(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料（１）を一定の方向に順次押し出して切断し、切断断面の２次元画像（４）を撮像する試料断面撮像ステップ（Ａ）と、
２次元画像（４）から試料の３次元内部構造を演算しこれをカラーラピッドプロトタイピング可能なデータ（５）に変換するデータ処理ステップ（Ｂ）と、
カラーラピッドプロトタイピング装置を用いて立体カラー模型（６）を製作する立体カラー模型製作ステップ（Ｃ）と、を有し、
前記試料断面撮像ステップ（Ａ）は、試料（１）を一定の方向に順次押し出す試料押出ステップ（Ａ１）と、押し出された試料を順次切断する試料切出ステップ（Ａ２）と、切断した断面部に照明光（２）を集光させその反射光（３）から切断断面の２次元画像（４）を撮像する撮像ステップ（Ａ３）とを有し、
前記データ処理ステップ（Ｂ）は、前記２次元画像から試料の３次元内部構造を演算する３次元データ作成ステップ（Ｂ１）と、該３次元内部構造を色別の複数のイメージデータ（５）に変換するデータ変換ステップ（Ｂ２）とを有すると共に、切断断面の２次元画像（４）から試料を囲む包囲剤（１ａ）を立体カラー模型の対象から除外し、或いは透明色に指定する包囲画像除去ステップ（Ｓ１）を有し、
前記立体カラー模型製作ステップ（Ｃ）は、作成された色別の複数のイメージデータを基に多色造形可能なＲＰ装置を用いて立体カラー模型（６）を製作する、
ことを特徴とする立体カラーコピー方法。
【請求項２】
前記データ処理ステップ（Ｂ）は、試料（１）の一部分に相当する領域であって立体カラー模型（６）に再現する関心領域（６ａ）を抽出する関心領域抽出ステップ（Ｓ２）と、該関心領域の色を指定する関心領域色指定ステップ（Ｓ３）と、を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の立体カラーコピー方法。
【請求項３】
前記データ処理ステップ（Ｂ）は、３次元内部構造をディスプレイ上に表示する内部構造表示ステップ（Ｓ４）と、２次元画像（４）の色情報を疑似カラーに変換する色情報変換ステップ（Ｓ５）と、３次元内部構造の不要部位に非着色信号を付加する非着色信号付加ステップ（Ｓ６）と、３次元内部構造の不要部位に非構造信号を付加する非構造信号付加ステップ（Ｓ７）と、３次元内部構造の座標軸長を変換する座標軸長変換ステップ（Ｓ８）の少なくとも１つを有する、ことを特徴とする請求項２に記載の立体カラーコピー方法。
【請求項４】
試料（１）を一定の方向に順次押し出して切断し、切断断面の２次元画像（４）を撮像する３次元内部構造顕微鏡（１０）と、
２次元画像（４）から試料の３次元内部構造を演算しこれをカラーラピッドプロトタイピング可能なデータ（５）に変換するデータ処理装置（２０）と、
該データを用いて立体カラー模型（６）を製作するカラーラピッドプロトタイピング装置（３０）と、を備え、
前記３次元内部構造顕微鏡（１０）は、試料（１）を一定の方向に順次押し出す試料押出装置（１２）と、押し出された試料を順次切断する試料切出装置（１４）と、切断した断面部に照明光（２）を集光させその反射光（３）から切断断面の２次元画像（４）を撮像する撮像装置（１６）とを有し、
前記データ処理装置（２０）は、前記２次元画像から試料の３次元内部構造を演算し色別の複数のイメージデータ（５）に変換する処理を実行すると共に、切断断面の２次元画像（４）から試料を囲む包囲剤（１ａ）を立体カラー模型の対象から除外し、或いは透明色に指定する処理を実行し、
前記カラーラピッドプロトタイピング装置（３０）は、作成された色別の複数のイメージデータを基に立体カラー模型を製作する、
ことを特徴とする立体カラーコピー装置。
【請求項５】
前記データ処理装置（２０）は、試料（１）の一部分に相当する領域であって立体カラー模型（６）に再現する関心領域（６ａ）を抽出する処理と、該関心領域の色を指定する処理とを実行する、ことを特徴とする請求項１に記載の立体カラーコピー装置。
【請求項６】
前記撮像装置（１６）は、共焦点顕微鏡である、ことを特徴とする請求項４に記載の立体カラーコピー装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、図面を持たない試料を内部の色情報を持ったまま立体模型化する立体カラーコピー方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自然物のような図面を持たない試料の模型製作は、以下のように行われている。
（１）実物（試料）を転写した鋳型を作り、鋳造により模型を製作する転写鋳造手段。
（２）試料の表面の３次元座標を機械的又は光学的に測定してデータを取得し、このデータを基にＮＣ切削加工などにより立体模型を製作する３次元加工手段。
（３）立体カラー模型を製作する場合には、上述した転写手段や３次元加工手段で製作した立体模型の表面に手作業による着色。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの手段は、人の手を介することからその習熟度によりできあがりの品質が左右され、同じ品質の物を作ることは難しい。また、ミクロンオーダーの精度で模型を作り上げることは困難である。さらに、試料の内部情報は模型に反映できないため、実物と同じように、模型を切断してその内部の様子を知ることはできず、解剖学などの中身の形状色を必要とする医療模型には利用できない問題点があった。
【０００４】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、自然物のような図面を持たない試料から、試料の内部構造を色分けして立体模型を製作することができる立体カラーコピー方法及び装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、試料（１）を一定の方向に順次押し出して切断し、切断断面の２次元画像（４）を撮像する試料断面撮像ステップ（Ａ）と、２次元画像（４）から試料の３次元内部構造を演算しこれをカラーラピッドプロトタイピング可能なデータ（５）に変換するデータ処理ステップ（Ｂ）と、カラーラピッドプロトタイピング装置を用いて立体カラー模型（６）を製作する立体カラー模型製作ステップ（Ｃ）と、を有し、前記試料断面撮像ステップ（Ａ）は、試料（１）を一定の方向に順次押し出す試料押出ステップ（Ａ１）と、押し出された試料を順次切断する試料切出ステップ（Ａ２）と、切断した断面部に照明光（２）を集光させその反射光（３）から切断断面の２次元画像（４）を撮像する撮像ステップ（Ａ３）とを有し、前記データ処理ステップ（Ｂ）は、前記２次元画像から試料の３次元内部構造を演算する３次元データ作成ステップ（Ｂ１）と、該３次元内部構造を色別の複数のイメージデータ（５）に変換するデータ変換ステップ（Ｂ２）とを有すると共に、切断断面の２次元画像（４）から試料を囲む包囲剤（１ａ）を立体カラー模型の対象から除外し、或いは透明色に指定する包囲画像除去ステップ（Ｓ１）を有し、前記立体カラー模型製作ステップ（Ｃ）は、作成された色別の複数のイメージデータを基に多色造形可能なＲＰ装置を用いて立体カラー模型（６）を製作する、ことを特徴とする立体カラーコピー方法が提供される。
【０００６】
また、本発明によれば、試料（１）を一定の方向に順次押し出して切断し、切断断面の２次元画像（４）を撮像する３次元内部構造顕微鏡（１０）と、２次元画像（４）から試料の３次元内部構造を演算しこれをカラーラピッドプロトタイピング可能なデータ（５）に変換するデータ処理装置（２０）と、該データを用いて立体カラー模型（６）を製作するカラーラピッドプロトタイピング装置（３０）と、を備え、前記３次元内部構造顕微鏡（１０）は、試料（１）を一定の方向に順次押し出す試料押出装置（１２）と、押し出された試料を順次切断する試料切出装置（１４）と、切断した断面部に照明光（２）を集光させその反射光（３）から切断断面の２次元画像（４）を撮像する撮像装置（１６）とを有し、前記データ処理装置（２０）は、前記２次元画像から試料の３次元内部構造を演算し色別の複数のイメージデータ（５）に変換する処理を実行すると共に、切断断面の２次元画像（４）から試料を囲む包囲剤（１ａ）を立体カラー模型の対象から除外し、或いは透明色に指定する処理を実行し、前記カラーラピッドプロトタイピング装置（３０）は、作成された色別の複数のイメージデータを基に立体カラー模型を製作する、ことを特徴とする立体カラーコピー装置が提供される。
【０００７】
上記本発明の方法及び装置によれば、試料（１）を一定の方向に順次押し出して切断し、切断断面の２次元画像（４）を撮像することにより、図面のない自然物などを切断してその連続断面画像を撮影し、デジタルデータに変換し、試料の３次元内部構造を３次元データとして記憶することができる。
また、得られた２次元画像（４）から試料の３次元内部構造を演算しこれをカラーラピッドプロトタイピング可能なデータ（５）に変換し、このデータを用いて立体カラー模型（６）を製作することにより、自然物のような図面を持たない試料から、試料の内部構造を色分けして立体模型を製作することができる。
更に、出来上がった立体模型は３次元内部構造に対応した色情報を持つことができるために、模型を切断してその中身を見ることも可能であり、解剖学などの中身の形状色を必要とする医療模型にも利用できる。
【０００９】
試料押出ステップ（Ａ１）により、試料（１）を一定の方向に順次押し出し、試料切出ステップ（Ａ２）により、押し出された試料を順次切断し、撮像ステップ（Ａ３）により、切断した断面部に照明光（２）を集光させその反射光（３）から切断断面の２次元画像（４）を撮像することにより、これを繰返して、図面のない自然物などを切断してその連続断面画像を撮影し、デジタルデータに変換し、試料の３次元内部構造を３次元データとして記憶することができる。
【００１０】
また、３次元データ作成ステップ（Ｂ１）により、２次元画像から試料の３次元内部構造を演算し、データ変換ステップ（Ｂ２）により、３次元内部構造を色別の複数のイメージデータ（５）に変換することにより、３次元内部構造をカラーラピッドプロトタイピング可能なデータに変換できる。
【００１１】
更に、立体カラー模型製作ステップ（Ｃ）により、作成された色別の複数のイメージデータを基に多色造形可能なＲＰ装置（カラーラピッドプロトタイピング装置）を用いて立体カラー模型（６）を製作することにより、自然物のような図面を持たない試料から、試料の内部構造を色分けして立体模型を製作することができる。
【００１２】
前記データ処理ステップ（Ｂ）は、試料（１）の一部分に相当する領域であって立体カラー模型（６）に再現する関心領域（６ａ）を抽出する関心領域抽出ステップ（Ｓ２）と、該関心領域の色を指定する関心領域色指定ステップ（Ｓ３）と、を有する。また、前記データ処理ステップ（Ｂ）は、３次元内部構造をディスプレイ上に表示する内部構造表示ステップ（Ｓ４）と、２次元画像（４）の色情報を疑似カラーに変換する色情報変換ステップ（Ｓ５）と、３次元内部構造の不要部位に非着色信号を付加する非着色信号付加ステップ（Ｓ６）と、３次元内部構造の不要部位に非構造信号を付加する非構造信号付加ステップ（Ｓ７）と、３次元内部構造の座標軸長を変換する座標軸長変換ステップ（Ｓ８）の少なくとも１つを有する。
【００１３】
この方法により、包囲画像除去ステップ（Ｓ１）で、切断断面の２次元画像（４）から画像処理により、試料を埋めていた包埋剤を除去し、ＲＰ装置（カラーラピッドプロトタイピング装置）に受け渡すことができる。ＲＰ装置では受け取った画像データを基に、今度は観察と逆に断層を積み重ねてカラーの立体模型を構築する。
【００１４】
この時、関心領域抽出ステップ（Ｓ２）で立体カラー模型（６）に再現する関心領域（６ａ）を抽出し、関心領域色指定ステップ（Ｓ３）で関心領域の色を指定し、内部構造表示ステップ（Ｓ４）で３次元内部構造をディスプレイ上に表示し、色情報変換ステップ（Ｓ５）で２次元画像（４）の色情報を疑似カラーに変換し、非着色信号付加ステップ（Ｓ６）で３次元内部構造の不要部位に非着色信号を付加し、非構造信号付加ステップ（Ｓ７）で３次元内部構造の不要部位に非構造信号を付加し、座標軸長変換ステップ（Ｓ８）で３次元内部構造の座標軸長を変換することができる。
【００１５】
従って、内部の情報を削除したり、試料の特定の部分のみを抽出したその一部の模型を作ることも可能である。さらに、フルカラーのＲＰ装置を用いることにより、実物と同じフルカラーの立体カラー模型（６）を製作することも可能である。また、特定の注目部分のみに別の色を設定したり、関心領域外を透明表示することにより全体と関心領域の形状を同時に観察することも可能である。また、その時にデータの各軸を拡大縮小することにより、任意の大きさの模型とすることが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００１７】
図１は、本発明の立体カラーコピー装置の模式図である。この図に示すように、本発明の立体カラーコピー装置は、３次元内部構造顕微鏡１０、データ処理装置２０及びカラーラピッドプロトタイピング装置３０を備える。
【００１８】
３次元内部構造顕微鏡１０は、試料１を一定の方向に順次押し出して切断し、切断断面の２次元画像４を撮像する。
【００１９】
図２は、本発明の立体カラーコピー装置の構成図である。この図に示すように、３次元内部構造顕微鏡１０は、試料押出装置１２、試料切出装置１４及び撮像装置１６を備える。
【００２０】
試料押出装置１２は、例えばステッピングモータとボールネジを用いた直動装置であり、試料１を一定の方向（この図では上向き）に順次押し出すようになっている。
試料切出装置１４は、この例ではナイフ１４ａを有するカッティングアーム１４ｂを駆動装置１４ｃ（例えばモータとベルト）で水平に回転させ、押し出された試料１を順次切断する。また、１５はエンコーダであり、カッティングアーム１４ｂの回転位置を常時検出する。
【００２１】
撮像装置１６は、共焦点顕微鏡であり、この例では、光源１６ａの照明光を対物レンズ１６ｂで試料１の切断した断面部に集光させ、その反射光をビームスプリッター１６ｃで水平に反射しピンホール窓１６ｄを通して検出器１６ｅで検出する。更に、ビームスプリッター１６ｃを揺動させて照明光の焦点位置を走査させることにより、切断断面の２次元画像４を撮像する。
【００２２】
この構成により、レーザー光２を複数のマイクロレンズ２４ａにより対応するそれぞれのピンホール２２ａに集光し、複数のピンホール２２ａを通過したレーザー光２を対物レンズ１６ｂで試料１の切断した断面部に集光させ、その反射光をビームスプリッター１６ｃで水平に反射しレンズ１７を通して検出器１６ｅで検出することにより、切断断面部の複数の点からの反射光を同時に検出する。検出器１６ｅはこの例では、２次元的に検出器が配置されたＣＣＤまたは１次元のフォトマルであるのがよい。
【００２３】
また、図１及び図２において、データ処理装置２０は、例えばコンピュータであり、撮像装置１６で得られた多数の２次元画像４をメモリに記憶し、これから試料１の３次元内部構造を演算して試料１の内部構造を再構築し、これをカラーラピッドプロトタイピング可能なデータ５、すなわち色の情報を持つイメージデータ５に変換する。
カラーラピッドプロトタイピング装置３０は、作成された色情報を有するイメージデータ５または各色ごとに分解した位置データを基に立体カラー模型６を製作する。
【００２４】
なお、多色造形可能なＲＰ装置（カラーラピッドプロトタイピング装置）３０は、例えば、特表２００１−５０７２９５及び米国特許第６，００７，３１８号に開示されている。
特表２００１−５０７２９５の「三次元物体をプロトタイピングするための方法及び装置」は、粉末の増加量にバインダ液を選択的に適用することにより粉末から三次元物体を形成するものである。また、バインダ液（接着剤）をインクジェットで塗布し、その色を変化させることで、三次元物体を色分けすることができる。
【００２５】
造形用イメージデータ５は、例えば、ＳＴＬ、ＢＭＰ，ＴＩＦ等のイメージデータであり、多色積層造形装置用断面データ生成ソフトウェアにより、積層造形装置に対応させてＨＰＧＬコードデータ又はＮＣ−Ｇコードデータに変換する。多色積層造形装置用断面データ生成ソフトウェアでは、（１）イメージデータの読み込み、（２）積層ピッチ、走査速度等造形条件の設定、（３）着色部断面データ（ＨＰＧＬ形式）の生成、（４）非着色部造形用断面データ（ＮＣ−Ｇコード形式）の生成、（５）断面データの表示、等を行う。
【００２６】
積層造形装置として、多色粉末固化式積層造形装置（例えば、特表２００１−５０７２９５の「三次元物体をプロトタイピングするための方法及び装置」）を用いる場合には、ＨＰＧＬコードデータをビットマップ変換ソフトウェアを用いて、ビットマップデータに変換し、これを用いて多色粉末固化式積層造形装置で所望の模型を製作する。
【００２７】
また、積層造形装置として、多色光固化式積層造形装置を用いる場合には、ＨＰＧＬコードデータ又はＮＣ−Ｇコードデータをそのまま用いて、分子構造模型を製作する。
【００２８】
図３は、本発明の立体カラーコピー方法の全体フロー図である。この図に示すように、本発明の方法では、前処理（Ｐ１、Ｐ２）において試料を包理し、固定する。この際、必要により、一般染色又は蛍光染色してもよい。
【００２９】
次いで、試料断面撮像ステップ（Ａ）とデータ処理ステップ（Ｂ）と立体カラー模型製作ステップ（Ｃ）を順次実施する。
【００３０】
試料断面撮像ステップ（Ａ）は、試料１を一定の方向に順次押し出す試料押出ステップ（Ａ１）と、押し出された試料１を順次切断する試料切出ステップ（Ａ２）と、切断した断面部に照明光２を集光させその反射光３から切断断面の２次元画像４を撮像する撮像ステップ（Ａ３）とを有する。ステップＡ１〜Ａ３は、繰返して実施する。
【００３１】
データ処理ステップＢは、２次元画像４から試料の３次元内部構造を演算する３次元データ作成ステップ（Ｂ１）と、３次元内部構造を色別の複数のイメージデータ５に変換するデータ変換ステップ（Ｂ２）とを有する。
【００３２】
図４は、本発明のデータ処理方法の全体フロー図である。この図に示すように、データ処理ステップ（Ｂ）は、更に、包囲画像除去ステップ（Ｓ１）、関心領域抽出ステップ（Ｓ２）、関心領域色指定ステップ（Ｓ３）、内部構造表示ステップ（Ｓ４）、色情報変換ステップ（Ｓ５）、非着色信号付加ステップ（Ｓ６）、非構造信号付加ステップ（Ｓ７）及び座標軸長変換ステップ（Ｓ８）の少なくとも１つを有する。
【００３３】
包囲画像除去ステップ（Ｓ１）では、切断断面の２次元画像４から試料を囲む包囲剤１ａの画像を除去する。例えば、包囲剤１ａが色を有する場合に、これを立体カラー模型６の対象から除外し、或いは特定の色（透明等）に指定する。
【００３４】
関心領域抽出ステップ（Ｓ２）では、立体カラー模型６に再現する関心領域６ａを抽出する。関心領域６ａとは、例えば試料１がマウスである場合にその脳、心臓等であり、試料１が動物の眼球である場合にその水晶体、角膜等である。
関心領域色指定ステップ（Ｓ３）では、関心領域の色を指定する。例えば、水晶体の色を黄色、角膜の色を青に指定する。なお、元の原色（自然色）のままにしてもよい。
【００３５】
内部構造表示ステップ（Ｓ４）では、３次元内部構造をディスプレイ上に表示する。この表示により、３次元内部構造を確認し、立体カラー模型６の製作部位、製作方向、断面等を指定する。
【００３６】
色情報変換ステップ（Ｓ５）では、２次元画像４の色情報を疑似カラーに変換する。この疑似カラーは、カラーラピッドプロトタイピング可能な色を選択する。
【００３７】
非着色信号付加ステップ（Ｓ６）では、３次元内部構造の不要部位に非着色信号を付加する。
非構造信号付加ステップ（Ｓ７）では、３次元内部構造の不要部位に非構造信号を付加する。
【００３８】
座標軸長変換ステップ（Ｓ８）では、３次元内部構造の座標軸長を変換する。この変換により、実際の試料１を拡大・縮小した立体カラー模型６、或いは特定の方向に拡大・縮小した立体カラー模型６を製作することができる。
【００３９】
上述したデータ処理ステップＢは、コンピュータを用いて、利用者との対話形式で実施するのがよい。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。この例は、試料１が動物の眼球の場合であり、立体カラー模型６として眼球全体とこれを半割にしたものを製作した。
【００４１】
図５は、本発明による２次元画像４のディスプレイ上の中間調画像の例である。この図において、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ異なる断面写真である。
【００４２】
図６は、本発明による３次元内部構造のディスプレイ上の中間調画像の例である。この図において、（Ａ）（Ｂ）は眼球を斜め正面の異なる角度から見た状態をである。
【００４３】
図７は、本発明の実施例により得られた立体カラー模型（実物）である。この図で（Ａ）は眼球全体であり、角膜を濃い色（実際には青色）で製作している。また（Ｂ）は半割の眼球であり、角膜を青色、水晶体を黄色、その他を白色にして製作したものである。
また、図１に示すように、立体カラー模型６は試料１がマウスである場合にその脳６ａ、心臓６ｂを単独に製作することもできる。
【００４４】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
上述したように、本発明の方法及び装置によれば、試料１を一定の方向に順次押し出して切断し、切断断面の２次元画像４を撮像することにより、図面のない自然物などを切断してその連続断面画像を撮影し、デジタルデータに変換し、試料の３次元内部構造を３次元データとして記憶することができる。
【００４６】
また、得られた２次元画像４から試料の３次元内部構造を演算しこれをカラーラピッドプロトタイピング可能なデータ５に変換し、このデータを用いて立体カラー模型６を製作ことにより、自然物のような図面を持たない試料から、試料の内部構造を色分けして立体模型を製作することができる。
【００４７】
更に、出来上がった立体模型は３次元内部構造に対応した色情報を持つことができるために、模型を切断してその中身を見ることも可能であり、解剖学などの中身の形状色を必要とする医療模型にも利用できる。
【００４８】
従って、本発明の立体カラーコピー方法及び装置は、自然物のような図面を持たない試料から、試料の内部構造を色分けして立体模型を製作することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の立体カラーコピー装置の模式図である。
【図２】本発明の立体カラーコピー装置の構成図である。
【図３】本発明の立体カラーコピー方法の全体フロー図である。
【図４】本発明のデータ処理方法の全体フロー図である。
【図５】本発明による２次元画像のディスプレイ上の中間調画像の例である。
【図６】本発明による３次元内部構造のディスプレイ上の中間調画像の例である。
【図７】本発明の実施例により得られた立体カラー模型のディスプレイ上の中間調画像である。
【符号の説明】
１  試料、２  照明光（レーザー光）、３  反射光、
４  ２次元画像、５  イメージデータ、６  立体カラー模型、
１０  ３次元内部構造顕微鏡、１２  試料押出装置、
１４  試料切出装置、１４ａ  ナイフ、１４ｂ  カッティングアーム、
１４ｃ  駆動装置、１５  エンコーダ、
１６  撮像装置、１６ａ  光源、１６ｂ  対物レンズ、
１６ｃ  ビームスプリッター、１６ｄ  ピンホール窓、１６ｅ  検出器、
２０  データ処理装置、
３０  カラーラピッドプロトタイピング装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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