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《山东大学》 2011年
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轴流式磁悬浮人工心脏泵磁悬浮系统研究

关勇  
【摘要】:心脏衰竭是心脏病发展的严重阶段,直接威胁病人生命,由于很难及时找到心脏供体进行心脏移植手术,因此,大部分病人需要人工心脏来辅助人体心脏完成泵血功能,维持生命,直至找到合适的心脏供体;人工心脏在辅助心脏完成泵血功能的同时,可帮助病变的心脏恢复机能,是非药物治疗心衰的重要手段。而目前临床采用的第二代人工心脏泵,其机械轴承处的发热比较严重、易磨损、对血液损伤大、容易形成溶血和血栓等问题,限制了其发展和应用。磁悬浮轴承能够实现转子的无接触悬浮支承,消除了轴承处的机械摩擦和磨损,降低了对血液的破坏作用,也降低了溶血和血栓的发生几率,延长了整机寿命。因此,研究可用于人体移植的磁悬浮人工心脏泵具有十分重要的科学意义和社会意义。 目前,国际上针对磁悬浮人工心脏泵的研究取得了长足发展,但是可用于临床的还很少,还有很多方面需要改进和完善。磁悬浮人工心脏泵是高度集成机械结构学、转子动力学、流体力学、电磁学、自动控制技术、传感器技术、电子技术等诸多学科的先进知识于一体的机电一体化装置,其核心部件包括磁悬浮轴承、叶轮转子以及驱动电机。叶轮转子和驱动电机的设计可以借鉴第二代人工心脏泵的技术,但用于人工心脏泵的磁悬浮轴承技术还未形成成熟的设计、分析和调试理论体系,需要进行深入细致的研究。因此,磁悬浮轴承系统的研究成为磁悬浮人工心脏泵研究的热点和难点。 磁悬浮轴承可以分为电磁轴承、永磁轴承和混合磁力轴承等多种类型。电磁轴承的结构和控制系统比较复杂,消耗功耗,但是可以实现转子的五自由度主动悬浮控制;永磁轴承结构简单,无需控制系统,无功耗,但是不能实现转子的五自由度全悬浮;混合磁力轴承兼有电磁轴承和永磁轴承的特点,可实现转子主动悬浮控制,功耗和发热都较小,但结构设计更复杂。通过综合分析,磁悬浮人工心脏泵采用永磁轴承和电磁轴承相结合的磁悬浮轴承系统是比较合适的,但是如何将这两种轴承完美地融合于人工心脏泵的狭小空间中是研究的重点和难点。 本文针对用于轴流式人工心脏泵的采用径向永磁轴承和轴向电磁轴承相结合的磁悬浮轴承系统进行了系统深入的研究,设计了磁悬浮人工心脏泵原型机,实现了原型机转子的五自由度稳定全悬浮,对磁悬浮人工心脏泵磁悬浮轴承系统的设计、分析和调试方法进行了探索研究,包括机械结构设计、系统建模、控制器设计、转子位移检测和实验调试等。本文深入研究了径向永磁轴承和轴向电磁轴承的特性以及相互间的耦合关系,基于这种耦合关系,提出了径向永磁轴承与轴向电磁轴承相结合的心脏泵转子磁悬浮支承方案,融合了永磁轴承和电磁轴承的优势,针对具体的系统进行了优化设计;基于径向永磁轴承转子磁环的磁场耦合,提出了基于霍尔传感器的心脏泵转子轴向位移径向检测方法,实现了转子轴向位移检测,省去了单独的被测器件,简化了系统结构;基于径向永磁轴承的磁场分析,采用多个霍尔传感器径向对称布置方案,消除了转子径向位移对轴向位移检测的影响,提高了检测精度;完成了轴向电磁轴承系统的模拟PID控制器和线性功率放大器的设计;磁悬浮人工心脏泵原型机转子的悬浮实验和旋转实验表明所提出的磁悬浮轴承系统方案及转子轴向位移检测方法是切实可行的,满足了系统要求。论文的主要研究内容如下: (1)研究了径向永磁轴承的悬浮原理、结构及力学特性。建立径向永磁轴承的有限元模型,利用有限元法分析计算径向永磁轴承的承载力及刚度特性,找出了径向永磁轴承的刚度随定转子磁环间的相对轴向位移的变化规律,以及径向永磁轴承的刚度随着永磁环径向厚度和轴向长度的变化规律。根据人工心脏泵的转子转速及人体生理需求等参数,设计并优化了径向永磁轴承。 (2)基于轴向电磁轴承与径向永磁轴承之间的力耦合和刚度耦合,提出了轴流式人工心脏泵的磁悬浮轴承系统的设计方案。建立了轴向电磁轴承的承载力模型,并对其力学特性进行了研究。基于心脏泵转子的受力平衡分析,研究了径向永磁轴承和轴向电磁轴承之间的力耦合和刚度耦合关系,基于这种耦合关系,提出了心脏泵磁悬浮轴承系统的两种设计方案:降低功耗设计方案和减小体积设计方案,给出了两种方案的设计准则,并对轴向电磁轴承进行了设计和优化。所提方案解决了轴流式人工心脏泵磁悬浮轴承系统的设计和控制难题。 (3)由于轴向电磁轴承必须在闭环情况下才能稳定工作,所以必须对转子的轴向位移进行检测。基于径向永磁轴承的磁场分析,提出了利用径向布置的霍尔传感器检测转子轴向位移的间接检测方法,并设计了转子轴向位移检测系统。由于人工心脏泵要求功耗低、体积小,传统的轴向位移检测需要额外的被测元件,增加了心脏泵的质量与体积,同时也导致系统结构比较复杂,因此,本文首先从理论上研究了霍尔传感器的输出信号与径向永磁轴承转子磁环磁场的变化关系。在此基础上,采用径向放置的霍尔传感器检测径向永磁轴承转子磁环磁场在传感器处的变化,来反映转子的轴向位移,省去了额外的被测器件,有效减小了心脏泵的长度、体积和质量。基于径向永磁轴承的磁场分析,提出了多个霍尔传感器径向对称布置的方案,解决了霍尔传感器输出中转子径向位移和轴向位移的耦合带来的问题,提高了轴向位移检测精度。设计了具有良好的检测精度和线性度的心脏泵转子轴向位移径向检测系统,为轴向电磁轴承的主动控制提供转子轴向位移信号。 (4)设计了磁悬浮人工心脏泵轴向电磁轴承控制系统。在分析转子重力及血液对转子运动的影响的基础上,把转子的重力视作干扰力,建立了磁悬浮人工心脏泵转子的动力学模型,并对转子进行了动力学分析,为轴向电磁轴承的控制器研究和设计提供了基础。设计了磁悬浮人工心脏泵轴向电磁轴承系统的模拟PID控制器和线性功率放大器,并进行了仿真。对设计的控制系统进行了带宽、相位延迟等各项性能指标的测试及调试。 (5)研制出了国内首台轴流式磁悬浮人工心脏泵原型机。该原型机采用了径向永磁轴承和单端轴向电磁轴承相结合的磁悬浮轴承系统,基于霍尔传感器的转子轴向位移径向检测系统,以及模拟PID控制器和线性功率放大器。对原型机进行了起浮实验、静态悬浮实验、抗干扰实验以及旋转实验。在转子起浮时,启动过程短,转子快速到达中间悬浮位置;转子静态稳定悬浮时,轴向悬浮精度为1.6μm;在受到冲击干扰后,转子经过数个振荡后快速回复到原悬浮位置;在无槽永磁直流无刷电动机驱动下,转子在空气中的最高转速达到5100r/min,转子的轴向最大振幅不超过7μm。实验结果表明系统具有良好的起浮性能、抗冲击干扰性能和悬浮精度。 本文的研究工作初步建立起了一套轴流式磁悬浮人工心脏泵磁悬浮轴承系统的设计、分析和调试实验方法。论文研究工作表明,所提出并完成的针对轴流式人工心脏泵磁悬浮轴承系统的理论分析和实验研究方法,以及在理论分析和设计阶段所开展的动力学分析及控制系统分析是重要的和有价值的研究成果,所采用的径向永磁轴承和单端轴向电磁轴承相结合的磁悬浮轴承系统是切实可行的,所采用的心脏泵转子轴向位移径向检测方法满足了转子轴向控制的要求。本文的研究工作为磁悬浮人工心脏泵的深入研究和临床应用奠定了基础,具有非常重要的理论价值和实际意义。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TH312;TH133.3

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【引证文献】
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1 汤士明;梅磊;欧阳慧珉;;磁悬浮轴承技术在风机与泵类设备中的应用现状[J];微特电机;2013年08期
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1 张健;数控机床横梁磁悬浮系统的先进滑模控制策略研究[D];沈阳工业大学;2013年
2 杨丁丁;左心室辅助装置磁悬浮技术研究[D];中南民族大学;2013年
【参考文献】
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1 邹海丹;朱熀秋;;磁悬浮轴承转子位移检测技术[J];轴承;2009年04期
2 朱熀秋;徐龙祥;;主动磁轴承控制器的应用研究[J];电气自动化;2001年04期
3 田文学;用霍尔元件测磁场的几种效应分析[J];纺织高校基础科学学报;1995年01期
4 孙英,杨鹏,任娜;单轴磁悬浮系统控制器的仿真研究[J];河北工业大学学报;2000年04期
5 齐剑玲,曾玉红,刘慧芳;PID调节器的仿真研究[J];海淀走读大学学报;2004年01期
6 杨志轶,赵韩,田杰,杨红;采用有限元法分析径向永磁轴承的力学特性[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2001年04期
7 杨志轶,赵韩,王勇,何世娣;飞轮电池磁轴承系统结构及控制[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2002年06期
8 俞文伯,栾胜,房建成;CMG磁悬浮转子系统的模型与控制律[J];航空学报;2003年06期
9 郑义民,王永初;不同结构PID控制性能的分析和比较[J];华侨大学学报(自然科学版);2005年01期
10 修世超,谭庆昌,孟慧琴;同轴环形磁铁磁作用力计算的等效磁荷法[J];沈阳黄金学院学报;1995年03期
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1 姚海;永磁轴承力学特性的研究[D];浙江工业大学;2004年
2 杜方芳;电磁轴承功率放大器的设计和研究[D];浙江大学;2005年
3 杨安全;一种径向永磁轴承的磁力计算及刚度分析[D];中南大学;2005年
4 雷勇;轴向控制的磁浮转子系统的控制研究[D];中南大学;2006年
5 房保金;磁悬浮轴承三电平功率放大器数字驱动系统[D];山东大学;2008年
6 王华伟;轴流式磁悬浮心脏泵控制系统的研究[D];山东大学;2009年
7 杨晟;轴流式磁悬浮人工心脏泵驱动电机的研制[D];山东大学;2010年
8 石燕;倾斜式电磁、永磁混合悬浮地球仪及旋转系统的研究[D];山东大学;2010年
【共引文献】
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1 王梦瑜;;超细六角铁酸钡的分散与磁场下成型研究[J];合肥师范学院学报;2011年03期
2 程圣华,胡国光,尹萍;ZnO过量对MnZn铁氧体磁性能的影响[J];安徽大学学报(自然科学版);2003年02期
3 许承东,刘学文,李强;磁弹性方法无损测试钢轨残余应力分布的实验研究[J];北方交通大学学报;2004年04期
4 赵军,徐中德,韩莉;燃油磁化高效节油降烟器初探[J];包钢科技;2005年05期
5 李枚;力平衡加速度表力矩器结构优化设计[J];兵工自动化;2001年01期
6 张立东,边境,刘贵民;漏磁的磁记忆检测技术[J];兵工自动化;2005年01期
7 尹大伟;徐滨士;董世运;董丽虹;冯晨;;不同检测环境下磁记忆信号变化研究[J];兵工学报;2007年03期
8 赵旭升;邓智泉;汪波;;一种磁悬浮开关磁阻电机用轴向径向磁轴承[J];北京航空航天大学学报;2011年08期
9 王坤东;颜国正;姜萍萍;郭旭东;何文辉;王凤;;一种新的人体腔道介入器件定位方法[J];北京生物医学工程;2006年04期
10 李沁生;于家凤;;基于Simulink的直流伺服电机PID控制仿真[J];船电技术;2011年03期
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1 张涛;倪伟;叶小婷;;基于电流最小的无轴承永磁电机转子质量不平衡补偿控制[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
2 高殿荣;徐云辉;;基于PRO/E与ADAMS的锥形螺旋叶轮血泵虚拟样机建模及动态仿真[A];第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议论文集[C];2008年
3 崔培;钮萼;于敦波;褚武扬;乔利杰;;力-磁-环境耦合作用下超磁致伸缩材料TbDyFe表面畴变的观察[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(3)[C];2007年
4 赵军;李煜;郑毅;;碳包裹纳米铁钴合金粒子的制备及其磁性[A];2009中国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2009年
5 杜成虎;朱小辉;聂敏;申志刚;孙蒋平;;提高FeSiAl磁粉心直流叠加特性的研究[A];2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集(第一卷)[C];2011年
6 宁毅;王雪帆;李建久;;基于改进遗传算法的屏蔽纵向梯度线圈设计[A];湖北省电工技术学会2004年学术年会论文集[C];2004年
7 刘小静;;主动磁力轴承非线性刚度研究[A];湖北省机械工程学会机械设计与传动专业委员会第十五届学术年会论文集(二)[C];2007年
8 张继奇;;磁弹性法检测技术的应用研究——特种钢制轴承套圈磨削烧伤检测技术[A];晋冀鲁豫鄂蒙云贵川沪甘湘渝十三省(市区)机械工程学会2008年学术年会——机电工程类技术应用论文集[C];2008年
9 赵韩;杨志轶;王勇;;飞轮储能磁轴承系统动力学模型与控制系统设计[A];第十三届全国机构学学术研讨会论文集[C];2002年
10 高湛军;陈青;李霞;贾光辉;朱常青;;基于CELTS标准的《自动控制理论》网络教学平台建设[A];第6届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集(上册)[C];2009年
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1 曾智刚;波浪运动升沉补偿液压平台关键问题试验研究[D];华南理工大学;2010年
2 张翔;粉末冶金法制备高硅硅钢片的轧制和热处理工艺研究[D];武汉理工大学;2010年
3 王峥;磁致伸缩直线位移传感器弹性波机理研究[D];太原理工大学;2011年
4 郝瑞参;磁性液体微压差传感器的理论及实验研究[D];北京交通大学;2011年
5 罗宁;爆轰法合成碳包覆金属纳米材料的研究[D];大连理工大学;2011年
6 程远雄;永磁同步直线电机推力波动的优化设计研究[D];华中科技大学;2011年
7 刘柏林;FeCo基纳米磁性薄膜材料的微波损耗机理研究[D];南京大学;2011年
8 吴伟光;基于并联机构的多维减振装置及其主动控制技术的研究[D];江苏大学;2011年
9 陈海波;FW-Ⅱ型轴流泵短期辅助生物功能性和血液相容性的实验研究[D];北京协和医学院;2011年
10 许焰;大间隙磁力传动系统驱动性能研究[D];中南大学;2010年
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2 朱志斌;基于金属材料的扰动磁场检测技术研究[D];南昌航空大学;2010年
3 潘强华;磁记忆检测技术力—磁效应的试验研究[D];南昌航空大学;2010年
4 李鹏;磁悬浮风力发电机转子系统的研究[D];山东科技大学;2010年
5 郝云雷;基于外磁场驱动的微型管道机器人研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 王楠;胶囊机器人转弯动力学特性研究[D];大连理工大学;2010年
7 程敏;旋转机械随机支撑刚度参数模拟试验装置的设计研究[D];河南工业大学;2010年
8 邱振兴;主动磁悬浮轴承的PID控制研究[D];北京交通大学;2010年
9 范必强;电沉积稀土-铁族磁性合金膜及其磁性能探究[D];福建师范大学;2010年
10 张金标;钢铁抛光件高效电磁分选装置的研发及应用[D];江南大学;2011年
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1 闫晓军;张小勇;聂景旭;张绍卫;;采用SMA驱动的小型空间磁悬浮飞轮锁紧机构[J];北京航空航天大学学报;2011年02期
2 尹邦良;人工心脏的历史及研究现状[J];中国医师杂志;2002年07期
3 陈振;耿洁;刘向东;;基于积分时变滑模控制的永磁同步电机调速系统[J];电工技术学报;2011年06期
4 童克文;张兴;;滑模变结构控制及应用[J];电气应用;2007年03期
5 王飏;王军;王瓯;;电磁悬浮轴承的发展及在鼓风机上的应用前景[J];风机技术;2008年02期
6 张士勇;磁悬浮技术的应用现状与展望[J];工业仪表与自动化装置;2003年03期
7 吴广辉;轴流式心脏辅助装置及其发展现状[J];北京生物医学工程;2004年04期
8 王巍;刘春生;;强跟踪滤波器在磁悬浮球系统中的应用[J];华中科技大学学报(自然科学版);2009年S1期
9 刘晓军;刘小英;胡业发;龚辉;;磁悬浮人工心脏泵转子控制策略研究[J];华中师范大学学报(自然科学版);2006年04期
10 汤双清;胡欢;;磁悬浮轴承的应用现状与展望[J];机床与液压;2009年12期
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1 张细政;复杂电机系统的混合滑模变结构控制方法及其应用研究[D];湖南大学;2010年
2 庄开宇;变结构控制理论若干问题研究及其应用[D];浙江大学;2002年
3 徐绍辉;电磁永磁混合悬浮系统悬浮控制研究[D];中国科学院研究生院(电工研究所);2006年
4 廖启亮;先进滑模控制策略在非线性控制系统中的研究与应用[D];华南理工大学;2005年
5 孙宜标;基于滑动模态的永磁直线同步电动机鲁棒速度控制[D];沈阳工业大学;2007年
6 穆效江;多关节机器人的智能滑模变结构控制方法研究[D];北京工业大学;2008年
7 胡敬朋;基于H_∞鲁棒控制理论的EPS控制策略研究[D];中国矿业大学(北京);2010年
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1 迟青光;刀具切削力扰动下机床悬浮气隙的控制研究[D];沈阳工业大学;2011年
2 王义娜;PMLSM悬浮平台的鲁棒控制研究[D];沈阳工业大学;2011年
3 邢银龙;数控加工中心龙门同步磁悬浮系统的控制研究[D];沈阳工业大学;2012年
4 付殿波;高刚度磁悬浮系统的鲁棒控制研究[D];沈阳工业大学;2012年
5 康宇;滑模变结构理论的研究与运用[D];合肥工业大学;2002年
6 黄练伟;基于DSP的磁悬浮控制系统的研究[D];西南交通大学;2005年
7 孙玉昆;磁浮列车悬浮系统的非线性鲁棒控制研究[D];西南交通大学;2005年
8 周海君;模糊控制算法在造纸过程中的应用研究[D];陕西科技大学;2006年
9 王军闯;NC机床磁悬浮进给机构研究[D];大连交通大学;2006年
10 李琳;滑模变结构控制系统抖振抑制方法的研究[D];大连理工大学;2006年
【二级参考文献】
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1 谭庆昌,孟慧琴,修世超,彭履忠;永磁轴承磁化方向的研究[J];兵工学报;1993年02期
2 卢志远;李德胜;王玮;刘喆;郭巧红;;基于伪微分算法的混合磁悬浮地球仪[J];北京工业大学学报;2007年10期
3 李宏穆,余蓉,何萍;永磁立轴式轴向磁力轴承的实验与动态分析[J];成都大学学报(自然科学版);1999年04期
4 尹春雷,李庆军,刘淑琴;位置敏感传感器PSD在磁悬浮装置中的应用[J];传感技术学报;2003年02期
5 周祖德,王晓光,胡业发,江征风;传感器温漂对磁悬浮转子控制精度的影响[J];测试技术学报;2004年03期
6 张钢,虞烈,谢友柏;电磁轴承的发展与研究[J];轴承;1997年10期
7 宋后定;;常用永磁材料及其应用基本知识讲座 第一讲 常用永磁材料的特性参数[J];磁性材料及器件;2007年02期
8 张恒,朱军,龚小燕,阚敏;无源磁轴承的设计[J];磁性材料及器件;1996年02期
9 方家荣,林良真,夏平畴,严陆光;超导混合磁力轴承的发展现状和前景[J];电工电能新技术;2000年01期
10 沈建新,陈永校;无槽无刷直流电机及其前期设计[J];电工电能新技术;1997年01期
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1 曾学明;磁轴承电控系统研究[D];南京航空航天大学;2002年
2 邱建琪;永磁无刷直流电动机转矩脉动抑制的控制策略研究[D];浙江大学;2002年
3 刘晓军;基于磨削电主轴的磁悬浮轴承数控系统及试验研究[D];武汉理工大学;2003年
4 李冰;电磁轴承系统集成化技术的研究[D];南京航空航天大学;2003年
5 王晓琳;无轴承异步电机基本控制策略研究与实现[D];南京航空航天大学;2005年
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1 许峰;电磁轴承功率放大器的研究[D];山东科技大学;2003年
2 杨浩东;电动床用无刷直流电动机系统研究[D];西北工业大学;2004年
3 王军;无传感器磁悬浮轴承的研究[D];南京航空航天大学;2005年
4 白志峰;磁轴承用位移传感器的研究[D];山东科技大学;2005年
5 陈建伟;基于单片机控制的微型轴流式血泵外磁驱动系统研究[D];中南大学;2005年
6 茹伟民;人工心脏用永磁无刷直流电机设计及驱动控制研究[D];江苏大学;2006年
7 游珍珍;无位置传感器磁力轴承的研究[D];武汉理工大学;2007年
8 杨高;基于Ansoft的电动车驱动用永磁无刷同步电动机的设计[D];重庆大学;2007年
9 莫育杰;电动油泵用无刷直流电机及其无位置传感器控制系统的研究[D];浙江大学;2007年
10 孙晓霞;永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究[D];浙江大学;2006年
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1 杨晟;刘淑琴;关勇;;轴流式磁悬浮人工心脏泵驱动电机的研究[J];中国机械工程;2010年08期
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3 关勇;李红伟;刘淑琴;;轴流式磁悬浮人工心脏泵磁悬浮轴承系统设计[J];山东大学学报(工学版);2011年01期
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5 刘晓军;刘小英;胡业发;骆清铭;;人工心脏泵磁悬浮转子非线性特性及控制方法研究[J];中国机械工程;2006年20期
6 ;[J];;年期
7 ;[J];;年期
8 ;[J];;年期
9 ;[J];;年期
10 ;[J];;年期
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