(57)【要約】【課題】構造簡易にして希望する高さの音声を得ることができる人工喉頭を提供する。【解決手段】呼気を導入する挿入孔４を有する本体たる筒体２と、挿入孔４に移動可能に挿入され呼気圧により一側に移動するピストン３と、ピストン３の他側において挿入孔４と外部とを連通する流出孔８と、この流出孔８から流出した呼気により振動すると共に、ピストン３の一側への移動により張力が変化する弾性振動体膜１１とを備える。挿入孔４に呼気を導入すると、その圧力によりピストン３が一側に押され、弾性振動体膜１１が伸び、呼気が流出孔８を通り、弾性振動体膜１１を振動する。このようにピストン３は呼気圧を受けて一側に押され、弾性振動体膜１１の張力と釣合う位置で停止し、弾性振動体膜１１の振動は張力と長さ、特に張力により変化するから、呼気圧により振動数を変えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼気が通過する人工喉頭において、呼気を導入する挿入孔を有する本体と、前記挿入孔に移動可能に挿入され呼気圧により一側に移動するピストンと、前記挿入孔と外部とを連通する流出孔と、この流出孔から流出した呼気により振動すると共に、前記ピストンの一側への移動により張力が変化する弾性振動体膜とを備えることを特徴とする人工喉頭。
【請求項２】
前記流出孔を覆うように前記弾性振動体膜を設けたことを特徴とする請求項１記載の人工喉頭。
【請求項３】
前記挿入孔の一側に外部に連通する開孔部を設け、この開孔部に前記弾性振動体膜を設けたことを特徴とする請求項１記載の人工喉頭。
【請求項４】
前記弾性振動体膜に該弾性振動体膜より比重の大きな粉末を混入したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の人工喉頭。
【請求項５】
前記粉末がタングステン粉末であることを特徴とする請求項４記載の人工喉頭。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工喉頭に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の代用音声獲得方法として、食道発声法，人工喉笛を用いる方法，電気式人工喉頭を用いる方法やＴＥシャント発声法などが挙げられる。
【０００３】
さらに、上記の方法に加え、呼気で駆動される適宜な音源をシャント弁内部に設ける試みが近年なされており、そのシャント弁は咽頭部と気管と間に介在し咽頭部に連通する気道に設けられ、図１２に示すように、気管食道壁に一方向のみ呼気が流れるシャントバルブ１０１を設け、永久気管孔１０２を塞いで呼気を食道１０３に導いて使用され、前記シャントバルブ内に発声体を設ける（例えば、特許文献１及び特許文献２）ことにより、代用音声を得るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−１１６２００号公報
【特許文献２】特開平１−２１７４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の代用音声は音声持続時間，抑制，基本周波数，外観，利便性など解決されるべき課題が多く、新しい体内埋込型代用音源の需要は非常に大きい。
【０００６】
また、ＴＥシャント弁内蔵型の音源は極めて小型でなくてはならず、健常者と同様な周波数特性を得ることは容易ではない。また、唾液や体液，飲食物の流入があった場合でも安定して動作することが求められることから、構造は簡易でなくてはならない。
【０００７】
そこで、本発明は、構造簡易にして呼気圧を変化させることにより容易に抑揚制御が可能な人工喉頭を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明の人工喉頭は、上記目的を達成するために、呼気が通過する人工喉頭において、呼気を導入する挿入孔を有する本体と、前記挿入孔に移動可能に挿入され呼気圧により一側に移動するピストンと、前記挿入孔と外部とを連通する流出孔と、この流出孔から流出した呼気により振動すると共に、前記ピストンの一側への移動により張力が変化する弾性振動体膜とを備えることを特徴とする。
【０００９】
挿入孔に呼気を導入すると、その圧力によりピストンが一側に押され、弾性振動体膜が伸び、呼気が流出孔を通り、弾性振動体膜を振動する。このようにピストンは呼気圧を受けて一側に押され、弾性振動体膜の張力と釣合う位置で停止し、弾性振動体膜の振動は張力と長さ、特に張力により変化するから、呼気圧により振動数を変えることができる。しがたって、呼気圧を変化させることにより容易に抑揚制御が可能となる。
【００１０】
（２）また、上記の人工喉頭において、前記流出孔を覆うように前記弾性振動体膜を設けたことを特徴とする。
【００１１】
これにより呼気が流出孔を通り、弾性振動体膜と本体との間に隙間を作って外部に流れ出す際、前記弾性振動体膜を振動させることができる。
【００１２】
（３）また、上記の人工喉頭において、前記挿入孔の一側に外部に連通する開孔部を設け、この開孔部に前記弾性振動体膜を設けたことを特徴とする。
【００１３】
呼気圧によりピストンが開孔部から一側に移動し、この開孔部に設けた弾性振動体膜に張力を付与することができる。
【００１４】
（４）また、上記の人工喉頭において、前記弾性振動体膜に該弾性振動体膜より比重の大きな粉末を混入したことを特徴とする。
【００１５】
使用条件から弾性振動体膜を長くすることは困難であるが、金属粉末を混入することにより弾性振動体膜の線密度を大きくして、固有振動数を下げることができる。
【００１６】
（５）また、上記の人工喉頭において、前記粉末がタングステン粉末であることを特徴とする。
【００１７】
タングステンは比重が大きく、化学的に安定しているから、使用に適したものとなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の人工喉頭によれば、構造簡易にして希望する高さの音声を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例１を示す人工喉頭の一部切り欠き斜視図である。
【図２】同上、断面図である。
【図３】同上、側面図である。
【図４】同上、実験装置の断面説明図である。
【図５】同上、周波数と音圧レベルの関係を示すグラフ図である。
【図６】同上、実験結果を示すグラフ図である。
【図７】本発明の実施例２を示す人工喉頭の断面図である。
【図８】同上、図７のＡ−Ａ線断面図である。
【図９】同上、側面図である。
【図１０】同上、ピストンが可動と固定の場合で駆動圧力と周波数の関係を示すグラフ図である。
【図１１】同上、金属粉末の混入量を変えた場合の駆動圧力と周波数の関係を示すグラフ図である。
【図１２】従来例を示すヒト頭頚部の正中断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。各実施例では、従来とは異なる新規な人工喉頭を採用することにより、従来にない人工喉頭が得られ、その人工喉頭について記述する。
【実施例１】
【００２１】
以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。図１〜図６は本発明の実施例１を示し、同図に示すように、人工喉頭１は、略円筒状をなす本体たる筒体２と、この筒体２にスライド可能に挿入されたピストン３とを備える。前記筒体２内の長さ方向一側には前記ピストン３を挿入する挿入孔４を設け、この挿入孔４の一側には開孔部４Ｋが設けられ、前記筒体２内の長さ方向他側には前記挿入孔４に連通する呼気導入孔５が設けられている。尚、前記筒体２の大きさは、例えば外径が１０ｍｍ，長さが２０ｍｍ程度であり、前記人工喉頭１は、咽頭部と気管と間に介在し咽頭部に連通する気道に設けられ、該気道に設けた前記シャント弁の外ケース内に設けることができる。
【００２２】
前記呼気導入孔５は円形をなし、この呼気導入孔５は前記挿入孔４より小さく、それら呼気導入孔５とは前記挿入孔４との間には段部７が形成されている。また、前記筒体２の径方向両側には平坦面６，６が形成されている。
【００２３】
前記ピストン３は、前記挿入孔４に嵌入してスライド可能に設けられたピストン本体３Ａと、前記段部７に当接する当接部３Ｂと、それらピストン本体３Ａと当接部３Ｂとを連結する棒状の連結部３Ｃとからなり、前記ピストン本体３Ａは、断面略十字型をなし、前記挿入孔４との間に隙間が設けられ、前記呼気導入孔５から導入した呼気が、前記ピストン本体３Ａを押すように構成している。また、前記挿入孔４の長さ方向略中央には、筒体２の内外を貫通する流出孔８が設けられ、この流出孔８は、一方の前記平坦部６に開口している。尚、図２に示すように、当接部３Ｂが前記段部７に当接した位置がピストン３の初期位置である。
【００２４】
前記人工喉頭１は、前記流出孔８と前記ピストン本体３Ａの一側面３Ｍとを覆う帯状の弾性振動体膜１１を備え、この弾性振動体膜１１は略一定厚さで略一定厚さの帯状をなす。前記弾性振動体膜１１は、一端１１Ａを筒体２の一側の平坦部６の流出孔８位置より他側に接着等により固定し、他端１１Ｂを前記ピストン３の他側の平坦部６に接着等により固定し、一端１１Ａと他端１１Ｂ間は固定されていない。このように弾性振動体膜１１と流出孔８とを平坦部６，６に配置することにより、筒体２を円筒状の外ケースに収納した場合、この外ケースと筒体２との間の空間に弾性振動体膜１１と流出孔８を配置することができ、音の発生空間を形成できる。
【００２５】
したがって、呼気導入孔５から呼気を導入すると、その圧力によりピストン本体３Ａが一側に押され、弾性振動体膜１１が伸び、呼気が流出孔８を通り、弾性振動体膜１１と筒体２との間に隙間を作って外部に流れ出す際、前記弾性振動体膜１１が振動する。
【００２６】
このようにピストン３は呼気圧を受けて一側に押され、弾性振動体膜１１の張力と釣合う位置で停止する。弾性振動体膜１１の振動は弦の自励振動に近似できると考えられ、その固有振動数ｆｎは下記の数１で表される。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
上記数１において、Ｔは張力，Ｌは長さ，ρは線密度である。
【００２９】
張力Ｔは呼気圧に応じて変化するため、本人工喉頭１は呼気圧を変化させることにより容易に抑揚制御が可能である。弾性振動体膜１１は、柔軟且つ高強度，さらに適切な弾性率があることが求められる。幾つかの素材を試行した結果、シリコーンゴム（Ｘ−３２−２４２，信越化学工業（株）社製，硬化後硬度１２（デュロメータＡ），引張り強さ１５ｋＰａ）を採用した。液状の原料を自作の型を用いて厚さ0.5ｍｍに成型した後、幅５ｍｍ，長さ１２ｍｍに切り出して弾性振動体膜１１を形成した。同弾性振動体膜１１を単独で用いた場合、振動数は非常に高く、一般的な声の周波数である男性約１３０Ｈｚ，女性約２００Ｈｚに比べて不適当であった。これは長さＬと線密度ρが小さいためであるが、長さＬの増加は使用条件から困難である。故に、機械的性質を保持しつつ腺密度ρを効果的に増加させるため、粒径２μｍのタングステン粉末をシリコーンゴムに混入した。その混入量は、予備試験の結果から７重量％とした。尚、振動周波数は、弾性振動体膜１１の初期張力からも影響を受けるため、弾性振動体膜１１を筒体２に接着する際に極力張力を与えないように注意した。
【００３０】
図４に示すように、実験は、密閉状の空気室５１の上部に人工喉頭１を保持し、コンプレッサ５２により呼気に相当する駆動空気を、減圧器５３に送ると共に調圧し、次いで、駆動空気を流量計５４，前記空気室５１を経て、呼気導入孔５から人工喉頭１に導く方式を採用した。人工喉頭１との共鳴を防ぐために空気室５１の内壁に吸音材５５を貼り付け、内部圧力を人工喉頭１の駆動圧力と見なして空気圧センサ５６により測定した。人工喉頭１の音圧レベル測定と録音のために人工喉頭１から３００ｍｍ離れた位置に騒音計５７とマイクロフォン５８をそれぞれ設置した。それら空気圧センサ５６，騒音計５７及びマイクロフォン５８から得られる電圧出力をＡ／Ｄ変換器５９によりサンプリング周波数２０ｋＨｚでコンピュータ６１に記録した。実験終了後、Ｈamming窓を掛けたＦＦＴ解析により音声波形の周波数解析を行った。尚、図中、６０はマイクロフォン５８のデータを増幅する増幅器、６１はパーソナルコンピュータである。
【００３１】
図５に、一例として駆動圧力４．０ｋＰａ時の音声波形とＦＦＴ解析結果を示す。ＦＦＴ解析から幾つかのピーク周波数が得られ、最も低い周波数を基本周波数ｆ０として、供給圧力や流量との相関を調べた。尚、図５の下段のグラフで５０Ｈｚ毎に見られるピークは電源ノイズに起因するものである。測定では、空気圧センサ５６の表示値を参考にして０．５ｋＰａずつ圧力を増加させ、その都度４秒間データを記録し、それを３回試行した。
【００３２】
図６に測定された駆動圧力，空気流量，音圧レベル相互の関係を示す。発生音周波数のプロットポイントがやや散在する傾向が見受けられるが、概ね駆動圧力に比例して制御されている。また、周波数は約１７５ｋＨｚ付近を中心にして変化しており、タングステン粉末を混入した効果が期待どおりであった。周波数の変動範囲は、当初の目標値１オクターブ（周波数比で２倍）以下となった。連続した音声発生時の駆動圧は約２〜５ｋＰａであり、人の発生時の呼気圧約０．５〜２ｋＰａと比べてやや高い値であった。
【００３３】
本実施例の人工喉頭１は、音高とその制御性，音量，空気流量について良好な特性を示し、単純な構造と簡易な振動形態を採用しているため、実使用時での異物や水分混入防止の点で優れ、抑揚制御が可能な体内埋込型人工喉頭として実用性に優れたものとなる。
【００３４】
このように本実施例では、請求項１に対応して、気道に設けられ呼気が通過する人工喉頭１において、呼気を導入する挿入孔４を有する本体たる筒体２と、挿入孔４に移動可能に挿入され呼気圧により一側に移動するピストン３と、ピストン３の他側において挿入孔４と外部とを連通する流出孔８と、この流出孔８から流出した呼気により振動すると共に、ピストン３の一側への移動により張力が変化する弾性振動体膜１１とを備えるから、挿入孔４に呼気を導入すると、その圧力によりピストン３が一側に押され、弾性振動体膜１１が伸び、呼気が流出孔８を通り、弾性振動体膜１１を振動する。このようにピストン３は呼気圧を受けて一側に押され、弾性振動体膜１１の張力と釣合う位置で停止し、弾性振動体膜１１の振動は張力と長さ、特に張力により変化するから、呼気圧により振動数を変えることができる。しがたって、呼気圧を変化させることにより容易に抑揚制御が可能となる。
【００３５】
また、このように本実施例では、請求項２に対応して、流出孔８を覆うように弾性振動体膜１１を設けたから、呼気が流出孔８を通り、弾性振動体膜１１と本体たる筒体２との間に隙間を作って外部に流れ出す際、弾性振動体膜１１を振動させることができる。
【００３６】
また、このように本実施例では、請求項３に対応して、挿入孔４の一側に外部に連通する開孔部４Ｋを設け、この開孔部４Ｋに弾性振動体膜１１を設けたから、呼気圧によりピストン３が開孔部４Ｋから一側に移動し、この開孔部４Ｋに設けた弾性振動体膜１１に張力を付与することができる。
【００３７】
また、このように本実施例では、請求項４に対応して、弾性振動体膜１１に該弾性振動体膜１１より比重の大きな粉末を混入したから、使用条件から弾性振動体膜を長くすることは困難であるが、比重の大きな粉末を混入することにより弾性振動体膜１１の線密度を大きくして、固有振動数を下げることができる。この場合、粉末は比重が大きければ金属に限らず、炭化タングステンのような安定炭化物やセラミックなどでもよい。
【００３８】
また、このように本実施例では、請求項５に対応して、前記粉末がタングステン粉末であるから、タングステンは比重が大きく、化学的に安定しているから、使用に適したものとなる。
【実施例２】
【００３９】
以下、本発明の実施例２を図７〜図１１を参照して説明する。尚、上記実施例１と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。同図に示すように、人工喉頭２１は、筒状をなす筒体２２と、この筒体２２にスライド可能に挿入されたピストン２３とを備える。前記筒体２２内の長さ方向一側には前記ピストン２３を挿入する挿入孔２４を設け、この挿入孔２４に一側には開孔部２４Ｋが設けられ、前記筒体２２内の長さ方向他側には前記挿入孔２４に連通する呼気導入孔２５が設けられている。
【００４０】
前記筒体２２の径方向一側には平坦面２６が形成されている。前記呼気導入孔２５は円形をなし、この呼気導入孔２５は前記挿入孔２４より大きく、それら呼気導入孔２５とは前記挿入孔２４との間には段部２７が形成されている。前記挿入孔２４は、半円状の円弧内面２４Ａと前記平坦部２６とほぼ平行な平坦内面２４Ｂとを湾曲内面２４Ｃ，２４Ｃにより連結した形状をなす。また、前記挿入孔２４の長さ方向略中央には、筒体２２の内外を貫通する流出孔２８が設けられている。
【００４１】
前記ピストン２３は、半円状の円弧外面２３Ａと前記平坦部２６に対応する平坦外面２４Ｂとを湾曲外面２３Ｃ，２３Ｃにより連結した形状をなし、その外形は前記挿入孔２４の形状に対応している。また、前記ピストン２３は、前記呼気導入孔２５と前記流出孔２８とを連通する連通溝２９が形成され、この連通溝２９はピストン３の長さ方向一側に開孔して前記呼気導入孔２５に連通し、その長さ方向他側は閉塞部２９Ａにより閉塞している。この連通溝２９は、図８に示すように、断面方形をなし、前記呼気導入孔２５に連通する。尚、ピストン２３が前記段部２７に当接した位置がピストン２３の初期位置であり、初期位置で、連通溝２９が流出孔２８に連通する。
【００４２】
前記人工喉頭２１は、前記流出孔２８の外部を覆う前記弾性振動体膜１１を備え、この弾性振動体膜１１は、一端１１Ａを前記平坦部２６の流出孔８位置より一側に接着等により固定し、他端１１Ｂを前記ピストン２３の一側面２３Ｍに接着等により固定し、一端１１Ａと他端１１Ｂ間は固定されていない。
【００４３】
次に、図１０及び図１１を用いて金属粉末であるタングステンの混入効果について説明する。図１０は、駆動圧力と周波数との関係を示し、ピストン２３が初期位置に固定された「固定」の場合と、ピストン２３がスライド可能な「可動」の場合を示し、「可動」の場合、駆動圧力の上昇に伴い、周波数が上昇することが分かる。尚、「固定」「可動」の両者とも弾性振動体膜１１は厚さ０．５ｍｍ，タングステン粉末を２２重量％混入したものを使用している。図１１は、ピストン２３が可動でタングステン粉末の混入量を変えたものを示し、弾性振動体膜１１は厚さ０．５ｍｍで、タングステン粉末の混入量は、上から０重量％，２重量％，１２重量％，２２重量％を示す。このグラフから、タングステン粉末の混入量が増加することにより、周波数が下がることが確認された。
【００４４】
したがって、呼気導入孔２５から呼気を導入すると、その圧力によりピストン２３が一側に押され、弾性振動体膜１１が伸び、呼気が流出孔２８を通り、弾性振動体膜１１と筒体２２との間に隙間を作って外部に流れ出す際、前記弾性振動体膜１１が振動する。
【００４５】
このように呼気導入孔２５から導かれた呼気は、ピストン３の連通溝２９を通過し、流出孔より排出される。流出孔２８は弾性振動体膜１１により非稼動時は閉じられているが、呼気の圧力が加わることで平坦面２６との間に隙間を形成するが、この際、弾性体である弾性振動体膜１１の復元力，呼気圧力，呼気排出流体力（ベルヌーイ力）との関連により振動し、呼気を断続的に流通・遮断することで音源となす。尚、弾性振動体膜１１は両端部１１Ａ，１１Ｂでそれぞれ筒体２２，ピストン２３に接着等により固定される。ピストン２３は、呼気圧が加わらない状態では、段部２７に突き当たって停止しているが、呼気圧が加わると、弾性振動体膜１１の長軸方向張力と釣合う位置まで摺動し、停止する。故に、弾性振動体膜１１の長軸方向の張力は、振動を引き起こす呼気の圧力に応じて比例的に変化し、従って、振動周波数も同様に呼気圧にほぼ比例して変化する（実際は張力の平方根に比例するが、実使用域においてはほぼ線形と見なして差し支えない）。これにより、使用者が意識的，無意識的に呼気圧を変化させることで、音声に容易に抑揚を付加させられる。
【００４６】
これにより喉頭全摘出者が、手術後に代用音声を獲得する手段として、気管壁食道側に一方向弁である人工喉頭２１を設け、呼気を食道に導く際、人工喉頭２１に呼気によって駆動させる音源を内蔵し、且つ呼気圧力に応じた音源周波数変化を惹起することにより、使用者の意思に応じて音声に抑揚を付加することができる。
【００４７】
本発明の人工喉頭２１は部品点数も少なく、安価に製造可能であり、且つそれ自体が一方向弁機能を有しているため、日常生活における飲食物，唾液や体液などの分泌物等の流入に対しても機能的に極めて頑健である。
【００４８】
また、音源となる弾性振動体膜１１は、例えば比重約１９のタングステン粉末を混入することにより製作時に密度を調整し、老若男女を問わず、適切な音高を選択可能である。また、少なくとも、粒径１〜３μｍ，好ましくは粒径２μｍのタングステン粉末をシリコーンゴムに１％〜２０％超程度混入しても弾性率にほとんど影響を与えない。
【００４９】
従来のＴＥシャント弁内蔵型の音源は極めて小型でなくてはならず、所望の周波数を得ることは容易ではない。また、唾液や体液，飲食物の流入があった場合でも安定して動作することが求められることから、構造は簡素でなくてはならない。本実施例の人工喉頭２１はこれらの要求を高次元で満たすことが可能である。即ち、部品は、筒体２２とピストン２３と弾性振動体膜１１の３点のみで構成され、且つ構造が単純であるため、製造が容易・安価であり、さらに音源である弾性振動体膜１１は呼気流に対して一方向弁として働き、また、仮に何等かの流入物が混入しても呼気により自然に排除可能である。唯一の可動部としてピストンを設けているが、仮にピストン２３が何等かの理由で固着したとしても、発声機能が失われることはない。また、弾性振動体膜１１の質量増加の目的でタングステン粉末を用いているが、タングステン自体の人体への毒性は認められていないようである。さらに、弾性振動体膜１１の作成時にタングステン粉末の混入率を変化させることで音声高さを調整できるため、男女，あるいは老若問わず、希望する高さの音声を得ることが容易である。
【００５０】
このように本実施例では、請求項１に対応して、気道に設けられ呼気が通過する人工喉頭２１において、呼気を導入する挿入孔２４を有する本体たる筒体２２と、挿入孔２４に移動可能に挿入され呼気圧により一側に移動するピストン２３と、ピストン２３の他側において挿入孔２４と外部とを連通する流出孔２８と、この流出孔２８から流出した呼気により振動すると共に、ピストン２３の一側への移動により張力が変化する弾性振動体膜１１とを備えるから、上記実施例１と同様な作用・効果を奏する。
【００５１】
尚、本発明は、本実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、弾性振動体膜は実施例に限定されず、弾性を有し、振動するものであれば、各種のものを用いることができる。また、人工喉頭は体内埋込型に限定されず、体外で使用してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１  人工喉頭
２  筒体
３  ピストン
４  挿入孔
８  流出孔
１１  弾性振動体膜
１１Ａ  一端
１１Ｂ  他端
２１  人工喉頭
２２  筒体
２３  ピストン
２４  挿入孔
２８  流出孔
【図１】
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【図２】
2010252876.tif 000005
【図３】
2010252876.tif 000006
【図４】
2010252876.tif 000007
【図５】
2010252876.tif 000008
【図６】
2010252876.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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