JP5558672B2 - 画像処理装置及びｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents
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Description
本発明は、被検体の心機能に関する指標、特に血流機能に関する指標を計算する画像処理装置及びＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。
Ｘ線ＣＴ検査において、心機能解析、具体的には左心室心筋領域についての血流解析が行われている。血流解析においては、解析対象となる関心領域（典型的には、左心室心筋領域）を設定し、設定された関心領域の造影剤濃度変化量を計算し、計算された値に基づいて血流動態に関する様々なインデックスを計算する。典型的な血流解析手法では、複数時刻での造影剤濃度変化量のデータを必要とする。
心筋領域を設定する手法としては、例えば特許文献１記載のＬｅｖｅｌ ｓｅｔ法が知られている。このような従来法では、造影されていない時刻におけるボリュームデータでは、心筋と内腔の画素値が等しいため、心筋領域が特定できない。また、造影剤によるコントラストが十分にあるボリュームデータにおいては、心筋領域の輪郭が忠実に特定され、特定された心筋領域に関心領域が設定される。そのため心臓の拍動やパーシャルボリューム効果により、心筋領域の画素値は、心筋領域外、例えば左心室内腔の造影剤や乳頭筋領域、肺領域等の画素値の影響を受けるため、血流解析の精度が低下してしまう。また、複数のボリュームデータファイルに複数の関心領域をそれぞれ設定する場合、各ボリュームデータファイルに同様の処理を繰り返すことによって各関心領域を設定するため、演算量が膨大になってしまう。
特許第３９０２７６５号公報
本発明の目的は、心機能解析の精度を向上することが可能な画像処理装置及びＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することにある。
本発明の第１局面に係る画像処理装置は、医療機器で収集された、造影された心臓領域に関する第１画像のデータを記憶する記憶部と、前記第１画像のデータの画素値の分布に基づいて前記心臓領域に含まれる特定領域を特定する第１特定部と、前記特定された特定領域を縮小させた領域を関心領域に設定する設定部と、前記設定された関心領域について前記特定領域の機能に関する指標を計算する指標計算部と、を具備する。
本発明の第２局面に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体の造影された心臓を含むスキャン領域をスキャンするスキャン部と、前記スキャン部からの投影データに基づいて前記心臓の領域を含む画像のデータを発生する発生部と、前記発生された画像のデータの画素値の分布に基づいて前記心臓領域に含まれる特定領域を特定する特定部と、前記特定された特定領域を縮小させた領域を関心領域に設定する設定部と、前記設定された関心領域について前記特定領域の機能に関する指標を計算する指標計算部と、を具備する。
本発明によれば、心機能解析の精度向上を実現する画像処理装置及びＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することが可能となる。
以下、本発明の実施形態に係る画像処理装置とＸ線コンピュータ断層撮影装置（以下、Ｘ線ＣＴ装置と呼ぶ）とを図面を参照しながら説明する。本実施形態の特徴としては、被検体の心臓に関する複数のボリュームデータから心臓の関心領域（以下、ＲＯＩと呼ぶ）の血流解析を行う場合において、心臓の拍動やパーシャルボリューム効果等による影響の少ないＲＯＩを設定することで血流解析の精度を向上することにある。心臓の血流解析のためのＲＯＩとしては、血液を全身へと駆出する主要器官である左心室の心筋領域が好まれる。左心室の心筋領域の血流動態を調べることで、心機能の異常を特定するのに役立つ。本実施形態に係るＲＯＩは、左心室の心筋領域に設定するものとする。
なお、本実施形態に係るボリュームデータを発生する医療機器は、特定の装置に限定されることは無い。モダリティは、例えば、Ｘ線ＣＴ装置、シングルフォトンエミッショントモグラフィ装置（ＳＰＥＣＴ）、ポジトロンエミッショントモグラフィ装置（ＰＥＴ）、磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）、超音波診断装置等の何れでもよい。以下、医療機器として、Ｘ線ＣＴ装置を例に本実施形態を説明する。
図１は、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１の構成を示す図である。Ｘ線ＣＴ装置１は、スキャン部１０とコンピュータ装置２０とから構成される。スキャン部１０は、円環又は円板状の回転フレームを回転可能に支持する。回転フレームは、スキャン領域中に天板１２に載置された被検体Ｐを挟んで対向するようにＸ線管１４とＸ線検出器１６とを備える。回転フレームは、高速に連続回転する。Ｘ線管１４は、高電圧発生装置１８からの高電圧の印加及びフィラメント電流の供給を受けてＸ線を発生する。Ｘ線検出器１６には、データ収集部（ＤＡＳ；Data Acquisition System）２１が接続される。データ収集部２１は、Ｘ線検出器１６の各チャンネルの電流信号を収集する。Ｘ線検出器１６は、チャンネル方向に複数の検出素子を並べた素子列をスライス方向（Ｘ線検出器１６の回転軸に沿った方向）に複数列配置してなる。Ｘ線検出器１６は、例えば２５６列以上の素子列を有する。
コンピュータ装置２０は、画像処理装置３０と、表示部２２と、入力部２３とを備える。画像処理装置３０は、制御部３１を中枢として、前処理部３２、再構成部３４、記憶部３６、ＴＤＣ作成部３８、ボリュームデータ特定部４０、心筋領域特定部４２、ＲＯＩ設定部４４、及びインデックス計算部４６を有する。
前処理部３２は、データ収集部２１からの投影データに対数変換処理やＸ線検出器１６の感度補正等の処理を行なう。再構成部３４は、投影データに再構成処理を繰り返し行い、撮影時刻の異なる複数のボリュームデータＶ1、…、ボリュームデータＶn（ｎ＞１、但しｎは整数とする）を発生する。添え字１は、造影剤注入直後あるいは直前を表す。添え字ｎは、心臓に流れた造影剤が十分に薄まった時刻を表す。ボリュームデータは、心臓領域を含む。ボリュームデータは、３次元的に配置された複数のボクセルから構成される。以下、ボリュームデータにおけるボクセルと、画像データにおけるピクセルとを区別せずまとめて画素と呼ぶことにする。
記憶部３６は、投影データや複数のボリュームデータＶ1〜Ｖnを記憶する。記憶部３６は、各ボリュームデータＶ1〜Ｖnを個別のファイルに記憶する。
ＴＤＣ作成部３８は、複数のボリュームデータＶ1〜Ｖnの全体又は特定領域に関する時間濃度曲線（以下、ＴＤＣと呼ぶ）を作成する。
ボリュームデータ特定部４０は、作成されたＴＤＣに基づいて、複数のボリュームデータＶ1〜Ｖnから、例えば造影剤が十分に流入しているボリュームデータＶp（１＜ｐ≦ｎ）を特定する。以下、特定されたボリュームデータＶpを、基準ボリュームデータＶpと呼ぶ。
心筋領域特定部４２は、基準ボリュームデータＶpの画素値の分布に基づいて、基準ボリュームデータＶpに含まれる左心室の心筋領域を特定する。具体的には、心筋領域特定部４２は、基準ボリュームデータＶpを画素値で閾値処理することにより心筋領域を特定する。
ＲＯＩ設定部４４は、特定された心筋領域を、基準ボリュームデータＶpに含まれる心筋領域をその内部方向に向けてエロージョン処理等により縮小させ（痩せさせ）、縮小後の領域を血流解析のためのＲＯＩ（以下、基準ＲＯＩと呼ぶ）に設定する。また、ＲＯＩ設定部４４は、基準ＲＯＩを、他のボリュームデータＶm（１＜ｍ≦ｎ、ｍ≠p）に含まれる左心室心筋領域の形状や位置に応じて変形や移動させることにより、他のボリュームデータＶmに他のＲＯＩを設定する。
インデックス計算部４６は、設定されたＲＯＩについて、心筋領域の機能についての様々なインデックス、具体的には血流動態に関する様々なインデックスを計算する。インデックスは、ＲＯＩを構成する画素毎に計算される。血流動態に関するインデックスは、例えば、ＢＰ（心筋組織内の単位体積及び単位時間あたりの血流量）［ｍｌ／１００ｍｌ／ｍｉｎ］、ＢＶ（心筋組織内の単位体積あたりの血流量）［ｍｌ／１００ｍｌ］、ＭＴＴ（平均通過時間）［ｍｉｎ］等がある。
以下、制御部３１による血流解析処理について詳細に説明する。図２は、制御部３１による血流解析処理の流れを示す図である。なお、本実施形態においてスキャン部位は、被検体の心臓を含む胸部とする。Ｘ線ＣＴ装置１は、造影剤注入直後あるいは直前から被検体胸部をダイナミックＣＴ撮影する。ダイナミックＣＴ撮影は、同一スキャン部位を反復してＣＴ撮影することである。このダイナミックＣＴ撮影により異なる撮影時刻に対応する複数のボリュームデータＶ1、ボリュームデータＶ2、…、ボリュームデータＶnが発生される。具体的には、ダイナミックＣＴ撮影により収集された投影データは再構成部３４により心電同期再構成処理され、拡張末期に関する複数のボリュームデータＶ1〜Ｖnが発生される。拡張末期に限定することで、拍動によるモーションアーチファクトや、ボリュームデータ間の位置ずれ等を低減することが可能となる。発生された複数のボリュームデータＶ1〜Ｖnは、撮影時刻に関連付けて記憶部３６に記憶される。
まず、入力部２３等からの血流解析処理の開始要求を受けて制御部３１は、ＴＤＣ作成部３８にＴＤＣ作成処理を行なわせる。ＴＤＣ作成処理においてＴＤＣ作成部３８は、複数のボリュームデータＶ1〜Ｖnを記憶部３６から読み込み、複数のボリュームデータＶ1〜Ｖnに関するＴＤＣを作成する（ステップＳ１）。具体的には、ＴＤＣ作成部３８は、複数のボリュームデータＶ1〜Ｖnの複数の所定領域それぞれについて、所定領域を構成する複数画素の画素値の平均値を算出する。そして、算出された複数のボリュームデータＶ1〜Ｖnの複数の平均値に基づいてＴＤＣを作成する。なお、所定領域は、各ボリュームデータの全体領域であっても、各ボリュームデータの着目する一部領域（例えば左心室領域や左心室の心筋領域等）であってもよい。
図３は、作成されるＴＤＣの一例を示す図である。図３に示すようにＴＤＣは、縦軸を平均画素値［ＨＵ］に、横軸を撮影時刻［ｔ］に規定したグラフである。ＴＤＣは、ある時刻ｔpにおいて最大値を有する。
ＴＤＣが作成されると制御部３１は、ボリュームデータ特定部４０にボリュームデータ特定処理を行なわせる。ボリュームデータ特定処理においてボリュームデータ特定部４０は、ＴＤＣに基づいて、複数のボリュームデータＶ1〜Ｖnから基準ボリュームデータＶpを特定する（ステップＳ２）。具体的には図３に示すように、ボリュームデータ特定部４０は、ＴＤＣから平均画素値が最大となる時刻ｔpを特定し、特定された時刻ｔpに関連付けられているボリュームデータ（基準ボリュームデータＶp）を特定する。なお、平均画素値が最大となるボリュームデータを基準ボリュームデータＶpとしたが、ステップＳ２はこの方法に限定されない。例えば、設定された閾値以上の平均画素値を有するボリュームデータを基準ボリュームデータＶpとしてもよい。また、例えば、最大画素値数と最小画素値数との比や画素値の標準偏差、微分強度等を用いて基準ボリュームデータＶpを特定してもよい。
基準ボリュームデータＶpが特定されると制御部３１は、心筋領域特定部４２に心筋領域特定処理を行なわせる。心筋領域特定部４２は、基準ボリュームデータＶpの画素値の分布に基づいて、左心室の心筋領域を特定する（ステップＳ３）。以下、ステップＳ３について詳述する。なお、ボリュームデータの中心は、左心室領域の解剖学的な中心と略一致しているものとする。一致させる方法は、スキャン時において再構成領域中心と被検体の左心室中心とを実座標上で一致させる方法でも、ボリュームデータ発生後に画像処理によりボリュームデータ座標上で一致させる方法でも良い。
図４（ａ）は左心室領域ＣＲの模式的な構造を示す図である。図４（ａ）は左心室領域ＣＲのアキシャル断面を模式的に示す図である。図４（ａ）に示すように、左心室領域ＣＲは、血液の流路である内腔領域ＬＲを含む。また、左心室領域ＣＲは、内腔領域ＬＲの外側に、血液を大動脈へ送り出すための心筋領域ＭＲを有する。図示しないが、心筋領域ＭＲには毛細血管領域が縦横に分布している。心筋領域ＭＲの内側輪郭ＩＣ（内壁）は、無数の細かい襞を有する。また、左心室領域ＣＲは、断面位置によっては、内腔領域ＬＲ内に乳頭筋領域ＰＲを含む。乳頭筋領域は、心筋領域ＭＲに接続され、心筋領域ＭＲから円錐上に突出している。この乳頭筋領域ＰＲは、血流解析の対象ではないのでＲＯＩに含めてはならない。
図４（ｂ）は、内腔領域ＬＲのＴＤＣを示す図である。図４（ｃ）は、心筋領域ＭＲのＴＤＣを示す図である。造影剤は、心室内腔に流入してから心筋に流入する。図４（ｂ）と図４（ｃ）とに示すように、心筋領域ＭＲよりも内腔領域ＬＲの方が早く造影剤に反応し、また、造影剤による画素値の変化が小さい。このため基準ボリュームデータＶpにおいて、造影剤による心筋領域ＭＲの画素値と内腔領域ＬＲの画素値との間には、心筋領域ＭＲと内腔領域ＬＲとを閾値処理によって区別できるほどの差異が生じる。
このような造影剤に対する左心室の各組織の応答特性の違い、すなわち基準ボリュームデータＶpにおける心筋領域ＭＲと内腔領域ＬＲとの画素値の違いを利用して、心筋領域特定部４２は、心筋領域ＭＲを特定する。この処理の具体的手順は以下の通りである。まず心筋領域特定部４２は、閾値処理（Ｋ―Ｍｅａｎｓ法）により、ボリュームデータＶｐを筋肉領域、造影剤領域、空気領域に分割する。次に心筋領域特定部４２は、乳頭筋領域ＰＲが有する特徴的な形状等に基づいて乳頭筋領域ＰＲを基準ボリュームデータＶｐから除外する。この乳頭筋領域ＰＲの除外処理は、既存技術によって行なわれる。乳頭筋領域ＰＲを除去すると、心筋領域特定部４２は、予め設定された心筋領域ＭＲの画素を基準ボリュームデータＶｐの端部から中心に向けて探索していき、心筋領域ＭＲの外側輪郭ＯＣを特定する。次に心筋領域特定部４２は、心筋領域ＭＲの画素を基準ボリュームデータＶpの中心から端部に向けて探索していき、心筋領域ＭＲの内側輪郭ＩＣを特定する。そして心筋領域特定部４２は、特定された外側輪郭ＯＣと内側輪郭ＩＣとに挟まれる領域（外側輪郭ＯＣと内側輪郭ＩＣとの間の領域）を心筋領域ＭＲに特定する。
なお、心筋領域を特定する他の方法として、特許文献１記載のＬＥＶＥＬ ＳＥＴ法を用いても良い。
心筋領域が特定されると制御部３１は、ＲＯＩ設定部４４にＲＯＩ設定処理を行なわせる。ＲＯＩ設定処理においてＲＯＩ設定部４４は、心筋領域の形状に応じて心筋領域を縮小させ、縮小後の領域を基準ＲＯＩに設定する（ステップＳ４）。縮小法の具体例としては、様々な方法が考えられる。例えば以下の方法がある。まず、心筋領域の外側輪郭と内側輪郭とをそれぞれ多面体で近似する。そして、多面体で近似された内側輪郭を心筋領域の内部方向に向けて拡大させ、多面体で近似された外側輪郭を心筋領域の内部方向に向けて縮小させることによって、心筋領域を縮小させる。多面体で近似された内側輪郭は、心筋領域の内側輪郭に分布している襞やモーションアーチファクト、パーシャルボリューム効果を有する領域等がＲＯＩに含まれなくなるまで拡大させるのが良い。具体的な縮小幅や拡大幅は、予め設定された値を使用しても良い。また、縮小幅や拡大幅を被検体の心拍数やスキャン条件、再構成条件により決定しても良い。
他の縮小法としては、心筋領域の外側輪郭部や内側輪郭部を削るように、心筋領域の外側輪郭部や内側輪郭部の画素値を例えば空気領域の画素値に置き換えることによって心筋領域をエロージョン処理（侵食処理）により縮小させる方法がある。
基準ＲＯＩが設定されると制御部３１は、ＲＯＩ設定部４４に他のＲＯＩ設定処理を行なわせる。他のＲＯＩ設定処理においてＲＯＩ設定部４４は、基準ＲＯＩpを、他のボリュームデータＶmに含まれる左心室心筋領域の形状や位置に応じて変形や移動をさせることにより、他のボリュームデータＶmに他のＲＯＩを設定する（ステップＳ５）。具体的には、ＲＯＩ設定部４４は、基準ボリュームデータＶpにおける左心室領域の中心と、他のボリュームデータＶmにおける左心室領域の中心の位置ずれ量を計算する。そして、ＲＯＩ設定部は、他のボリュームデータＶm内において、計算した位置ずれ量だけ基準ＲＯＩを移動させ、移動後の基準ＲＯＩを他のＲＯＩに設定する。また、画素値に基づいて他のＲＯＩ内に心筋領域以外の領域含まれていると判定した場合、ＲＯＩ設定部４４は、心筋領域以外の領域が含まれなくなるまで他のＲＯＩを縮小させる。
ＲＯＩが設定されると制御部３１は、インデックス計算部４６にインデックス計算処理を行なわせる。インデックス計算処理においてインデックス計算部４６は、ステップＳ４やステップＳ５にて設定されたＲＯＩについて血流動態に関するインデックスを計算する（ステップＳ６）。インデックスによっては、単一のＲＯＩに基づいて計算されるものや、複数のＲＯＩに基づいて計算されるものがある。計算されたインデックスは、インデックスの種類に応じた図５に示すようなマップにプロットされる。インデックスがマップにプロットされることでインデックスマップ（ポーラーマップ）が作成される。インデックスマップの作成方法は、公知の技術である。なお、インデックスマップは、心臓領域に関し、心軸を横切る複数の断面のそれぞれについて計算されるインデックスを、左心室の長軸周りの角度と左心室先端からの距離とに応じた極座標にプロットしたマップである。具体的には、図５に示す円形状のマップの中心点は、左心室先端（ａｐｅｘ）に対応している。マップの中心からの距離（半径）は、左心室の長軸に沿う左心室先端から基底（Ｂａｓａｌ）の距離を表している。インデックスマップは、他のボリュームデータＶｍについても同様に作成することができる。医師等は、表示部２２に表示されたインデックスマップを観察することによって、被検体の心臓機能（虚血の有無等）を評価する。
上記構成によれば、Ｘ線ＣＴ装置１は、心筋領域の血流解析において、心筋領域を縮小させた領域をＲＯＩに設定することにより、血流解析精度を低下させる要因である心筋領域の境界部分（少なくとも内側輪郭と外側輪郭とを含む部分）をＲＯＩから除外する。従って、心筋領域の境界部分を含んだ領域を血流解析していた従来に比して、本実施形態に係る血流解析の精度は向上する。また、Ｘ線ＣＴ装置１は、基準ボリュームデータに設定された基準ＲＯＩを利用することにより、処理量の少ない簡便な画像処理によって他のボリュームデータに対して他のＲＯＩを自動的に設定することが可能である。
かくして本実施形態によれば、心機能解析の精度を向上することが可能となる。
なお、上記の血流解析処理は、複数のボクセルからなるボリュームデータに対して行なうとした。しかし、本血流解析処理は、アキシャル断面に関する多数（例えば１００枚）の断層画像のデータ（マルチスライス画像データ）から構成されるボリュームデータに対して行なってもよい。この場合、血流解析処理は、全てのボリュームデータについて、各ボリュームデータを構成する断層画像一枚一枚に対して行なわれる。すなわち、各断層画像について、ステップＳ４にてＲＯＩ設定部４４は左心室の心筋領域にＲＯＩを設定し、ステップＳ６にてインデックス計算部４６はインデックスを計算する。なお、マルチスライス画像データの場合、ステップＳ４における心筋領域の内側輪郭と外側輪郭とは、多角形に近似される。また、記憶部３６に撮影時刻の異なる複数の画像のデータが記憶されている場合、ステップＳ２にて撮影時刻の異なる複数の画像のデータから、時間濃度曲線に基づいて基準の画像のデータを特定する特定部を設けても良い。
上記実施形態において画像処理装置３０は、Ｘ線ＣＴ装置１に含まれる装置であるとした。しかしながらこれに限定する必要はなく、画像処理装置３０は、Ｘ線ＣＴ装置１と電気的通信回線を介して接続されたワークステーションであってもよい。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１…Ｘ線コンピュータ断層撮影装置、１０…スキャン部、１２…天板、１４…Ｘ線管、１６…Ｘ線検出器、１８…高電圧発生装置、２０…コンピュータ装置、２１…データ収集部、２２…表示部、２３…入力部、３０…画像処理装置、３１…制御部、３２…前処理部、３４…再構成部、３６…記憶部、３８…時間濃度曲線（ＴＤＣ）作成部、４０…ボリュームデータ特定部、４２…心筋領域特定部、４４…関心領域（ＲＯＩ）設定部、４６…インデックス計算部、Ｐ…被検体、ＣＲ…左心室領域、ＬＲ…内腔領域、ＭＲ…心筋領域、ＰＲ…乳頭筋領域、ＩＣ…内側輪郭、ＯＣ…外側輪郭
Claims (8)
- 医療機器で収集された、造影された心臓領域に関する第１画像のデータを記憶する記憶部と、
前記第１画像のデータの画素値の分布に基づいて前記心臓領域に含まれる特定領域を特定する第１特定部と、
前記特定された特定領域を縮小させた領域を関心領域に設定する設定部と、
前記設定された関心領域について前記特定領域の機能に関する指標を計算する指標計算部と、
を具備する画像処理装置。 - 前記第１特定部は、前記特定領域として、心筋領域の外側輪郭と内側輪郭との間の領域を特定する、請求項１記載の画像処理装置。
- 前記設定部は、前記外側輪郭と前記内側輪郭との間の厚みを縮小させた領域を前記関心領域に設定する、請求項２記載の画像処理装置。
- 前記記憶部は、前記心臓領域に関し前記第１画像のデータとは異なる時刻に対応する第２画像のデータを記憶し、
前記設定部は、前記第２画像に含まれる左心室の心筋領域の位置又は形状に応じて前記関心領域を移動し又は変形して、前記移動又は変形された関心領域を第２画像の関心領域に設定する、
請求項１記載の画像処理装置。 - 前記心臓領域を含み、異なる時刻に関する複数の画像のデータを記憶する記憶部と、
前記複数の画像のデータに関する時間濃度曲線に基づいて、前記複数の画像のデータから第１時刻に関する前記第１の画像のデータを特定する第２特定部と、
をさらに備える請求項１記載の画像処理装置。 - 前記指標計算部は、前記心筋領域に関する複数の断面のそれぞれについて、前記計算される指標値を、前記心筋領域の左心室の長軸周りの角度と前記左心室の先端からの距離とに応じた極座標にプロットしたマップを作成し、
前記表示部は、前記作成されたマップを表示する、
請求項２記載の画像処理装置 - 前記特定領域の縮小幅は、被検体の心拍数、スキャン条件、及び再構成条件の少なくとも一つに応じて決定される、請求項１記載の画像処理装置。
- 被検体の造影された心臓を含むスキャン領域をスキャンするスキャン部と、
前記スキャン部からの投影データに基づいて前記心臓の領域を含む画像のデータを発生する発生部と、
前記発生された画像のデータの画素値の分布に基づいて前記心臓領域に含まれる特定領域を特定する特定部と、
前記特定された特定領域を縮小させた領域を関心領域に設定する設定部と、
前記設定された関心領域について前記特定領域の機能に関する指標を計算する指標計算部と、
を具備するＸ線コンピュータ断層撮影装置。
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