组件,其位于在主磁体和RF线圈之间的孔内,并产生空间变化的场。该梯度线圈组件使病人身体的核子的响应频率和相位取决于在FOV内的位置,从而提供身体发出的信号的空间编码。常规MRI系统进一步包括布置在孔内的RF线圈/线圈组,其发出RF波并接收来自身体的共振信号。超导主磁体典型地用于获得高场强;超导主磁体包括多个置于低温恒温器内的同轴线圈,该低温恒温器被设计成来为超导线圈提供低温工作环境。
MRI扫描器的孔的有限空间经常引起病人的不适和幽闭恐怖的感觉。为了试图减少病人的不适和幽闭恐怖的感觉,磁体设计者典型地设法将磁体长度最小化或者缩短。遗憾的是,减小磁体长度也减小了均匀场区的长度,并且损害成像功能。与在较长磁体上的球形FOV相比,短磁体典型地具有对称的椭球FOV。
各种成像类型的FOV要求在下面的表1中进行了说明,在这个表中可以看到,许多扫描要求40厘米(cm)的FOV长度。整个脊椎和外围脉管的研究需要甚至更长的大约45cm-50cm长度的均匀场区。
表1
Figure A20061016895800051
如表1所示,具有缩短的FOV的MRI系统不提供需要大FOV的解剖成像,比如整个脊椎的成像或者外围脉管研究的成像。
克服缩短的FOV影响的常规解决方案包括使用多重扫描系统,其中病人的身体在扫描之间沿孔移动。然而,多重扫描系统会遭受增加的扫描持续时间以及对于制造和维护而言昂贵的机械复杂性。
由于上述原因,以及由于对于本领域的技术人员而言一旦阅读和理解本说明书将变得显而易见的下面描述的其他原因,在现有技术中需要一种磁共振成像系统,它对病人来说更加舒适,不大可能引起病人幽闭恐怖感,不会减小均匀场区的长度,并且不损害成像功能而不用增加机械复杂性。
发明内容
在此解决上述的不足、缺点和问题,这将通过阅读和研究后面的说明书来进行理解。
一方面,一种高奇数阶的垫片(shim)在一个方向上延长视场。
另一方面,注入电流和/或从特定磁体线圈减去电流以改变视场的形状。
再一方面,一种有源屏蔽的视场延长线圈或电路延长视场。
又一方面,一种扫描视场从一端延伸到另一端。
在此描述了改变范围的设备、系统和方法。除了在本概要中描述的方面和优点外,通过参考附图和通过阅读后面的详细说明,更多的方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是产生磁共振成像视场的系统的概观的截面框图;
图2是根据几何非对称的初级磁体线圈的实施例的设备的截面框图;
图3是根据实施例的非对称磁视场的轮廓图;
图4是根据具有短磁体的实施例的设备的截面框图,其具有绝缘高奇数阶垫片;
图5是具有永久开关的绝缘高奇数阶垫片线圈的电路图;
图6是具有外部电源的绝缘高奇数阶垫片线圈的电路图;
图7是根据具有短磁体的实施例的设备的截面框图,其具有辅助视场延伸电路;以及
图8是根据具有短磁体的实施例的电路图,其具有视场延伸电路。
具体实施方式
在后面的详细说明中对附图作了参考,附图构成了此详细说明的一部分,并且其中通过图解示出了可以实施的特定实施例。对这些实施例进行了足够详细的描述,以使本领域的技术人员能够实施这些实施例,并且应当理解,可以利用其他实施例,并且可以作出逻辑的、机械的、电的和其他改变,而不背离这些实施例的范围。因此,后面的详细说明并不是在限制的意义上被采用。
本详细说明分为四个部分。在第一部分中描述了系统级概观。在第二部分中描述了设备的实施例。在第三部分中描述了方法的实施例。最后,在第四部分中提供了本详细说明的结论。
系统级概观
图1是产生磁共振成像视场的系统的概观的截面框图。系统100解决了现有技术中对于下述磁共振成像系统的需要,该磁共振成像系统对病人来说更加舒适,不大可能引起病人幽闭恐怖感,不减小均匀场区的长度,并且不损害成像功能而不用增加机械复杂性。
系统100包括低温容器102和磁体线圈104,该磁体线圈沿纵轴106具有非对称的几何形状。因为一端的线圈不是另一端线圈的严格镜像,所以该磁体线圈是非对称的。端部108或110可以是传统上所指的病人端或者服务端。图1中所示的磁体线圈104的非对称几何形状是非对称几何形状的一个例子。其他非对称几何形状在系统100的非对称几何形状的范围内。
该磁体线圈104被安装在低温容器102中。该低温容器102还包括孔112。病人在成像期间被移入该孔中。
当向几何非对称磁体线圈104通电时,该几何非对称磁体线圈104产生具有视场(FOV)的均匀场区的磁场,该视场在一端被轻微拉长,如下面在图3中所示。拉长的FOV增加了FOV的大小。这样,该几何非对称磁体线圈104解决了在现有技术中对于在不减小均匀场区的长度的情况下减小磁体长度的需要。相反,该几何非对称磁体线圈104增加了FOV的大小,包括该均匀场区的长度。此外,该几何非对称磁体线圈104的机械复杂性也不显著,并且不损害成像功能。该几何非对称磁体线圈104还不需要附加的高奇数阶垫片。
在一些实施例中,该磁(FOV)朝着或者在病人进入孔的方向被拉长。在这些实施例中,该磁FOV朝着病人延伸,从而减少了病人需要移入孔中以处于磁FOV内的程度。减少病人需要移入孔中的程度特别有助于易引发幽闭恐怖的病人,因为更多的病人身体能够保持在该系统内部的外面,并且他们更少的身体在系统内部。这样,易引发幽闭恐怖的病人很可能因经历在系统100中被成像而感到受威胁或恐慌。这样,系统100就解决了减小病人幽闭恐怖感的需要。
降低将病人移入孔中的需要对许多病人来说还更舒适。许多病人在将他们身体的部分置入孔中进行成像时具有身体或者机械上的困难。通常这些困难是受伤的结果,比如作为成像的原因的受伤。或者这些困难是需要对四肢比如腿进行成像的结果,其中其他的四肢将伸入低温容器102的表面,因此不进行成像的腿必须在膝盖处弯曲或者放在低温容器的该侧的外面,无论哪种情况对于即使短的时间周期可能都是不舒服的,并且对于在成像期间延长量的时间更是如此。然而,在许多情况下,比如头部成像,延长的FOV减小了向病人身体必须移入孔112中的程度,并且减少了对病人身体弯曲的需要。在对头部成像的实例中,延长的FOV减小了将身体放入孔中的程度,这减少了易引发幽闭恐怖病人的幽闭恐怖反应的可能性或程度。因此,系统100改善了病人的舒适度,而无论病人是否易引发幽闭恐怖。
系统100解决了现有技术中对于下述磁共振成像系统的需要,该磁共振成像系统对病人来说更加舒适,不过分引起病人的幽闭恐怖感,不减小均匀场区的长度,并且不损害成像功能而不用增加机械复杂性。
虽然系统100不限于任何特定的低温容器102、几何非对称磁体线圈104、纵轴106、端部108和110以及孔112,但是为了阐明起见,对简化的低温容器102、几何非对称磁体线圈104、纵轴106、端部108和110以及孔112进行了描述。
在一些实施例中,该磁(FOV)向远离病人进入孔的方向被拉长,这有助于肩部或者肘部成像,因为FOV的较宽部分最接近病人端。
设备实施例
在前一部分中描述了实施例工作的系统级概观。在本部分中,通过参考一系列图来对这种实施例的特定设备进行描述。
图2是根据几何非对称初级磁体线圈的实施例的设备200的截面框图。在图2中,设备200示出了该几何非对称磁体线圈104的一个实施例。设备200解决了现有技术中对于下述磁共振成像系统的需要,该磁共振成像系统对病人来说更加舒适,不大可能引起病人幽闭恐怖感,不减小均匀场区的长度,并且不损害成像功能而不用增加机械复杂性。
设备200包括几何非对称初级磁体线圈,该磁体线圈包括线圈202、204、206、208、210、212、214、216、218和220。该磁体线圈是非对称的,因为一端的线圈不是另一端线圈的严格镜像。
当向磁体线圈202、204、206、208、210、212、214、216、218和220通电时,它们产生均匀磁场或者轻微拉长的磁视场(FOV),如下面的图3所示。该拉长的FOV增加了FOV的大小。这样,磁体线圈202、204、206、208、210、212、214、216、218和220解决了现有技术中在不减小均匀场区长度的情况下减小磁体长度的需要。相反,磁体线圈202、204、206、208、210、212、214、216、218和220增加了FOV的大小。此外,磁体线圈202、204、206、208、210、212、214、216、218和220的机械复杂性也不显著,并且不损害成像功能。而且,拉长的磁FOV对病人来说更加舒适,尤其是在对四肢进行成像期间,这不大可能引起病人在设备200中的幽闭恐怖症。
设备200还包括可选的有源屏蔽线圈218和220。
图3是根据实施例的非对称磁视场300的轮廓图。FOV 300解决了在现有技术中对于病人舒适度的需要,具有较少幽闭恐怖症,不需要增加该磁体孔的长度、损害成像功能或增加机械复杂性。
非对称磁FOV的正负百万分之五(±5ppm)的轮廓线302朝着病人孔的一端被拉长。该轮廓线302描绘了场强与在轴306和106之间的交叉点处的场强相差5ppm的地方。在该轮廓内的各个地方,场强都在交叉点处场强的±5ppm以内。尽管与常规对称几何形状相比在另一端的FOV的范围有稍微的减少,但是FOV的总长度增加了大约20%。更具体而言,在所说明的实例中,±5ppm的轮廓线302在纵轴106的一端延伸超过中心线306多于20厘米(cm),而±5ppm的轮廓线302在纵轴106的另一端延伸超过中心线306少于20cm。在一些实施例中,5高斯线的轮廓图呈现出有点像半梨的形状。拉长的磁FOV增加了FOV的大小,这解决了在现有技术中的下述需要:增加病人舒适度,减少幽闭恐怖症而不减小FOV长度,不显著增加机械复杂性,并且不损害成像功能。
磁场,更精确地说:磁通密度的z分量Bz,可以由截断的球谐函数的级数在成像体积内进行近似。这些通常被表示为在坐标系中的勒让德多项式与相关勒让德多项式之和,该坐标系的原点是磁体中心。在球坐标系中表示的展开式在下面的表2中示出:
表2
H ( r , θ , φ ) = Σ n = 0 ∞ Σ m = 0 m = n r n P n m ( cos θ ) [ A n m cos ( mφ ) + B n m sin ( mφ ) ]
在表1中,函数Pn m(cosθ)被称为相关勒让德多项式。An m和Bn m是球谐函数的系数,它们定义场变化。
在一些实施例中,奇数阶轴的球谐函数的系数和偶数阶轴的球谐函数的系数与场强的关系在下面的表3中进行了描述:
表3
(n.m)奇数     ppm@22.5cm   (n.m)偶数     ppm@22.5cm
(1,0)     0   (2,0)     0
(3,0)     0   (4,0)     0
(5,0)     0   (6,0)     0
(7,0)     -47   (8,0)     -47
(9,0)     -44   (10,0)     -42
(11,0)     +17   (12,0)     +17.6
在表3中,高奇数阶的项约去高偶数阶的项,并在该孔的一端将FOV拉长。相反,在该孔的另一端,FOV的范围有所减小,但这是个小得多的范围。对于沿Z轴(纵向穿过该磁体孔的轴)的磁通密度的z分量来说,该轴向的项可在笛卡儿表示中被如下表示:
(7,0)=Z的7次方(或者Z7)
(9,0)=Z的9次方(或者Z9)
(11,0)=Z的11次方(或者Z11)
例如,在22.5cm半径上标准化的(7,0)的-47ppm对沿Z轴的位置Z(以cm为单位)的场具有的影响如下:
Bz(7,0)=-47*Bmag/1000000*(Z/22.5)7
其中Bmag是由该磁体产生的以特斯拉为单位的背景场。
通过选择该奇数阶项的符号,作出关于是否在该磁体孔的一端拉长该FOV的选择,例如病人端或者磁体孔的服务端。在一个可选择的实施例中,奇数阶轴的球谐函数的系数和偶数阶轴的球谐函数的系数与场强的关系在下面的表4中进行了描述:
表4
  (n.m)奇数     ppm@22.5cm   (n.m)偶数     ppm@22.5cm
  (1,0)     0   (2,0)     0
  (3,0)     0   (4,0)     0
  (5,0)     0   (6,0)     0
  (7,0)     +47   (8,0)     -47
  (9,0)     +44   (10,0)     -42
  (11,0)     -17   (12,0)     +17.6
在表4中,高奇数阶的项约去高偶数阶的项以在该孔的另一端拉长该FOV。在表4中,该奇数阶轴的球谐函数的系数[(7,0),(9,0),(11,0)]的符号与表3的相比被颠倒。
上面的表3和表4说明,通过利用负高奇数阶项对设计引入轻微的非对称性,该孔一端的均匀区域的大小得到增加。结果是梨形视场,其总长度有大约20%的增加。
图4是根据具有短磁体的实施例的设备400的截面框图,该短磁体具有绝缘高奇数阶垫片。该高奇数阶垫片在一个方向上拉长视场。设备400解决了在现有技术中对于下述磁共振成像系统的需要,该磁共振成像系统对病人来说更加舒适,不大可能引起病人幽闭恐怖感,不减小均匀场区的长度,并且不损害成像功能而不用增加机械复杂性。
设备400包括具有正(+ve)绕组402、负(-ve)绕组404的初级磁体线圈。设备400还包括具有正(+ve)绕组406、负(-ve)绕组408和有源屏蔽绕组410的延长线圈。设备400还包括低温容器102。
在高阶垫片(406、408和410)中的负电流(-ve)使FOV的±5ppm轮廓线414在朝着线416的方向上延伸。在高阶垫片中的正电流(+ve)使FOV的±5ppm轮廓线418在朝着线420的方向上延伸。
图5是具有永久开关的绝缘高奇数阶垫片线圈500的电路图。该绝缘高奇数阶垫片线圈500可以被实施在磁共振成像(MRI)系统比如设备400中。通过切换该高阶垫片中电流的极性,可以将该FOV拉长到该孔的期望端。
该绝缘高奇数阶垫片线圈500包括一系列超导线圈(406、408和410),它们被布置在MRI系统的左侧502、右侧504和有源屏蔽506处。该绝缘高奇数阶垫片线圈500还包括超导开关510和保护电阻器508。在一些实施例中,该电阻器508由开关保护二极管来代替,它克服了在设置该垫片时的时不变效应。
图6是具有外部电源的绝缘高奇数阶垫片线圈600的电路图。该绝缘高奇数阶垫片线圈600可以被实施在磁共振成像(MRI)系统比如设备400中。
该绝缘高奇数阶垫片线圈600包括一系列超导线圈(406、408和410),它们被布置在MRI系统的左侧502、右侧504和有源屏蔽506处。该绝缘高奇数阶垫片线圈600还包括电源单元(PSU)602和高温超导(HTS)线,其通过转动架(turret)(未示出)将该绝缘高奇数阶垫片线圈600的线引到低温容器(未示出)的外部。由于高阶垫片的感应系数低,即大约几个亨利,因此非常快速地将该高阶垫片斜升到期望的电流将是可行的,而不用在PSU端子上看到过高的电压。这可允许该FOV从该孔的一端延伸到另一端,从而使得能够在短磁体上对整个脊椎进行成像,而不需要移动在孔中的病人。
图7是根据具有短磁体的实施例的设备700的截面框图,其具有辅助视场延伸电路。设备700解决了在现有技术中对于下述磁共振成像系统的需要,该磁共振成像系统对病人来说更加舒适,不大可能引起病人幽闭恐怖感,不减小均匀场区的长度,并且不损害成像功能而不用增加机械复杂性。
设备700包括具有正(+ve)绕组702、负(-ve)绕组704的初级磁体线圈。设备700还包括具有正(+ve)绕组706、负(-ve)绕组708和有源屏蔽绕组710的延长线圈。应该注意,一些线圈被该初级线圈和该高阶垫片共同使用。例如,在高阶垫片线圈708被叠加在初级线圈702之上的情况中,正如在图7的左侧所看到的,该交叉区域表示既属于该初级线圈又属于该高阶垫片线圈的绕组。在设备700中,该高阶垫片使用该初级线圈。在设备700的一些例子中,向特定初级线圈注入附加电流,而在其他例子中,从特定初级线圈中减去电流。
在该线圈中的负电流(-ve)使FOV的±5ppm的轮廓线712在朝着线714的方向上延伸。在该线圈中的正电流(+ve)使FOV的±5ppm的轮廓线716在朝着线718的方向上延伸。
图8是根据具有短磁体的实施例的电路图800,其具有视场延伸电路。该电路800可以被实施在磁共振成像(MRI)系统比如设备700中。设备800解决了在现有技术中对于下述磁共振成像系统的需要,该磁共振成像系统对病人来说更加舒适,不大可能引起病人幽闭恐怖感,不减小均匀场区的长度,并且不损害成像功能而不用增加机械复杂性。
该MRI系统800包括一系列超导线圈(702、704、706、708、710),它们被布置在MRI系统的左侧526、右侧528和有源屏蔽530处。在线圈上的标记“L”表示大尺寸线圈,“R”表示反向线圈,“M”表示中等尺寸线圈,“C”表示中心线圈,“B”表示补偿线圈以及“SB”表示垫片补偿线圈。
系统800还包括用线并联的超导开关(802、804和806)和保护二极管(808、810和812)。帮助实施拉长的视场的系统800上的辅助电路被分成两个以避免电流共用的复杂化。
结论
对几何非对称磁体线圈或者具有附加非对称线圈或电路的对称磁体线圈进行了描述。虽然在此说明和描述了特定实施例,但是本领域的普通技术人员将会理解,打算实现相同目的的任何布置都可替换所示的特定实施例。本申请打算覆盖任何的改动或变化。
特别是,本领域的技术人员将容易理解,所述方法和设备的名称不打算限制实施例。而且,可以对部件添加附加的方法和设备,可以在部件之间重新布置功能,以及可以引入与将来的改进以及实施例中所使用的物理装置相对应的新部件,而不背离实施例的范围。本领域的技术人员将容易认识到,实施例适用于未来的磁体线圈、不同的屏蔽线圈和新的低温容器。此外,诸如圆锥孔和非对称边缘场之类的其他技术可以与上面的方面一起被实施。
在本申请中相对于线圈、垫片和电路所使用的术语打算包括提供与在此所述的相同功能的所有的环境和替换技术。
                         附图标记列表
100  产生磁共振成像视场的系统
102  低温容器
104  磁体线圈
106  纵轴
108  端部
110  端部
112  孔
200  根据几何非对称初级磁体线圈的实施例的设备
202  线圈
204  线圈
206  线圈
208  线圈
210  线圈
212  线圈
214  线圈
216  线圈
218  线圈
220  线圈
300  非对称磁视场的轮廓图
302  非对称磁FOV的正负百万分之五(±5ppm)轮廓线朝着病人孔的一端被拉长
304  端部
306  中心线
400  根据具有短磁体的实施例的设备,其具有绝缘高奇数阶垫片
402  正(+ve)绕组
404  负(-ve)绕组
406  高阶垫片
408  高阶垫片
410  高阶垫片
414  FOV的±5ppm轮廓线
416  线
418  FOV的±5ppm轮廓线
420  线
500  具有永久开关的绝缘高奇数阶垫片线圈的电路图
502  左侧
504  右侧
506  有源屏蔽
508  保护电阻器
510  超导开关
600  具有外部电源的绝缘高奇数阶垫片线圈的电路图
602  电源单元
700  根据具有短磁体的实施例的设备的截面框图,其具有辅助视场延伸电路
702  正(+ve)绕组
704  负(-ve)绕组
706  正(+ve)绕组
708  负(-ve)绕组
710  有源屏蔽绕组
712  FOV的±5ppm轮廓线
714  线
716  FOV的±5ppm轮廓线
718  线
800  根据具有短磁体的实施例的电路图,其具有视场延伸电路
802  超导开关
804  超导开关
806  超导开关
808  保护二极管
810  保护二极管
812  保护二极管

Claims (10)

1、一种产生医学磁共振视场的设备(200),所述设备包括:
低温容器(102);
磁体线圈(202,204,206,208,210,212,214,216,218和220),其被安装在所述低温容器(102)中;以及
屏蔽线圈(218和220),其被安装在所述低温容器中。
2、如权利要求1所述的设备,其中几何形状还包括:
轻微的非对称几何形状。
3、如权利要求1所述的设备,其中所述磁体线圈还包括:
高奇数阶垫片(406,408和410),其被安装在所述低温容器中。
4、如权利要求1所述的设备,其中所述磁体线圈还包括:
高奇数阶垫片(406,408和410),其被安装在所述低温容器中,所述垫片可操作用来通过注入附加电流和/或从特定绕组减去电流来激发初级线圈的特定部分。
5、如权利要求1所述的设备,其中所述磁体线圈还包括:
初级磁体线圈,其具有多个正(+ve)绕组(402)和多个负(-ve)绕组(404)。
6、一种磁共振成像系统(400),其具有绝缘高奇数阶垫片(406,408和410)以产生拉长的视场(302),所述磁共振成像系统包括:
低温容器(102);
第一初级磁体线圈,其被安装在所述低温容器中并具有多个正(+ve)绕组(402)和多个负(-ve)绕组(404);
延长线圈,其被安装在所述低温容器中并具有多个正(+ve)绕组(406)和多个负(-ve)绕组(408),
其中在所述线圈中的电流使视场在一个方向上延伸(302)。
7、如权利要求6所述的磁共振成像系统,其中所述磁共振成像系统还包括:
延长线圈有源屏蔽,其被安装在所述低温容器(102)中。
8、如权利要求6所述的磁共振成像系统,其中所述磁共振成像系统还包括:
所述磁共振成像系统的低温容器(102)还包括转动架和一系列超导线圈(406,408和410),所述超导线圈被布置在所述磁共振成像系统的左侧、所述磁共振成像系统的右侧(504)和所述磁共振成像系统的有源屏蔽(506)处;
高温超导子系统,其将超导线圈的线引到所述低温容器的外部;以及
电源单元(602),其通过所述线被可操作地耦合到所述超导线圈(406,408和410)。
9、一种具有短磁体的磁共振成像系统(400),其具有辅助视场延伸电路以产生拉长的视场(302),所述磁共振成像系统包括;
低温容器(102);
初级磁体线圈,其被安装在所述低温容器中并具有多个正(+ve)绕组(402)和具有多个负(-ve)绕组(404);以及
延长线圈,其被安装在所述低温容器中,所述延长线圈具有多个正(+ve)绕组(406)和具有多个负(-ve)绕组(408),
其中在所述线圈中的电流使视场在一个方向上延伸。
10、如权利要求6所述的磁共振成像系统,其中所述磁共振成像系统还包括:
一系列超导线圈,其被布置在所述磁共振成像系统的左侧(502)、右侧(504)和有源屏蔽(506)处;
至少一个超导开关(510);以及
至少一个保护电阻器(508),其用线与所述至少一个超导开关(510)并联。
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