脈搏波研究論文
時(shí)間:2022-11-30 04:01:00
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【摘要】脈搏波蘊(yùn)含著豐富的人體生理和病理信息,歷來(lái)都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視,現(xiàn)已成為中西醫(yī)共同的研究熱點(diǎn)。本文從脈搏波理論的發(fā)展和應(yīng)用研究出發(fā),分析了其中存在的問題,比較了中西醫(yī)對(duì)脈搏波信息提取和利用的現(xiàn)狀,提出應(yīng)對(duì)脈搏波進(jìn)行更深入的研究,使之成為一個(gè)溝通中醫(yī)和西醫(yī)的橋梁。
【關(guān)鍵詞】脈搏波模型理論脈診客觀化中西醫(yī)結(jié)合
Abstract:Pulsewave,aresearchfocusinbothtraditionalChinesemedicineandWesternmedicine,whichcontainsawealthofhumanphysiologicalandpathologicalinformation,hasalwaysbeentheconcernofmedicalpractitioners.Onthebasisofthereviewonthedevelopmentofthepulsewavetheoryanditsapplications,theexistingproblemsinthisfieldarediscussedinthispaper.OnthebasisofthestatusquoofpulsewaveinformationextractionmethodsandtheutilizationofpulsewaveintraditionalChineseandWesternmedicine,amoreindepthstudyonpulsewaveisproposedtomakeitabridgeconnectingtraditionalChinesemedicinewithWesternmedicine.
Keywords:pulsewave;models,theoretical;objectifyingpulsetaking;integrativetraditionalChineseandWesternmedicine
當(dāng)心臟周期性地收縮和舒張時(shí),左心室射入主動(dòng)脈的血流沖擊主動(dòng)脈瓣和血管壁,產(chǎn)生的振動(dòng)將以波的形式自主動(dòng)脈根部發(fā)出,沿動(dòng)脈樹向外周動(dòng)脈傳播,此波稱為向前波。當(dāng)向前波受到動(dòng)脈分支和外周動(dòng)脈等因素的作用時(shí),產(chǎn)生與之方向相反的反射波。反射波沿動(dòng)脈樹向心臟方向傳播,與向前波疊加后形成具有不同波形特征的脈搏波。脈搏波的傳播過(guò)程不僅受到心臟本身的影響,還受到沿途動(dòng)脈和周圍組織器官狀況的影響,使脈搏波蘊(yùn)藏著豐富的人體生理和病理信息。另外,由于脈搏波的檢測(cè)不需要復(fù)雜而昂貴的儀器,操作簡(jiǎn)便,而且無(wú)創(chuàng),因此關(guān)于脈搏波深入細(xì)致的研究,歷來(lái)都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。
1脈搏波理論發(fā)展
對(duì)脈搏波的理論研究,國(guó)外學(xué)者做了大量的工作,從18世紀(jì)初開始至今,其研究歷史已長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)世紀(jì)。而國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)脈搏波理論研究則始于解放后。脈搏波理論研究大致經(jīng)歷了從理論描述到模型分析以及線性化理論到非線性化理論的發(fā)展過(guò)程[14]。見表1。表1脈搏波理論發(fā)展歷程
發(fā)展階段分析模型及理論研究者理論描述首次發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)到血液循環(huán)現(xiàn)象HarveyW(17世紀(jì)初)首先論證了動(dòng)脈彈性腔的意義NewtonI(1700年)線性化理論提出Windkessel模型(彈性腔模型)HaleS(1733年)發(fā)表了理想流體的彈性管內(nèi)波傳播速度公式Y(jié)oungT(1808年)提出血管阻力模型,解釋了動(dòng)脈中平均血壓下降的原因PoiseuilleJLM(1840年)發(fā)現(xiàn)主動(dòng)脈和外周動(dòng)脈壓力波波形的差異MahomedF(1872年)發(fā)表計(jì)算脈搏波傳播速度的楊莫恩斯公式MoensAI和KortewegDJ(1878年)建立了相當(dāng)于動(dòng)脈系集中參數(shù)模型的風(fēng)箱理論(彈性腔模型)FrankO(1899年)提出第一個(gè)血流脈搏波傳播的分析模型MorganGW和KielyJP(1954年)[5]提出線性分布參數(shù)模型(Womersley理論)WomersleyJR(1957年)[6]提出雙彈性腔模型GoldwynR和WattT(1967年)[7]提出一個(gè)完整的線性化脈搏波模型AtabekHB(1968年)[8]對(duì)心血管彈性腔理論作了較為深入的研究柳兆榮(1980年)[9]非線性理論提出非線性分布參數(shù)模型,闡明動(dòng)脈脈搏波傳播的非線性特性EulerL(1755年)提出多項(xiàng)式血管壁應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式VaishnavRN等(1972年)[10]提出一個(gè)包含血管和外周組織運(yùn)動(dòng)的非線性脈搏波傳播理論伍時(shí)桂等(1986年)[11]提出大血管中非線性壓力波滿足的孤波方程SigeoY(1987年)[12]首次在心臟和血管動(dòng)態(tài)耦合的基礎(chǔ)上,研究了人體動(dòng)脈中壓力和流量脈搏波的傳播王英曉等(1998年)[13]建立了非線性血流脈搏波在動(dòng)脈內(nèi)傳播的理論模型謝官模等(2001年)[14]
2脈搏波分析方法與應(yīng)用
目前,對(duì)脈搏波的分析主要是比較正常和病理狀態(tài)下,脈搏波波形和傳播速度的不同,或者是提取時(shí)域或頻域特征參數(shù)來(lái)加以分析研究。主要分析方法包括時(shí)域分析法、頻域分析法、時(shí)頻聯(lián)合分析法、數(shù)學(xué)建模分析法和脈搏波傳播速度分析法等。
2.1時(shí)域分析法時(shí)域分析法是指在時(shí)域脈搏波圖上分析波動(dòng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)特征,通過(guò)對(duì)主波、重搏前波和重搏波的高度、比值、時(shí)值、夾角和面積值等進(jìn)行參量分析,找出某些特征與人體生理病理變化的內(nèi)在聯(lián)系。時(shí)域分析法是目前最常用的脈搏波分析方法[15],主要包括直觀形態(tài)法和波圖面積法等。
直觀形態(tài)法是直接通過(guò)脈搏波波圖的形態(tài)分析,在時(shí)域波圖中提取特征信息,如波圖的波、峽的高度、特征點(diǎn)、相應(yīng)時(shí)值等參量,從而分析脈搏波蘊(yùn)含的生理病理信息。如Millasseau等[16]用主波高度與延遲時(shí)間(主波與重搏波之間的時(shí)間間隔)的比值作為大動(dòng)脈硬化指數(shù),研究了隨年齡增長(zhǎng)引起的大動(dòng)脈硬化。
脈圖面積法是以脈搏波波圖面積的變化為基礎(chǔ)的脈搏波形特征量K值提取的一種方法[17],能較好地反映人體心血管系統(tǒng)中血管外周阻力、血管壁彈性和血液黏度等生理因素。后來(lái),又將K分解成K1和K2,綜合K、K1和K2三個(gè)參數(shù),結(jié)合血壓和心率能夠較準(zhǔn)確地得到心輸出量。同時(shí),也解決了由不同生理狀況卻得到同一K值的問題,使脈圖面積法在臨床上有了更好的應(yīng)用[18]。
2.2頻域分析法頻域分析法是近代物理學(xué)、工程力學(xué)中常用的一種對(duì)周期性波動(dòng)信息做數(shù)值分析的方法。此法通過(guò)離散快速傅里葉變換,將時(shí)域的脈搏波信號(hào)變換到頻域,從脈搏波頻譜中提取與人體生理病理相應(yīng)的信息,主要觀察振幅、相位隨頻率的變化,找出信號(hào)在時(shí)域中不太明顯而在頻域中比較明顯的特征。具體方法包括功率譜分析和倒譜分析等。
功率譜分析是指利用廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的N個(gè)樣本數(shù)據(jù)估計(jì)該過(guò)程的功率譜密度,也稱為譜分析。對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行功率譜分析的算法通常采用經(jīng)典的快速傅立葉變換(fastFouriertransform,FFT),主要是把時(shí)域的脈搏波信號(hào)用FFT轉(zhuǎn)換成頻譜圖,再通過(guò)比較頻譜圖上不同頻率的特征峰來(lái)分析脈搏波。此法在脈搏波信號(hào)分析中使用較早[19,20],在當(dāng)前的許多研究中也經(jīng)常使用[21]。
倒譜分析是對(duì)頻譜取對(duì)數(shù)后,進(jìn)行傅立葉變換。它將頻域內(nèi)的周期成分轉(zhuǎn)化為倒譜上單根線譜及其倒譜波,測(cè)得脈搏周期較為準(zhǔn)確。如宋建勤等[22]運(yùn)用倒譜理論討論了正常心律和非正常心律受檢者的脈搏信號(hào)在倒譜域中的特征表現(xiàn),并通過(guò)對(duì)286例脈搏信號(hào)的倒譜分析,發(fā)現(xiàn)病理與正常心律脈搏信號(hào)的倒譜特征差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2.3時(shí)頻聯(lián)合分析法時(shí)頻聯(lián)合分析法是把一維信號(hào)或系統(tǒng)表示成一個(gè)時(shí)間和頻率的二維函數(shù),時(shí)頻平面能描述出各個(gè)時(shí)刻的譜成分。常用的時(shí)頻表示方法有短時(shí)傅立葉變換和小波變換等。
短時(shí)傅立葉變換法是將信號(hào)劃分成許多小的時(shí)間間隔,用傅立葉變換分析每一個(gè)時(shí)間間隔,以便確定在此時(shí)間間隔存在的頻率,這些頻譜的總體表示頻譜在時(shí)間上如何變化[23]。它依賴于被分析信號(hào)的線性特性,即信號(hào)的頻譜與在數(shù)據(jù)中提供正弦成分的幅度成線性比例。其最主要的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn),計(jì)算簡(jiǎn)潔有效。
利用小波變換可在信號(hào)的不同部位得到最佳時(shí)域分辨率和頻域分辨率,具有可變的時(shí)間和頻率分辨率,把傅立葉變換中的正弦基函數(shù)修改成整個(gè)時(shí)頻平面的基函數(shù),最終達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分和平低頻處頻率細(xì)分,自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求,從而可聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)。小波變換這種獨(dú)特的能力使它成為分析脈搏波這種非平穩(wěn)信號(hào)的有利工具,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波信號(hào)同時(shí)進(jìn)行時(shí)域、頻域特征值的提取和分析[24]。
2.4數(shù)學(xué)建模分析法數(shù)學(xué)建模分析法是指利用模擬電路、流體力學(xué)和生物力學(xué)等方法,結(jié)合脈搏波傳播的理論特征和脈搏波與心血管系統(tǒng)的聯(lián)系,建立相應(yīng)的脈搏波分析數(shù)學(xué)模型,從而在計(jì)算機(jī)上仿真脈搏波,系統(tǒng)地分析其特征參數(shù)和生理病理信息。具體方法包括力學(xué)建模法、電路模擬建模法和系統(tǒng)仿真建模法等。
力學(xué)建模法是指根據(jù)生物力學(xué)和血液動(dòng)力學(xué)原理建立脈搏波在動(dòng)脈管中傳播的線性和非線性模型,可以在一定意義上反映脈搏波的傳播規(guī)律。力學(xué)建模主要針對(duì)理論研究,而且大部分都是心血管系統(tǒng)的局部建模,因此在脈搏波理論的發(fā)展過(guò)程中具有重要的意義(見表1),而很難應(yīng)用于臨床研究。
電路模擬建模法是為了便于計(jì)算和分析力學(xué)方程,利用力電之間的等效關(guān)系將力學(xué)模型在一定的條件下化為“電路模型”來(lái)求解和分析動(dòng)脈系統(tǒng)。具體把血流比擬為電流,血壓比擬為電壓,血容量比擬為電量,血流黏滯阻力比擬為電阻,血管順應(yīng)性比擬為電容,血液流動(dòng)慣性比擬為電感等,可建立心臟模擬電路模型等心血管系統(tǒng)模型[25]。具體根據(jù)研究目的不同,建立的不同形式的模型,其結(jié)構(gòu)也可以差別很大。
系統(tǒng)仿真建模法是利用系統(tǒng)分析和數(shù)字信號(hào)處理研究生理系統(tǒng)的一種新方法,主要是通過(guò)系統(tǒng)各部分的分析整合,建立系統(tǒng)整體的仿真模型。清華大學(xué)白凈教授[26]在美國(guó)德勒克塞爾大學(xué)Jaron教授建立的仿真模型基礎(chǔ)上,增加了左心房和肺循環(huán)等部分,并擴(kuò)充和建立了人體上肢模型,其仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與臨床試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。
除上述建模方法外,國(guó)內(nèi)還有學(xué)者用高斯函數(shù)來(lái)仿真脈搏波。一個(gè)高斯函數(shù)可以構(gòu)建一個(gè)鐘形波,因此,一個(gè)周期的橈動(dòng)脈脈搏波可以用3個(gè)高斯函數(shù)來(lái)合成,分別對(duì)應(yīng)主波、重搏波和重搏前波[27]。通過(guò)這種方法建立的仿真模型可以提取若干脈搏波特征參數(shù),用于區(qū)別正常和病理狀況下的脈搏波。
2.5脈搏波傳播速度分析法脈搏波傳播速度(pulsewavevelocity,PWV)是指脈搏波由動(dòng)脈的一特定位置沿管壁傳播至另一特定位置的速率。動(dòng)脈血管在年齡和各種致病因素等的作用下導(dǎo)致動(dòng)脈僵硬度增加,從而增加沿動(dòng)脈樹傳播的PWV。PWV是通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)記錄部位的距離和脈搏波傳播時(shí)間求得,目前臨床上通常采用記錄的部位有頸動(dòng)脈股動(dòng)脈、頸動(dòng)脈肱動(dòng)脈、頸動(dòng)脈橈動(dòng)脈以及肱動(dòng)脈踝動(dòng)脈等。PWV已被認(rèn)為是表征血管硬化程度的金標(biāo)準(zhǔn),可作為預(yù)測(cè)心血管疾病發(fā)生率和死亡率的重要依據(jù)[28]。近些年來(lái),國(guó)外對(duì)脈搏波的臨床應(yīng)用研究大部分都集中在PWV上,主要用來(lái)預(yù)測(cè)和判斷高血壓[29]、糖尿病[30]和晚期腎衰竭[31]等疾病患者的心血管狀況。
3脈搏波與中醫(yī)脈診
對(duì)脈搏波的研究最早可追溯到中國(guó)古代的中醫(yī)脈診。在中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中,脈診具有十分重要的地位,自古就有“切之以九臟之動(dòng),惟妙在脈,不可不察”之說(shuō),其價(jià)值已被2600多年的中醫(yī)臨床實(shí)踐所證實(shí)。
3.1脈診理論現(xiàn)有有關(guān)脈診的最早記載是公元前3世紀(jì)前后出現(xiàn)的《內(nèi)經(jīng)》;到公元3世紀(jì)晉代的王叔和,著有《脈經(jīng)》十卷,成為當(dāng)時(shí)脈學(xué)研究的集大成者,他提出“獨(dú)取寸口”的診脈方法,對(duì)脈學(xué)的發(fā)展起了重要的作用;明代李時(shí)珍著有《瀕湖脈學(xué)》一書,以歌訣的形式來(lái)描述脈法,使脈學(xué)得到普及和發(fā)展。脈診理論經(jīng)歷代醫(yī)學(xué)家的反復(fù)臨床實(shí)踐與研究,已經(jīng)發(fā)展成為一門獨(dú)具特色的診斷科學(xué)——“中醫(yī)脈診學(xué)”。它是中醫(yī)“整體觀念”和“辨證論治”基本思想的體現(xiàn)和應(yīng)用,也是中醫(yī)理論體系中不可缺少的重要組成部分。
3.2脈診客觀化研究脈診理論有著悠久的歷史,對(duì)中華民族的世代繁衍和發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn),其內(nèi)容之博大精深已為世人所公認(rèn)。但由于中醫(yī)脈診具有極大的個(gè)人主觀臆斷性,所謂“脈理精微,其體難辨”;“在心易了,指下難明”。脈象的概念模糊、籠統(tǒng),難以掌握,長(zhǎng)期影響著脈診的現(xiàn)代化發(fā)展。因此,自解放后國(guó)內(nèi)學(xué)者就掀起了脈診客觀化研究的熱潮,主要是針對(duì)脈象形成機(jī)制、典型脈圖的識(shí)別分類和脈圖的客觀描記(脈診信息采集裝置的研制)等研究。
對(duì)脈象的研究除借鑒上述幾種脈搏波分析方法外,還有學(xué)者提出多因素脈圖識(shí)脈法[32]、脈象速率法[33]、句法模式識(shí)別法[34]、模糊聚類方法[35]、希爾伯特黃變換(HilbertHuangtransform,HHT)法[36]、盲解卷法[37]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[38]等。隨著大量現(xiàn)代工程和信號(hào)分析方法的引入,脈診客觀化研究正向著多元化的方向發(fā)展。但目前大部分的研究都集中在典型脈圖的解析上,僅有關(guān)此方面的研究專著就不下十幾部。
傳感器是脈診信息采集裝置研制的最關(guān)鍵部分,主要可分為壓力式和光電式等接觸性傳感器,以及傳聲器和超聲多普勒技術(shù)等非接觸式傳感器。由于非接觸性傳感器不符合中醫(yī)指壓切脈的特點(diǎn),目前主要還是以接觸式傳感器開發(fā)為主。脈診信息采集傳感器的研制經(jīng)過(guò)了從單探頭到雙探頭,再到三探頭的發(fā)展歷程,逐漸模仿中醫(yī)同步取三部脈象的特征。為了把脈象圖和指壓指感趨勢(shì)圖結(jié)合起來(lái),車新生等[39]開發(fā)了三維脈象圖采集模塊,并用VB應(yīng)用程序構(gòu)建了三維坐標(biāo)系作為顯示平臺(tái),從而得到了立體化的脈象圖,使脈象特征表達(dá)更明顯,與脈診理論中的脈象描述更為貼切。由于脈診信息的采集是后期信號(hào)分析的關(guān)鍵前提,很多學(xué)者都在探討性能更加優(yōu)良的傳感器,隨之而開發(fā)出的脈象儀和脈診儀等智能化脈象分析設(shè)備也是品種繁多,功能各異,為脈診客觀化研究提供了良好的硬件基礎(chǔ)。
4問題討論與前景展望
脈搏波的現(xiàn)代研究作為中醫(yī)和西醫(yī)共同的研究熱點(diǎn),吸引了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多學(xué)者的參與。其理論研究經(jīng)歷了從線性化理論到非線性化理論,局部分析到整體分析的發(fā)展過(guò)程。而應(yīng)用研究也經(jīng)歷了從經(jīng)驗(yàn)傳授到客觀描述,簡(jiǎn)單波圖分析到復(fù)雜頻譜分析和系統(tǒng)建模研究的過(guò)程。以生物醫(yī)學(xué)為基礎(chǔ),結(jié)合物理學(xué)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的技術(shù)和方法,大量的信號(hào)處理算法被應(yīng)用到脈搏波的分析和研究中來(lái),使脈搏波研究成為一個(gè)多學(xué)科交融的領(lǐng)域。
但是從研究現(xiàn)狀來(lái)看,脈搏波研究主要存在以下幾點(diǎn)不足:只重視純理論研究的深入而無(wú)法應(yīng)用于臨床,或是發(fā)現(xiàn)臨床應(yīng)用價(jià)值而不重視從理論上進(jìn)行驗(yàn)證,使脈搏波的理論與應(yīng)用研究脫節(jié);分析使用的算法雖然很多,但每種算法都有局限性,脈搏波研究缺乏一種通用的算法或系統(tǒng)的研究體系;多數(shù)研究方法都是提取脈搏波的特征參數(shù)作為分析的依據(jù),有限幾個(gè)特征參數(shù)并不能完整地反映脈搏波的全部信息,而且缺乏對(duì)特征參數(shù)之間聯(lián)系的研究,難以得出很有價(jià)值的研究結(jié)果;時(shí)域分析等方法只重視單個(gè)周期的波圖研究,雖然操作簡(jiǎn)單、直觀,容易為臨床醫(yī)生所接受,但誤差較大,也無(wú)法體現(xiàn)脈搏波的動(dòng)態(tài)變化特征;單從數(shù)學(xué)角度建立的模型,在應(yīng)用上比較方便靈活,但缺乏醫(yī)學(xué)上的說(shuō)服力;而從生理學(xué)和力學(xué)角度建立的模型能夠很好地反映脈搏波的生理病理特征,但過(guò)于龐大和復(fù)雜,限制了模型的應(yīng)用。
這些不足很大程度上制約了脈搏波在臨床中的應(yīng)用,PWV研究卻是個(gè)例外。PWV只是脈搏波復(fù)雜信息中的一部分,但PWV研究是眾多脈搏波研究工作中最成功的例子,通過(guò)比較成熟的理論研究和臨床試驗(yàn)驗(yàn)證,PWV已經(jīng)成為心血管系統(tǒng)疾病研究中的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。所以,脈搏波研究最重要的一點(diǎn)就是,將廣泛的臨床應(yīng)用研究與深入的理論研究緊密結(jié)合。
相比較而言,西醫(yī)更重視脈搏波的理論研究,西方對(duì)脈搏波產(chǎn)生和傳播機(jī)制的研究已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)世紀(jì),研究手段已經(jīng)比較成熟,理論分析也比較深入。但是,西醫(yī)不像中醫(yī)這樣有獨(dú)特的脈診理論作指導(dǎo),脈搏波的臨床應(yīng)用只限于心血管系統(tǒng)疾病的診斷和分析,研究對(duì)象大多集中在脈搏波傳播速度分析及其測(cè)量和分析手段的優(yōu)化,對(duì)脈搏波信息的利用有很大的局限性。而中醫(yī)比較重視脈搏波的臨床應(yīng)用研究,但由于缺乏系統(tǒng)深入的理論研究,中醫(yī)無(wú)法客觀地解釋脈診的科學(xué)內(nèi)涵。
因此,如果能將西醫(yī)的理論研究和中醫(yī)的應(yīng)用研究很好地結(jié)合起來(lái),取長(zhǎng)補(bǔ)短,那么脈搏波作為中醫(yī)和西醫(yī)都很關(guān)注的研究熱點(diǎn),很有希望成為溝通二者的橋梁。而且一些學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到,脈搏波技術(shù)是一個(gè)“省錢”的生物醫(yī)學(xué)工程,可以提供一個(gè)簡(jiǎn)單、快捷、安全、有效和省錢的心血管無(wú)創(chuàng)診斷方法[3]。特別是近些年來(lái),為了發(fā)展無(wú)創(chuàng)傷診斷技術(shù)和降低醫(yī)療費(fèi)用,美、英、日、韓和加拿大等國(guó)的學(xué)者對(duì)人體脈搏信息和中醫(yī)脈診理論的研究也發(fā)生了濃厚的興趣,這已成為發(fā)展無(wú)創(chuàng)傷診斷技術(shù)的前沿課題之一。隨著脈搏波理論研究的不斷深入,以及現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)、電子與信息學(xué)、工程學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)等應(yīng)用科學(xué)的迅猛發(fā)展,脈搏波研究必將在中西醫(yī)結(jié)合領(lǐng)域中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
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