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1 JAIST Reposi Title 口腔疾患を有する複雑な声道形状と音声スペクトルの 関係に関する基礎的研究 Author(s) 西本, 博則 Citation Issue Date Type Thesis or Dissertation Text version author URL Rights Description Supervisor: 赤木正人, 情報科学研究科, 修士 Japan Advanced Institute of Science and

2 Copyright cfl 2001 by Hironori Nishimoto

3 1 MR 3 (FEM) FEM FEM 3 FEM 3 1 PAP

4 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : MR : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 14 i

5 3.3 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :0[mm] (Normal-A) : : : : : : : : : : : : : : : : : :5[mm] (Normal-A) : : : : : : : : : : : : (Normal-A) : : : : : : : : : : : : : : : : : :5[mm] (Normal-B) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Patient-A : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : PAP : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : PAP : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Patient-B : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 66 ii

6 2.1 Aflow chart ofasimulation. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : An MR image(mid-saggital image). : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Surgical procedure of Patient-A. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Surgical procedure of Patient-B. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Power Spectrum (Normal-A). : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Power Spectrum (Normal-B). : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Power Spectrum (Patient-A (PAP ( ))) (1). : : : : : : : : : : : : : : : : : Power Spectrum (Patient-A (PAP ( ))) (2). : : : : : : : : : : : : : : : : : Power Spectrum (Patient-A (PAP (+))) (1). : : : : : : : : : : : : : : : : : Power Spectrum (Patient-A (PAP (+))) (2). : : : : : : : : : : : : : : : : : Power Spectrum (Patient-B) (1). : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Power Spectrum (Patient-B) (2). : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : A Normal-A vocal tract model uttering Japanese vowel /i/. This model is constructed by a vocal tract data (1:0[mm] sampling). : : : : : : : : : : : : A transfer function of a Normal-A vocal tract model by an 1:0[mm] sampling vocal tract data. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : A Normal-A vocal tract model uttering Japanese vowel /i/ (0:5[mm] sampling). This model is constructed from a vocal tract data (0:5[mm] sampling) A transfer function of a Normal-A vocal tract model by an 0:5[mm] sampling vocal tract data. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : A Normal-A vocal tract model with hemispherical surface of radiation. : : A transfer function of a Normal-A vocal tract model with hemispherical surface of radiation. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 36 iii

7 4.7 A Normal-B vocal tract model uttering Japanese vowel /i/. This model is constructed by a vocal tract data (1:0[mm] sampling). : : : : : : : : : : : : A transfer function of a Normal-B vocal tract model by an 1:0[mm] sampling vocal tract data. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Glottis. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : A Normal-A vocal tract model uttering Japanese vowel /i/. This model is cut at ventricular fold. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : A transfer function of a Normal-A vocal tract excited at the ventricular fold A Normal-A vocal tract model remoced pyriform fossas. : : : : : : : : : : : A transfer function of a Normal-A vocal tract removed pyriform fossas. : : Transfer functions of Normal-A vocal tract estimted by FEM and 1-D model A3-Dvocal tract model of Patient-A(PAP( )). : : : : : : : : : : : : : : : A 3-D vocal tract model of Patient-A(PAP( )) with with hemispherical surface of radiation. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : A transfer function of the Patient-A(PAP( )) vocal tract model with hemispherical surface of radiation and without hemispherical surface of radiation A3-Dvocal tract model of Patient-A(PAP(+)). : : : : : : : : : : : : : : : A 3-D vocal tract model of Patient-A(PAP(+)) with with hemispherical surface of radiation. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : A transfer function of Patient-A(PAP(+)) vocal tract model with hemispherical surface of radiation and without hemispherical surface of radiation A3-Dvocal tract model of Patient-B. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : A transfer function of a Patient-B vocal tract model with hemispherical surface of radiation and without hemispherical surface of radiation. : : : : Transfer functions of a Patient-A(PAP( )) vocal tract model simulated by FEM and 1-D model. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : A modefied 3-D vocal tract model of Patient-A (PAP( )). : : : : : : : : : A transfer function of a modefied vocal tract model of Patient-A (PAP( )). 63 iv

8 2.1 Subjects : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : MR image acquisition : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Variables used in 1-D model : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Acoustic analysis. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Formant frequencies (Normal). : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Formant frequencies (Patients). : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Peak frequencies of estimated vocal tract function and formant frequencies Peak frequencies of estimated vocal tract function and formant frequencies Peak frequencies of estimated vocal tract functions. : : : : : : : : : : : : : Peak frequencies of estimated vocal tract function and formant frequencies Peak frequencies of estimated vocal tract function and formant frequencies Peak frequencies of estimated vocal tract function and formant frequencies Peak frequencies of Patient-A (PAP( )) vocal tract function without hemispherical surface of radiation and formant frequencies. : : : : : : : : : : : : Peak frequencies of Patient-A (PAP( )) vocal tract function with hemispherical surface of radiation and formant frequencies. : : : : : : : : : : : : Peak frequencies of Patient-A(PAP(+)) vocal tract function without hemispherical surface of radiation and formant frequencies. : : : : : : : : : : : : Peak frequencies of Patient-A(PAP(+)) vocal tract function with hemispherical surface of radiation and formant frequencies. : : : : : : : : : : : : Peak frequencies of Patient-B vocal tract function with hemispherical surface of radiation and formant frequencies. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 57 v

9 (Palatal Augmentation Prosthesis PAP) PAP

10 ffi 3 3 (Finite Element Method FEM) 3 Lu [1] [2][3] Niikawa [4] [5] 2

11 1.1.5 FEM 3 3 (Magnetic Resonance Imaging MR ) MR 3 MR X MR MRI [6] MR MR 3 FEM FEM FEM 3 3

12 1 3 FEM 3 PAP PAP PAP 6 5 4

13 2 3 FEM 2.1 MR [7][8] 3 FEM MR images Extract Informations of a vocal tract shape 3D vocal tract models Analysis FEM 2.1: A flow chart of a simulation. 5

14 2.1 MR X X 3 CT MR 3 CT X X MR 3 MR : An MR image(mid-saggital image). 6

15 Patient-A Patient-B Patient-A PAP 2.1: Subjects Subject Age Sex Case Normal-A 26 male Normal Normal-B 24 male Normal Patient-A 37 male Tongue and mouth floor resection Patient-B 72 male Mouth floor resection 2.3: Surgical procedure of Patient-A MR Version 31B MRI 1 21[sec] 250[mm] 250[mm] 80[mm] 7

16 2.4: Surgical procedure of Patient-B. 2.2 CP-NECK-Array ( ) MR PAP MR MR [9] MRI ( ) 1:0[mm] 1:5[mm] MR Patient-A PAP PAP PAP PAP PAP MR PAP /i/ /i/ /a/ /i/ 8

17 2.2: MR image acquisition MR device Sequence Image size Image matrix Required for one slice image Number of excitations (NEX) Image treatment SIEMENS MAGNETOM VISION Version 31B Fisp3D TR 5msec, TE 2msec FA 15 ffi FOV 250mm 250mm 250mm 80mm (32split) pixels (1 pixel =1.95mm 1.95mm 0.98mm) 21sec 1time SIEMENS MPR(Multipranar Reconstruction) MR 21[s] /i/ 2.2 (FEM) (element) (2 ) (3 ) ffi r 2 ffi = k 2 ffi (2.1) 9

18 k(=!=c;! : c : ) ffi p u p = j!ρffi (2.2) u = rffi (2.3) ρ FEM Z V (! i )(r 2 p + k 2 p)dv =0; i =1 n (2.4) n p = X i N i o i (2.5) w = X i N i p i (2.6) nx Z e i =1 V ei p(r 2 p + k 2 p)dv =0 (2.7) (2.7) i 1 n p N i nx e i Z V e i (rprp + k 2 pp)dv 4X S j =1 Z S j 1 prp ndsa =0 (2.8) (2.8) n nx e i [S] k 2 [T ]+jk ρc [G] [p] = z R nx e i ( jkρcu)[f ] (2.9) [S]; [T ]; [G] 4 4 [p]; [F ] 4 P n e i n [S]; [T ]; [G] n n [p]; [F ] n [S all ] k 2 [T all ]+jk ρc [G all ] [p all ]= jkρcu[f all ] (2.10) z R 10

19 2.2.2 Gauss n n k ij = kji 0 0 k11 k12 k k21 k22 k23 k k31 k32 k33 k34 k k42 k43 k44 k45 k k53 k54 k55 k k64 k65 k66 1 C A (2.11) 0 k11 k12 k13 k22 k23 k24 k33 k34 k35 k44 k45 k46 k55 k56 0 k C A (2.12) 1 (1 ) Gauss

20 ! U(x; y; z; t) =ue j!t (2.13) rp = ρ du dt u = rp jkρc = 1 (2.14) (2.15) Sondhi [13][14][15] ψ ψ! ψ! ψ! ψ! Pout Ai B i Pin A B Pin = (2.16) C i D i U in C D U in U out! = Y i (2.16) P in U in P out U out A; B; C; D A i = cosh(ff l=c) B i = ρc fl sinh(ff l=c) area(i) C i = area(i) sinh(ff l=c) ρc fl D i = cosh(ff l=c) (2.17) i area(i)[cm 2 ] l[cm] fl ff s ff + j! fl = (2.18) fi + j! ff = fl(fi + j!) (2.19) 12

21 ff = fi = q j!c1 (2.20) j!! ff (2.21) (j! + a)j! + b 2.3 [13] 2.3: Variables used in 1-D model Variable Meaning Value Unit c wave velocity 3: cm=s ρ density of air 1: g=cm 3 l length of elementary section 0:5 cm a ratio of wall resistance to mass 130ß rad=s b squared angular frequency of mechanical resonance (30ß) 2 (rad=s) 2 c l correction for thermal conductivity and viscosity 4 rad=s! 0 2 lowest squ. ang freq. of acoustic resonance (406ß) 2 (rad=s) 2 H(!) H(!) = 1 A CZ L (2.22) Z L r[cm] Z L = (!r)2 2c 2 + j!(8r) 3ßc (2.23) 13

22 3 3.1 (F1), (F2), (F3),... F1, F2, F3 [16] FEM [10][11] N 14

23 x = (x1;x2;:::;x n ) L(xj!)!(ff a1;a2; :::; a p ) 3.3 MR Normal Patient MR /i/ MR PAP DAT (SONY TCD-D 10 PRO II, SONY ) Normal MR Patient 1[sec] 3.4 DAT-LINK+ (Townshend Computer Tools, Inc) WS /ai/ /i/ 3.1 /i/ Normal 10[sec] Patient 200[ms] 3.1: Acoustic analysis. Sampling frequencye 20[kHz] FFT size 512[point] Frame length 25.6[ms] Frame period 2[ms] Cepstrum order 40 Window type Hanning /i/ 15

24 Normal-A 3.1 Normal-B 3.2 (10[sec]) : Formant frequencies (Normal). Formant frequencies (Average ± S.D. [Hz]) Subjects Normal-A Normal-B F1 260 ± ± 25 F ± ± 29 F ± ± 39 F ± ± 104 Normal ±10[%] Patient-A PAP ( PAP( ) ) Patient-A PAP ( PAP(+) ) Patient-B Patient PAP( ) Patient-A [19] 20[%] Patient A(PAP(+)) PAP PAP Patient A (PAP( )) 1500[Hz] 16

25 3.3: Formant frequencies (Patients). Formant frequencies (Average ± S.D. [Hz]) Subjects Patient-A (PAP( )) Patient-A(PAP(+)) Patient-B F1 340 ± ± ± 25 F ± ± ± 134 F ± ± ± 69 F ± ± 40 /i/ PAP 1500[Hz] Normal-A, Normal-B 4000[Hz] 17

26 3.1: Power Spectrum (Normal-A). 18

27 3.2: Power Spectrum (Normal-B). 19

28 3.3: Power Spectrum (Patient-A (PAP ( ))) (1). 20

29 3.4: Power Spectrum (Patient-A (PAP ( ))) (2). 21

30 3.5: Power Spectrum (Patient-A (PAP (+))) (1). 22

31 3.6: Power Spectrum (Patient-A (PAP (+))) (2). 23

32 3.7: Power Spectrum (Patient-B) (1). 24

33 3.8: Power Spectrum (Patient-B) (2). 25

34 4 4.1 MR 3 3 FEM 3 FEM 3 (Normal) Normal-A MR [7][8] 3 ( ) Geomagic Wrap Altair HyperMesh NIT(Numerical Intergration Technologies) SYS- NOISE FEM 1:0 26

35 0:001 1 ( ) 1 c = 340[m=s] ρ =1:225[kg=m 3 ] H H =20log 10 U out U in (4.1) U in ( ) U out F1 F [Hz] 10[Hz] Error F s F a Error = jf a F s j F a 100 (4.2) :0[mm] (Normal-A) Normal-A MR 1:0[mm] FEM

36 4.1: Peak frequencies of estimated vocal tract function and formant frequencies. Molel[Hz] Formant[Hz] Error[%] F F F F F3 F4 ±10[%] MR 5[%] [6] 4.1 F3 F4 F1 F2 28

37 4.1: A Normal-A vocal tract model uttering Japanese vowel /i/. This model is constructed by a vocal tract data (1:0[mm] sampling). 29

38 60 40 FEM(center) FEM(right) FEM(left) Format 20 Power[dB] Frequency[Hz] 4.2: A transfer function of a Normal-A vocal tract model by an 1:0[mm] sampling vocal tract data. 30

39 :5[mm] (Normal-A) :0[mm] Normal-A F1 F2 /i/ F :5[mm] 3 FEM FEM : Peak frequencies of estimated vocal tract function and formant frequencies. Molel[Hz] Formant[Hz] Error[%] F F F F F1 F3 F2 /i/ F2 [20] MR MR. 3 MR 31

40 MR : A Normal-A vocal tract model uttering Japanese vowel /i/ (0:5[mm] sampling). This model is constructed from a vocal tract data (0:5[mm] sampling). 32

41 FEM(center) FEM(right) FEM(left) Format 20 Power[dB] Frequency[Hz] 4.4: A transfer function of a Normal-A vocal tract model by an 0:5[mm] sampling vocal tract data. 33

42 4.4.3 (Normal-A) 3 3 [17][18] ( 1) FEM : Peak frequencies of estimated vocal tract functions. Original model[hz] Model with radiation[hz] Difference [Hz] F F F F F2 F3 F2 34

43 4.4: Peak frequencies of estimated vocal tract function and formant frequencies. Molel[Hz] Formant[Hz] Error[%] F F F F : A Normal-A vocal tract model with hemispherical surface of radiation. 35

44 60 40 FEM(radiation) FEM Format 20 Power[dB] Frequency[Hz] 4.6: A transfer function of a Normal-A vocal tract model with hemispherical surface of radiation. 36

45 :5[mm] (Normal-B) Normal-B MR 0:5[mm] 3 (/i/ ) FEM 4.8 Normal-B F4 4000[Hz] [Hz] : Peak frequencies of estimated vocal tract function and formant frequencies. Molel[Hz] Formant[Hz] Error[%] F F F F Normal-B 4.5 F1 Normal-B =i= 160[Hz] MR F2 37

46 4.7: A Normal-B vocal tract model uttering Japanese vowel /i/. This model is constructed by a vocal tract data (1:0[mm] sampling). 38

47 40 FEM formant 20 0 Power[dB] Frequency[Hz] 4.8: A transfer function of a Normal-B vocal tract model by an 1:0[mm] sampling vocal tract data. 39

48 4.5 F2 F2 [20] [21] [22] 4.9: Glottis FEM F3 F2 40

49 3 [21] [22] 4.10: A Normal-A vocal tract model uttering Japanese vowel /i/. This model is cut at ventricular fold. 41

50 FEM(medified) FEM(original) Format 10 Power[dB] Frequency[Hz] 4.11: A transfer function of a Normal-A vocal tract excited at the ventricular fold. 42

51 [Hz] FEM : Peak frequencies of estimated vocal tract function and formant frequencies. Molel[Hz] Formant[Hz] Error[%] F F F F F2 F3 F2 MR MR F2 F3 F2 Normal-A /i/ F2 F2 43

52 4.12: A Normal-A vocal tract model remoced pyriform fossas. 44

53 40 20 FEM(modefied) FEM(original) Formant 0 Power[dB] Frequency[Hz] 4.13: A transfer function of a Normal-A vocal tract removed pyriform fossas. 45

54 FEM 1 Normal-A FEM FEM 1 F2 F Power[dB] FEM(radiation) 1 D model Formant Frequency[Hz] 4.14: Transfer functions of Normal-A vocal tract estimted by FEM and 1-D model. 46

55 4.7 Normal-A, Normal-B /i/ 3 MR 0:5[mm] MR F1 F2 F3 3 F2 F2 F3 F

56 (Patient-A), (Patient-B) MR 3 FEM Patient-A 5.2 Patient-A PAP Patient-A PAP PAP, PAP MR 3 Patient-A Patient-A

57 FEM : Peak frequencies of Patient-A (PAP( )) vocal tract function without hemispherical surface of radiation and formant frequencies. Molel[Hz] Formant[Hz] Error[%] F F F F : Peak frequencies of Patient-A (PAP( )) vocal tract function with hemispherical surface of radiation and formant frequencies. Molel[Hz] Formant[Hz] Error[%] F F F F F Patient-A (PAP( )) PAP F2 Patient-A (PAP( )) 1500[Hz] F2 F2 Patient-A (PAP( ))

58 3 5.1: A 3-D vocal tract model of Patient-A(PAP( )). 50

59 5.2: A 3-D vocal tract model of Patient-A(PAP( )) with with hemispherical surface of radiation. 51

60 60 40 FEM(radiation) FEM Format : A transfer function of the Patient-A(PAP( )) vocal tract model with hemispherical surface of radiation and without hemispherical surface of radiation. 52

61 5.2.2 PAP Patinet-A PAP MR Patient-A Patient-A FEM : Peak frequencies of Patient-A(PAP(+)) vocal tract function without hemispherical surface of radiation and formant frequencies. Molel[Hz] Formant[Hz] Error[%] F F F F

62 5.4: Peak frequencies of Patient-A(PAP(+)) vocal tract function with hemispherical surface of radiation and formant frequencies. Molel[Hz] Formant[Hz] Error[%] F F F F F : A 3-D vocal tract model of Patient-A(PAP(+)). 54

63 5.5: A 3-D vocal tract model of Patient-A(PAP(+)) with with hemispherical surface of radiation. 55

64 60 40 FEM(radiation) FEM Format 20 Power[dB] Frequency[Hz] 5.6: A transfer function of Patient-A(PAP(+)) vocal tract model with hemispherical surface of radiation and without hemispherical surface of radiation. 56

65 5.3 Patient-B Patinet-B 3 Patient-B FEM : Peak frequencies of Patient-B vocal tract function with hemispherical surface of radiation and formant frequencies. Molel[Hz] Formant[Hz] Error[%] F F F F F F1 F2 MR Patient PAP MR 57

66 5.7: A 3-D vocal tract model of Patient-B. 58

67 0 10 FEM Format Power[dB] Frequency[Hz] 5.8: A transfer function of a Patient-B vocal tract model with hemispherical surface of radiation and without hemispherical surface of radiation. 59

68 Parient-1(PAP( )) FEM [Hz] MR ±5[%] [6] FEM 1 F2 F FEM(radiation) 1 D model Formant 10 Power[dB] Frequency[Hz] 5.9: Transfer functions of a Patient-A(PAP( )) vocal tract model simulated by FEM and 1-D model. 60

69 5.4 Patient-A(PAP( )) Patient-A (PAP( )) 3 ( 5.2) [Hz] 3 FEM [Hz] Patient-A (PAP( )) 4000[Hz] [18] Patient-A (PAP( )) PAP ( ) 61

70 5.10: A modefied 3-D vocal tract model of Patient-A (PAP( )). 62

71 40 20 modefied original 0 Power[dB] Frequency[Hz] 5.11: A transfer function of a modefied vocal tract model of Patient-A (PAP( )). 63

72 5.5 3 FEM 1 Patient-A 1 Patitent-A (PAP( )) [Hz] Patient-A(PAP( )) F2 64

73 6 6.1 ffl F1 0:5[mm] ffl 3 FEM ffl 3 F2 ffl 1 ffl [Hz] 4000[Hz] 1 65

74 3 PAP 6.2 ffl 3 3 ffl 3 ffl ffl 3 PAP ffl 66

75 MR MR 2 67

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