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技術 小動物の体脂肪測定方法

出願人 国立大学法人秋田大学
発明者 岡田恭司藤原一彦小川信明
出願日 2012年3月29日 (8年3ヶ月経過) 出願番号 2012-076714
公開日 2013年10月7日 (6年8ヶ月経過) 公開番号 2013-205334
状態 特許登録済
技術分野 光学的手段による材料の調査、分析 その他の診断装置
主要キーワード 補外処理 胸最長筋 二次微分処理 変数増加法 実験用小動物 原スペクトル 切開面 OTF
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2013年10月7日)のものです。
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図面 (9)

課題

小動物体脂肪率又は体脂肪量を簡単に測定できる方法を提供する。

解決手段

小動物5に近赤外線L3を照射する工程と、近赤外線が小動物で反射されて生じた拡散反射光L4を受光する工程と、近赤外線の吸光度を用いた関係式から小動物の体脂肪率又は体脂肪量を算出する工程と、を有する、小動物の体脂肪測定方法とする。

概要

背景

メタボリック症候群は主に過食運動不足などの生活習慣が原因で生じる。メタボリック症候群は、動脈硬化糖尿病、さらには心筋梗塞や脳卒中などを引き起こす重大な疾患である。そのため、メタボリック症候群に対する治療法については様々な研究がなされている。

メタボリック症候群に対する治療法の研究として、例えば薬剤をはじめ運動機能性食品の摂取などによる効果について、人間だけでなくマウスラットなどの小動物を対象にして広く調べられている。本発明者らは、これまでメタボリック症候群のマウスを対象にして、運動による治療効果を血中のコレステロール値全身臓器ペルオキシゾーム増殖剤反応性受容体発現などから検討を行ってきた。以上のような動物実験では、体脂肪率指標として広く用いられている。実験用小動物の体脂肪率の測定は、人と同様にCT(Computed Tomography、コンピュータ断層撮影)を用いた画像解析方法が最も利用されている。具体的には、CTによる断層写真を用いて、胴体部分面積に対して脂肪分が占める割合を求め、これを体脂肪率とする。この方法は客観的に分かり易く、臓器や血管などの脂肪も判断でき、小動物の体脂肪率を高精度に測定することができるという利点がある。

しかしながら、CTを用いて小動物の体脂肪率を測定するには、該小動物に全身麻酔が必要となることや、測定から解析に至るまでに数時間を要すること、さらには小動物用の非常に高価なCT機器を導入しなければならないなどの問題があった。

一方、CTを用いずに体脂肪率を測定可能な技術もこれまでにいくつか提案されている。例えば特許文献1には、近赤外線スペクトル分析によって、生魚体の脂肪含有率を測定する方法について記載されている。また、特許文献2には、赤外分光法を用いて枝肉切開面胸最長筋脂肪含有量を測定する方法について開示されている。さらに、特許文献3には、近赤外線を用いて、主に人体に対して体脂肪率を測定する方法について開示されている。

概要

小動物の体脂肪率又は体脂肪量を簡単に測定できる方法を提供する。小動物5に近赤外線L3を照射する工程と、近赤外線が小動物で反射されて生じた拡散反射光L4を受光する工程と、近赤外線の吸光度を用いた関係式から小動物の体脂肪率又は体脂肪量を算出する工程と、を有する、小動物の体脂肪測定方法とする。

目的

本発明は、小動物の体脂肪率又は体脂肪量を簡単に測定できる方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

小動物近赤外線照射する工程と、前記近赤外線が前記小動物で反射されて生じた拡散反射光受光する工程と、前記近赤外線の吸光度を用いた関係式から前記小動物の体脂肪率又は体脂肪量を算出する工程と、を有する、小動物の体脂肪測定方法

請求項2

コンピュータ断層撮影を用いて得られたサンプルの体脂肪率又は体脂肪量の測定結果目的変数とし、前記サンプルに近赤外線を照射するとともに該近赤外線が前記サンプルで反射されて生じた拡散反射光を受光して前記近赤外線の吸光度を求め、該吸光度を下記(1)式で正規化したものを説明変数として、重回帰分析を行って定数を決定した下記(2)式を前記関係式とする、請求項1に記載の小動物の体脂肪測定方法。Z(λ)={X(λ)−xave.}/σ(1)上記(1)式において、Z(λ)は波長λの時の正規化された吸光度、X(λ)は正規化する吸光度、xave.は前記拡散反射光のスペクトル全体の平均値、σは前記拡散反射光のスペクトル全体の標準偏差である。Y=a1x1+a2x2+・・・+anxn+b(2)上記(2)式において、Yは前記小動物の体脂肪率又は体脂肪量、x1、・・・、xnは変数増加法で選択された波長での前記(1)式で正規化された近赤外線の吸光度、a1、・・・、an、bは前記重回帰分析により得られた定数である。

請求項3

前記近赤外線を前記小動物に照射する前に、前記小動物の前記近赤外線が照射される部位の毛を取り除いておく、請求項1又は2に記載の小動物の体脂肪測定方法。

請求項4

前記近赤外線の波長を1600nm以上2400nm以下とする、請求項1〜3のいずれかに記載の小動物の体脂肪測定方法。

技術分野

0001

本発明は、小動物体脂肪率又は体脂肪量を測定する方法に関する。

背景技術

0002

メタボリック症候群は主に過食運動不足などの生活習慣が原因で生じる。メタボリック症候群は、動脈硬化糖尿病、さらには心筋梗塞や脳卒中などを引き起こす重大な疾患である。そのため、メタボリック症候群に対する治療法については様々な研究がなされている。

0003

メタボリック症候群に対する治療法の研究として、例えば薬剤をはじめ運動機能性食品の摂取などによる効果について、人間だけでなくマウスラットなどの小動物を対象にして広く調べられている。本発明者らは、これまでメタボリック症候群のマウスを対象にして、運動による治療効果を血中のコレステロール値全身臓器ペルオキシゾーム増殖剤反応性受容体発現などから検討を行ってきた。以上のような動物実験では、体脂肪率が指標として広く用いられている。実験用小動物の体脂肪率の測定は、人と同様にCT(Computed Tomography、コンピュータ断層撮影)を用いた画像解析方法が最も利用されている。具体的には、CTによる断層写真を用いて、胴体部分面積に対して脂肪分が占める割合を求め、これを体脂肪率とする。この方法は客観的に分かり易く、臓器や血管などの脂肪も判断でき、小動物の体脂肪率を高精度に測定することができるという利点がある。

0004

しかしながら、CTを用いて小動物の体脂肪率を測定するには、該小動物に全身麻酔が必要となることや、測定から解析に至るまでに数時間を要すること、さらには小動物用の非常に高価なCT機器を導入しなければならないなどの問題があった。

0005

一方、CTを用いずに体脂肪率を測定可能な技術もこれまでにいくつか提案されている。例えば特許文献1には、近赤外線スペクトル分析によって、生魚体の脂肪含有率を測定する方法について記載されている。また、特許文献2には、赤外分光法を用いて枝肉切開面胸最長筋脂肪含有量を測定する方法について開示されている。さらに、特許文献3には、近赤外線を用いて、主に人体に対して体脂肪率を測定する方法について開示されている。

先行技術

0006

特開2007−93506号公報
特開平9−119894号公報
特許第2648377号公報

発明が解決しようとする課題

0007

上述したように、CTを用いた従来の測定方法は簡便な方法とは言い難いものであった。一方、特許文献1〜3に開示されているような近赤外分光法によれば、脂肪由来シグナルを迅速かつ物質特異的に得ることができるほか、その濃度(密度)情報も同時に得ることができる。しかしながら、近赤外分光法を用いた従来の測定方法では、小動物を測定対象としておらず、そのような従来技術をそのまま小動物に適用することは困難であった。

0008

そこで本発明は、小動物の体脂肪率又は体脂肪量を簡単に測定できる方法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0009

以下、本発明について説明する。

0010

本発明は、小動物に近赤外線を照射する工程と、該近赤外線が小動物で反射されて生じた拡散反射光受光する工程と、近赤外線の吸光度を用いた関係式から小動物の体脂肪率又は体脂肪量を算出する工程と、を有する、小動物の体脂肪測定方法である。

0011

本発明による測定対象である「小動物」とは、マウスやラットなどの実験用小動物の外、手のひらに乗る程度の大きさの動物を含む概念である。

0012

本発明の小動物の体脂肪測定方法において、コンピュータ断層撮影を用いて得られたサンプルの体脂肪率又は体脂肪量の測定結果目的変数とし、該サンプルに近赤外線を照射するとともに該近赤外線がサンプルで反射されて生じた拡散反射光を受光して近赤外線の吸光度を求め、該吸光度を下記(1)式で正規化したものを説明変数として、重回帰分析を行って定数を決定した下記(2)式を上記関係式とすることが好ましい。
Z(λ)={X(λ)−xave.}/σ (1)
上記(1)式において、Z(λ)は波長λの時の正規化された吸光度、X(λ)は正規化する吸光度、xave.は上記拡散反射光のスペクトル全体の平均値、σは上記拡散反射光のスペクトル全体の標準偏差である。
Y=a1x1+a2x2+・・・+anxn+b (2)
上記(2)式において、Yは小動物の体脂肪率又は体脂肪量、x1、・・・、xnは変数増加法で選択された波長での上記(1)式で正規化された近赤外線の吸光度、a1、・・・、an、bは上記重回帰分析により得られた定数である。

0013

ここに「サンプル」とは、実際に体脂肪率又は体脂肪量を測定したい小動物と同じ種類の小動物の、実際に体脂肪率又は体脂肪量を測定したい小動物の部位と同じ部位を意味する。また、「コンピュータ断層撮影を用いて得られたサンプルの体脂肪率又は体脂肪量の測定結果」とは、以下の方法で測定された結果を意味する。すなわち、CT(コンピュータ断層撮影)による断層写真を用いて、撮影された部分の面積に対して脂肪分が占める割合を求め、これを体脂肪率とする。また、上記のようにして求めた体脂肪率とサンプルの体重とを掛け合わせものを体脂肪量とする。

0014

本発明の小動物の体脂肪測定方法において、近赤外線を小動物に照射する前に、該小動物の近赤外線が照射される部位の毛を取り除いておくことが好ましい。

0015

また、本発明の小動物の体脂肪測定方法において、小動物に照射する近赤外線の波長を1600nm以上2400nm以下とすることが好ましい。

発明の効果

0016

本発明によれば、生体組織に対して全く侵襲性を持たないため、生きたまま小動物の体脂肪率又は体脂肪量を測定することができる。また、本発明によれば、麻酔を使用せずに小動物の体脂肪率又は体脂肪量を簡単に測定することができる。そのため、マウスやラットなどの実験用小動物に本発明を適用すれば、体脂肪率が指標となる疾患に対する研究を大幅に加速することができる。また、CTを用いて得られた体脂肪率又は体脂肪量で測定値校正することによって、極めて高精度に小動物の体脂肪率又は体脂肪量を測定することができる。

図面の簡単な説明

0017

体脂肪測定装置10の構成を概略的に示した図である。
体脂肪測定装置10に備えられる情報処理手段15の構成を概略的に示した図である。
小動物の体脂肪測定方法S10の流れを概略的に示した図である。
図4(A)は原スペクトルを示しており、図4(B)は補外処理を行った後に二次微分処理をしたスペクトルを示している。
実施例において得られた拡散反射光の正規化スペクトルを示した図である。
実施例において得られた解析結果を示した図である。
実施例において得られた解析結果を示した図である。
実施例において得られた解析結果を示した図である。

0018

本発明の上記した作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。ただし、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。なお、各図面は、図示と理解のしやすさの便宜上、簡略化して示している。

0019

まず、本発明に用いることができる体脂肪測定装置について説明する。図1は、本発明に用いることができる体脂肪測定装置の一例について、その構成を概略的に示した図である。

0020

図1に示した体脂肪測定装置10は、光源1と、分光器2と、レンズ3と、検出器4、4と、を備えている。また、図示はしていないが、体脂肪測定装置10は、後に詳述する情報処理手段15も備えている。

0021

体脂肪測定装置10では、光源1として白色光L1を発するものを用いる。光源1としては、白色光を発するものであれば特に限定されず、公知の光源を用いることができる。

0022

光源1から発せられた白色光L1は分光器2に入射し、分光器2からは近赤外光L2が出射される。このような分光器2としては、音響光学可変波長フィルター(以下、「AOTF」という。)を用いることができる。AOTFによれば、近赤外域(NIR)の波長帯域において、任意の波長のみを選択して出射することができる。近赤外光L2の波長は1200nm以上2600nm以下であることが好ましく、1600nm以上2400nm以下であることがより好ましい。近赤外光L2を上記波長領域とすることによって、CH2伸縮などの脂肪族由来化合物のシグナルを検出しやすくなる。

0023

分光器2から出射された近赤外光L2は、レンズ3に入射し、集光される。レンズ3としては、近赤外光L2を適切な範囲に集光できるものであれば特に限定されず、公知のレンズを用いることができる。

0024

レンズ3によって集光された近赤外光L3は、体脂肪測定装置10の出入光部11から出射されて、測定対象である小動物5に照射される。近赤外光L3が照射される範囲は、例えば直径0.8mm以上1.0mm以下とすることができる。また、小動物5と体脂肪測定装置10の出入光部11との距離は、例えば0mm以上15mm以下とすることができる。

0025

小動物5に照射された近赤外光L3は反射して、拡散反射光L4が生成される。この拡散反射光L4は、体脂肪測定装置10の出入光部11から入射して検出部4が受光する。検出部4は、拡散反射光L4を検知できるものであれば特に限定されず、公知の検出器を用いることができる。

0026

上述したようにして小動物5に近赤外線L3を照射し、拡散反射光L4を検出部4が受光した後、以下に説明する情報処理手段15によって、小動物5の体脂肪量又は体脂肪率が算出される。

0027

図2は、情報処理手段15の構成を示す概念図である。情報処理手段15は、検出部4から情報を取得して、小動物5の体脂肪率及び/又は体脂肪量を算出し、その演算結果を表示装置等(不図示)に送信可能な機器である。

0028

図2に示したように情報処理手段15は、受信手段16、中央演算子17、記憶手段18、RAM19、及び送信手段20を有して構成されている。

0029

受信手段16は、上記した検出部4からの情報S1を情報処理手段15に適切に取り入れる機能を有する部材である。いわゆる入力ポート入力コネクタ等もこれに含まれる。

0030

中央演算子17はいわゆるCPUであり、後述する各種演算はこの中央演算子17で演算することができる。また、中央演算子17は、その他にも情報処理手段15に含まれる各部材に接続されており、これらを制御することができるように構成されている。すなわち、中央演算子17は、記憶媒体として機能する記憶手段18に記憶された各種プログラムを実行し、これに基づいて小動物5の体脂肪率及び/又は体脂肪量を算出することができる。具体的にどのような演算が行われるかについては後で詳しく説明する。

0031

記憶手段18は、小動物5の体脂肪率及び/又は体脂肪量を算出するに際して根拠となる各種プログラムやデータが保存される記憶媒体として機能する部材である。また記憶手段18には、プログラムの実行により得られた中間、最終の各種結果を保存することができてもよい。

0032

RAM19は、中央演算子17による演算の作業領域や一時的なデータの記憶手段として機能する部材である。RAM19は、SRAM、DRAMフラッシュメモリ等で構成することができ、公知のRAMと同様である。

0033

送信手段20は、得られた結果のうち表示装置等に対して出力すべき情報S2を適切に出力する機能を有する部材である。いわゆる出力ポート出力コネクタ等もこれに含まれる。

0034

上述した体脂肪測定装置10を用いる場合を例にして、以下に本発明の小動物の体脂肪測定方法について説明する。図3は、本発明の小動物の体脂肪測定方法の一例である体脂肪測定方法S10について、その流れを概略的に示した図である。

0035

図3に示したように、体脂肪測定方法S10は、照射工程S11、受光工程S12、及び演算工程S13を有している。以下、これらの工程について説明する。

0036

照射工程S11は、測定対象である小動物5に近赤外線L3を照射する工程である。また、受光工程S12は、照射工程S11において小動物5に照射され、該小動物5によって反射された拡散反射光L4を検出器4、4で受光する工程である。小動物5に近赤外線L3を照射し、該小動物5によって反射された拡散反射光L4を受光するまでの過程は、体脂肪測定装置10の説明において説明した通りである。

0037

演算工程S13は、照射工程S11において小動物5に照射した近赤外線の吸光度を用いた関係式から小動物の体脂肪量又は体脂肪率を算出する工程である。

0038

上記関係式は、CTを用いて得られたサンプルの体脂肪率又は体脂肪量の測定結果を利用して作成したものであることが好ましい。CTによれば、小動物の体脂肪率又は体脂肪量を高精度に測定することができる。高精度に測定された結果を参照して校正された関係式を作成し、該関係式を用いれば、近赤外分光法による本発明の測定方法でも小動物の体脂肪率又は体脂肪量を高精度に測定することができる。具体的には、以下のようにして関係式を作成することができる。

0039

まず、複数のサンプルに対してCTを用いた従来の方法で体脂肪率を測定する。このとき、メタボリック症候群の小動物を用いたり、それぞれの小動物について様々な箇所で測定したりすることによって、様々なデータを収集しておくことが好ましい。

0040

その後、CTを用いて体脂肪率を測定したサンプルと同じサンプルについて、近赤外分光法を用いてスペクトル測定を行う。近赤外分光法による測定を行う際、体脂肪率をより正確に測定するという観点からは、測定箇所(近赤外線を照射する箇所)の毛を取り除いておくことが好ましい。毛があることによって、毛に反射された近赤外光も受光する場合があるからである。

0041

上記のようにして、サンプルの体脂肪率をCTを用いて測定するとともに近赤外分光法によって測定した後、CTを用いて算出された個々のサンプルの体脂肪率の変動に対して相関を有する近赤外スペクトルのシグナルを評価・確認し、検量線を作成して関係式を作成する。当該関係式は、より具体的には下記のように求めることができる。

0042

まず、上記のようにしてCTを用いた方法、及び近赤外分光法によってサンプルの体脂肪率を測定する。その後、CT用いて得られたサンプルの体脂肪率の測定結果を目的変数とし、サンプルに近赤外線を照射するとともに該近赤外線がサンプルで反射されて生じた拡散反射光を受光して近赤外線の吸光度を求め、該吸光度を下記(1)式で正規化したものを説明変数として、重回帰分析を行う。こうして重回帰分析を行って定数が決定された下記(2)式を、上記関係式とすることができる。なお、体脂肪量についての関係式を作成する場合は、上記のようにして測定した体脂肪率とサンプルの体重から体脂肪量を算出し、上記と同様にして関係式を作成することができる。
Z(λ)={X(λ)−xave.}/σ (1)
上記(1)式において、Z(λ)は波長λの時の正規化された吸光度、X(λ)は正規化する吸光度、xave.は拡散反射光のスペクトル全体の平均値、σは拡散反射光のスペクトル全体の標準偏差である。
Y=a1x1+a2x2+・・・+anxn+b (2)
上記(2)式において、Yは小動物の体脂肪率又は体脂肪量、x1、・・・、xnは変数増加法で選択された波長での上記(1)式で正規化した近赤外線の吸光度、a1、・・・、an、bは重回帰分析により得られた定数である。

0043

上記のようにして関係式を作成しておくことによって、実際の測定対象について上述した体脂肪測定装置を用いて近赤外スペクトル測定を行ったのち、得られた結果を上記関係式に代入することにより、測定対象の体脂肪率又は体脂肪量を算出することができる。

0044

なお、上記のようにして近赤外スペクトル測定を行う際、測定対象に照射した近赤外光の波長に対する吸光度を示す原スペクトルを二次微分して得られる、二次微分スペクトルを用いることが好ましい。原スペクトルでは散乱によるベースライン変動ピークの重なりが生じることがある。原スペクトルに二次微分処理を行うことによって、符号は反転するがピークの位置は保持され、鋭いピークを得ることができる。また、このように二次微分処理を行う場合、補外処理を行うことが好ましい。微分を行うごとにノイズが増大するが、補外処理を行うことによってノイズを低減し、二次微分した際に鋭いピークを得やすくなる。以下に、マウスの腹部の脂肪に対する近赤外スペクトル測定の結果を例示する。図4(A)は原スペクトルを示しており、図4(B)は図4(A)に示した原スペクトルに対して801点から100点に補外処理を行った後に二次微分処理をしたスペクトルを示している。また、下記表1は、図4(B)に示したピークの対応表を示している。

0045

0046

図4(B)及び表1に示したように、原スペクトルに対して補外処理を行った後に二次微分処理を行うことによって、脂肪由来の鋭いピークを観察することができた。また、このように処理することによって、測定対象の体毛による個体差の影響を低減することができる。

0047

以上説明したように、本発明によれば、生体組織に対して全く侵襲性を持たないため、生きたまま小動物に対する測定を行うことができる。また、本発明によれば、麻酔を使用せずに小動物の体脂肪率又は体脂肪量を簡単に測定することができる。そのため、マウスやラットなどの実験用小動物に本発明を適用すれば、体脂肪率が指標となる疾患に対する研究を大幅に加速することができる。また、CTによって得られた体脂肪率又は体脂肪量で測定値を校正することによって、極めて高精度に小動物の体脂肪率又は体脂肪量を測定することができる。

0048

以下に、実施例にて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

0049

14匹のマウスの胸部、腹部、下腹部背部、及び尾部ついて近赤外スペクトル測定を行った。また、14匹のうち6匹については脱毛した腹部の近赤外スペクトル測定も行った。当該測定には、Infrared Fiber Systems社製のplascan−w(登録商標)を用いて拡散反射方式で行った。また、得られたスペクトルは下記(1)式よって正規化処理を行った。このようにして得られた正規化スペクトルは図5に示した。図5において、横軸は受光した拡散反射光の周波数(μm)であり、縦軸が下記(1)式で正規化された吸光度である。
Z(λ)={X(λ)−xave.}/σ (1)
上記(1)式において、Z(λ)は波長λの時の正規化された吸光度、X(λ)は正規化する吸光度、xave.は拡散反射光のスペクトル全体の平均値、σは拡散反射光のスペクトル全体の標準偏差である。

0050

次に、CTによって得られたマウスの体脂肪率(%)、又は、該体脂肪率(%)とマウスの体重とから算出した体脂肪量(g)を目的変数とし、測定波長を説明変数として、それぞれのマウスに対して得られた近赤外スペクトルの重回帰分析を行った。回帰式は下記(2)式である。
Y=a1x1+a2x2+・・・+anxn+b (2)
上記(2)式において、x1、・・・、xnは選択した波長での上記(1)式で正規化した吸光度、a1、・・・、an、bは重回帰により得られる定数である。重回帰式に用いる波長の選択には変数増加法を使用した。なお、変数増加法では1〜8個の波長が選択された。解析結果は表2乃至表7、及び図6乃至図8に示した。図6上段の図は腹部、下段の図は胸部、図7の上段の図は背部、下段の図は下腹部、図8の上段の図は尾部、下段の図は脱毛後の腹部についての解析結果を示している。また、図6乃至図8の左側の図において、縦軸は上記(2)式によって得られた体脂肪率(%)、横軸はCTを用いて得られた体脂肪率(%)を示しており、図6乃至図8の右側の図において、縦軸は上記(2)式によって得られた体脂肪量(g)、横軸はCTを用いて得られた体脂肪量(g)を示している。

0051

0052

0053

0054

0055

0056

実施例

0057

以上の解析により、脱毛していないマウスのスペクトルにおいては、体脂肪率よりも体脂肪量に対して非常に高い相関が得られることが分かった。一方、脱毛後のマウスにおいては体脂肪率及び体脂肪量ともに高い相関が得られた。すなわち、本発明によれば、生きたまま小動物に対して、麻酔を使用せずに体脂肪率又は体脂肪量を簡単に測定できることがわかった。また、即座に体脂肪量を測定したい場合は脱毛せずに測定し、高精度に体脂肪率および体脂肪量を測定したい場合は脱毛してから測定するという選択が可能であることもわかった。

0058

1光源
2分光器(AOTF)
3レンズ
4検出器
5小動物(測定対象)
10体脂肪測定装置
11出入光部
15情報処理手段
16 受信手段
17 中央演算子
18 記憶手段
19 RAM
20 送信手段
L1白色光
L2近赤外光
L3集光された近赤外光
L4拡散反射光
S1 検出部4からの情報
S2表示装置等に対して出力すべき情報

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