JP2009515573A - デジタル放射線写真装置のｘ線源をサーボ制御する方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、放射線写真装置、並びに別個の読み取りコマンド及びリフレッシュコマンドをそれぞれ備えたピクセルを有するMOS型イメージセンサ(810)を含む放射線写真装置内のＸ線源(800)をサーボ制御する方法であって、放射線写真作業中に、それぞれの読み取りに応答して、少なくとも1つの画像捕捉特性を確立するように、Ｘ線源の電力供給を維持しながら、複数のイメージセンサピクセルの読み取りコントロールが繰り返し呼び出され、そして、該画像捕捉特性がプリセット画像捕捉特性に相当したときに、Ｘ線の放射が中断される、放射線写真装置内のＸ線源をサーボ制御する方法に関する。
Description
本発明は、デジタル放射線写真装置のＸ線源をサーボ制御する方法、及びサーボ制御された源を使用するデジタル放射線写真装置に関する。本発明は、医療用放射線写真の分野、及び具体的には歯科用放射線写真分野において用いられる。
デジタル放射線写真装置は、放射線強度、及びより正確には、感知表面上の任意の点で受容されたエネルギーの関数である電気信号を発生させることができるセンサを有する。従って、センサの感知表面は、センサの信号に基づいて形成されることができる画像に類似することから「ピクセル」とも呼ばれる感知素子のマトリックスに細分される。感知表面は、センサによって受容されたＸ線を、ピクセルの感知スペクトルと適合可能な波長を有する放射線に変換するシンチレータに接続されている。
センサのピクセルを構成するために、2つの別々の技術が用いられる。CCD(電荷結合素子)として知られる第1の技術は、受容された放射線に応答して、電荷蓄積の原理に従って作業する。順次の読み取り中に電荷は、マトリックスのピクセルの行又は列の1つのピクセルから次のピクセルへ、累積的に移動される。電荷移動は、クロックによって制御されたシフト・レジスタによって同期される。電荷移動はまた、ピクセルのリフレッシュを引き起こし、読み取り時に完全放電される。
第2の技術は、MOS(金属酸化膜半導体)又はCMOS(相補型金属酸化膜半導体)として知られる。この技術は、絶縁ゲートを有する電界効果トランジスタを使用する。各ピクセルは、リフレッシュ・ステップ中に(それぞれ)充電(又は放電)される内部容量と、放射線の影響下で容量を徐々に(それぞれ)放電(又は充電)する感光性ダイオードとを有している。読み取り時には、最後のリフレッシュから経過した積分時間中に受容された放射線の量に比例して(それぞれ)減少(又は増加)する容量の端子において、電圧が測定される。CMOS型ピクセルは、読み取り及びリフレッシュを引き起こすための別々のコマンドを有することができる。このように、単純な読み取りは必ずしもリフレッシュを意味しない。
順次読み取りはCMOS型ピクセルに必要ではないが、にもかかわらず、CCDピクセルの例に追従して、数多くの装置にこれが維持されている。順次読み取りは、低減された数の電気的導体、ひいては電気的接続部を使用することにより、読み取り信号を供給するという利点を有する。口腔内センサ、すなわち歯科用放射線写真に固有のセンサのための特別な利点を有する導体及びコネクタは少ない。
CMOSピクセルの順次読み取り及びリフレッシュは、例えば文献(1)〜(4)によって説明されているが、これらは参照できるが、放射線写真分野に由来するものではない。
センサピクセルのタイプにかかわりなく存在する困難の1つは、ピクセルの暴露過多及び暴露不足の両方を防止するためにＸ線源を制御することである。Ｘ線源の制御はまた、Ｘ線を当てられる患者が、画像を生成するのに絶対に必要な量よりも多くのエネルギー線量を受容するのを防止するためにも重要である。
従って、受容された放射線エネルギーを測定し、そして所定の線量に達したときにＸ線源の切断を起こすという機能を有する1つ又はいくつかの線量センサを、センサの感知表面の近くに配置することが知られている。しかしながら、線量センサは、画像の全ての部分の状態を報告することはできず、また、暴露過多及び暴露不足のゾーンの存在を防止することもできない。確かに、他の組織によって受容された線量を誤って報告しないためには、Ｘ線が当てられる組織の特に高濃度の部分、又は特に透明な部分の傍らに線量センサを配置せざるを得ない。このようなことは、例えば、歯科用アマルガムとＸ線源との整列に配置される線量センサに当てはまる。
センサの公称暴露許容範囲に関連する不適切な暴露は、信号対雑音比の著しい劣化、又はピクセル飽和を招き、そして両方の事例において、放射線写真画像の質を損なう。
本発明の目的は、Ｘ線源をサーボ制御する方法、及び上述の問題を有さない放射線写真装置を提案することである。
具体的な1つの目的は、結果として生じる放射線写真画像の局所的な暴露過多又は暴露不足を防止しながら、受容される放射線量を正確に制御することである。
別の目的は、特定の組織タイプの場合に、暴露を最適にするためにＸ線源を制御することである。
別の目的は、放射線写真画像の質を損なうことなしに、患者によって受容される放射線量を制限することである。
これらの目的を達成するために、本発明はより正確には、別個の読み取りコマンド及びリフレッシュ・コマンドをそれぞれ備えたピクセルを有するMOS型イメージセンサを含む放射線写真装置内のＸ線源をサーボ制御する方法であって、放射線写真作業中に、それぞれの読み取りに応答して少なくとも1つの画像捕捉特性を確立するように、Ｘ線の放射を維持しながら複数のイメージセンサピクセルの読み取りコマンドが繰り返し呼び出され、そして、画像捕捉特性がプリセット画像捕捉特性に相当したときに、Ｘ線の放射が中断される、放射線写真装置内のＸ線源をサーボ制御する方法を目指す。
源のサーボ制御、すなわちＸ線放射の維持又は中断は、好ましくはＸ線源の電力供給を維持又は中断することにより行われる。シャッターを使用する他のサーボ制御方法も、光線の放射が中断されるのを可能にする。
MOS型ピクセル、すなわち絶縁格子を有するMOS又はCMOSピクセル、そして具体的には別個の読み取りコマンドを有するピクセルを使用する結果、ピクセル画像積分を妨げることなしに画像特性の進化を確立してモニタリングすることが可能になる。実際に、十分な質を有する画像が利用可能であるときだけ、すなわち、プリセット捕捉特性に達した後だけ、リフレッシュが引き起こされる。
Ｘ線放射を中断するように選択された特性は、線量センサ、又はいくつかの線量センサにさえ、もはや連関されることはなく、読み取り可能な画像を提供するのに十分であろう数のセンサピクセルを読み取ることから確立される。最適な形式では、画像特性を確立するために、全てのセンサピクセルの読み取り信号を使用することができる。センサの感知表面上に、好ましくは均一に分配されたピクセルサブセットの信号を使用することも可能である。このことは、画像捕捉特性を確立するために、或いは換言すれば、センサによって生成することが可能な画像を表すサブサンプル画像に対応する捕捉特性を確立するために、サブサンプル画像を使用することを意味する。
Ｘ線源をサーボ制御するために、種々の画像捕捉特性を確立して選択することができる。これらの画像捕捉特性は、例えば、少なくとも1つの画像濃度値(すなわち、その信号はプリセット値よりも小さい)に対応する、全てのセンサピクセル、又はピクセルサブセットの中から選択されたピクセルの数を含む。
さらに別の選択肢によれば、捕捉特性は、ピクセル濃度スペクトルの広がりである。プリセット特性は、この場合閾値広がり値である。
さらに別の選択肢によれば、捕捉特性はヒストグラムである。グラフィック状に表すことができるヒストグラムは、濃度、すなわち読み取り信号に基づいて所与の時点に形成することができる画像のグレイ値と、これらの濃度をそれぞれ有する画像ピクセルの数との関係として理解される。
選択されたプリセット特性は、この場合、ヒストグラムの全て又は一部の特定の特性値である。具体的には、プリセット特性は、特定のヒストグラム形状、又は軟質組織、骨及び象牙質、エナメル質及び/又は不透明物質にとって特徴的なピークのうちの少なくとも1つに向けられているヒストグラム形状であることが可能である。
不透明物質は、アマルガム、又は患者の口腔内に見いだされやすい金属部分のような物質を意味する。
捕捉特性が、プリセット特性に相当したときには、画像形成のための有用な読み取り信号を供給するために、センサピクセルが読み出される。読み取り信号が利用可能になるやいなや、ピクセルリフレッシュメント・コマンドを要求することができる。
本発明はまた、放射線写真装置であって、Ｘ線源、及び別個の読み取りコマンド及びリフレッシュ・コマンドをそれぞれ備えたピクセルを有するMOS型イメージセンサ、放射線暴露時間にわたって分配される一連の要求信号を読み取りコマンドに印加するためのシーケンサ、及びコンピュータを含む放射線写真装置に関する。コンピュータは、画像捕捉特性を確立するために、そして捕捉特性とプリセット捕捉特性とを比較するために、要求信号に応答してピクセルによって供給された読み取り信号を受信する。最後に、画像捕捉特性がプリセット画像捕捉特性に相当したときに暴露を中断するための、コンピュータによって制御される放射線暴露中断手段が提供される。
前述のように、暴露中断手段は、Ｘ線源の電力供給に、且つ/又はビームの伝搬に作用することができる。これは例えば、Ｘ線源の電源回路において直列接続された単純な制御型スイッチである。
本発明の装置は、ピクセルによって供給された読み取り信号から画像を生成するための画像再現手段を含んでもよい。これは例えば、モニター又はプリンタ、例えばレーザープリンタを備えたコンピュータ又は信号処理ユニットである。
本発明の特徴及び利点は、添付の図面を参照する下記説明において明らかとなる。この説明は、純粋に一例として示すものであり限定的ではない。
図1は、電源ライン12と基準ライン14との間に電力供給されるMOS/CMOS型ピクセル10を示す等価ダイヤグラムである。ピクセルは、感光性ダイオード16と、ダイオードに対して並列に接続されたキャパシタ18との周りに形成される。キャパシタは、これが内蔵型成分でなく、MOS/CMOS構造に対して固有の容量である限りは、破線で表されている。
符号20は、ピクセルリフレッシュを命令するように作用する端子を示す。リフレッシュ電圧が端子20に印加されると、電源ライン12に接続されたトランジスタ22が、その電位を電源電圧近くの充電値Vまで上昇させることにより、キャパシタ18を充電する。
ピクセルによって受容される光が存在しないときには、充電電圧Vは保存される。しかし、光放射24に応答して、ダイオード16の逆電流は、キャパシタ18を徐々に放電する。キャパシタ18の端末における電圧はこうして、受容された光強度に従って、また暴露時間に従って減少する。従って、ピクセルによって受容される光放射24は、Ｘ線ではなく、イメージセンサ内に形成されたシンチレータによってＸ線を変換することにより得られた可視光線であることに注意すべきである。
符号30は、ピクセル読み取りを命令するように作用する端子を示す。適切なアドレッシング・パルスがこの端子に印加されると、追従トランジスタ34と連携する読み取りトランジスタ32が、キャパシタ18の端子における残留充電電圧を表す読み取り電圧Vreadを供給する。この読み取り電圧は、ピクセル読み取り信号として使用することができ、また、センサによって画像表示ユニットへ供給することができる。
キャパシタ18に接続された絶縁格子を有するフォロア・トランジスタ34が設けられている結果、読み取りがキャパシタ18の充電状態に対して、又はその端子の電圧に対して影響を及ぼすことはない。このように、読み取りが、受信された光信号の積分を妨げることはない。
別の手段として、ダイオードの逆電流はキャパシタを放電せず、充電することを除けば、程度の差こそあれ同一のピクセルを使用することができる。この場合、リフレッシュは、キャパシタを放電することにあり、そして受容された放射線は、電圧をキャパシタ端末において増大させる傾向がある。下記の簡単な説明は、受容されたエネルギーとともに電圧が減少するピクセルに関して行われるものである。しかしながら、これは、必要な変更が加えられているならば、ここに提供された変型に対応するピクセルにも当てはまる。
図1のピクセルは、イメージセンサのピクセルマトリックス100内に統合される。ピクセル10は、図2に示されているように、行及び列を成して配列される。
行及び列のシフト・レジスタによってセンサのピクセルに順次アドレッシングすることにより、イメージセンサの読み取り信号が得られる。レジスタは、符号102及び104を有している。これらはクロック又はシーケンサ106によって同期される。列増幅器108と組み合わされて、レジスタは順次読み取り信号Sを供給する。成分がMOS/CMOSであると考えると、ピクセルを同時に並列に読み取ることも可能である。しかし、読み取りCCD型ピクセルに匹敵する順次読み取りは、より少ない電気的導体を使用して信号伝達を可能にするという特別な特徴を有する。信号は、例えば2線ケーブル上で伝送することができる。この特徴は、調和させるのがしばしば困難な接続及び衛生の要件を有する口腔内センサにとって有利である。
行シフト・レジスタ102は、読み取りコマンドに印加されると、ピクセル電圧が読み取られるのを可能にするパルスの供給を可能にする。場合によってはレジスタ102と組み合わされたユニット110は、リフレッシュ・パルスを各ピクセルの端子20に供給するように計画される。
本発明による装置の作業例が、前記説明とともに、図3のフローチャートによって示されている。
第1ステップ200は、センサのピクセル全てをリフレッシュすることにある。リフレッシュは、全てのピクセル、又はピクセルサブセットに対して順次又は同時に行うことができる。このステップには、放射線写真装置のＸ線源が電力供給される捕捉段階202が続く。ピクセルは光を積分し、そしてそれぞれのキャパシタ端子における電圧は、受容されたエネルギーに従って減少する。
捕捉に続いて、読み取りステップ204が行われ、このステップでは、全てのピクセル又はセンサのピクセルサブセットのコマンド端子に読み取りパルスを印加することにより、読み取り信号が得られる。好ましくは、これはサブサンプル画像を供給することができるピクセルサブセットである。
読み取り204に続いて、計算ステップ206が行われ、このステップは、画像捕捉特性、すなわち、この捕捉段階においてピクセルで生成された画像によって保持されるであろう特性を確立することにある。捕捉特性は、例えばヒストグラム、又は上述の特性のうちの別のものである。
捕捉特性が確立されるやいなや、この特性はプリセット特性と比較される。このことは、例えば、同一濃度値の集合に連関されたピクセルの数を比較することを意味する。捕捉特性がヒストグラムの時には、比較は具体的には、その広がり幅、エンベロープ、又は表面積、又はやはりここでも特性ピークの存在又は位置に関連することができる。比較は、ヒストグラム及びプリセット・ヒストグラムの単純な相互相関計算にあることも可能である。
比較208の結果は、捕捉特性とプリセット特性との間の1つ又はいくつかの差の値の大きさである。
捕捉は、読み取りステップ、計算ステップ、及び比較ステップの間、続けられる。しかしながら、これらのステップは、捕捉特性が程度の差こそあれ不変であると考えられるのに十分に高速で実施される。
比較ステップ208には、2つの意思決定ステップが続く。第1の意思決定ステップ210は、全体にわたって暴露時間に達したか否かを見極めることにある。もし達したのであれば、過度に高い線量が患者に当てられるのを防止するために、Ｘ線源の電力供給が中断され、そしてセンサのピクセルの全て又は一部の読み取り信号に基づいて画像を発生させることにより、プロセスが完了する。Ｘ線暴露の中断、及びこの時点において利用可能な読み取り信号に基づく画像の生成は、図3の符号210によって示される。もし全体にわたって暴露時間に達していないのであれば、第2の意思決定ステップ212が行われる。このステップは、暴露を続行又は中断することにある。捕捉特性とプリセット特性との差が余りにも大きければ、すなわちプリセット特性に達していなければ、暴露は続行される。そうでない場合には、すなわち、プロセット特性に達したか、又はこれを超えるときには、最終ステップ214が行われる。この場合、Ｘ線暴露はやはり中断され、そしてピクセル読み取り信号で画像が形成される。
暴露が続行される場合には、矢印216によって示すように、ステップ202から212を繰り返す。
ステップ214における放射線写真画像の確立に続いて、矢印218によって示されているように、新しいショットの準備を整える、ピクセル全てのリフレッシュが行われる。
図4のクロノグラムは、経時的な装置作業を最もよく示している。クロノグラムは、放射線写真装置のＸ線源に印加される電源電圧を縦座標として示している。電圧が公称電源値Vpsに等しい場合、源はＸ線だけを放射することが想定される。横座標としては、クロノグラムは、正確な縮尺ではない時間を示している。
時点t0において、源に電力が供給され、そして、予めリフレッシュされたピクセルを有するセンサが、受容された光を積分する。ΔTとして示される最大暴露継続時間が、患者への投与に必要とされる最大Ｘ線線量に従って設定される。これは80〜200ミリ秒の規模である。
この継続時間中、より緊密な、すなわち10〜15ミリ秒の規模の規則的又は不規則的なインターバルδtを置いて、前述の読み取りコマンドを作動させることにより、ピクセルの全て又は一部の中間読み取りが行われる。中間読み取りは、小さな鉛直方向の矢印によって示されている。これらは、プリセット捕捉特性に達したか否かを評価するために使用される。プリセット捕捉特性に達したとき、すなわちここでは図4に示された時点tnにおいて、放射線写真画像を確立するために、ピクセル読み取り信号が使用され、そしてＸ線源が中断される。このように、暴露時間の一部が切り詰められていることが判る。この部分は、情報のために破線によって示されている。
図5、6、及び7は、ヒストグラムの形態を成す特定の画像捕捉特性の使用を示している。これらの図は、歯科用ラジオグラフの具体的な事例に関して示されている。
図5は、利用可能な暴露許容範囲を正確にカバーしている、正しく暴露された歯科用ラジオグラフの典型的なヒストグラムを示している。ヒストグラムは横座標として、濃度値、又はグレイ値の範囲を示し、この範囲は、図面の左手側の透明組織に対応する低濃度(黒)から、図面の右手側の不透明組織に対応する高濃度(白)へ、連続的に延びている。縦座標として、ヒストグラムは、それぞれの濃度値に対応するピクセルの数を示している。この場合センサ信号がデジタル化され、12ビットにコードされるので、濃度値は0から4095までの間で広がる。破線Bは、それを上回ると、受容されるＸフォトンの数が少なくなり、信号対ノイズが、ラジオグラフ撮影された組織をもはや区別できない点まで劣化されるような限度を示している。
図5におけるヒストグラムは、歯科用ラジオグラフの特性濃度に対応する4つのピークを示す。第1の低濃度ピーク501は、患者の頬に相当する。第2のより高濃度のピーク502は、顎骨又は歯の象牙質に相当する。第3のさらにより高濃度のピーク503は、歯のエナメル質に相当する。最後に、第4のほとんど不透明のピーク504は、歯上に存在する任意のアマルガムに相当する。図5のヒストグラムに匹敵するエンベロープ、又は広がりは、例えばプリセット捕捉特性のために使用することができる。
比較のために、図6は、ピクセルの中間読み取り時点において確立されたヒストグラムを示す。受容された線量はまだ低く、図5のピーク501, 502, 503及び504にそれぞれ対応するヒストグラム・ピーク601, 602, 603及び604は、高濃度側、すなわち不透明物質の側に集められる。このことは、この時点に積分された光の量が低いことに起因する。例えばこれは、図4の時点t1である。Ｘ線による暴露が続くにつれて、ヒストグラムが発展し、ピークが成長し、そして図5の形状を与えるために、矢印によって示す方向に広がりが増大する。この時点において、Ｘ線暴露は一時中断することができる。
しかしながら、暴露が続くと、ヒストグラムはさらに発展し、図7に示すような形状を成す。図1のピーク503及び504にそれぞれ対応するピーク703及び704だけが残る。他のピークは、ヒストグラムの左手側に消えた。これは暴露過多又はセンサのブルームをもたらし、すなわち、ピクセル数の増大からキャパシタが完全放電されることになる。
施術者が実施しようとする検査のタイプに応じて、種々異なるプリセット捕捉特性を採用することができる。図5のヒストグラムは、全体的な口腔検査のためのプリセット・ヒストグラムとして採用することができる。図6のヒストグラムは、軟質透明組織に限定された試験のために採用することができるのに対して、図7は、エナメル質又はアマルガムの検査のためのプリセットとして採用することができる。
図8は、上記方法を実施する装置を単純化して示している。この装置は、符号800によって示されたＸ線源、符号810によって示されたCMOS型センサ、コンピュータ812、及びモニター514を含む。コンピュータ812、例えばPC、又は専用ユニットはいくつかの機能を有する。これらの機能のうちの1つは、センサ810のピクセルの読み取り信号を集め、そして読み取りパルス及びリフレッシュ・パルスをセンサに供給することである。これを目的として、装置はシーケンサを含む。コンピュータ812はまた、画像捕捉特性を確立し、そしてこれらの特性とプリセット特性とを、既に説明した形式で比較する。装置は、接続されたモニター又はスクリーン814によって再現された画像をフォーマットするために、読み取り信号を使用することもできる。
最後に、コンピュータは、電源818をＸ線源に接続する電源回路において直列接続された2つのスイッチ816及び817を制御する。第1のスイッチ817は、プリセット最大継続時間ΔTに達したときにＸ線透過を中断するために設けられている。第2のスイッチは、プリセット捕捉値に達したときに電力供給を中断するために設けられている。
符号Dは、組織、具体的には、Ｘ線源とセンサとの間の放射線写真フィールド内に位置する歯を表す記号である。センサ810は、具体的には口腔内センサである。
引用した文献
（1） 米国特許第6,856,249号明細書
（2） 米国特許第6,230,975号明細書
（3） 米国特許出願公開第2002/0134911号明細書
（4） 欧州特許出願公開第0858212号明細書
（1） 米国特許第6,856,249号明細書
（2） 米国特許第6,230,975号明細書
（3） 米国特許出願公開第2002/0134911号明細書
（4） 欧州特許出願公開第0858212号明細書
Claims (11)
- 別個の読み取りコントロール(30)及びリフレッシュコントロール(20)をそれぞれ備えたピクセル(10)を有するMOS型イメージセンサ(810)を含む放射線写真装置内のＸ線源(800)をサーボ制御する方法であって、放射線写真作業中に、それぞれの読み取りに応答して、少なくとも1つの画像捕捉特性を確立するように、Ｘ線源の電力供給を維持しながら、複数のイメージセンサピクセルの読み取りコントロールが繰り返し呼び出され、そして、該画像捕捉特性がプリセット画像捕捉特性に相当したときに、Ｘ線の放射が中断される、放射線写真装置内のＸ線源をサーボ制御する方法。
- 該画像捕捉特性がヒストグラムである請求項1に記載の方法。
- 該プリセット特性が、ヒストグラム形状を有し、そして特に、軟質組織、骨及び象牙質、エナメル質及び不透明物質にとって特徴的なピーク(501, 502, 503, 504, 601, 602, 603, 604, 703及び704)のうちの少なくとも1つに向けられているヒストグラム形状を有する請求項2に記載の方法。
- 該画像捕捉特性が、少なくとも1つの画像濃度値に対応するピクセルの数である請求項1に記載の方法。
- 該画像捕捉特性が、閾値を超える濃度スペクトルの広がりである請求項1に記載の方法。
- 読み取りコントロールが、該イメージセンサの全てのピクセルそれぞれに、該イメージセンサのピクセルサブセットに、伝送され、そして該画像捕捉特性が、全てのピクセルそれぞれの読み取り信号に、該イメージセンサのピクセルサブセットの読み取り信号に、基づいて確立される請求項1に記載の方法。
- 該ピクセルサブセットが、センサ表面上に均一に分配されたピクセルを含む請求項6に記載の方法。
- 該読み取りコントロールが順次様式で呼び出される請求項1に記載の方法。
- 該画像捕捉特性がプリセット画像捕捉特性に相当したときには、該センサピクセルが読み取られ、そして読み取り中に得られた読み取られた信号に基づいて、画像が形成される請求項1に記載のサーボ制御方法を用いた放射線写真方法。
- Ｘ線源(806)並びに別個の読み取りコントロール及びリフレッシュコントロールをそれぞれ備えたピクセルを有するMOS型イメージセンサ(810)；放射線暴露時間にわたって分配される一連の呼び出し信号を該読み取りコントロールに印加するためのシーケンサ；画像捕捉特性を確立するために、そして該捕捉特性とプリセット捕捉特性とを比較するために、該呼び出し信号に応答して該ピクセルによって供給された読み取り信号を受信するコンピュータ(812)；並びに該捕捉特性がプリセット画像捕捉特性に相当したときに暴露を中断するための、該コンピュータによって制御される放射線暴露中断手段(817)、を含む放射線写真装置。
- 該ピクセルによって供給された読み取り信号に基づいて画像を供給するための画像再現手段(814)をも含む請求項10に記載の装置。
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