張順起，周曉青，殷　濤，劉志朋

頻域磁聲耦合成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究

張順起，周曉青，殷濤，劉志朋

目的：研究設(shè)計(jì)頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)組織樣本的電導(dǎo)率成像。方法：采用連續(xù)波正弦信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生磁聲信號(hào)，利用鎖相放大器進(jìn)行磁聲信號(hào)的頻域幅值和相位的檢測(cè)，設(shè)計(jì)基于虛擬儀器的磁聲成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制程序，進(jìn)行金屬模型的磁聲信號(hào)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果：設(shè)計(jì)的頻域磁聲成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)信號(hào)幅值檢測(cè)精度明顯提高，達(dá)到10-7Pa，實(shí)現(xiàn)了磁聲信號(hào)聲源的空間定位，定位精度達(dá)到mm級(jí)。結(jié)論：設(shè)計(jì)的頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低頻激勵(lì)下高分辨率聲源定位，對(duì)于磁聲耦合聲源理論的研究以及提高磁聲成像的精度具有重要意義。

磁聲耦合成像；頻域；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；鎖相放大

0　引言

生物組織電特性反映了生物組織生理和病理狀態(tài)[1-2]，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和成像[3-4]有助于相關(guān)疾病的早期診斷。磁聲成像技術(shù)是一種新型的生物組織電特性成像技術(shù)[5-6]，它通過(guò)交變電流激勵(lì)施加于生物組織，產(chǎn)生振動(dòng)并形成聲波[7]，接收到該聲壓信號(hào)后即可獲得待測(cè)組織的電導(dǎo)率信息[8]，實(shí)現(xiàn)生物組織電特性的檢測(cè)和成像。磁聲耦合無(wú)損功能成像方法同時(shí)具有電阻抗成像高對(duì)比度[9]及超聲成像高空間分辨率[10]的特點(diǎn)，對(duì)腫瘤等疾病的早期診斷具有重要的研究?jī)r(jià)值。

目前，磁聲耦合成像正處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，國(guó)內(nèi)外有多篇文獻(xiàn)對(duì)此方法進(jìn)行報(bào)道[11-17]。目前報(bào)道主要采用基于短脈沖的激勵(lì)與檢測(cè)模式，使用10 kV級(jí)高壓μs短脈發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)[12-13]，該激勵(lì)源涉及高速高壓開(kāi)關(guān)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有難度。該方法信號(hào)相對(duì)直觀，重建算法相對(duì)簡(jiǎn)單，但是由于信號(hào)噪聲比有限，檢測(cè)精度低，限制了成像質(zhì)量。另有文獻(xiàn)報(bào)道采用鎖相放大方法檢測(cè)磁聲耦合生物電流[6]，可提高檢測(cè)精度，但僅獲得了單一頻率的幅值，尚無(wú)法獲得聲源空間位置信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成像。

本研究提出并設(shè)計(jì)了新型頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)，通過(guò)低頻連續(xù)波進(jìn)行磁聲信號(hào)激勵(lì)，采用鎖相放大實(shí)現(xiàn)微弱聲信號(hào)幅值、相位的檢測(cè)。研究中進(jìn)行了基于虛擬儀器的頻域磁聲成像系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)，并對(duì)連續(xù)波頻域磁聲成像方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文設(shè)計(jì)的頻域磁聲耦合成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)后續(xù)研究驗(yàn)證磁聲耦合聲源理論以及提高磁聲成像精度具有重要意義。

1　理論方法

1.1頻域磁聲耦合成像方法的數(shù)學(xué)模型

頻域內(nèi)的磁聲耦合波動(dòng)方程[12]為

其中，P（r，jω）為頻域磁聲耦合聲信號(hào)；F為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到的洛倫茲力密度；若設(shè)電流密度為J，靜磁場(chǎng)為B0，則F=J×B0；S（jω）為激勵(lì)函數(shù)頻譜；H（jω）為磁聲成像系統(tǒng)函數(shù)的傅里葉變換，為角頻率；c為介質(zhì)中的聲速。利用格林函數(shù)，根據(jù)分離變量法[11]，求解得到頻域磁聲耦合聲信號(hào)表達(dá)式：

其中，F(xiàn)=J×B0，▽·F為介質(zhì)聲源項(xiàng)，根據(jù)本構(gòu)關(guān)系歐姆定律J=σE，可見(jiàn)，聲源項(xiàng)包含了介質(zhì)電導(dǎo)率信息。ejω|r-r0|/c反映了介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)到檢測(cè)器距離形成的頻域相位延遲。為聲波在距離上的傳輸系數(shù)，將反映在頻域的幅Δ值信息中。由此可見(jiàn)，頻域磁聲信號(hào)即為介質(zhì)聲源▽·F與延遲在檢測(cè)點(diǎn)r0處的空間積分。

1.2基于連續(xù)波的磁聲信號(hào)鎖相放大檢測(cè)方法

本研究采用鎖相放大方法實(shí)現(xiàn)對(duì)頻域磁聲信號(hào)幅值和相位的檢測(cè)，鎖相放大框圖如圖1所示[18-19]。

圖1　鎖相放大框圖

設(shè)待測(cè)磁聲耦合信號(hào)為正弦激勵(lì)，則

其中，AMP為幅值；PHA為相位。當(dāng)鎖相放大器參考信號(hào)頻率與待測(cè)磁聲信號(hào)頻率相同時(shí)，即

經(jīng)過(guò)模擬乘法器后，

由于f（r，t）中包含了成像系統(tǒng)函數(shù)h（t），該參數(shù)反映了成像系統(tǒng)中包括聲傳感器、放大器等元器件的頻率特性，可視為濾波器。代入sin（ω1t）激勵(lì)頻譜，可得：

當(dāng)成像系統(tǒng)確定時(shí)，系統(tǒng)函數(shù)h（jω1）確定，將其作為常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，因此得到：

經(jīng)過(guò)內(nèi)部低通濾波后得到：

再經(jīng)過(guò)相敏檢波得到包含介質(zhì)電導(dǎo)率信息及其空間分布的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)與磁聲耦合成像微弱聲信號(hào)對(duì)應(yīng)頻率的分量幅值和相位的檢測(cè)。

2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)頻域磁聲成像的信號(hào)激勵(lì)以及基于鎖相放大方法的信號(hào)檢測(cè)，本研究設(shè)計(jì)建立了頻域磁聲耦合成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，編制了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制程序。

2.1磁聲成像系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

頻域磁聲信號(hào)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由信號(hào)發(fā)生激勵(lì)模塊、掃描驅(qū)動(dòng)模塊和信號(hào)檢測(cè)處理模塊組成。

圖2　頻域磁聲成像實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)發(fā)生激勵(lì)模塊主要由函數(shù)發(fā)生器、功率放大器以及靜磁場(chǎng)發(fā)生裝置組成。其主要功能為對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本模型施加電流激勵(lì)和靜磁場(chǎng)，生成磁聲耦合聲信號(hào)。

掃描驅(qū)動(dòng)模塊由運(yùn)動(dòng)控制卡及其配套連接器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器以及磁聲成像空間掃描定位裝置組成。主要實(shí)現(xiàn)傳感器的運(yùn)動(dòng)定位和驅(qū)動(dòng)以及空間位置的定位檢測(cè)。

信號(hào)檢測(cè)處理模塊由聲傳感器及其前置放大器、鎖相放大器及數(shù)據(jù)采集卡等組成。主要實(shí)現(xiàn)頻域磁聲信號(hào)的檢測(cè)和采集處理。

2.2系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作時(shí)，由NI Lab VIEW虛擬儀器平臺(tái)通過(guò)GPIB接口對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各模塊進(jìn)行控制。通過(guò)虛擬儀器面板實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器輸出參數(shù)、激勵(lì)波形的設(shè)置和輸出控制。由功率放大器進(jìn)行功率輸出，激勵(lì)靜磁場(chǎng)中的樣本，靜磁場(chǎng)在磁極中心半徑5cm、高10cm的圓柱形空間內(nèi)均勻分布，磁感應(yīng)強(qiáng)度0.3 T。函數(shù)發(fā)生器同時(shí)輸出同步時(shí)鐘信號(hào)，提供鎖相放大參考。同時(shí)，虛擬儀器平臺(tái)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡（PXI7340）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，輸出控制代碼，經(jīng)由連接器輸入到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行編碼，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行角度步進(jìn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（NEMA23）最小步進(jìn)角為1.8°。由空間掃描定位裝置驅(qū)動(dòng)傳感器進(jìn)行定位檢測(cè)，空間掃描定位裝置可實(shí)現(xiàn)5軸驅(qū)動(dòng)，即x、y、z軸平移以及傳感器和樣本的轉(zhuǎn)動(dòng)，x軸絲杠齒距為3 mm，y軸絲杠齒距為4 mm，z軸絲杠齒距為3 mm。聲傳感器進(jìn)行由聲信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換檢測(cè)，其采用預(yù)極化傳聲器（MP201），頻率響應(yīng)在6.3 Hz～20 kHz，開(kāi)路靈敏度為50 mV/Pa。經(jīng)過(guò)前置放大后，由鎖相放大器根據(jù)函數(shù)發(fā)生器的同步參考信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)頻率的檢測(cè)，鎖相放大器（LI5640）最小檢測(cè)電壓精度為nV，相位精度為0.01°。最后由信號(hào)采集卡（PXI5922）進(jìn)行采集處理和存儲(chǔ)。

2.3基于虛擬儀器的系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)頻域磁聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的儀器驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制和信號(hào)采集，本研究基于虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行了頻域成像系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的激勵(lì)與鎖相放大檢測(cè)、信號(hào)采集與運(yùn)動(dòng)控制。程序框圖如圖3所示。

圖3　頻域磁聲成像系統(tǒng)Lab VIEW虛擬儀器平臺(tái)控制程序

3　結(jié)果

為了驗(yàn)證和測(cè)試本研究設(shè)計(jì)的頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)對(duì)磁聲信號(hào)幅值的檢測(cè)精度及相位對(duì)聲源的定位精度，本研究利用頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)對(duì)金屬絲樣本進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

3.1聲信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

3.1.1不同激勵(lì)磁聲信號(hào)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用單根直導(dǎo)線(xiàn)作為聲源，通過(guò)設(shè)置不同的激勵(lì)研究頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)對(duì)磁聲信號(hào)幅值的檢測(cè)精度以及相位與聲源位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置與圖2一致。

設(shè)置靜磁場(chǎng)0.4 T，激勵(lì)頻率10 kHz，檢測(cè)距離0.1m。設(shè)置不同量級(jí)的電流激勵(lì)，強(qiáng)度由0.1mA～1A，鎖相放大檢測(cè)頻域磁聲信號(hào)幅值和相位，信號(hào)經(jīng)過(guò)512次平均。幅值和相位檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同激勵(lì)下的直導(dǎo)線(xiàn)聲源的磁聲信號(hào)鎖相放大幅值和相位測(cè)量結(jié)果

由不同激勵(lì)下磁聲信號(hào)的幅值、相位實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在激勵(lì)電流大于1 mA情況下，幅值與激勵(lì)呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，即在大于此激勵(lì)水平下，可測(cè)得對(duì)應(yīng)激勵(lì)的磁聲信號(hào)。由于檢測(cè)器與聲源相對(duì)位置不變，因此可見(jiàn)相位曲線(xiàn)在該范圍內(nèi)為恒定值。同時(shí)注意到，當(dāng)激勵(lì)小于1 mA時(shí)，磁聲信號(hào)受到噪聲影響，檢測(cè)存在一定誤差，此時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)為隨機(jī)噪聲。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，利用連續(xù)波激勵(lì)方法，對(duì)于金屬絲模型，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)達(dá)到mA級(jí)即可檢測(cè)到磁聲信號(hào)，計(jì)算可知精度明顯提高，達(dá)到10-7Pa量級(jí)。

3.1.2不同空間位置聲源的定位特性

基于前述實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)連續(xù)波激勵(lì)下磁聲成像頻域的幅值和相位與聲源空間位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，選擇不同檢測(cè)位置進(jìn)行頻域信號(hào)檢測(cè)，研究頻域方法對(duì)于聲源的空間定位特性。

設(shè)激勵(lì)為1V，靜磁場(chǎng)為0.4T，檢測(cè)距離為0.1m，檢測(cè)距離由2、5、10、15、20 mm……逐漸增大，描記幅值、相位隨距離的變化曲線(xiàn)，信號(hào)經(jīng)過(guò)512次平均。幅值檢測(cè)結(jié)果如圖5（a）所示，相位檢測(cè)結(jié)果如圖5（b）所示。

由不同檢測(cè)距離下的頻域磁聲信號(hào)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，隨著聲源與檢測(cè)器距離的增加，傳播時(shí)間延遲t增加，頻域相位發(fā)生變化，不同相位對(duì)應(yīng)不同距離。一個(gè)周期內(nèi)相位與空間距離呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)于5、10、20 kHz頻率，10 mm距離變化對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)相位變化分別為25、50和100°左右，與理論仿真結(jié)果一致。同時(shí)由于鎖相放大器相位角檢測(cè)范圍在-180～180°之間，可見(jiàn)相位曲線(xiàn)呈周期性變化，其周期與信號(hào)周期一致。經(jīng)過(guò)對(duì)曲線(xiàn)360°跳變的修正后，相位曲線(xiàn)如圖5（c）所示，曲線(xiàn)呈現(xiàn)近似直線(xiàn)變化，證明了聲源位置的移動(dòng)導(dǎo)致相位產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)變化，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)基于相位的聲源定位。

圖5　不同距離下直導(dǎo)線(xiàn)聲源的磁聲信號(hào)鎖相放大幅值相位測(cè)量結(jié)果

另外，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，幅值曲線(xiàn)在距離60～80 mm附近與理論計(jì)算結(jié)果近似相同。同時(shí)由于受到環(huán)境噪聲、測(cè)試裝置對(duì)聲波的反射散射以及電路導(dǎo)線(xiàn)噪聲等影響，導(dǎo)致相位檢測(cè)結(jié)果與理論值具有一定誤差，在60 mm以外位置，經(jīng)過(guò)相位補(bǔ)償后計(jì)算可知，測(cè)量的相對(duì)誤差小于±6%。

3.1.3頻域成像系統(tǒng)的空間定位精度分析

由前面實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，頻域信息尤其是相位反映了聲源的空間位置，為了驗(yàn)證頻域成像系統(tǒng)對(duì)介質(zhì)聲源位置的定位精度，本研究通過(guò)頻域磁聲成像系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精密移動(dòng)，檢測(cè)不同移動(dòng)距離下的磁聲信號(hào)相位改變。

設(shè)初始檢測(cè)距離為0.1 m位置處，消除絲杠運(yùn)動(dòng)空回后，通過(guò)設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸絲杠運(yùn)動(dòng)0.1、1、10 mm，測(cè)量信號(hào)相位變化，經(jīng)過(guò)512次實(shí)驗(yàn)測(cè)量統(tǒng)計(jì)平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差，從而獲得頻域磁聲信號(hào)對(duì)于空間距離變化的定位性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　不同移動(dòng)距離下相位檢測(cè)精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可見(jiàn)，對(duì)于0.01和0.1 mm的距離變化，其相位變化的標(biāo)準(zhǔn)差大于信號(hào)檢測(cè)值，無(wú)法進(jìn)行信號(hào)相位的檢測(cè)和估計(jì)；對(duì)于1 mm以上的距離變化，信號(hào)相位檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差小于信號(hào)測(cè)量值。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，本研究設(shè)計(jì)的頻域磁聲成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)mm級(jí)信號(hào)的空間定位。

4　討論與結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了頻域磁聲耦合成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，基于連續(xù)正弦波進(jìn)行了磁聲信號(hào)激勵(lì)，基于鎖相放大進(jìn)行了磁聲信號(hào)檢測(cè)。利用虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行了磁聲耦合成像系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)，開(kāi)展了基于連續(xù)波方法的磁聲成像系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)10-7Pa的聲壓檢測(cè)精度。相比于傳統(tǒng)時(shí)域檢測(cè)方法，檢測(cè)精度明顯提高。同時(shí)，本研究設(shè)計(jì)的頻域磁聲成像系統(tǒng)聲源的空間定位精度達(dá)到mm級(jí)。

總之，本研究設(shè)計(jì)的頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低頻kHz激勵(lì)下的mm分辨率的聲源定位，有利于降低磁聲耦合激勵(lì)源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難度，對(duì)于提高微弱磁聲信號(hào)檢測(cè)精度、進(jìn)行介質(zhì)內(nèi)部聲源相關(guān)理論的研究以及提高成像精度具有重要意義。

本文僅對(duì)頻域磁聲成像相關(guān)的系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)展了初步的工作，目前尚存在一定問(wèn)題，包括：（1）實(shí)驗(yàn)樣本采用金屬絲模型，由于頻域方法對(duì)于幅值相位測(cè)量相對(duì)靈敏，對(duì)于多根金屬邊界其各條金屬線(xiàn)之間的形狀無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全一致，形狀的微小差別會(huì)導(dǎo)致頻域幅值和相位測(cè)量數(shù)據(jù)上存在變化，其檢測(cè)穩(wěn)定性有待加強(qiáng)；（2）目前，成像系統(tǒng)對(duì)聲信號(hào)的測(cè)量仍會(huì)受到噪聲影響，噪聲的屏蔽性能需要進(jìn)行改進(jìn)。需要進(jìn)一步開(kāi)展的工作包括：（1）相對(duì)復(fù)雜模型的研究，如多層電導(dǎo)率模型、基于人體組織器官分布的復(fù)雜模型；（2）考慮其他波形激勵(lì)方式，適當(dāng)提高成像范圍；（3）設(shè)計(jì)噪聲屏蔽裝置，減小噪聲引起的誤差，進(jìn)一步提高信號(hào)檢測(cè)精度。

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（收稿：2014-10-27修回：2015-02-09）

System study on magneto-acoustic imaging in frequency domain

ZHANG Shun-qi,ZHOU Xiao-qing,YIN Tao,LIU Zhi-peng
(Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Tianjin 300192,China)

Objective To design a new frequency domain magnato-aoustic imaging system to image the conductivity of medium.Methods A continuous sine wave signal was adopted to stimulate the MAT signal.The lock-in technique was applied to measuring the amplitude and phase of the magneto-acoustic signal.The drive control program of the imaging system was designed using virtual instrument tools.The experiments were conducted on the phantom made of coper wire. Results The amplitude precision was improved up to 10-7Pa,while the system could locate the sonic source with locating precision of millimeter.Conclusion A new magneto-acoustic imaging system is proposed with high locating precision as well as low frequency excitation,which is significative to the study on the sonic source theory and improvement of the imaging precision.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：1-5]

magneto-acoustic imaging;frequency domain;experiment system;lock-in amplification

[中國(guó)圖書(shū)資料分類(lèi)號(hào)]R318；TH776A

1003-8868（2015）05-0001-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.001

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51137004）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（81171424）；天津應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)青年項(xiàng)目（13JCQNJC14000）

張順起（1984—），男，博士，助理研究員，主要從事醫(yī)學(xué)電磁成像方面的研究工作，E-mail:zhangshunqi2004@126.com。

300192天津，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所（張順起，周曉青，殷濤，劉志朋）

劉志朋，E-mail:lzpeng67@163.com