(57)【要約】【課題】この光刺激に対して反応した状態にある試料における分子の拡散や結合等の分子間相互作用を観察および解析する。【解決手段】試料１０８の蛍光画像を得るための蛍光画像取得光学系１０１〜１０４と、試料１０８の任意領域に刺激光を照射して光刺激するための走査手段１２２Ａを含む刺激光照射光学系１２１と、該刺激光照射光学系１２１で光刺激を与えながら画像取得光学系１０１〜１０４を用いて繰り返して画像取得を行うことにより、経時観察データを取得する制御手段２と、コンフォーカルボリューム内の分子のゆらぎによって生じる蛍光強度の変化を経時観察データを用いて解析することにより分子間の相互作用を解析する解析手段２ａと、この解析手段２ａによる解析結果を表示する表示手段５とを備える蛍光顕微鏡装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に励起光を照射して蛍光を発生させる照射光学系と、
前記試料の蛍光画像を得るための蛍光画像取得光学系と、
前記試料の任意領域に刺激光を照射して光刺激するための走査手段を含む刺激光照射光学系と、
該刺激光照射光学系で光刺激を与えながら前記画像取得光学系を用いて繰り返して画像取得を行うことにより、経時観察データを取得する制御手段と、
前記試料のコンフォーカルボリューム内の分子のゆらぎによって生じる蛍光強度の変化を前記経時観察データを用いて解析することにより分子間の相互作用を解析する解析手段と、
この解析手段による解析結果を表示する表示手段とを備える蛍光顕微鏡装置。
【請求項２】
前記照射光学系が、前記試料に励起光を点照射するとともに、この点照射される励起光を走査する走査光学系を含み、
前記蛍光画像取得光学系が、前記試料において発生した蛍光を共焦点検出するための共焦点開口を有する請求項１に記載の蛍光顕微鏡装置。
【請求項３】
前記照射光学系が、多光子吸収により蛍光を発生させる励起光を試料に点照射するとともに、この点照射される励起光を走査する走査光学系を含む請求項１に記載の蛍光顕微鏡装置。
【請求項４】
前記照射光学系が、前記試料に励起光を面照射し、
前記蛍光画像取得光学系が、前記蛍光画像を２次元撮像素子に投影する撮像光学系を含み、
前記解析手段が、前記２次元撮像素子の各画素をコンフォーカルボリュームとして解析を行う請求項１に記載の蛍光顕微鏡装置。
【請求項５】
前記解析手段が、ＲＩＣＳ（Raster Image Correlation Spectroscopy）を実行する請求項２または請求項３に記載の蛍光顕微鏡装置。
【請求項６】
前記解析手段が、ＩＣＳ（Image Correlation Spectroscopy）を実行する請求項２から請求項４のいずれかに記載の蛍光顕微鏡装置。
【請求項７】
前記経時観察データに対して所望の領域を指定する領域指定手段を備え、
指定された領域内の蛍光輝度データを用いて、光刺激により生じる分子の拡散および／または結合を前記解析手段により解析する請求項１から請求項６のいずれかに記載の蛍光顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光顕微鏡装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生細胞などの生きた生体試料において、細胞内分子の拡散、結合および移動方向などを計測、解析するアルゴリズムとして、ＲＩＣＳ（Raster Image
Correlation Spectroscopy 、文献１）やＩＣＳ（Image Correlation Spectroscopy、文献２）などが研究・開発され、研究者の注目を集めている。
【０００３】
【非特許文献１】Michelle A. Digman, Measuring Fast Dynamics in Solutions and Cells with a LaserScanning Microscope, Biophysical Journal Vol.89, 2005.
【非特許文献２】Paul W. Wiseman, Spatial mapping of integrin interactions and dynamicsduring cell migration by Image Correlation Microscopy, Journal of CellScience 117,2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような拡散係数などを求める解析は、走査型レーザ顕微鏡により解析対象物の走査画像を取得し、その画像データを基に行われる。使用される画像データとしては、静的な状態にある試料の走査画像が用いられている。
本発明は、試料内の所望の領域に刺激光を照射して光刺激を与えながら、この光刺激に対して反応した状態にある試料における分子の拡散や結合等の分子間相互作用を観察および解析できる顕微鏡装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、試料の蛍光画像を得るための蛍光画像取得光学系と、試料の任意領域に刺激光を照射して光刺激するための走査手段を含む刺激光照射光学系と、該刺激光照射光学系で光刺激を与えながら前記画像取得光学系を用いて繰り返して画像取得を行うことにより、経時観察データを取得する制御手段と、コンフォーカルボリューム内の分子のゆらぎによって生じる蛍光強度の変化を前記経時観察データを用いて解析することにより分子間の相互作用を解析する解析手段と、この解析手段による解析結果を表示する表示手段とを備える蛍光顕微鏡装置を提供する。
【０００６】
上記発明においては、前記照射光学系が、前記試料に励起光を点照射するとともに、この点照射される励起光を走査する走査光学系を含み、前記蛍光画像取得光学系が、前記試料において発生した蛍光を共焦点検出するための共焦点開口を有していてもよい。
また、上記発明においては、前記照射光学系が、多光子吸収により蛍光を発生させる励起光を試料に点照射するとともに、この点照射される励起光を走査する走査光学系を含んでいてもよい。
【０００７】
また、上記発明においては、前記照射光学系が、前記試料に励起光を面照射し、前記蛍光画像取得光学系が、前記蛍光画像を２次元撮像素子に投影する撮像光学系を含み、前記解析手段が、前記２次元撮像素子の各画素をコンフォーカルボリュームとして解析を行うこととしてもよい。
また、上記発明においては、前記解析手段が、ＲＩＣＳ（Raster Image Correlation
Spectroscopy）を実行することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記解析手段が、ＩＣＳ（Image Correlation Spectroscopy）を実行することとしてもよい。
【０００８】
また、上記発明においては、前記経時観察データに対して所望の領域を指定する領域指定手段を備え、指定された領域内の蛍光輝度データを用いて、光刺激により生じる分子の拡散および／または結合を前記解析手段により解析することとしてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、試料内の所望の領域に刺激光を照射して光刺激を与えながら、この光刺激に対して反応した状態にある試料における分子の拡散や結合等の分子間相互作用を観察および解析できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る走査型顕微鏡装置（蛍光顕微鏡装置）の概略構成を示している。
【００１１】
図１において、符号１は走査型顕微鏡本体で、この走査型顕微鏡本体１には、コンピュータ２が接続されている。また、このコンピュータ２には操作パネル３、励起用レーザ装置４、刺激用レーザ装置１２１および画像モニタ５が接続されている。
【００１２】
走査型顕微鏡本体１において、励起用レーザ装置４から出射された励起（観察）用レーザ光は励起用ダイクロイックミラー１０２で反射され、走査ユニット１０４に入射する。走査ユニット１０４は、走査手段１０４Ａと合成ミラー１０４Ｂを備える。図中、符号１０４Ｃは瞳投影レンズ、符号１０４Ｄは結像レンズである。
【００１３】
走査手段１０４ＡはＸ軸方向走査用のガルバノメータミラーとＹ軸方向走査用のガルバノメータミラーとを有し、励起用レーザ装置４からのレーザ光をコンピュータ２からの走査制御信号によりＸＹ走査している。また、合成ミラー１０４Ｂは、励起（観察）用レーザ光を後述する刺激用レーザ光と合成するためのダイクロイックミラーであり、励起（観察）用レーザ光および観察光（試料からの蛍光）（可視、ＩＲなど）を透過し、刺激用レーザ光（ＵＶ、紫光など）を反射する。
【００１４】
ＸＹ方向に走査された励起（観察）用レーザ光は、合成ミラー１０４Ｂを透過し、レボルバ１０５に取り付けられた対物レンズ１０６を介して、ステージ１０７上に載置された観察試料１０８上にスポット光として照射される。
このスポット光の照射によって生じる観察試料１０８からの光、例えば反射光、または観察試料１０８から発生した蛍光は、対物レンズ１０６により集められて入射光路に戻り、ダイクロイックミラー１０２を透過して、バリアフィルタ１１０により検出したい波長の光のみが抽出される。
【００１５】
バリアフィルタ１１０を透過した検出光は、フォトマルチプライヤなどの光電変換器１０１に入射し、検出光量に応じた電気信号に光電変換される。光電変換器から出力されるアナログ信号は、コンピュータ２に設置されているＡ／Ｄ入力チャンネル２ｂにて、検出光量に応じたデジタル信号に変換される。コンピュータ２の計算処理部２ａは、このデジタル信号と走査手段１０４Ａの走査位置情報を組み合せて２次元画像を構築し、メモリ２ｃに保存するとともに画像情報として画像モニタ５に出力するようにしている。
【００１６】
本走査型顕微鏡装置において、観察試料１０８と共役な位置にコンフォーカルアパーチャ１０９を配置することで、合焦位置以外からの光を除去して合焦位置からの光だけを検出して画像化する共焦点走査型顕微鏡装置として使用することができる。符号１１１は共焦点レンズである。
【００１７】
また、本走査型顕微鏡装置において、２光子励起を起こさせる赤外パルスレーザ光を励起用レーザ装置４として使用し２光子励起によって生じた蛍光を検出することで、コンフォーカルアパーチャ９がなくても、試料の３次元空間における励起用レーザ光の集光位置のみを観察する多光子励起走査型顕微鏡装置として、使用することができる。
【００１８】
ステージ１０７は、顕微鏡（対物レンズ１０６）の光軸と直交するＸ，Ｙ方向に移動可能な電動ステージである。また、レボルバ１０５または、ステージ１０７は、顕微鏡内部、または外部に設置されたＺモータ１０７Ａを使用することで、顕微鏡（対物レンズ１０６）の光軸方向であるＺ方向のフォーカス位置制御ができる。Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の位置制御は、コンピュータ２により制御される。
【００１９】
一方、走査ユニット１０４には刺激光照射ユニット１２２が接続されている。刺激光照射ユニット１２２も、走査手段１２２ＡとしてＸ軸方向走査用のガルバノメータミラーとＹ軸方向走査用のガルバノメータミラーとを有し、刺激用レーザ装置１２１からの刺激用レーザ光をコンピュータ２からの走査制御信号によりＸＹ走査している。符号１２２Ｂは瞳投影レンズである。
【００２０】
走査手段１２２Ａを構成するＸ，Ｙのガルバノメータミラーを所望の角度で停止させることにより、試料上の所望の一点に刺激光を照射することもできる。ＸＹ方向に走査されたレーザ光は、走査ユニット内の合成ミラー１０４Ｂで反射して励起（観察）用レーザ光と合成され、レボルバ１０５に取り付けられた対物レンズ１０６を介して、ステージ１０７上に載置された観察試料１０８上にスポット光として照射される。
【００２１】
操作パネル３は、キーボードのほかに、トラックボールやジョイスティック、あるいはマウスなどのポインティングデバイスを有しており、観察者の指示入力によりレーザ光の走査開始命令、画像取得指令などを出力するとともに、コンピュータ２に対して光電変換器１０１に対する感度の調整指令を出力するようになっている。また、この操作パネルを用いて、励起（観察）用レーザ光と刺激用レーザ光の波長および強度の設定や、１画面の視野内で所望の点や領域（ＲＯＩ: region of interest）だけに励起（観察）用レーザ光や刺激用レーザ光を照射する場合のＲＯＩ指定も行う。
【００２２】
コンピュータ２は、装置全体の制御を司るもので、特に、操作パネル３から走査指示命令が入力されると、走査制御信号を走査ユニット１０４、および刺激照射ユニット１２２に出力する。また、光電変換器１０１からの観察試料１０８のアナログ信号がＡ／Ｄ入力チャンネルを介して変換されたデジタルデータをメモリ２ｃに転送するとともに、画像モニタ５に画像、および走査メニューを表示させる。
【００２３】
さらに、コンピュータ２では、操作パネル３からの感度調整指令に応じて、光電変換器１０１に対する感度（たとえばフォトマルチプライヤの場合は印加電圧）、アンプゲイン、およびオフセットなどの設定を行うようにしている。また、走査型顕微鏡本体１の走査ユニット制御、励起用レーザ装置４から顕微鏡へのレーザ入射、画像モニタ５へのメモリ内画像情報の出力などの各制御は、コンピュータ２内のプログラム２ｄにより実行される。
【００２４】
分子の挙動、例えば拡散、結合、および移動方向などを解析する手法として、ＲＩＣＳ（Raster Image
Correlation Spectroscopy）という手法がある。ＲＩＣＳ手法は、走査型顕微鏡を用いて、励起用レーザ光のスポットサイズに対し１画素の大きさが十分小さくなるような走査条件（例えば、対物レンズの倍率６０ｘ／ＮＡ１．４２，走査手段（ガルバノスキャナ）によるズーム倍率５倍）で取得された経時観察画像（ＸＹ−Ｔ画像）に対し、その画像データを取得するためのピクセル走査時間、ライン走査時間の時間間隔に基づき、自己相関関数（数１、詳細は学術文献１を参照）を用いてピクセル時間単位、ライン時間単位の分子の拡散を求める手法である。なお経時観察画像（ＸＹ−Ｔ画像）とは、同じ観察位置に対して所定の時間間隔で複数回繰り返して取得したＸＹ画像の一連の画像群である。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
粒子が停止、またはゆっくりと移動している場合、分子が発する蛍光シグナルは図３のように数個のスポットのみで検出される。図３の場合は、第１スポットと第２スポットのみで分子の蛍光シグナルが検出される。このような分子を観察した経時観察データに対して、ＲＩＣＳ手法を用いると小さな拡散係数を得る。
【００２７】
粒子が高速に移動している場合、分子が発する蛍光シグナルは図４のように多数のスポットで検出される。図４の場合は、第１スポットから第４スポットの全てで分子の蛍光シグナルが検出される。このような分子を観察した経時観察データに対して、ＲＩＣＳ手法を用いると大きい拡散係数を得る。この拡散係数の大小関係より、各分子の拡散速度の違いを解析できる。
【００２８】
拡散速度の計測は前記経時観察画像の視野全体に対して算出処理するだけではなく、図５に示すように前記経時観察画像内に所望の計測領域を指定し、計測領域内部の蛍光シグナルを対象として計測することも可能である。この処理を用いることにより、細胞内の分子拡散と細胞膜周辺の分子の結合を１つの経時観察画像として取得し、同一時間上で観察および、計測することができる。
【００２９】
次に、前記述のように構成したシステムを使用した、第１の実施の形態の動作を説明する。
例として、ケージド（Ｃａｇｅｄ）指示薬とカルシウムイオン濃度に感受性を示す蛍光指示薬とを注入した試料に対して、励起用レーザ装置４（図１）に搭載されている波長４８８ｎｍの励起用レーザ光を照射し、カルシウムイオン濃度感受性蛍光指示薬から発生する蛍光を検出して解析する場合を説明する。試料の所望の位置にアンケージングのための光刺激を加えたときの試料の反応の様子を図６に、この様子を試料の計測領域を指定して解析を行う手順（フローチャート）を図７にそれぞれ示す。
【００３０】
ステップＳ１）始めに、アンケージ（＝光刺激）位置を指定するために、計測を行いたい部位の観察画像（リファレンス画像（ＸＹ画像））を取得し、リファレンス画像として画像モニタ５に表示する。
ステップＳ２）リファレンス画像を用いて、光刺激（アンケージング）を行う位置または領域（ＲＯＩ、図６）を指定する。
【００３１】
ステップＳ３，Ｓ４）試料の経時観察（ＸＹ−Ｔ画像取得）の条件設定として、Ｘ画素数、Ｙ画素数、対物レンズの情報（倍率、開口数）、走査ズーム倍率（レーザ走査時の走査幅情報）、レーザ波長、スキャン速度（ピクセル速度、ライン速度、フレームインターバル）、取得フレーム数の指定または入力を行う。
【００３２】
励起用レーザ光の走査を開始してＸＹ−Ｔ画像取得を行いながら、図６に示すように刺激用レーザ装置１２１（図１）に搭載されている波長３５５ｎｍの刺激用レーザ光を指定された位置または領域に照射して、ケージド試薬のケージド基を開裂させるように刺激を与える。このときケージド試薬内部から放出された物質によって、カルシウムイオン濃度が変化する様子を、経時観察データとしてコンピュータのメモリ２ｃ（図１）に保存し、Ｔ（タイム）シリーズ画像として画像モニタ５（図１）に表示する。
【００３３】
ステップＳ５）画像モニタ５上に表示された前記経時観察データにおいて、操作パネル３（図１）を用いて、細胞膜周辺に計測領域を作成する。
ステップＳ６〜Ｓ８）前記計測領域内の蛍光シグナルに対して、前記ＲＩＣＳ手法を処理する。ＲＩＣＳの計算に必要な条件は、ステップＳ３，Ｓ４）においてＸＹ−Ｔ画像取得条件として設定済みである。ピクセルサイズは、ＸＹ−Ｔ画像取得条件（Ｘ，Ｙ各画素数、対物レンズ倍率、走査ズーム倍率）から算出可能である。これらのパラメータと数１とに基づいて、Ｄ（拡散係数）およびＧ（０）が算出される。
【００３４】
ここで、Ｇ（０）＝１／Ｎ、（Ｎは分子数）は、
自己相関係数Ｇ（τ）＝（ΔＦ（ｔ）ΔＦ（ｔ＋τ））／Ｆ（ｔ）２
のτ＝０（初期値）であり、この値で分子の濃度が議論される。
【００３５】
このようにして、ケージド基の開裂に伴う、細胞膜周辺での分子の拡散や結合を計測することができる。
本発明では、画像を取得する為の光学系とは別の走査光学系を配置し、経時観察とは独立して光刺激を制御する機構を備えた走査型顕微鏡装置を用いて画像取得した経時観察データに対して、ＲＩＣＳ手法などの解析方法を用いることにより、細胞への刺激中および、刺激後の細胞内分子の挙動を継続して解析することができるようになる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
上述した第１の実施の形態記載の走査型顕微鏡装置の走査ユニット１０４（図１）、励起用レーザ装置４（図１）、および光電変換器１０１の代わりに、図９に示すように水銀ランプハウス１３０とＣＣＤカメラ１３１を用いた蛍光顕微鏡装置において、経時観察中に、第１の実施の形態記載の刺激照射ユニット１２２（図１）を用いて光刺激を与えて、経時観察データを取得する。
【００３７】
この経時観察データに対して、図８に示すように経時観察データのフレーム時間単位の拡散係数を求めることができるＩＣＳ（Image Correlation
Spectroscopy）手法を適用する。これにより、第１の実施の形態と同様に、細胞への刺激中および、刺激後の細胞内分子の挙動を継続して解析することができる。
【００３８】
ＩＣＳ手法は、経時画像データにおいて、ピクセルごとのＴ方向の輝度変化情報を用いて拡散係数を算出する手法である。輝度変化情報の時間分解能は１フレーム取得時間であるので高速性はＲＩＣＳに及ばないが、ＣＣＤカメラのピクセル１個をコンフォーカルボリュームに代替させて計算する手法により、共焦点検出ではない本実施形態の構成であっても拡散係数を算出できる。
なお、第１の実施の形態において、ＩＣＳを適用することも可能。
【００３９】
（変形例１）
上述した第２の実施の形態記載の蛍光顕微鏡装置において、水銀ランプハウスの代わりに、図１０に示すようにレーザ光源１４１と全反射照明装置１４２を用いて構成される全反射蛍光顕微鏡装置（Total Internal
Reflection Fluorescence Microscopy)を用いることもできる。
【００４０】
レーザ光源１４１からの刺激用のレーザ光は、ＸＹガルバノスキャナ１４３によりその２次元的な位置を設定され、瞳投影レンズ１４４、ダイクロイックミラー（あるいはハーフミラー）１４５、結像レンズ１４６および対物レンズ１４７を介して試料Ｓに照射され、観察試料１０８に光刺激を与える。
【００４１】
全反射照明装置１４２は、複数の波長のレーザ光を出射するレーザ光源１４８，１４９，１５０と、各レーザ光源１４８〜１５０からのレーザ光の光束径を調節するビームエキスパンダ１５１と、ミラー１５２およびダイクロイックミラー１５３，１５４と、レーザ光源１４９，１５０からのレーザ光を調光するＡＯＴＦのような音響光学素子１５５と、光軸方向Ａに沿って移動可能な照明領域調整用の変倍レンズ１５６と、光軸方向Ａに沿って移動させられることにより偏向角度を調節して標本へのレーザ光の入射角度を調節する滲み出し量調節用の駆動ミラー１５７と、瞳投影レンズ１５８とを備えている。
【００４２】
また、全反射蛍光顕微鏡装置は、観察試料１０８に対して対物レンズ１４７とは反対側に対向配置される対物レンズ１５９と、結像レンズ１６０、変倍レンズ１６１および電子増倍型のＣＣＤ１６２とを備えている。
ダイクロイックミラー１４５により、レーザ光源１４１からの刺激用のレーザ光の光路に合流させられたレーザ光源１４８〜１５０からのレーザ光が、観察試料１０８に対して全反射条件を満たすような浅い角度で入射させられる。
【００４３】
全反射蛍光顕微鏡装置を用いることにより、カバーガラス表面より１００ｎｍ程度の深さ分解能内において、シグナル／ノイズの高い経時観察データを用いて、観察試料１０８、例えば細胞への刺激中および、刺激後の細胞内分子の挙動を継続して解析することができる。
【００４４】
本発明によれば、画像を取得する為の走査光学系または蛍光観察光学系とは別の走査光学系を配置し、経時観察とは独立して光刺激を制御する機構を備えた顕微鏡装置を用いて画像取得した経時観察データに対して、ＲＩＣＳ手法などの解析方法を用いることにより、細胞への刺激中および、刺激後の細胞内分子の挙動を継続して正確に解析することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る蛍光顕微鏡装置を示す全体構成図である。
【図２】図１の蛍光顕微鏡装置により取得された経時観察画像（ＸＹ−Ｔ画像）を示す説明図である。
【図３】分子が停止している場合の分子とレーザ光のスポットとの関係を説明する図である。
【図４】分子が拡散により移動している場合の分子とレーザ光のスポットとの関係を説明する図である。
【図５】図１の蛍光顕微鏡装置により取得される経時観察画像内の計測領域を示す図である。
【図６】図５の計測領域から離れた位置にアンケージングのための刺激用レーザ光を照射した場合の分子の拡散による移動を説明する図である。
【図７】図５の計測領域を指定して解析を行う手順を説明するフローチャートである。
【図８】図１の蛍光顕微鏡装置により取得された経時観察画像（ＸＹ−Ｔ画像）を示す説明図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る蛍光顕微鏡装置を示す全体構成図である。
【図１０】図９の蛍光顕微鏡装置の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
２  コンピュータ（制御手段）
２ａ  計算・処理部（解析手段）
３  操作パネル（領域指定手段）
５  画像モニタ（表示手段）
１０１  光電変換器（蛍光画像取得光学系）
１０２  ダイクロイックミラー（蛍光画像取得光学系）
１０３  ミラー（蛍光画像取得光学系）
１０４  走査ユニット（走査光学系）
１０８  観察試料（試料）
１０９  コンフォーカルアパーチャ（蛍光画像取得光学系）
１１０  バリアフィルタ（蛍光画像取得光学系）
１１１  共焦点レンズ（蛍光画像取得光学系）
１２１  刺激用レーザ装置（刺激光照射光学系）
１２２Ａ  走査手段
１３１  ＣＣＤカメラ（撮像光学系）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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