JP7123919B2 - X線撮像システムの軌道を決定する方法及びシステム - Google Patents

X線撮像システムの軌道を決定する方法及びシステム Download PDF

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Description

本発明は、身体の関心領域(a body region of interest)の画像を取得することを意図したX線撮像システム(X-ray imaging system)の軌道(trajectory)を決定する方法及びシステムに関する。
コンピュータ断層撮影(CT)の間、X線撮像システムは、異なる投影角度からの画像を得るために、所定の軌道(例えば、軸の周りの単純な回転又はより複雑な軌道)の周りを移動する。関心のある身体領域の3D(3次元)体積は、画像から再構成される。
画像の取得を開始する前に、ユーザ(例えば、外科医又は放射線科医)は、再構成された3D体積が関心領域を含み、画質が良好であるように、関心のある身体領域が軌道に対して正しく位置決めされていることを確認しなければならない。
従って、円形軌道の場合、ユーザは、関心領域である身体を軌道の中心に位置決めしようとする。
そのために、関心領域である身体をセンタリングするための現在の手順は、多くの場合、数回繰り返すことができる、少なくとも2つのステップを含む。
この方法の間、患者は、X線撮像システムによって少なくとも部分的に囲まれたテーブルの上に横たわっていてもよい。
第1のステップでは、X線撮像システムは、X線ビームが垂直になるように配向され、第1の画像(正面図(front view))が取得される。
第2のステップでは、X線撮像システムは、X線ビームが水平であるように配向され、第2の画像(側面図(lateral view))が取得される。
従って、ユーザは、身体の関心領域が画像の中心にあるか否かを、両方の画像上でチェックする。
もしそうなら、彼は関心領域を含む3D体積を再構成することを意図したX線画像の取得を開始することができる。
逆に、身体の関心領域が第1の画像及び第2の画像の少なくとも一方において正しく位置決めされてない場合、ユーザは、(テーブルを動かすことによって、又はX線撮像システムを動かすことによって)X線撮像システムに対して患者を動かし、再び手順を実行しなければならない。これは、患者が被曝するX線線量を増加させる。追加の照射は、X線撮像システムに対して患者を位置決めするためにのみ使用され、関心のある身体領域を画像化するために使用されないので、これは避けるべきである。
センタリング手順の反復は、主として、X線ビームの垂直方向は、X線撮像システムに取り付けられた位置決めレーザを使用して達成するのが非常に容易であるが、水平面内の関心領域の高さは、レーザビームの使用によってさえ評価がより困難であるため、水平方向の調整が非常に困難であるという事実に起因する。
患者を過度な照射にさらす以外に、この反復処置は時間がかかり、負担が大きい。
従って、身体の関心領域に対するX線撮像システムの適切な軌道をより容易に得ることが望ましい。
米国特許出願公開第2015/003577号明細書は、CT撮像システムのアイソセンタ内の関心のある身体領域を位置決めする方法を開示している。このようなシステムは、X線管と、互いに対向して配置されたX線検出器とを支えるCアームを備え、これは、異なる投影角度からのX線画像を得るために、回転軸を中心に回転可能である。アイソセンタは、照射の中心ビームが回転軸と交差する点として定義される。この方法において、患者のトポグラムは、CT撮像システムによって取得され、このトポグラムは、Cアームが第1の方向に配向される間に、患者の身体に沿ってCアームを並進させることによって得られた第1の断面図(section)と、Cアームが第1の方向に垂直な第2の方向に配向される間に、患者の身体に沿ってCアームを並進させることによって得られた第2の断面図(section)とを含む。この2つのセクションに基づいて、トポグラムの記録中の関心のある身体領域とアイソセンタとの間の距離を決定することができる。次いで、患者又は撮像システムのいずれかがこの距離だけ動いて、関心のある身体領域をアイソセンタにいたらせ、X線画像の取得を開始する。
米国特許出願公開第2015/003577号明細書
しかしながら、トポグラム(topogram)の取得は、依然として、患者をかなりの線量のX線に曝すことを必要とする。
本発明の目的は、関心領域の3D体積を再構成する観点から、患者の身体の関心領域の2D(2次元)画像を取得することを意図した電動X線撮像システム(motorized X-ray imaging system)の軌道を決定する方法及びシステムを提供することである。本発明の別の目的は、X線撮像システムの軌道を達成するのに必要な時間を短縮する方法を提供することである。本発明の別の目的は、X線撮像システムのパネル検出器のサイズを増加させることなく、再構成された3D体積のサイズを最適化することである。
従って、本発明は、患者の画像を取得するための電動X線撮像システムの軌道を決定する方法を提供し、前記患者は、X線撮像システムによって取得された身体の関心領域の少なくとも1つの2D画像上で可視化されるように既知の空間的配置を有する放射線不透過性基準点を含むファントムが取り付けられており、前記方法は、
所定の位置における前記X線撮像システムによって前記ファントムの第1の2D画像を取得するステップと、
前記取得された第1の画像内の前記ファントムの前記基準点を検出するステップと、
前記検出された基準点に基づいて、前記X線撮像システムに関連する前記ファントムの前記位置を決定するステップと、
前記一組の2D X線画像が、前記一組の画像の一部に対する前記ファントムの前記位置に課された少なくとも一つの要件に従うように、2D X線画像の一組を取得するように適合された前記X線撮像システムの一組の位置を決定するステップと、
前記ファントムの前記位置に関する前記X線撮像システムの軌道を決定するために、前記一組の決定された位置を組み合わせるステップと、
を含む。
軌道は、X線撮像システムの連続する位置の組み合わせとして定義される。2D X線画像は、位置のそれぞれにおいて取得されてもよく、取得された画像の組は、3D体積を再構成するために使用される。
一実施形態によれば、課される要件は、X線撮像システムの位置によって変化する。
本方法は、決定された軌道を実行して、2D X線画像を取得し、取得された画像から患者の身体の関心領域の3D体積を再構成することをさらに含むことができる。
一実施形態によれば、ファントムの位置に課される要件は、ファントムに対する関心領域の推定位置である。
一実施形態によれば、本方法は、ファントムの位置に課された要件を対話的に入力することをさらに含む。
一実施形態によれば、X線撮像システムの軌道は、かなりの数の取得された2D X線画像がファントムのかなりの部分を含むように決定される。有利には、すべての取得された2D X線画像は、ファントムのすべての基準点を含む。
一実施形態によれば、本方法は、決定された軌道を達成するために、ファントムに対してX線撮像システムを移動させる命令を表示するステップをさらに含む。
代替方法としては、この方法は、決定された軌道を達成するために、ファントムに対してX線撮像システムを自動的に移動させるステップを含んでもよい。
一実施形態によれば、ファントムの基準点は、球(spheres)を含む。
一実施形態によると、関心のある身体領域は、椎骨(vertebra)を含む。
一実施形態によれば、ファントムの第1の画像は、正面図であり、X線撮像システムの位置の組の1つの位置は、側面図である。
代替方法としては、ファントムの第1の画像は、側面図であってもよく、X線撮像システムの位置の組の1つの位置は、正面図であってもよい。
本発明の別の目的は、電動X線撮像システムの軌道を決定するシステムであって、前記X線撮像システムに接続されるように構成されたプロセッサを含み、前記プロセッサは、
所定の位置における前記X線撮像システムによって、患者に取り付けられ既知の空間的配置を有する放射線不透過性基準点を含むファントムの第1の2D画像を取得し、
前記取得された第1の画像内の前記ファントムの前記基準点を検出し、
前記検出された基準点に基づいて、前記X線撮像システムに関連する前記ファントム(30)の前記位置を決定し、
前記一組の2D X線画像が、前記一組の画像の一部に対する前記ファントムの前記位置に課された少なくとも一つの要件に従うように、前記関心領域の2D X線画像の一組を取得するように適合された前記X線撮像システムの一組の位置を決定するステップと、
前記ファントムの前記位置に関する前記X線撮像システムの軌道を決定するために、前記一組の決定された位置を組み合わせる。
このシステムは、プロセッサに接続された電動X線撮像システムをさらに含んでもよい。
本発明のさらなる特徴及び利点は、添付の図面に基づき、以下の説明から明らかになる。
方法のフローチャートを示す。 画像上に見えるファントムの放射線不透過性基準点を有する、患者の脊椎(spine)のX線正面画像を示す。 図2の画像に見られる放射線不透過性基準点を含むファントムの実施形態を示す。 放射線不透過性基準点を表す円の中心の逆投影に対応する線の計算を概略的に示す。 図4で計算された線によるファントムの位置決めを概略的に示す。 図2におけるX線撮像システムの位置とは異なるX線撮像システムの位置の計算を概略的に示す。 X線撮像システムの第1の(正面)位置(左)及びX線ビームに対してファントム接線を持つX線撮像システムの第2の(横)位置(右)におけるX線ビームを概略的に示す。 X線撮像システムの第1の(正面)位置(左)及び関心領域がビームに完全に含まれるX線撮像システムの第2の(横)位置(右)におけるX線ビームを概略的に示す。
図1は、本方法の主要ステップを表すフローチャートである。
この方法は、電動X線撮像システムに接続されたコンピュータを含むシステムを用いて実施される。
コンピュータは、本方法ステップの少なくとも一部を実行することを可能にするアルゴリズムを実装するように構成された少なくとも1つのプロセッサを含む。コンピュータは、また、方法の様々なパラメータが記憶され得るメモリを含み得る。コンピュータは、ユーザに情報を表示するためのディスプレイをさらに含んでもよい。
本システムは、さらに、関心領域の3D体積を再構成するために、複数の2D画像を取得することを意図したX線撮像システム、例えばCアームを含む。X線撮像システムは、X線源と、X線源の反対側に配置されたパネル検出器とを含む。
X線イメージングシステムは、3D取得軌道を生成するのに寄与する少なくとも1つの移動、すなわち、自由度によるシステムの各移動が、それぞれのモーターによって生成される。各モーターは、任意の時点において、参照位置に関するX線撮像システムの相対位置を知ることを可能にするエンコーダに関連付けられる。2D画像が取得されると、撮像システムの対応する位置が記録される。従って、各2D画像は、撮像システムの参照内に記録される。
一実施形態によると、X線撮像システムは、3つのモーター駆動の自由度を含む:すなわち、X軸に沿った1つの並進(テーブルに横たわる患者の身体に横方向)、Z軸に沿った1つの並進(垂直方向)及びY軸に沿った1つの軌道回転(縦軸)である。この動きは、X線撮像システムの複雑な軌道を生成するために組み合わされてもよい。もちろん、X線撮像システムは、複雑な軌道の生成にも関与し得る追加の電動自由度を含み得る。
有利には、コンピュータは、X線撮像システムの軌道が決定されると、プロセッサは、X線撮像システムのモーターを制御して、決定された軌道を達成するように、X線撮像システムに接続される。
請求された方法に属さない予備的ステップでは、放射線不透過性基準点を含むファントムが患者に取り付けられる。
放射線不透過性基準点(radiopaque fiducials)は、決定された空間的配置を有し、それは、例えば、計測によって、又はファントムの製造プロセスが、基準点の所望の位置が得られることを確実にするのに十分正確かつ再現可能であるという仮定に基づいて知られ得る。
有利には、ファントムの幾何学的形状及び放射線不透過性基準点の配列は、撮像される関心領域に固有である。
ファントムは、X線撮像システムによって取得された少なくとも1つの画像上で見えるように患者に取り付けられる。
画像の取得の間、ファントムが関心領域に対して固定された位置に留まることを条件として、様々な取り付け手段を使用することができる。一実施形態では、ファントムは、関心領域の骨に直接取り付けられてもよい。別の実施形態では、ファントムは、関心領域の近くの患者の皮膚に取り付けることができる(例えば、接着剤によって)。一実施形態によれば、ファントムは、外科的ステップを伴わずに、非侵襲的方法によって患者に取り付けられる。
関心領域の3D体積を再構成するために取得された画像の少なくとも一部に対するファントムの位置に関する少なくとも1つの要件は、システムによって(例えば、その要件は、特定の医学的用途について事前に定義されていてもよい)及び/又はユーザによって課される。この少なくとも1つの要件は、3D体積の再構成が、再構成の少なくとも1つの軸に従って最適であることを確実にするように選択される。
例えば、この要件は、以下の基準に基づいてもよい:ファントムの実質的な部分(すなわち、基準点の相当な数)は、2D X線画像の相当な部分、好ましくは全ての2D X線画像上で可視である。実際、2D 線画像上では基準点が多く見えるほど、3D体積の再構成の質は良くなる。特に、基準点の数及び基準点が見える2D X線画像の数の最小閾値は50%で、妥当な閾値は80%で、最適値は100%であると考えられる。
別の例において、この要件は、以下の基準に基づいてもよい:ファントムは、2D X線画像の少なくとも一部分の側面に対して接線(tangent)である。
もちろん、本発明の範囲から逸脱することなく、他の基準を使用することができる。
この要件は、ファントムと関心領域との間の推定距離によって表すことができる。例えば、患者が腹臥位になり、ファントムが患者の皮膚の上に置かれる脊椎手術への適用において、一般に、ファントムと脊椎との間の距離(画像化する関心領域)は、約10cmであると仮定される。
この要件はまた、関心領域及びユーザに関連する情報をもたらす取得ビューに関する事前知識(a priori knowledge)に基づいてもよい。例えば、脊椎(spine)の場合、ユーザは一般に椎骨(vertebra)の垂直な範囲に焦点を合わせる。このような場合、側面画像は正面画像よりもより興味深い。別の例では、細長い骨の場合、ユーザは骨の長手方向の範囲に焦点を合わせることができる。このような場合、正面画像は側面画像よりもより興味深い場合がある。
一実施形態によれば、要件は、本方法の実行に先立って決定され、プロセッサによって読み取り可能なコンピュータのメモリに記憶されるか、又は本方法を実行する観点からプロセッサによってロードされる。例えば、要件は、ファントムと関心領域との間の標準距離であってもよい。
別の実施形態によれば、要件は、ユーザによって対話的に入力される。この目的のために、コンピュータは、プロセッサに接続され、ユーザが特定の要件を入力することができるユーザインターフェースを表示するように構成されたディスプレイを含むことができる。例えば、要件は、患者のサイズ及び/又は体重に依存し得、ユーザは、従って、サイズ及び/又は体重に適合した要件を入力し得る。例えば、肥満に苦しむ患者の場合、ファントムと椎骨との間の距離は、10cmの代わりに約12cmであり得る。
第1のステップ101では、患者の単一の第1の画像が取得される。この画像は、ファントムの位置及び第2の画像内のファントムの位置の少なくとも1つの課された要件に基づいて、一組の2D X線画像を取得するように構成された、第1の位置とは異なる、X線撮像システムの一組の位置を決定するために使用される唯一のものである。
一実施形態によれば、X線撮像システムは、X線ビームが垂直に配向され、ファントムを通過するように、第1の画像を取得するために正面の位置(frontal position)に配置されてもよい。ユーザは、この目的のために現在使用されている位置決めレーザを使用して、この垂直方向を制御することができる。
しかしながら、X線のこの第1の位置は、限定的ではなく、ユーザは、ファントムが画像上に見えることを確実にすることを条件に、本発明の範囲から逸脱することなく、第1の画像を取得するために、X線の他の位置を選択することができる。
ステップ102において、ファントムの放射線不透過性基準点は、ステップ101で取得された画像上で検出される。
図2は、X線ビームが垂直に配向され、画像上に見えるファントムの放射線不透過性基準点を有する、患者の脊椎のX線正面画像を示す。基準点の検出は、当業者に知られているパターン検出アルゴリズムに基づくことができ、従って、本文章では詳細に説明されない。
この非限定的な実施形態では、放射線不透過性基準点は球(sphere:球状の物)である。
一旦、基準点が2D円C1、C2、C3等として検出されると、各円の中心は、図3に示すファントムの各球の中心と関連付けられる。図示の実施形態では、ファントム30は、患者に固定されるように意図された中央部分と、中央部分30aの両側に延在する2つの側方翼30bとを含む。放射線不透過性基準点31は、既知の幾何学的形状を有する中央部分及び側方翼に埋め込まれている。好ましくは、側方翼は、中央部分と一体である。用途によっては、基部及び側方翼は、実質的に平面に延びていてもよく、そうでなければ、側方翼は、中央部分に対して傾斜していてもよい。別の実施形態では、翼は、中央部分の上方に延在してもよい。もちろん、ファントムのこのデザインは限定的ではない。
ステップ103において、X線源10からパネル検出器20まで延びる各円C1、C2、C3等の中心の逆投影に対応する線L1、L2、L3等は、X線撮像システムの幾何学的較正に基づいて計算される(図4参照)。
ステップ104において、ファントム30は、ステップ103で計算されたラインL1等に登録される(図5参照)。
ステップ105において、少なくとも1つの上述の課された要件が考慮され、課された要件が満たされるように、画像の組を取得するように構成されたX線撮像システムの位置の組を決定する。
例えば、図6に示す場合、ファントム30の現在の位置P1は、ファントムの最適位置P2から垂直(Z)方向に所定の距離dに位置する。このような場合、プロセッサは、X線撮像システムのモーターを制御して、距離dだけ垂直軸に沿った並進を提供することができる。X線撮像システムの及びファントムの変位は相対的であり、X線撮像システム及び/又はファントムを移動して(例えば、患者が横たわっているテーブルを動かすことによって)、第2の位置を得ることができることを意味することに留意されたい。
一実施形態によれば、ステップ106において、X線撮像システムは、次いで、決定された位置の組の各位置に移動される。この移動は、自動的に又は手動で行うことができる。後者の場合、X線撮像システム及びファントムの所望の相対位置に関する情報が、ユーザに表示されてもよい。例えば、所定の軸に従う距離をユーザに提供して、所望の相対位置に到達するために、患者が横たわっているテーブルを動かし、及び/又はX線撮像システムを動かすことができる。
X線撮像システムの軌道を規定するこの一組の位置のうち、一つの位置(以下、第2の位置と呼ぶ)が、第2の位置が課された要件に効果的に適合しているかどうかをチェックするために使用されてもよい。例えば、第1の位置が正面位置である場合、第2の位置は、横方向のビューであってもよく、またその逆でもある。画像は、この第2の位置においてX線撮像システムによって取得されてもよく、ユーザは、例えば、ファントムが画像内の意図された位置にあるか、及び/又は関心領域が全体として画像内にあるかを見てもよい。
例えば、図7は、X線撮像システムの第1の(正面)位置(左)及びX線像においてファントム30が可視で、X線ビームに接しているX線撮像システムの第2の(横)位置(右)におけるX線ビームを概略的に示す。
別の実施形態によれば、図8は、X線撮像システムの第1の(正面)位置及び関心領域ROIがビームに完全に含まれるX線撮像システムの第2の(横)位置におけるX線ビーム(右)を概略的に示す。このような場合、ファントム30は、X線画像上に見えなくてもよい。
第2の位置の決定のこのステップは、「センタリング(centering)」ステップとみなすことができ、なぜなら、それは、関心領域の良好な画像を得るためのX線撮像システムの適切な位置決めを決定することを可能にするからである。これはまた、計算される軌道の開始点又は最終点とみなすこともできる(ただし、この2番目の位置は、実際には軌道の任意の位置であり得る)。
上述したように、上述したセンタリング方法は、1枚の画像のみを必要とする。従って、関心領域に対してX線撮像システムを正確に位置決めするための反復は除去される。さらに、患者は無駄な放射線にさらされることがより少ない。
上述のように、X線撮像システムの軌道は、課された要件を考慮に入れてX線システムの一組の位置の組を組み合わせることによって決定される。従って、軌道は、2つ以上の動きによって決定される位置の組、すなわち、組の少なくともいくつかの位置(複雑な軌道)に対する並進(translations)と回転(rotations)の組み合わせによって構成される。このような複雑な軌道では、患者とパネル検出器との間の距離は変化する。特に、ユーザに最も関係のあるビューについては、パネル検出器は、2D X線画像における関心領域のサイズを最大にするために、患者により近づけることができる。
課される要件は、X線撮像システムの位置に依存して変化し得る。X線撮像システムのいくつかの位置に課された要求さえ存在しないかもしれず、従って、これらの位置は、軌道運動によってのみ決定される。例えば、課された要件は、ユーザに最も関係のあるビューに適用され、ユーザにそれほど関係のないビューには適用されない。例えば、依然として脊椎手術アプリケーションを参照すると、正面画像ではなく側面画像に対するファントムの位置に要件を課すことによって、再構成された3D体積のより大きなサイズを求めることができる。
複雑な軌道の利点は、軌道運動(orbital movement)からなるアイソセントリック軌道(isocentric trajectory)と比較して、3D再構成体積が少なくとも1つの選択された方向に最大化され得ることである。さらに、患者が受ける放射線量は、パネル検出器が患者に近づくほど一層低減される。
ほとんどの例は脊椎手術の場合で示されているが、本発明はこの外科的応用に限定されるものではなく、他の医療分野にも適用可能であることに留意されたい。

Claims (15)

  1. 患者の画像を取得するための電動X線撮像システムの軌道を決定する方法であって、前記患者は、X線撮像システムによって取得された身体の関心領域(ROI)の少なくとも1つの2D画像上で可視化されるように既知の空間的配置を有する放射線不透過性基準点を含むファントムが取り付けられており、前記方法は、
    所定の位置における前記X線撮像システムによって前記ファントムの第1の2D画像を取得するステップと、
    前記取得された第1の画像内の前記ファントムの前記基準点を検出するステップと、
    前記検出された基準点に基づいて、前記X線撮像システムに関連する前記ファントムの前記位置を決定するステップと、
    一組の2D X線画像が、前記一組の画像の一部に対する前記ファントムの前記位置に課された少なくとも一つの要件に従うように、前記関心領域の2D X線画像の一組を取得するように適合された前記X線撮像システムの一組の位置を決定するステップと、
    前記ファントムの前記位置に関する前記X線撮像システムの軌道を決定するために、前記一組の決定された位置を組み合わせるステップと、
    を含む、方法。
  2. 前記課される要件は、前記X線撮像システムの前記位置に応じて変化する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記決定された軌道を実行して2D X線画像を取得し、前記取得された画像から前記患者の前記身体の関心領域の3D体積を再構成するステップをさらに含む、請求項1又は請求項2に記載の方法。
  4. 前記ファントムの前記位置に課される前記要件は、前記ファントムに対する前記関心領域の推定位置である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記ファントムの前記位置に課された要件を対話的に入力するステップをさらに含む、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記X線撮像システムの前記軌道が、50%より多い取得された2D X線画像が前記ファントムの50%より多い基準点を含むように決定される、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 取得されたすべての2D X線画像が、前記ファントムのすべての基準点を含む、請求項6に記載の方法。
  8. 前記決定された軌道を達成するために、前記ファントムに対して前記X線撮像システムを移動させる命令を表示するステップをさらに含む、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記決定された軌道を達成するために、前記ファントムに対して前記X線撮像システムを自動的に移動させるステップをさらに含む、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記ファントムの基準点が球を含む、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記身体の関心領域が椎骨を含む、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記ファントムの前記第1の画像は、正面図であり、前記X線撮像システムの前記組の位置の1つの位置は、側面図である、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記ファントムの前記第1の画像は、側面図であり、前記X線撮像システムの前記組の位置の1つの位置は、正面図である、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の方法。
  14. 電動X線撮像システムの軌道を決定するシステムであって、前記X線撮像システムに接続されるように構成されたプロセッサを含み、前記プロセッサは、
    所定の位置における前記X線撮像システムによって、患者に取り付けられ既知の空間的配置を有する放射線不透過性基準点を含むファントムの第1の2D画像を取得し、
    前記取得された第1の画像内の前記ファントムの前記基準点を検出し、
    前記検出された基準点に基づいて、前記X線撮像システムに関連する前記ファントムの前記位置を決定し、
    一組の2D X線画像が、前記一組の画像の一部に対する前記ファントムの前記位置に課された少なくとも一つの要件に従うように、関心領域の2D X線画像の一組を取得するように適合された前記X線撮像システムの一組の位置を決定
    前記ファントムの前記位置に関する前記X線撮像システムの軌道を決定するために、前記一組の決定された位置を組み合わせる、
    システム。
  15. 前記プロセッサに接続された電動X線撮像システムをさらに含む、請求項14に記載のシステム。
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