JP3120224B2 - Mri装置 - Google Patents
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Description
グ装置、すなわち、MRI装置に関し、特に、生体現象
を測定する生体現象測定手段を有し、該生体現象測定手
段により測定された生体現象データを判定する判定方法
手段を有し、前記生体現象測定手段により、MRI時系
列画像データの計測と共に生体現象データを計測し、計
測前に前記判定方法手段に入力された判定条件に基づい
て、上記MRI時系列画像データを保存又は削除し、デ
ータの保存量を全体的に削減させることができるMRI
装置に関する。
は、静磁場中に置かれた核スピンが核磁気共鳴の共鳴条
件を満たす高周波磁場を吸収することを利用して、物質
の断層像などを得る装置である。最近、このようなMR
I 画像を用いた脳機能計測 (functional MRI : 以
下 fMRI と記述する) を行うことが可能になりつつ
あり、特定の刺激に反応する脳の活性化領域を画像化す
る研究が行われている。参考文献として、プロシーディ
ング・オブ・ナシュナル・アカデミー・オブ・サイエン
ス・USA、89、(1992)(Proc. Natl. Acad.
Sci. USA 89 (1992))などが挙げられる。検査対象に視
覚刺激などを与えると、刺激に関連する領野のMR 信号
が増加する。この信号変化のメカニズムは、血液中のヘ
モグロビン(Hb)の磁気的性質に依存している。反磁性で
ある酸素化Hbは磁気的に無視できるが、脱酸素化Hbは常
磁性であるため、周辺の静磁場の均一性を乱し、MR信号
を減少させる性質がある。検査対象に特定の刺激を与え
ると、刺激に関連する領野において酸素代謝量が数%程
度増加し、これを補うために酸素化Hb を多く含んだ動
脈血が数十%程度増加する。このような血流量の過剰な
増大によって、活性化領域の脱酸素化Hbの比率が低下
し、その結果MR信号が増加する。従って、安静状態と刺
激印加状態における信号強度を比較することにより、活
性化部位を抽出することができる。しかし、このような
MR信号の増加は原画像の数%程度であるため、活性化領
域の抽出を行う場合には、t 検定と呼ばれる統計的手法
がよく用いられる。一般的に用いられている t 検定の
一例を説明する。
集団の平均値の差を推定する検定法であるが、この場合
はノイズレベルの等しい(すなわち分散の等しい)安静
時の画像と刺激印加時の画像の信号平均値の差に関する
検定を行う。このような2つのの母集団が存在すると
き、「数1」で表されるt は、自由度(ns+nr-2)の t分
布に従う。
安静時の画像枚数、ms(n)は刺激印加時の信号平均値、m
r(n)は安静時の信号平均値、μs(n)は刺激印加時の母平
均、μr(n)は安静時の母平均、ss(n)は刺激印加時の信
号偏差平方和、sr(n)は安静時の信号偏差平方和、n = n
s+nrである。μs(n) - μr(n) = 0 、すなわち安静時の
画像の信号平均値と刺激印加時の画像の信号平均値に差
がないものと仮定する。この時、実験値および実験条件
からピクセル毎に t 値を求めることができる。「数
1」で表される t 分布と実験から求めた t 値とのず
れが大きいほど、上記の仮定が棄却される危険が大き
い。上記仮定を棄却するための閾値 t0 は危険率αと自
由度(ns+nr-2)によって与えられる。 t0 よりも t 値の
大きいピクセルは、安静時と刺激印加時の画像の信号平
均値に統計的な有意差があるということになるから、こ
のようなピクセルを活性化部位として抽出する。
活性化部位を高精度で抽出するためには、安静時および
刺激印加時の画像枚数はできるだけ多いことが望まし
い。実際に行われているfMRIでは、1回につき数十
枚程度の画像を計測することが多い。
例は、現在のところPET ( Positron Emission Tomograp
hy ) などの他のモダリティによる計測例の再実験的な
ものが多く、このような場合には従来の技術で述べたよ
うに計測する画像枚数は数十枚程度である。しかし、M
RI は無侵襲で高い時間分解能と空間分解能を有する
ことから、将来は記憶や学習などの高次脳機能解明や脳
疾患の診断などに用いられる可能性が高く、計測に要す
る画像枚数は大幅に増加するものと見込まれる。例え
ば、睡眠中の脳機能を調べるような場合には、1回の計
測時間が数時間にも及び、画像枚数は少なくとも数百枚
になることが予想される。あるいは将来、数十ms毎の画
像計測が可能になると、脳内の情報伝達がある程度観察
可能になるが、このような超高時間分解能の計測におい
ても、画像枚数は数百枚になると思われる。このような
場合、データ量が膨大で保存しきれないという問題が生
じる。本発明の目的は、大量の画像を計測するfMRI
において、脳機能データを効率良く保存することにあ
る。
め、被検体からMRI時系列画像データの信号を得てこ
のデータの像再構成処理を行い脳機能計測を行なうMR
I装置において、生体現象を測定する生体現象測定手段
と、該生体現象測定手段により測定された生体現象デー
タを判定する判定手段とを有し、前記MRI時系列画像
データの計測と共に前記生体現象測定手段により前記被
検体の脳波データを計測し、前記判定手段は前記脳波デ
ータの特徴を前記脳波データのフーリエ変換の結果によ
り判定し、この判定結果に基づいて前記MRI時系列画
像データを保存又は削除するか決定することを特徴とす
るMRI装置を提供する。
するMRI装置では、fMRI の計測と同時にあるいは
計測の合間に脳波、心電、筋電、眼球運動、血圧、体温
などのモダリティを用いて被検者の生体現象をモニタ
し、保存する必要の無い脳機能データを決定する。たと
えば睡眠中の脳機能等を調べる場合、計測時間が1時間
以上になることも考えられ、すべての画像データを保存
するとデータ量は膨大になる。しかし、実際には入眠前
のデータなど、保存する必要の無い画像データも数多く
存在する。このような画像データの重要度を決定する手
段として、上記モダリティを用いることにより、睡眠状
態などをモニタすることができる。たとえば睡眠の段階
によって、脳波や眼球運動などのパターンが変化するこ
とが知られている。このような生体現象データを参照す
ることにより、保存する画像データ量を削減することが
できる。
に基づいて説明する。
一例を示す構成図である。図において、1は静磁場を発
生するコイル、2は傾斜磁場を発生するコイル、3は検
査対象であり、この検査対象はコイル1および2内に配
置される。シーケンサ4は傾斜磁場電源5、高周波発信
器6に命令を送り、傾斜磁場および高周波パルスを検査
対象3に印加する。高周波パルスは、高周波変調器7、
高周波増幅器8を経て高周波送信器9により、検査対象
3に印加される。検査対象から発生したMR信号は受信器
10によって受波され、増幅器11、位相検波器12、
AD変換器13を通ってCPU14に送られ、ここで信号処
理が行われる。必要に応じて、記憶媒体15に信号や測
定条件を記憶させることもできる。また、表示装置17
上に信号や測定条件の表示を行うこともできる。16は
生体現象計測装置であり、MRI画像の計測中あるいは
計測の間に、脳波計、心電計、呼吸モニタ、筋電計、眼
球モニタ、血圧計、体温計などの検査対象の生体現象を
モニタし、この生体現象データはシーケンサ4、CPU1
4に送られ、必要に応じて記憶媒体15に保存すること
もでき。表示装置17上に表示することもできる。
成などの信号処理を行う。また、上記CPU14には上記
生体現象データが送られるので、例えば睡眠中の脳機能
等を調べる場合には、上記生体現象データに基づき、入
眠前のデータなど保存する必要のない画像データを上記
CPU14上で決定し、保存データ量の削減処理を行うこ
とができる。また、あらかじめ上記の処理により保存す
る必要のない画像を決定すれば、上記画像については再
構成処理を行わないようにすれば、信号処理時間を短縮
することができる。
えば計測前あるいは計測後に保存の条件をCPU14に入
力することによって行う。例えば、睡眠中の脳機能を計
測する場合には、睡眠第1段階の数分前からのデータを
保存し、それ以前のデータは削除するなどの条件を計測
前にCPU14に入力しておき、後述する判定条件に基づ
いて覚醒期と睡眠の第1段階を自動的に識別した後、CP
U14上で必要の無いデータを削除する。あるいは、睡
眠段階の自動判別を行った後、睡眠段階を表示装置17
上に表示し、例えば保存したい睡眠段階の範囲をマウス
等で指定することにより、CPU14上で必要の無いデー
タを削除する。
合、MRIで時系列画像を計測しながら、被検者の覚醒
時から睡眠までの意識水準をモニタする必要がある。こ
のような場合、脳波や眼球運動などを単体で、あるいは
複数モダリティを組み合わせたモニタ方法が有効であ
る。
その障害をめぐって、メディカルカルチュア、頁16〜
25(1994)」に述べられているように、1968
年にレッヒシャフェン及びカーレス(Rechtschaffen an
d Kales)らによって作成された睡眠段階の国際的基準
が現在よく用いられている。
から第4段階までのノンレム睡眠と、レム睡眠の合計5
段階に分けられ、脳波や眼球運動、筋電図は以下に示す
ように睡眠の段階に応じて変化する。
間出現。低振幅のβ波(14〜30Hz)が混入。
のβ波、θ波(4〜7Hz)、δ波(0.5〜3Hz)が不規
則に出現。後半には、中心部、頭頂部優位に頭頂部鋭波
あるいは瘤波と呼ばれる高振幅で鋭い波が出現すること
がある。
に大きく揺れる。
期 脳波:比較的低振幅。β波、α波、θ波、δ波の様々な
周波数が不規則に出現。10〜15Hzの波が0.5秒間以
上連なる紡錘波や、中心部位に2相性の高振幅で2Hz以
下の遅い波、K複合波が優位に出現。
波の出現時間が判定区間の20〜50%の時が第3段
階、50%以上の時が第4段階。
りもα波がより目立つ。鋸波状波と呼ばれる脳波パター
ンが見られることがある。
行う場合の実施例を述べる。
が長い場合、この間のMRI画像をすべて保存する必要
は無く、重要度の高い入眠時付近のMRI画像のみ脳機
能データとして保存すれば良い。図2に示すように、実
験開始直後から入眠直前までのMRI画像は重要度が低
いものとして保存しないか、あるいは必要に応じて図3
に示すように間引きして保存することによりデータ保存
量を削減することができる。図2および図3において、
斜線部はMRI画像保存する時間領域を示している。
ータなどの変化から推定できる。覚醒状態からノンレム
睡眠の第1段階への移行における顕著な変化は、α波の
出現率の変化である。そこで、MRI 計測と同時に計
測した脳波データをフーリエ変換し、8〜13Hzの成分
の出現時間が判定区間の50%を超える場合は覚醒状態
とみなす。α波の出現率の判定例を図4、図5を用いて
説明する。図4はα波の出現率判定の概念図、図5はア
ルゴリズム例である。上記睡眠段階の国際的基準では、
20秒〜1分の判定区間を設け、その間の出現率を求め
る。この判定区間を図4に示すようにN個の小区間に分
割する。次に、上記小区間毎に脳波データをフーリエ変
換し、8〜13Hzの成分のパワーデンシティPを求め
る。上記パワーデンシティPが所定の閾値Tpを超える場
合、上記小区間においてα波が出現しているものとみな
し、α波が出現している小区間の数を示す変数、CNTに
1が加算される。この操作をN個の小区間に対して行
い、CNT > 閾値Tcntであれば、α波の出現時間が50%
を超えているとCPU上で判定され、上記判定区間は覚
醒状態であるとみなす。閾値TcntはN / 2以上の整数で
ある。たとえばN = 10とすると、閾値Tcnt は 5とすれ
ばよい。CPU上で、覚醒状態であると判定された判定
区間内のMRI時系列画像データは、削除する、又は、
間引きして保存するというような条件に基づいて、覚醒
状態の判定区間内に計測された画像データを処理し、画
像データの保存量を抑えるようにする。
像もすべて保存しておく必要があるとは限らない。入眠
時と同様に、睡眠段階の変化前後のMRI画像のみが重
要な場合もあり得る。このような場合には、図6に示す
ように睡眠段階の変化前後以外のMRI画像は保存しな
いか、あるいは図7に示すように間引きして保存するこ
とにより、データの保存量を削減することができる。図
6および図7において、斜線部はMRI画像を保存する
時間領域を示している。
ータなどの変化から推定できる。第1段階から第2段階
への移行における顕著な変化は、紡錘波やK複合波の出
現である。また、第1段階では眼球運動が観測される
が、第2段階ではほとんど静止する。筋電図のレベルも
低下する。この場合例えば紡錘波やK複合波が出現して
いる場合、あるいは眼球運動の最大振幅が200μV以
下に低下した時、あるいは筋電図のレベルが50μVの
時などを第2段階とみなす。または、以上の条件のすべ
てが、あるいは2つ以上が満たされる時を第2段階とみ
なしても良い。ただし、第2段階で眼球運動の波形のベ
ースラインが変動し、上記条件を満足しない場合もあり
得るので、たとえば眼球運動波形の変動の周波数の変化
を判定条件に入れても良い。
説明する。図8は紡錘波の出現判定の概念図、図9はア
ルゴリズム例である。上記したように、紡錘波の特徴は
10〜15Hzの波が0.5s以上連続して出現することである。
図8に示すように、20秒〜1分の判定区間をN個の小区
間に分割する。一つの小区間の長さは例えば0.1秒とす
る。次に、上記小区間毎に脳波データをフーリエ変換
し、10〜15Hzの成分のパワーデンシティPを求める。同
様に、上記8〜13Hzの成分の出現時間が判定区間の50
%を超える判定区間に対し、10〜15Hzの成分のパワーデ
ンシティPrを求め、上記パワーデンシティの比P/Prが所
定の閾値Tpを越える場合、上記小区間において10〜15Hz
の波が出現しているものとみなし、10〜15Hzの波が出現
している小区間の数を示す変数、CNTに1が加算され
る。上記パワーデンシティPが閾値Tp(例えば3とす
る)以下である場合、CNTを0としてリセットする。こ
の操作をN個の小区間に対して行い、CNT > 閾値Tcnt
(例えば5とする)であれば10〜15Hzの波が0.5s以上連
続して出現しているものと判定され、上記判定区間にお
いて紡錘波が出現しているものとみなす。上記小区間の
長さが0.1秒であれば、閾値Tcntはたとえば5とする。
ついて、CPU上で、例えば、睡眠段階の変化前後以外
の判定区間内のMRI画像データは保存しない、又は睡
眠段階の変化前後以外の判定区間内のMRI画像データ
は間引きして保存するというような条件によって、判定
された各判定区間内に計測されたMRI時系列画像デー
タを処理し、データ保存量を抑制する。条件は、任意に
必要に応じて設定する。
用いて説明する。図10はK複合波の出現判定の概念
図、図11はアルゴリズム例である。K複合波の特徴は
中心部優位、2相性の高振幅で2Hz以下の波であるとい
うことである。そこで、脳波データを計測する場合に頭
部の中心部と中心部以外の頭部部位のデータを計測す
る。それぞれの脳波データを20秒〜1分の判定区間に分
け、上記判定区間毎に脳波データをフーリエ変換する。
中心部とそれ以外の部位で、同一区間の0〜2 Hzの成分
のそれぞれパワーデンシティPcおよびPoを求め、上記パ
ワーデンシティの比Pc/ Poが閾値Tr(例えば2とする)
を超える場合、上記区間においてK複合波が出現してい
るものとみなす。また、続いて紡錘波が発生することが
K複合波の特徴のひとつであるから、上記パワーデンシ
ティの比Pc / Poが閾値を超える判定区間の次の判定区
間において、紡錘波が出現していることをK複合波出現
の条件に加えても良い。
著な変化は、睡眠徐波の出現である。また第4段階では
睡眠徐波の出現率がさらに増える。この場合、睡眠徐波
の出現時間が判定区間の20〜50%の時を第3段階、
50%以上の時を第4段階とみなす。
ば、睡眠段階の変化前後以外の判定区間内のMRI画像
データは保存しない、又は睡眠段階の変化前後以外の判
定区間内のMRI画像データは間引きして保存するとい
うような条件によって、判定された各判定区間内に計測
されたMRI時系列画像データを処理し、データ保存量
を抑制する。
用いて説明する。図12は睡眠徐波の出現判定の概念
図,図13はアルゴリズム例である。睡眠徐波とは高振
幅(75μV以上)で2 Hz以下のδ波のことである。こ
の判定区間を図12 に示すようにN個の小区間に分割す
る。次に,上記小区間毎に脳波データをフーリエ変換
し,0〜2 Hzの成分のみ逆フーリエ変換する。上記逆フ
ーリエ変換した脳波データの振幅が75μV以上である場
合,上記小区間において睡眠徐波が出現しているものと
みなし,睡眠徐波が出現している小区間の数を示す変
数,CNTに1が加算される。この操作をN個の小区間に対
して行い,CNT / N >0.5であれば,睡眠徐波の出現時間
が50%を超えていると判定され,上記判定区間は第4
段階であるとみなす。0.2 < CNT / N ≦ 0.5であれば,
睡眠徐波の出現時間が20〜50%であると判定され,
上記判定区間は第3段階であるとみなす。
眼球運動の出現である。眼球運動は第2〜第4段階では
ほとんど現れないので,この眼球運動の最大振幅がたと
えば200μV以上の時レム睡眠とみなす。ただし,第
2〜第4段階の睡眠でも眼球運動波形のベースラインが
ゆっくりと変動することがあり,また第1段階では振り
子のような大きな揺れが観測されるので,このような動
きと区別するために眼球運動波形の微分波形の変化を判
定条件に入れても良い。
体現象は,上記実施例に限定されるものではなく,発汗
量や心拍数,呼吸数,血圧なども睡眠周期に一致して変
動することが知られている。たとえば発汗量は,レム睡
眠よりもノンレム睡眠の方が多く,特に第1睡眠周期の
ノンレム睡眠の時期に顕著な発汗が見られる。
範囲は,以上述べてきたような睡眠中の脳機能計測に限
られるものではない。例えば、手指を動かすことを想像
したときの脳機能を計測する場合、実際に手指を動かす
筋肉が動いていないことを確認することが必要である。
このような目的には、筋電図が適している。筋電図波形
の変化により筋肉の動きをモニタし,筋肉が動いてしま
った期間については図14に示すようにMRI画像を保存
しないことにより,データの保存量を削減することがで
きる。図14において,斜線部はMRI画像保存する時間
領域を示している。
PU上で、データ処理を行い、保存量の削減を実現す
る。上記の具体的な例として、MRIデータの測定中の
睡眠時間の1サイクルが90分とし、この中で判定した
結果、各睡眠段階が定める割合は、覚醒:1〜3%、第
1段階:数%以下、第2段階:40〜50%、第3、第
4段階:20〜30%、及びレム段階:20〜25%で
あるとする。全計測時間が150分として、入眠までに
60分かかるとして、最初の覚醒段階の50分のデータ
は保存しなく、後の100分のデータは保存するという
ように設定すると、33%ほ保存量の削減につながる。
また、睡眠時間の90分のうち、第3、第4、レム睡眠
中のデータのみ保存するように設定すると、第3、第
4、及びレム睡眠が定める割合が55%とすると、約6
7%の保存量のデータの削減につながる。
MRI装置によれば、fMRI の計測と同時にあるいは計
測の合間に脳波データを用いて被検者の生体現象をモニ
タし、保存する必要の無い脳機能データを決定するの
で,保存データ量を削減することができる。
る。
る。
ある。
である。
である。
ある。
ある。
である。
である。
念図である。
ム例である。
念図である。
ム例である。
である。
Claims (8)
- 【請求項1】 被検体からMRI時系列画像データの信
号を得てこのデータの像再構成処理を行い脳機能計測を
行なうMRI装置において、生体現象を測定する生体現
象測定手段と、該生体現象測定手段により測定された生
体現象データを判定する判定手段とを有し、前記MRI
時系列画像データの計測と共に前記生体現象測定手段に
より前記被検体の脳波データを計測し、前記判定手段は
前記脳波データの特徴を前記脳波データのフーリエ変換
の結果により判定し、この判定結果に基づいて前記MR
I時系列画像データを保存又は削除するか決定すること
を特徴とするMRI装置。 - 【請求項2】 前記生体現象測定手段は、前記被検体の
脳波を、前記MRI時系列画像データの計測と同時又は
前記MRI時系列画像データの計測の合間に計測するこ
とを特徴とする請求項1に記載のMRI装置。 - 【請求項3】 前記判定手段は、前記判定手段に入力さ
れた判定条件によって、前記脳波データに基づいて自動
的に保存する必要のない前記MRI時系列画像データを
決定し、このMRI時系列画像データについては前記像
再構成処理を行わないようにすることを特徴とする請求
項1に記載のMRI装置。 - 【請求項4】 前記判定手段は、前記生体現象測定手段
が測定した前記脳波データを20秒〜1分の判定区間に
分割し、該判定区間を複数(Nとする)の小区間に分割
し、該小区間毎に前記脳波データをフーリエ変換し、8
〜13Hzの成分のパワーデンシティPを求め、所定の閾
値をT P とするとき、P>T P を満たす前記小区間の数
nを求め、(n/N)≧0.5を満たすか否かを判定
し、この判定結果に基づいて前記判定区間内に計測され
た前記MRI時系列画像データを保存又は削除するか決
定することを特徴とする請求項1に記載のMRI装置。 - 【請求項5】 前記判定手段は、前記生体現象測定手段
が測定した前記脳波データを20秒〜1分の第1の判定
区間に分割し、該第1の判定区間を複数(N’とする)
に分割し、該小区間毎に前記脳波データをフーリエ変換
し、8〜13Hzの成分のパワーデンシティP’を求め、
所定の閾値をT P ’、P’>T P ’を満たす前記小区間
の数nとするとき、(n/N)≧0.5を満たす第1の
判定区間の前記小区間の前記脳波データをフーリエ変換
し、10〜15Hzの成分のパ ワーデンシティP r を求
め、前記生体現象測定手段が測定した前記脳波データを
20秒〜1分の第2の判定区間に分割し、該第2の判定
区間を複数の小区間に分割し、該小区間毎に前記脳波デ
ータをフーリエ変換し、10〜15Hzの成分のパワーデ
ンシティPを求め、所定の閾値をT P とするとき、(P
/P r )>T P を満たす場合に前記小区間において10
〜15Hzの波が出現しているものとみなし、前記第2の
判定区間内で10〜15Hzの波が0.5秒以上連続して
出現するか否かを判定し、この判定結果に基づいて前記
第2の判定区間内に計測された前記MRI時系列画像デ
ータを保存又は削除するか決定することを特徴とする請
求項1に記載のMRI装置。 - 【請求項6】 前記判定手段は、前記生体現象測定手段
が測定した前記被検体の頭部の中心部からの前記脳波デ
ータを20秒〜1分の判定区間でフーリエ変換し、0〜
2Hzの成分のパワーデンシティP C を求め、前記生体現
象測定手段が測定した前記中心部以外の部位からの前記
脳波データを前記判定区間でフーリエ変換し、0〜2Hz
の成分のパワーデンシティP 0 を求め、所定の閾値をT
r とするとき、(P C /P0)>T r を満たすか否かを
判定し、この判定結果に基づいて前記判定区間内に計測
された前記MRI時系列画像データを保存又は削除する
か決定することを特徴とする請求項1に記載のMRI装
置。 - 【請求項7】 前記判定手段は、前記生体現象測定手段
が測定した前記脳波データを20秒〜1分の判定区間に
分割し、該判定区間を複数(Nとする)の小区間に分割
し、該小区間毎に前記脳波データをフーリエ変換し、該
フーリエ変換の結果の0〜2Hzの成分を逆フーリエ変換
し、該逆フーリエ変換の結果の振幅が75μV以上であ
る前記小区間の数nを求め、(n/N)≦0.5を満た
すか否かを判定し、この判定結果に基づいて前記判定区
間内に計測された前記MRI時系列画像データを保存又
は削除するか決定することを特徴とする請求項1に記載
のMRI装置。 - 【請求項8】 前記判定手段は、前記生体現象測定手段
が測定した前記脳波データを20秒〜1分の判定区間に
分割し、該判定区間を複数(Nとする)の小区間に分割
し、該小区間毎に前記脳波データをフーリエ変換し、該
フーリエ変換の結果の0〜2Hzの成分を逆フーリエ変換
し、該逆フーリエ変換の結果の振幅が75μV以上であ
る前記小区間の数nを求め、(n/N)>0.5を満た
すか否かを判定し、この判定結果に基づいて前記判定区
間の間に計測された前記MRI時系列画像データを保存
又は削除するか決定することを特徴とする請求項1に記
載のMRI装置。
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JP09230528A JP3120224B2 (ja) | 1997-08-27 | 1997-08-27 | Mri装置 |
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