JPH07501230A - ヒト又は動物の組織の成分を測定するための装置 - Google Patents

ヒト又は動物の組織の成分を測定するための装置

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JPH07501230A
JPH07501230A JP5502188A JP50218893A JPH07501230A JP H07501230 A JPH07501230 A JP H07501230A JP 5502188 A JP5502188 A JP 5502188A JP 50218893 A JP50218893 A JP 50218893A JP H07501230 A JPH07501230 A JP H07501230A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ヒト又は動物の組織の成分を測定するための電磁方法及び装置本発明は、電磁放 射線の探針ビームを使用し、吸収性で濁ったマトリックス、例えばヒト又は動物 の身体組織による電磁放射線例えば光又は赤外放射線を吸収する物質の濃度の、 組織を冒さない測定に関する。本発明は、近赤外放射線を使用してヒトの組織中 のグルコース測定の特別なケースに適用されるとして記述される。しかしながら 、それは、殊に強(吸収性で濁ったマトリックスにより電磁放射線を吸収する任 意の種の濃度の測定に一般的に適用できる。
当該技術分野において知られている赤外測定方法は、強く吸収する溶媒中に溶解 された被検体を定量する問題に十分に適切ではない。既知の方法は、“グルコー ス”波長でのそして、そこではグルコースが吸収しない”参照”波長での別々の 又は直接的な変化の測定、並びにグルコース吸収帯についての微分波長変調を含 む(C,Dahne、D、Gr。
SS、ヨーロッパ特許第0 160 768号及びその中の引用文献)。
既知の方法においては、信号は、組織中のそして毛細血管の血流中の水及びその 他の成分によってもたらさイする変わり得るそして強いバックグランド中に容易 に消失する。
発明の要約 本発明は、上で引用された同時に係属中のヨーロッパ特許出願第89合されたビ ームを形成する2つの波長の変化するパルスから成る放射線ビームが、結合され たビームが組織に入りそして一次検出器によって検出される前に結合されたビー ムのサンプルを取る参照検出器を使用して、バランスされ又は無にされる、バラ ンスされた微分変調方法が開示されている。意図された目的のためには適切であ るけれども、参照検出器と一次検出器との間のスペクトルの応答における回避で きない差を取り扱うために取られる注意が、システムを幾らか複雑にする。
Harjunmaaのバランスされた微分(又はバランスされたブ1ルラン)方 法は、サンプルマトリックス中で同一の吸光係数を有するという特別な特性を有 する2つの波長を利用する。適切な周波数での交互継続性のこれらの2つの波長 を含む放射線ビームが発生される。ビームが測定のために適切にバランスされて いる時には、サンプルによって伝えられた又は反射された放射線を検出するため に置かれた検出器は、放射線中のいずれの変更する成分も検出しない。サンプル がビーム経路中に挿入される時にマトリックスが何らの被検体を含まない場合に は、同じ検出器はまた変更成分を検出しないであろう。サンプルマトリックス中 に幾らかの被検体が存在する場合にだけ、検出器は波長変化に同調した代替信号 を検出するであろう。この弱々しい変更信号を増幅し、そして次に相感受性の検 出器(又はロック・rン(lock−4n)増幅器)を使用して検出する。
本発明の方法及び装置においては、濃度測定は、組織と相互作用する2つの波長 の交互する放射線探針ビームを使用して達成される。1つのた信号は、周波数の 範囲にわたって可変の波長ビームを調子合わせすることによって存在する被検体 の与えられた未知の参照濃度に関してバランスされ又は無にされる。次に、放射 線ビーム中の組織の体液バランスを変え、それによって被検体濃度対参照濃度の 比を変える。次に、相互作用された探針ビームの変更成分を検出する。検出器に よって与えられる交流(AC)信号の振幅は、被検体濃度又は予備設定された参 照被検体濃度からの差を代表する。放射線の組織との相互作用は、反射又は伝導 モードのどちらかで起こり得る。
図面の簡単な説明 図1は、本発明の装置のブロック図である。
図2は、操作の反射モードにおける図1の装置と一緒の使用のための測定ヘッド の側面図である。
図3は、図2のライン■−■に沿って取られた断面図である。
発明の詳細な説明 さて、図1を参照して、本発明をここでそれと関連して詳細に説明する。
光源10は、光スペクトルの好ましくは赤外領域における電磁エネルギー又は放 射線のビームAを発生する。好ましくは、ビームAの強度は、ランプフィラメン ト50に結合された電源12によって一定に維持される。ビームAは、偏光ビー ム分割器32を使用して等しい強度の2本のビーム、B及びCに分割される。ビ ームCは鏡26によって反射される。
両方のビームB及びCは、それぞれ干渉フィルター14及び13並びに焦点に集 めるレンズ1生葎び13を通って光ビーム結合器17に向けられる。
フィルター14及び13は、それぞれビームB及びCに関して好ましい波長を選 択するために使用される。このシステムにおいては、一定の波長ビームBのため の波長λ、は1600nmにおいてであり、一方可変波長ビームCの中心波長λ 、は1750nmにおいてである。ビームCの波長は、ビームCの波長λ2をよ り短い波長に移動するために機械的にフィルター13を傾ける制御器25によっ て変えられる。
これらの波長は、グルコースが1600nmにおいて吸収しそしてグルコースの 吸収は1670〜1730nmの領域においてかなりより少な(そしてかなり一 定であるので、グルコース濃度測定のために特に選ばれる。
一度には1つの波長を選択するために、2本の構成するビームB及びCは液晶可 変遅延器48に向けられる。それは、2つの状態、非回転及び回転の間を交互す るように、制御器39からの制御電圧Vcによって電気的に制御される。遅延器 の後で、ビームはシート偏光プリズムに出会う。その機能は、ただ一つの直線偏 光成分を通過させることである。
回転子は、何もしないか又は両方の構成するビーム偏光を約90度回転させるか のどちらかであろう。かくして一方の又は他方の構成するビームのどちらかが伝 えられ、AC制御電圧Vcの振幅変調周波数で変更されるであろう。遅延器48 はまた、制御電圧VCに応じて、楕円的に偏光された中間状聾を作り出し、そし てそれによって偏光器49を通る与えられた構成するビームの減少した透過率を 引き起こすことによって2つの波長の半期間の強度関係を制御する。その場合に は、他方の構成す操作に対する影響を持たない。
2本のビームB及びCは、磨かれた内側表面を有するテーパーの付いたアルミニ ウムチューブから成って良いビーム結合器17中で合わせられる。ガラス棒、並 びに積分球又はフィルム光学もまた使用することができるであろう。合わせられ たビームの一晩Fは、ビーム結合器17の側部中に空けられた穴を通して参照検 出器29によってサンプルとして取られる。
合わせられたビームDの主な部分は、身体のサンプリング領域18、例えば指皮 膜又は耳たぶに入り、そして身体組織によって減衰される。
生成するビームEは、室温で操作される光伝導性硫化鉛(P b S)によって 検出される。2つの検出器19及び29が、それらが同じビームを検出している 時でさえ存在するそれらの間のオフセットを最小にするために特性において極め て類似していることが重要である。それらのス各りトル感度は約2. 2. 、  、 2. 5マイクロメートルでピークになる。Pbs検出器は、プリアンプ 20及び30にAC結合された、ボロメーク−回路で運転される。関連する波長 領域において感度がある任意のその他の検出器も、適切な結合及び増幅方法と共 に使用することができるであろう。
一次検出器ブリアンプ20は、プリアンプによって作られたアナログ信号を位相 感度的に整流しそしてそれらをデジタルの形に転換する転換回路21に接続され ている。転換回路はコンピュータープロセンサー22に接続されている。プロセ ンサーは、裁量で、メモリー23及びディ■、を発生する相に感じる整流器回路 33に接続されている。プロセッサー22が現在の波長に関する2つの検出器の 間の以前に記録されたオフセットアナログ電圧値V。を設定するD/Aコンバー ター34も備えられている。相に感じる整流器のそしてD/Aコンバーターの電 圧出力は、可変遅延器制御器39にエラー信号■Eを供給する差増幅器35に供 給される。
この例においては、測定は指皮膜に関して行われる。その目的のために、測定の ために指皮膜が挿入される調節可能なギャップ機構60が備えられている。温度 制御機構50は、測定の間、身体温度でサンプル温度を均一に維持する。
/ヤッター機構27が、以下に説明するように強度基準化目的のために構成する ビームの1つを遮るために備えられている。
グルコース測定は、均等化、バランス化及び測定ステップと呼ばれる3つのステ ップから成る。
均等化ステップは、好ましくは各々の測定の前に行われる。均等化の間には、サ ンプル18はビーム経路中にない。均等化を始めるために、フィルター13を、 制御機構25によってその波長領域の一方の極端に傾ける。−次検出器からのA C信号出力が存在する場合には、D/Aコンバーター34の出力をプロセッサー 22によって変換し、そしてプロセンサー22は、今度は、制御器39が制御電 圧Veを発生するようにせしめ、この制(a′l]電圧V、は、ゼロの一次検出 器信号出力が得られるまで2本の交互するビームC及びBの間の強度の関係を変 える。ここで、D / A :177 (−ター34で必要とされるオフセット 値■。をメモリー中に記録する。これで均等化ステップが完了する。
バランス化ステップを行うために、サンプル領域18即ち指皮膜を、調節可能な ギャップ機構50中のビームDと検出器19の間に導入する。
機構50は、穏やかに皮膜を絞り、光学経路中の組織の厚さを減らす。
被検者を傷つけることを回避するために、例え目欅の厚さが到達されなかった場 合にも絞りが停止する、前もってセットされた最大圧力が存在する。−次検出器 19中の交互する信号が消えるまで、波長整調領域を再び走査する。この操作の 間には連続的に、プロセッサーは、それが波長を変えるにつれて、またD/Aコ ンバーター34中のオフセット電圧を更新して、均等化ステップにおいて、ゼロ の一次検出器信号出力を与えた条件を再現する。バランス化する波長が見い出さ れた時に、走査を停止するが、参照検出器29は強度関係を制御し続けそして測 定ステップの間中そのようにするであろう。
波長が変えられると、グルコースに対するシステムの感度もまた少し変わるであ ろう。これは、メモリー中のルックアップテーブルから正しい感度係数を読むこ とによって補償される。係数は、(以下に説明するように)各々の波長での以前 の基準化によって得られる。
機器の既知の特性を基にして、与えられたサンプル厚さで単一波長信号振幅がど れくらい太きいがはほぼ知られている。交互する信号振幅は・前記振幅と明らか に釣り合いが取れているので、この情報は、定量的に正確なグルコース濃度の読 みを得るために必要とされる。結果の正確さするビームCをシャッター機構24 によって遮り、そして伝えられた単一波長ビームBの振幅を測定し、そして分割 により変更する信号の結果を正規化するために使用する。
測定ステップを行うために、プロセッサーの命令の下で、調節可能なギャップ機 構50は、今度は指度膜18に対する絞り又は万力60を解放して、所定の量だ け光学経路中の組織の厚さを増す。ビーム経路中に加えられる物質は大抵血液で ある。最適の厚さ増加は、使用される波長に依存する。好ましくは、それは、加 えられた組織における〕減衰長さに等しい。1減衰長さは、探針ビームDの電力 がその元の値の0.368倍に減衰される長さである。血液は、背景組織のもの とは異なる微分吸光度を有し、か(して−次検出器19での信号は、組織の厚さ が増加されるにつれてゼロから離れる。生成する一次検出器出力信号は微分吸光 度に、そしてかくしてグルコース濃度に比例する。結果はディスプレイ装置28 中に表示される。
読みの安定性を改善するために、バランス化が不動の絞られた組織に関してまず 達成された後で、厚さの変化を1〜1QHzの程度の周波数で周期的に行って良 い。すると、整流された信号の振幅は一次検出器が被検体濃度を代表するように せしめ、そして絞られた状態における整流された信号の偶発的なドリフトは結果 に対するより少ない影響を有するであろう。
バランス化操作の間に、バランス化波長が波長整調領域の外側にある図2Aは、 反則モードにおける操作のために有用な測定ヘッドを図示する。ヘッド100は 、グルコースの読みを得るために、皮膚との接触を維持しながら、バランス化ス テップのために被検者のひたい102に対して押し付けられそして次に自由にさ れる、混合された光ファイバーの束101から成る。ビーム結合器から出る結合 されたビームDは、ファイバーの束の伝えられた脚103中に導入される。分岐 104は、赤外ビームエネルギーの一部を参照検出器29にそらす。均等化のた めに、束105の測定端を、放射線の一部を受け取る分岐107中にそして一次 検出器19の土に散らす、スペクトル的に実質的に中性の均等化反射器(図示し ない)に対して押し付ける。束の両方の共通端中のファイバーは、図3及び4の 断面図中に示すように混合された配置にあり、これらの図においては、幾つかの ファイバーFは光ビームを17から検出器29へ接続しく黒い断面で示されてい る)、そしてその他のものは光ビームを17から被検者又は患者のひたい102 の上のサンプル組織1こ接続している。束の測定端にはガラスカバー又は窓が存 在しない。それ故皮膚表面からの直接の反射は排除される。何故ならば、伝える ファイバーから受けるファイバーへ導く何らかの経路は組織を通過するからであ る。直接の反射は、直接反射された放射線は組織内側で散乱された放射線よりも ずっと強(、そして皮下の組織から得られる弱い信号を覆うであろうから、望ま しくない。バランス化のために、測定端をひたい102に対して押し付けそして 正しい参照波長を見い出す。ひたいの皮膚中の体液比を変えるために、測定端を 少し自由にしそして次にグルコースの読みを取る。
口にすることによって見い出される。グルコース測定は、組織中の細胞外/細胞 内の体液比を変更しそして次に不均衡な読みを得ることによって達成される。体 液比の変化が測定ヘッドの部品の間の組織の厚さを変えることによってもたらさ れる場合には、組織の厚さの変化は正又は負のどちらでも良い。正の変化、即ち 厚さの増加が好ましい。何故ならば、その場合には、厚さがより小さい時にはよ り多い伝えられた電力が利用可能であるので、バランス化はより大きな信号対ノ イズ比の条件下で行うことができるからである。厚さの変化は、平均することに よって信号対ノイズ比を改善するために循環的に1回又は多数回行うことができ る。
既に放射線ビーム中にある組織サンプルに関して行われるバランス化は、未知の 組織温度によって引き起こされるエラーを含む、放射線経路中の皮膚表面及び組 織によるエラーをキャンセルする。バランス化波長の事前の知識は、それが整調 領域内にある限り、必要とされない。参照検出器は、主に測定の間のランプスペ クトルの出力における変化による、ビーム強度関係における変動によるエラーを キャンセルするために備えられる。本発明に従って行われるバランス化はまた、 異なる時間に為される測定が、正確に同じ場所で行われるように意図されるけれ ども、実際には、少し異なる場所で行われるという事実によるエラーもキャンセ ルするであろう。本発明による方法は、その体液比が変わる時に組織の変わり得 る成分にだけ感じる。−次検出器と参照検出器のスペクトルの感度の間の回避で きない差、並びに参照検出器に関するビームサンプリングの非中立性は、特別な 均等化手順を追及することによって補償され定において得られる信号は、サンプ ル中の経路長さの関数として取られる時に、ある経路長さで最大値を有し、これ は、サンプルマトリックスの吸光係数の逆数、又は1減衰長さであることが分か る。吸光係数は、吸収及び散乱係数の和である。2000nmを越える波長では 、水は、最適厚さが、痛みを引き起こすことなしに身体のどの部分を絞ることに よっても得るのが困難な厚さである、1mmよりずっと薄いほど強く吸収する。
ここで開示された増分のバランスされた微分変調方法は、厚さ増分を最適経路長 さと等しくなし、一方間時に被検者にとってもっと心地よい全サンプル厚さを使 用することによって最大信号を得ることを可能にする。また、吸収係数は、異な る波長で実施しなければならない異なるテストに関して異なる可能性があるので 、それに応じて厚さ増分を変えることは容易である。
組織による散乱は、これらの波長では、吸光機構のような吸収に大きさが匹敵し そして生じる吸光係数を水の吸収係数だけよりもずっと大きくせしめることが注 目されるものとする。
身体中に存在する干渉する物質は、注意深い波長選定の後でさえ、それらの微分 吸光度のために残留信号をもたらす可能性がある。このために、このシステムを 絶対的なグルコース測定のために使用する前に、個人的な基準化ステップが必要 とされる。この基準化は、被検者の血液サンプルを取り、そのグルコース含量を 測定しそして同時にこの方法による測定を行うことによって実施される。得られ た信号を本当の初期グルができる。
本発明の方法の特異性を改善することが必要であると判断される場合には、1よ り多い波長のペアを使用することができる。例えば2つの波長のペアを使用する 場合には、測定を逐次方式で行うことができ、この方式では、まず1つの波長の ペアを使用してこの開示に従って完全な測定を行い、そして次に波長を変えそし てそれらの波長でもう一つの測定を行う。一層複雑な装置を導(であろうけれど も、2より多い波長を1つの測定ビームに多重化しそして次に多重化された信号 から各々の波長のペアに関する情報を抽出することもまた可能である。また、1 より多い波長のペアを使用する場合には、少なくとも1つの波長は1より多いペ アに共通で良い。
間質の体液及び血液を含む細胞外の体液は、あるグルコース濃度を有するけれど も、細胞内の体液は、それらが細胞内部で消費されるので、殆どグルコースを含 まないことが知られている。かくして、又は人工的な手段、(伝送方式における )測定ヘッドの伝送部と受信部との間の、又は結合された伝送部受信部と身体例 えばひたい内の適切な骨との間のどちらかの組織を絞ることによって、細胞外対 細胞内体液の比を変えることは、組織を変調するための手段を提供する。
補正書の写しく翻訳文)提出書 (特許法第184条の8)平成5年12月30 日 集い

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.a)異なる波長を有する放射線の交互のそして繰り返しの期間から成る電磁 放射線の結合されたビーム(ここで、2つの波長は求められている被検体に関し て異なる吸収係数を有し、そして少なくとも1つの波長は調子合わせできる)を 発生させるステップ、b)結合されたビームの強度に比例した一次電気信号を発 生させるために一次検出器によって結合されたビームを検出するステップ、c) 結合されたビームの強度に比例した参照信号を発生させるために参照検出器によ って結合されたビームを検出するステップ(ここで、両方の検出器において2つ の期間の放射線によって発生された電気的応答は大きさが実質的に等しく、かく して両方の検出器の信号において実質的にゼロの交互する成分を生成させる)、 d)組織によって伝えられた又は反射された放射線が一次検出器に到達するよう に結合されたビームを被検者の組織に向けるステップ、e)参照信号を使用しそ して1つの期間の波長の調子を合わせて期間の間の強度関係を制御して、一次信 号において実質的にゼロの交互する成分を得るステップ、 f)組織中の細胞外の体液含量対細胞内の体液含量の比を変えるステップ、及び g)体液比の変化の結果として一次検出器によって生成された一次信号における 変化を使用して、組織中の被検体の濃度を測定するステップを含有して成る、生 きている身体組織中の所定の被検体の濃度を測定す2.一次ビームが、一次検出 器によって検出される前に組織を通過する、請求の範囲1記載の方法。 3.体液比の変化が組織厚さの変化から成る、請求の範囲2記載の方法。 4.組織厚さの変化が使用される波長での組織の吸光係数の逆数と実質的に等し い、請求の範囲3記載の方法。 5.組織厚さの変化が周期的に繰り返され、そしてサイクルを通しての一次信号 の変動が血液中の被検体の濃度の尺度として使用される、請求の範囲3記載の方 法。 6.体液比を変えることが組織の表面上に圧力をかけることによって達成される 、請求の範囲1記載の方法。 7.体液比の変化が心拍による自然の脈拍によって引き起こされ、そして測定サ イクルがこのような脈拍と同調される、請求の範囲1記載の方法。 8.被検体が同種の(homoIogous)身体物質であり、そして波長が1 〜2.5マイクロメートルの範囲内である、請求の範囲1記載の方法。 9.ヒト又は動物の身体組織中のグルコース濃度を測定するための、そして間隔 2125〜2185nmから選ばれた1つの波長及び間隔2240〜2300n mから選ばれたもう一つの波長を有する請求の範囲1記載の方法。 10.被検体がグルコースでありそして1つの波長が間隔1500〜1650n mから選ばれそしてもう一つの波長が間隔1650〜1800nmから選ばれる 、請求の範囲1記載の方法。 11.1以上の付加的な波長のベアを使用して測定が繰り返され、そして数学的 変換を使用して各々の波長のペアで信号の値から所望の結果が得られる、請求の 範囲1記載の方法。 12.探針ビームが組織に向けられる前に、一次及び参照検出器を異なる波長期 間の強度関係を制御することによって均等化し、その結果一次検出器から最小の 交互する信号を継続的に生成させ、調子合わせできる波長を調子合わせ範囲にわ たって調子を合わせ、そして同時に該最小の交互する信号条件を生成させるため に必要とされる制御信号を、波長の関数として、メモリー中に記録する、請求の 範囲1記載の方法。 13.波長期間のペアの1つを空白にしそして生成する伝えられた交互する単一 波長信号振幅を測定しそしてこの結果を使用してシステムの応答を正規化するこ とによって、組織が放射線ビーム中にある間にシステムの応答を基準化する、請 求の範囲1記載の方法。 14.a)2つの交互する波長部分を含む電磁放射線探針ビーム(ここで、波長 の少なくとも1つは調子合わせできそして少なくとも1つの波長部分の間の放射 線の強度は制御可能である)を発生させるための放射手段、 b)このビームを組織に伝える光学手段、c)組織との相互作用に先立って、ビ ームの代表的部分を検出するための、そして探針ビーム強度に比例した参照信号 を発生させるための参照検出器手段、 d)組織との相互作用の後てビーム放射線の少なくとも一部を検出するためのそ して相互作用を受けた探針ビーム強度に比例した一次信号を発生させるための一 次検出器手段、 e)一次信号に応答したオフセット信号を生成させるための電気的手段、 f)参照信号及びオフセット信号から制御信号を生成させるための電気的手段、 g)該制御信号に従って、探針ビームの交互する部分の強度関係を制御するため の制御手段、 h)一次信号を求められる一または復数の被検体の濃度値に転換するための演算 手段 である、身体の組織中の所定の被検体の生体内濃度の組織を冒さない測定のため の装置。 15.光学手段が、組織との相互作用の後でビームを収集して、組織の探針ビー ムが存在する領域の一次検出器の上に画像を形成する手段を含む、請求の範囲1 4記載の装置。 16.光学手段が光ファイバーを含有して成る、請求の範囲15記載の装置。 17.光ファイバーが、近位端でビームを参照検出器に連結するための第一の復 数のファイバー及びビームを相互作用のために組織に連結するための第二の復数 のファイバーに分岐されていて、そして遠位端で相互作用を受けたビームを一次 検出器に連結するための第三の復数ののファイバーに分岐されている、請求の範 囲15記載の装置。 18.a)異なる波長を有する放射線の交互のそして繰り返しの期間から成る電 磁放射線の結合されたビーム(ここで、2つの波長は求められている被検体に関 して異なる吸収係数を有し、そして少なくとも1つの波長は調子合わせできる) を発生させるための伝導手段、b)組織と相互作用する前及び後に結合されたビ ームを検出するためのそして該相互作用の前及び後に結合されたビームの強度に 比例した一次電気信号を発生させるための一次検出器、c)結合されたビームの 強度に比例した参照信号を発生させるために結合されたビームを検出するための 参照検出器(ここで、両方の検出器において2つの期間の放射線によって発生さ れた電気的応答は大きさが実質的に等しく、かくして両方の検出器の信号におい て実質的にゼロの交互する成分を生成させる)、 d)組織によって伝えられた又は反射された放射線が一次検出器に連結されるよ うに結合されたビームを被検者の組織の上に向けるための連結手段、 e)参照信号に応答して放射線期間の間の強度関係を制御して1つの期間の波長 を調子合わせして、一次信号において実質的にゼロの交互する成分を得るための 制御手段、 f)組織中の細胞外の体液含量対細胞内の体液含量の比を変えるための変更手段 、及び g)組織中の被検体の濃度を測定するために体液比の変化の結果として一次検出 器によって生成された一次信号における変化に応答するディスプレイ手段、 のステップを含有して成る、生きている身体組織中の所定の被検体の濃度を測定 するための組織を冒さない装置。 19.一次ビームが、一次検出器によって検出される前に組織を通過する、請求 の範囲18記載の装置。 20.変更手段体液が組織の厚さを変えるための機構を含有して成る、請求の範 囲18記載の装置。
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