JP2005218601A - 放射線画像処理装置及び処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 撮影領域中に特定領域を設定し、当該特定領域と他の領域の再構成に使用するデータを異ならせる。
【解決手段】 撮影が開始されると被写体の拍動を検出し、拍動周期Tを計測する(S101〜S103)。静止期間が決定され回転テーブルの回転時間SがS=nT(nは奇数)で計算され、回転を開始し、回転が所定速度、角度に達するとX線曝射を開始し、所定のビュー数に達すると曝射を停止する。(S104〜S107)。スキャンデータが収集された後に、運動領域Cの検出が行われる(S108)。運動領域Cの存在が検出されるとデータの並べ替えが行われ、並べ替えられたスキャンデータを使用してハーフスキャンの再構成画像が作成される(S109、S110)。再構成画像の評価(S111)により偽像が確認される場合は、再試行が支持され静止期間Qの変更が行われ、再びデータ並べ替えを行い、ハーフ再構成、画像評価が再度行われ、画像評価に合格すれば三次元ボクセルと連結される。
【選択図】図4

Description

本発明は、例えばX線等の放射線を利用して画像撮影を行うX線CT装置等の放射線一般を使用して被写体内の放射線特性分布を画像化する放射線画像処理装置及び処理方法に関するものである。
従来、被写体に対してX線を曝射し、被写体を透過又は被写体で散乱したX線をX線検出器で検出し、このX線検出出力(X線のフォトン数)に基づいて、被写体の透視画像、断層像或いは三次元画像を撮像するX線CT(Computer Tomography)装置が知られている。
X線CTのスキャン中のデータ収集時には、被写体は完全に固定していることが前提であり、スキャン中の体動又は臓器の運動は再構成画像中に偽像を生じさせ、診断能の低下を招くことになる。
このことに関する従来の解決手段として、被写体の周囲からX線を照射し撮影した被写体の透過X線像に基づいて、被写体のX線断層像又は/及び三次元X線像を生成し表示するコーンビームCT装置が、例えば特許文献1に開示されている。この特許文献1において、透過X線像を互いに相異する複数組に分け、各組毎の透過X線像を再構成して得られたX線分布像毎の鮮鋭度を計算し、鮮鋭度が最も大きい組の透過X線像に基づいて、被写体のX線断層像又は/及び三次元X線像を生成し表示する。具体的には、フルスキャンデータ中から開始角度をシフトさせた複数のハーフデータを作成し、これら複数のハーフデータからの再構成画像を比較し、好適な1つを選択する技術である。
他の解決手段として、イメージング・システムは患者の心臓をスキャンして複数の投影ビューを取得し、この投影ビューから差分投影を決定する。差分投影に運動アーチファクトを最小とするような荷重関数を適用し、この差分投影からは画像再構成位置を特定するために使用される不一致指標を決定する。この方法では、電気信号ではなく心臓の力学動作を直接計測しており、また投影データを用いて画像アーチファクトを最小にするような最適位置を選択している。具体的には、例えば特許文献2のように差分投影に荷重関数を適用することにより、心拍の位相を検出することができ、心拍運動の大きな部分の画像を除外したハーフデータにより再構成画像を作成する。
特開2000−217810公報 特開2002−355241公報
X線CT装置としてコーンビームCT装置が開発されており、通常のX線CT装置ではX線ビームは上下のZ方向に薄く切り出されており、これはファンビームと呼ばれるが、コーンビームCT(CBCT)では、Z方向にも広がったX線ビームを用いるので、このX線ビームはコーンビームと呼ばれる。
CBCTにおいては、従来の数スライスが同時に収集されるCTと異なり、数100スライスのデータが同時に収集される。つまり、投影データ中にはアーチファクトを発生する部分とそうでない部分が混在することになる。ところで、一般にフルスキャンデータからの再構成の方が画質が良いわけであるから、投影データの一部分にアーチファクトを発生させる部分があるからといって、全ての部分をハーフスキャンで再構成することはデータの有効利用にならない。
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、撮影領域中に特定領域を設定し、この特定領域と他の領域の再構成に使用するデータを異ならせて再構成し、SN比の良い画像を得ることができる放射線画像処理装置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係る放射線画像処理装置は、複数の二次元投影データを収集する収集手段と、前記二次元投影データを解析する解析手段と、該解析手段の結果により前記二次元投影データを複数領域に分類する複数領域分類手段と、分類したそれぞれの分類ごとに前記解析手段の結果に対応する再構成を選択実行する再構成手段とを有することを特徴とする。
また、本発明に係る放射線画像処理方法は、複数の二次元投影データを収集する収集工程と、前記二次元投影データを解析する解析工程と、該解析手段の結果により前記二次元投影データを複数領域に分類する複数領域分類工程と、分類したそれぞれの分類ごとに前記解析手段の結果に対応する再構成を選択実行する再構成工程とを有することを特徴とする。
本発明に係る放射線画像処理装置及び処理方法によれば、例えば心臓の心拍に起因する偽像を生じさせる領域、或いは体動領域を画像により認定することにより、収集されたフルスキャンデータ中から偽像を生じさせない、或いは偽像の少ないハーフスキャンデータのみを抽出して再構成し、SN比の良い画像が得られる。
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図1(a)は放射線撮影装置の平面図、(b)は側面図を示している。X線発生器1の前方には、胸当て2を前面に設けた二次元検出器3が配置され、胸当て2の前には回転テーブル4に乗った被写体Pが位置している。そして、二次元検出器3の出力は再構成手段5に接続されている。
X線発生器1と二次元検出器3の幾何学的配置によりファン角、コーン角が決定されており、本実施例では正方形の二次元検出器3を使用しているので、ファン角とコーン角は同じである。二次元検出器3は半導体センサから構成され、1画素が250×250μm、センサ外形が43×43cm、画素数は1720×1720である。
X線発生器1から発射されたX線は、回転テーブル4上に乗った被写体Pを透過した後に、胸当て2及び図示しない散乱線除去グリッドを通過し、二次元検出器3に到達する。二次元検出器3で取得されたデータは、再構成手段5に転送されて画像再構成がなされる。
図2はシステムブロック図を示し、バス11には、X線発生器1、二次元検出器3、回転テーブル4、再構成手段5、制御手段12、拍動検出手段13、画像表示手段14、周期計算手段15、インタフェース手段16、回転時間計算手段17、静止期間決定手段18、運動領域検出手段19が接続されている。実際には、これらのシステム全体は1つのコンピュータにより構成されており、バス11はコンピュータの内部バスと考えることができ、このバス11を介して制御信号やデータの送信受信が行われ、制御手段12はコンピュータのCPUに相当している。
図3は本実施例の概念図である。CBCTにより撮影された被写体PのフルデータAを直方体で表し、フルデータAを解析手段により停止領域Bと運動領域Cに分割することができる。運動領域Cとは、体動が発生した領域及び臓器の不随意的な運動(振動であれば拍動、胃であれば消化運動)の領域であり、この運動領域Cを構成するフルスキャンデータを全て使用して画像を再構成すると、偽像が発生する虞れがあるので、第1のデータ抽出を行ってハーフデータDを作成して、ハーフスキャン再構成を行う。
一方、停止領域Bを構成するデータは、フルデータAの全て使用して画像を再構成すればよいので、第2のデータ抽出によりフルデータA’を抽出しフルスキャン再構成を行う。再構成されたそれぞれの停止領域Bと運動領域Cによる三次元ボクセルデータが連結されて、被写体Pの三次元ボクセルEが形成される。
以下に、処理手順を図4に示すフローチャート図に従って説明すると、先ずインタフェース手段16を介して撮影開始の指示が出される(ステップS101)。撮影の指示がなされると、拍動検出手段13は被写体Pの拍動を検出する(ステップS102)。拍動を検出する手段には、心電計、酸素フォワードを検出するパルスオキシメータ、或いはX線発生器1によりX線を連続的に曝射して、透過したX線分布を二次元検出器3で受信して、画像中の心臓のサイズを検出する形態的検出手段が可能である。
心電計、パルスオキシメータを被写体Pに付着させれば、周期的な心拍信号が検出される。図5は心電計により検出された波形を示し、周期計算手段15により、心電計波形のR波の間隔を計測数することで拍動周期Tを計測する(ステップS103)。具体的には、或るR波と次のR波の間に計数される基準パルスの個数により計算することができる。
次に、静止期間決定手段18により静止期間Qが決定される。この静止期間Qとは、心臓の脈動の影響に形態学的変動の小さい期間、所謂等量弛緩期間のことである。この静止期間Qは特徴的なR波を基準に経験的に決定される。図5に示すように、心臓の形態変化は収縮期、弛緩期、等量弛緩期に分けられ、弛緩期とは心臓の容量が膨張する期間であり、等量弛緩期は膨張が収束した期間である。等量弛緩期は経験的にR波から始まる拍動周期T中の後半分と概略決めることができる(ステップS104)。ただし、ステップS104で決定された静止期間Qは暫定的であり、後のステップS111で変更されることがある。
本実施例では、取り付けが簡便なパルスオキシメータを使用しており、パルスオキシメータでも図5に示すR波を検出することは可能であり、拍動周期Tの検出は心電計の場合と同様に行うことができる。しかし、パルスオキシメータは指先で酸素フォワードを計測するので、実際の拍動のタイミングからは遅延が生じている。しかも、血管中の血液の流動性は個人により異なり、その遅延は人体に依存しているために静止期間を一律に決定することはできない。
次に、拍動周期Tから回転時間計算手段18により回転テーブル4の回転時間Sを、S=nT(nは奇数)を基に計算する。被写体Pの1回転当りの回転時間は、経験的に3秒≦t≦10秒が適当であることが分かっており、回転時間Sが短か過ぎるとめまいを感じて体動し、長過ぎると忍耐が続かなくて体動し、再構成画像に偽像が発生する。3秒≦nT≦10秒を満足するnは複数個存在する場合があるが、被写体Pの年齢に合わせてnが選択される(ステップS105)。
回転時間Sが決定されると、インタフェース手段16に撮影準備完了の表示が出力され、更に撮影開始の指示が出され、制御手段12からの指示により回転テーブル4が回転を開始する(ステップS106)。制御手段12は回転テーブル4から発生されるエンコーダ信号を監視し、所定速度及び所定角度に到達したことを確認する。このエンコーダ信号はデータの積分タイミング決定にも使用される。
回転テーブル4の回転が所定速度及び所定角度に到達した時点で、X線発生器1に信号を送りX線の曝射を開始する。回転テーブル4が所定の回転角度を回転し、所定のビュー数つまりプロジェクション数に達すれば、制御手段12はX線発生器1に指令して、X線の曝射を停止する。その後に、回転テーブル4を減速させながら停止まで制御する(ステップS107)。
回転テーブル4の1回転当り25000パルスを発生するエンコーダを使用する場合に、1回転に対して1000ビューの投影データを収集するとすれば、エンコーダ信号のパルス毎に二次元検出器3からデータが収集されることになる。制御手段12では、このエンコードパルスを計数して25パルス毎に積分信号を発生させて、二次元検出器3に到達したX線量を計数する。
本実施例においては、X線は連続に発生されることを想定しているが、これに限定されるものでなく、エンコーダ信号を基に二次元検出器3の積分区間に合わせてX線をパルス状に発生させてもよい。二次元検出器3からのデータは、バス11を介して逐次的に再構成手段5に転送される。このデータの転送は、回転テーブル4が所定の回転角度を回転し、所定のビュー数が収集されるまで続き、X線曝射が完了した直後に最後の投影データが収集される。
被写体Pのスキャンデータが収集された後に、運動領域Cの検出が行われる(ステップS108)。収集されたフルデータAは運動領域検出手段19により解析され、この解析はフルデータA中のどの部分がフルスキャンによる再構成ができて、どの部分がハーフスキャンによる再構成をすべきかの観点で行われる。
具体的には、体動、臓器の運動がある運動領域Cと、それらがない停止領域Bに分類することである。運動領域Cに対応する被写体領域の投影データは、再構成手段5によりハーフスキャン用にデータ並べ替え処理が行われて再構成される。停止領域Bに対応する投影データは、フルスキャンにより再構成手段5で再構成される。
再構成手段5は前処理、フィルタ処理、逆投影処理から構成され、前処理はオフセット処理、LOG変換、ゲイン補正、欠陥補正から構成される。フィルタ処理では、ラマチャンドラン関数或いはシェップローガン関数が一般的であり、本実施例でもこれらを使用する。フィルタ処理されたデータは逆投影され、これらフィルタ処理から逆投影までのアルゴリズムは、フェルドカンプのアルゴリズムを使用している。逆投影が完了してCTの断面画像が再構成されると、断面は画像表示手段14に表示される。
ここで、再構成アルゴリズムはフェルドカンプのアルゴリズムを使用するが、これに限定されるものではない。参考文献として、フェルドカンプ(Feldkamp)とデイビス(Davis)及びクレス(Kress)による非特許文献1が知られている。
「実用コーンビームアルゴリズム」("Practical Cone-Beam Algorithm"),J.Opt.Soc.Am.A1,612〜619,1984
データ中に運動領域Cが存在するか否かによって後の処理が異なり、運動領域検出手段19により運動領域Cの存在が検出されれば、検出された領域に対して、フルデータAからのデータの並べ替えが行われる(ステップS109)。並べ替えに際しては、ステップS104で得られた静止期間Qの初期値が使用される。パルスオキシメータを使用する場合に、初期値を拍動周期T中のどの位相に静止期間Qを設定するかは、被写体Pの年齢、身長などの情報を基に、統計的に頻度の高い値を決定して使用される。
一般に年齢が高くなれば、動脈硬化により心電図のR波とパルスオキシメータR波の位相差は大きくなる。また、身長が大きければ血液が流れる流路は長くなるので、この場合もそれぞれのR波間の位相差が大きくなる。静止期間Qに従ってデータ並べ替えの処理が行われ(ステップS109)、並べ替えられたスキャンデータを使用してハーフスキャンの再構成画像が作成される(ステップS110)。
前述したように最初に作成される再構成画像は、静止期間Qの初期値を基に並べ替えられているので、再構成画像に心拍変動による偽像が含まれる可能性がある。そこで、再構成画像の評価する必要がある(ステップS111)。この評価は人間が行ってもよいが、自動化することも可能である。人間が行う場合は、心臓部周辺を中心に再構成画像で偽像が発生していないかを確認する。偽像が確認される場合は、再試行が支持されてその指示に従って静止期間Qの変更が行われる(ステップS112)。
静止期間Qの変更は、拍動周期T中での静止期間Qの位相を順次にシフトさせてゆくことによって行われる。シフトのステップ幅は任意に選択することが可能であるが、拍動周期Tの10分の1程度であればよい。静止期間Qの変更に基づいて、ステップS108のデータ並べ替えが再度行われて再構成画像が作成され(ステップS110)、このループは再構成画像が偽像に関して満足するまで繰り返される。
再試行が選択されれば、再びデータ並べ替えを行い(ステップS109)、ハーフ再構成(ステップS110)、画像評価(ステップS111)が再度行われ、画像評価に合格すれば停止領域Bに対応する三次元ボクセルEと連結される。
一方、運動領域検出手段19により停止領域Bと判断された領域は、フルスキャンデータにより再構成される(ステップS113)。運動領域Cと停止領域Bの三次元ボクセルEが連結されると(ステップS114)、連結三次元再構成画像を表示し撮影は完了する(ステップS115)。
前述した自動化による再構成画像の評価は心臓周辺の領域を指定して、その領域画像の分散を計算し、その分散値が予め決められた値と比較することに判断する。画像の切り出しは操作者が断層画像を基に指定してもよいし、心臓部分決定処理により自動的に行ってもよい。心臓部分決定処理は被写体Pの体形から予想される予め決められた領域とすることもできるし、パターン認識を使用してもよい。
図6は拍動周期Tとスキャンデータとの関係を示すタイムチャート図であり、拍動周期Tの3倍つまり回転時間S=3Tで撮影が完了する場合を示している。中段に示す数値は投影の角度方法を示しており、拍動周期Tの1周期で120度区間のデータが収集されることになる。ここで、拍動周期Tはa、b、c、dの4つの区間に分類される。例えば、a区間は収縮期に対応して、b〜d区間は概略弛緩拡張期に対応すると想定し、ステップS109の並べ替え処理の前提となる静止期間Qを図6に示す矢印区間に初期設定する。ここで、静止期間Qは拍動周期Tに対し60%長くする。この割合は一般に60%〜70%と考えられているが、この割合を短く想定するほど偽像は小さくなる。
図7の左列は、360度回転方向での想定した静止区間QをQa〜Qcの3つの平行四辺形で表している。Qaは図6の最初の静止区間Qに対応し、Qbは中間の静止区間Q、Qcは最後の静止区間Qに対応している。収集されるデータ範囲が平行四辺形で表現されるのは、ファンデータのためであり、図7はファン角φ=7.2度としている。
図7の右列は静止区間Qbのデータと、静止区間Qcのデータを180度で折り返したものである。そして、Qb、Qa、Qcの順に並べ替えると、180度分のパラレルデータが完成していることが分かる。図7の右列において、180度分のパラレルデータが形成される条件は、静止区間Qの比率をpとすると、次式でなければならない。なお、nは奇数である必要がある。
p≧(180+nφ)/360
図7から明らかなように、nが偶数であれば180度でデータを折り返した際にデータが重なってしまい、欠落しているデータを折り返しで補うことができない。例えば、p=0.6、n=3とするとファン角φ=12度となり、p=0.6、n=5とするとファン角φ=7.2度となる。
図8を使用して並べ替え処理を説明すると、並べ替え処理は大きく2つの方法がある。1つは図8のデータ中で濃い三角形部分を除いた部分に対するパラレルデータを生成する方法であり、ファンパラ変換として知られている方法である。このファンパラ変換は特許文献3、4に詳しく開示されている。
他の方法は実際に並べ替え処理は行わずに、ファンデータを逆投影する際に重みを付けて再構成する方法である。この重み付け再構成は、ファンビームで収集されたハーフスキャンから再構成する場合にも使用される方法であるが、図8に示す濃い三角形部分は重み0で逆投影し、その他の部分は重み1で逆投影すればよい。重みを付け再構成は、特許文献5の[0043]及び特許文献6の[0023]に詳しく開示されている。
特願平9−235566号公報 特開平11−76227号公報 特開平6−209927 特開平11−9589
次に、図8では概念的に示した重み0で逆投影する三角形のデータ領域の特定方法を説明する。p=(180+nφ)/360に従って、nとファン角φを特定するとpが決定される。例えば、n=3、ファン角φ=7.2度とすると、p=0.56となる。つまり、比率p=0.56となるように、静止区間Qを設定すれば、重み0で逆投影する三角形のデータ領域は、Qa〜Qcの平行四辺形から長方形を除いた部分となる。
運動領域検出手段19を詳細に説明すると、最初の方法は特許文献7に開示された方法と近似の方法である。図9(a)は或る一方向の投影データの例であるが、簡単のために偶然に胸部を正面から撮影した画像であったとする。図9(b)はこの画像を体軸のZ軸方向に短冊状に7分割して、各分割画像間において回転前後の差分画像の2乗平均(以後、簡単に差分平均と呼ぶ)を計算し。グラフ化したものである。
分割画像1〜7の差分平均グラフは、被写体Pが楕円状の断面を有することによるパターンを示しているが、分割画像1〜7は心臓の拍動を表すパターンになっている。また、分割画像1と2を比較すると、0度〜225度までは類似のパターンを示しているが、それ以降は異なるパターンとなっている。これは、分割画像1の領域に対して体動が発生したことを示している。
特開2002−355241号公報
図10は各分割画像の差分平均グラフ中に、拍動のような周期運動或いは体動が存在を検出するフローチャート図である。分割画像毎にフーリエ変換などによりスペクトル解析が行われ(ステップS201)、心臓による拍動の可能性を検出すれば、0.75〜1.5秒の周期を持つスペクトルが存在するかを検査し(ステップS202)、存在する場合には直ちに運動領域Cと認定する(ステップS203)。
拍動を示すようなスペクトルが検出されない場合は、体動の有無を検出する(ステップS204)。体動の検出は0度と360度における差分平均を比較して、その差が予め設定された閾値以下であれば、連続性が保たれているので体動がないとする。体動が検出されない場合は分割画像は停止領域Bと認定し(ステップS205)、体動が検出された場合は分割画像領域は運動領域Cと認定する(ステップS206)。
体動により運動領域Cと認定された分割画像に対しては、更に体動区間の認定を行う(ステップS207)。この認定結果により、フルデータA中から体動区間を含まないようにハーフデータDが決定される。そこで、他の分割画像において停止領域Bと認定された分割領域がある場合には、図11に示すように分割画像間で差分平均の差を計算する。図11の例では200度までは差はゼロであり、200〜360度で差が発生している。具体的には、差分平均の差が連続して180度+ファン角分連続する区間でハーフデータDを作成する。
次に、他の分割画像において停止領域Bと認定された分割領域がない場合には、特許文献1に開示されている方法と同様に、180度+ファン角分の連続区間をシフトさせ、その都度の再構成画像を画質確認することでハーフデータが決定される。
更に、本発明は上記の実施例を実現するためのシステム、装置及び方法のみに限定されるものではなく、上記システム又は装置内のCPUやMPUのコンピュータに、実施例を実現するためのソフトウエアのプログラムコードを供給し、このプログラムコードに従って上記システム或いは装置のコンピュータが各種デバイスを動作させることにより、上述の実施例を実現する場合も本発明の範疇に含まれる。
また、この場合にソフトウエアのプログラムコード自体が実施例の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそのプログラムコードをコンピュータに供給するための手段、具体的にはプログラムコードを格納した記憶媒体は本発明の範疇に含まれる。
このようなプログラムコードを格納する記憶媒体としては、例えばフロッピディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROM等を用いることができる。
またコンピュータが、供給されたプログラムコードのみに従って各種デバイスを制御することにより、実施例の機能が実現される場合だけではなく、プログラムコードがコンピュータ上で稼働しているOS(オペレーティングシステム)、或いは他のアプリケーションソフト等と共働して実施例を実行する場合にも、このようなプログラムコードは本発明の範疇に含まれる。
更に、この供給されたプログラムコードが、コンピュータの機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに格納された後に、そのプログラムコードの指示に基づいてその機能拡張ボードや機能格納ユニットに備わるCPU等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって実施例が実現される場合も本発明の範疇に含まれる。
放射線撮影装置の構成図である。 実施例のシステムブロック図である。 実施例の概念図である。 実施例を実行するフローチャート図である。 心電波形と心臓の収縮の説明図である。 スキャンデータに対する拍動周期と静止期間の関係図である。 フルスキャンデータ中の静止区間からハーフスキャンデータに並べ替え処理の説明図である。 ハーフスキャンデータから再構成する場合の重み付け係数の説明図である。 運動領域検出方法の説明図である。 運動領域検出のフローチャート図である。 体動領域の検出方法の説明図である。
符号の説明
1 X線発生器
2 胸当て
3 二次元検出器
4 回転テーブル
5 再構成手段
12 制御手段
13 拍動検出手段
14 画像表示手段
15 周期計算手段
16 インタフェース手段
17 回転時間計算手段
18 静止期間決定手段
19 運動領域検出手段

Claims (6)

  1. 複数の二次元投影データを収集する収集手段と、前記二次元投影データを解析する解析手段と、該解析手段の結果により前記二次元投影データを複数領域に分類する複数領域分類手段と、分類したそれぞれの分類ごとに前記解析手段の結果に対応する再構成を選択実行する再構成手段とを有することを特徴とする放射線画像処理装置。
  2. 前記複数領域分類手段は再構成対象が運動領域か停止領域かの分類を行うことを特徴とする請求項1に記載の放射線画像処理装置。
  3. 前記運動領域は心臓又は横隔膜であることを特徴とする請求項2に記載の放射線画像処理装置。
  4. 複数の二次元投影データを収集する収集工程と、前記二次元投影データを解析する解析工程と、該解析手段の結果により前記二次元投影データを複数領域に分類する複数領域分類工程と、分類したそれぞれの分類ごとに前記解析手段の結果に対応する再構成を選択実行する再構成工程とを有することを特徴とする放射線画像処理方法。
  5. 請求項4に記載の放射線画像処理方法をコンピュータで実行するためのプログラム。
  6. 請求項5に記載の放射線画像処理方法をコンピュータで実行するためのプログラムを記録した記憶媒体。
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