骨密度测量仪器的技术与发展

文章编号: 1000 - 6974 ( 2002) 01 - 0059 - 04
骨密度测量仪器的技术与发展
梁诚,高敦岳
华东理工大学信息学院(上海,2000237)
提要综述了目前进行骨密度分析的不同技术与仪器。

同时讨论了这些方法在精确度、测量部位、测量的便利性、灵敏度和辐射危害等方面的特性。

关键词骨密度;骨密度分析;骨密度测定
分类号: R 318. 6 中图分类号:A
I n s tr u m en ta t i on an d T ec h n i q ue s in Bone Den s i t y Mea s ure m en t
L I A N G C h e n g , G A O D u n- y u e
C olle g e of Info r m at i o n , E a s t Chi n a U ni v e r s i t y of Scie n ce a n d Tec h n olo gy
Abstra c t Ma n ifol d met h o d s fo r bo n e mi n e r al de n s i t y a n al y se s a r e i n t ro d uce d i n t h i s p a p e r , a n d t he c h a r act e r i s t i c s of p reci s io n ,acc u r ac y,p o s i t i o n ,co n ve n ie n ce ,se n s i t i v i t y a n d t he r a d iat i o n haza r d s of t he s e met ho d s a r e al s o di s c u sse d he r e .
K e y wor d s bo n e mi n e r al de n s i t y (B M D ) ,B M D a n al y si s ,bo n e de n s i t o m et r y
随着人口帄均寿命的增长和老龄人口的增多,
骨质疏松已成为影响健康的严重疾病之一 1 。

骨质
疏松症是指骨组织中单位体积内骨量(骨矿物质和
骨基质) 减少所引起的疾病。

世界卫生组织(W HO )
通过骨密度的测定值与正常年轻人骨密度帄均值的
比较, 按T SCO R E 分类 2 : 低于1～2. 5S 定义为骨
量减少; 小于2. 5S 为骨质疏松; 小于2. 5S , 同时合
并一处或多处微小损伤造成的骨折为严重骨质疏
松。

骨密度测量是评价骨质丢失、诊断骨质疏松症
的主要手段。

通过测量骨密度, 可早期发现骨质疏
松并给予及时、对症的治疗。

在检查和诊断手段中, 有生化指标测定、X 线片、骨内矿物质密度测定等, 尤以骨密度仪测量最为灵敏、准确 3 。

它可对人体相应部位的矿物质含量和骨密度做出定量、定点测量; 可以精确测定骨质疏松程度及发病部位, 以便及时对患者进行诊治,降低骨折发生率。

因此, 骨密度分析的技术与仪器已普遍受到国内外医学专家的重视。

1 骨的结构特点与骨密度的定义
图1 骨的结构及骨密度
Fi g . 1. T he bo ne co n st r uct io n a n d t he bo ne mi ne ral de n si t y
在图1 中画出了一小段长骨的示意图。

其中在外面的密度比较大的部分为皮质骨, 内部密度相对比较小的为松质骨。

在评价骨质疏松时, 测定松质骨的骨密度比皮质骨的敏感性高, 因为松质骨的骨转换率比皮质骨的骨转换率高8 倍4
对于骨密度的度量根据测量方法的不同, 有多种表示方法 5 , 首先定义体密度ρb 为单位体积骨的骨矿物含量B M D v (g/c m3) ; 其次,若测量骨密度的射线为y 方向, 则ρb 在y 方向上的积分为面密度
收稿日期: 2000 - 04 - 19
基金项目:上海市科委科技攻关项目阶段研究成果。

B M Di ( g/c m2) 。

B M Di 沿x 方向的分布曲线, 称为
中 国 医 疗 器 械 杂 志 C h i n e s e J o u r n a l o f M e d i c a l I n s t r u m e n t a t i o n
2002 年 26 卷第 1 期
·60 ·
骨矿物分布曲线 ;B M Di 沿 x 方向积分 ,得单位长度 骨内总的骨矿物含量称为线密度 B M C ( g / c m) 。

骨 在 X 方向的宽度称为骨横径 B W (c m ) 。

B M C/ B W 为单位横径的帄均骨矿物含量 , 称为面密度 B M Da
少程度 。

我国对于骨质疏松的诊断仍大量采用以上方 法 。

该方法简单易行 、费用低廉 、辐射量小 。

现仍用 于临床诊断及团体普查 。

但该方法无法准确定量 , 且主观性大 ,分辨能力差 ,所以对骨质疏松的早期诊 断也不敏感 6 。

( 3) 光密度测量法 ( PD )
PD ( 光 密 度 测 量 法) 为 末 梢 骨 的 定 量 检 查 方
法 。

通常测量前臂骨 , 将 X 光胶片插入密度计来逐 点读取光密度值 , 测量值为皮质骨及骨髓质的总和 c m 2) 。

一般骨密度仪测得的骨密度是指骨的面
( g / 密度 。

2 骨密度测量方法的基本分类及特性
在介绍各种骨密度测量方法之前 , 有必要首先 明确三个基本概念 ,即准确性 、精确性和敏感性 6 。

准确性 ( A cc u rac y ) 是指该方法测定骨密度的能 力 ,反映测定结果与该骨密度真实值之间的差异 。

精确性 ( P reci sio n ) 是指该方法测定骨密度的可 重复性 , 通常是反映短时间内多次重复测定结果的 差异 。

敏感性 ( S e n si t i vi t y ) 是反映骨密度真实变化的 能力 。

骨密度分析技术的基本分类如图 2 所示 , 在表
1 中对其中几种主要的方法在精确度 、测量部位 、准
确性和辐射危害等方面的特性进行了对比 。

6。

测量过程繁琐 , P D 测值与 S P A (单光子吸收法)
显著相关 。

原始 PD 法的测量精度不够理想 , 在国外 , 大多 应 用 与 计 算 机 相 结 合 的 改 良 MD ( M i c ro De n si t o m et r y ) 法 。

精度误差及准确度误差都 有改善 , 而且缩短了检查时间 。

目前国内尚未应用 这些改良的方法 。

2. 2 光子吸收骨密度仪 ( P ho t o n - a b so r p t i o n m et r y ) 光子吸收骨密度仪通过测定单能或双能光子束 衰减来测定骨密度 。

根据所采用的光子能量的不同 可以分为两类 7 :
( 1) 单光子吸收法 ( S PA ) 该方法利用单一能量的γ 射线穿过骨组织时 的吸收量来测定骨密度 ,称为单光子吸收法 8 。

S P A
常用源为镅 241
A m , 能量 59. 6k e V , 也有的为提高灵 敏度 , 附加 27. 5k e V 的 I 125 源 。

S PA 测试时须使被 测部位置于水袋或水槽中 , 以消除软组织的影响 。

检测器为闪烁晶体和光电倍增管 , 将光子能量转变 为电信号进行处理 。

若使用 X 射线代替则称 SXA 法 。

多用于四肢骨的测定 。

S PA 的测量部位主要是 股骨中段 、股骨 、腓骨 、尺骨 、挠骨 、掌骨等 ,临床上以 测量挠骨中远端 1/ 3 和 1/ 10 处最好 。

测量时射线源 和检测器探头同步移动 ,在挠骨 1/ 3 处横向扫描 ,即 得各 X 位置上的
B MDi ; 再在 X 方向积分求和得 B M
C 值 ,同时测出骨横径 B W 后可得 B M Da 值 。

该仪器价格低廉 ,结果直观 ,可用于普查和一般 诊断 。

S PA 标称的测试精度为 2 % ,实际上由于测量 部位定位误差等原因而往往达不到此精度 ; 为了消 除软组织对骨密度测定的影响必须使用水袋等软组 织等效物 ,测量部位有限 ,使用不便 4 。

( 2) 双光子吸收测定 ( D P A )
应用吸收测定法要准确反映临床最有意义的部 位即脊柱和髋部的骨密度 , 应消除骨质周围软组织
X 射线照相法 ( X - ra y f il m p ho t o d e n s i o met r y )
( 1) X 射线胶片密度肉眼分析法 根据骨组织形
态计量学的特征来判断是否骨质
疏松 。

在患者的 X 光片上 ,凭借肉眼 ,观察皮质骨是 否变薄 ,松质骨是否变稀疏 ,该方法不能定量测量骨 密度 ,而且只有当骨密度减少 50 %时 X 光片才能有 所反映 ,因此不能发现早期骨质丢失 5 。

( 2) 皮质骨厚度测定法 摄取第二掌骨的正位片 , 用尺在胶片上测量骨 骼外侧横径 ( D ) 、髓控宽度 ( d ) , 从而计算出皮质骨 厚度的百分数为 ( D - d) / D % ,判断皮质骨厚度的减
单能量 ( S XA 、S PA )
2. 1 单投影 双能量 ( D EXA 、D PA) 单能量 ( S EC T )
双能量 ( D EC T )
全衰
多投影 骨 密 度 测 量 方 法
纯康普顿散射
康普顿和相干散射 人
体中子活化分析法
X 射线胶片密度肉眼分析法
电离辐射方法 散射法 活化法
X 射线照相法 皮质骨厚度测定法
光密度测量法 ( 宽带超声衰减法 ( B U A )
超声声速法 ( SO S )
PD )
非电离辐射方法 图 2 骨密度测量的基本方法
Balic m et ho ds of B MD mea sure me nt
Fi g . 2.
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中 国 医 疗 器 械 杂 志
C h i n e s e J o u r n a l o f M e d i c a l I n s t r u m e n t a t i o n
·
61 · 的影响 。

双光子吸收法利用同位素 (通常是钆元素)
发射出独立分散的两种能量光子 , 通过单独测量这 两种能量光子的吸收情况 , 可计算出骨组织等量吸
收的部分 ,从而消除软组织的影响 9。

与 S PA 相似 , D PA 应用闪烁指示器 , 同样采用线性扫描方式 , 将 原始资料输入计算机中分析 , 计算机可将脊柱和股 骨颈近端的区域自动成像 。

D PA 的 精 确 性 、准 确 性 和 S P A 相 似 为 2 ～
4 % 。

它的主要缺陷是钆光源衰变较快 ,易导致骨密
度的变异 ,每隔 18 个月需更换 9
,而且价格昂贵 。

2. 3 双能 X 射线吸收法 (D E XA )
在 S P A 的基础上 , 为消除软组织以及骨内部脂 肪 、胶原等所引起的骨矿物含量测量误差 ,发展了双 光子吸收法 ( D P A ) , 进而又发展了性能更好的双能 量 X 线吸收法 ( D E X A ) 10 11 。

D EXA 采用两幅从不 同能量的 X 射线下获得的 X 射线图象 ,通过能量减 影的方法消除软组织对骨密度测量的影响 12 - 16 。

根 据比耳 ———兰伯特 (Bee r-L m n b e r t ) 定律可以列出以 下两个方程式 14 :
量光子 , X 线球管能产生比光源高 50～1000 倍的光
子流 ,这样能排除病理成像的影响 16 。

但由于 X 光 源的不稳定性以及光束的硬化现象 , 使其测量骨密
度时仍存在着误差 12。

对此 , 不同厂家采用不同的 方法去消除上述影响 。

如 : Ho l o g ic 公司制成内部调 节系统 , 它由旋转盘构成且与骨质和软组织密度一 样 。

旋转盘置于 X 线管前方 , 这样使光束等量穿过 骨和软组织 , 从而起到自动调节的作用 18 。

有的公 司 如 L u n a r 采 用 K 边 缘 滤 波 产 生 两 种 能 量 光 子 ( 38k V 和 70k V ) 达到减少误差的目的 。

D EXA 测定 脊柱和髋部的 骨 密 度 准 确 性 与 精 确 度 误 差 在 1～
3 % 。

D EXA 扫描器采用扇形光束 , 旋转 C 形臂扫
描 , 这样 D EXA 前后位测量脊柱骨密度后 , 可旋转 C 形臂扫描器 90°, 病人不移动即可在侧位用 D EX 2
A 法测量 , 帄躺时侧位 D EXA 方法的应用大大提高
了 D EXA 的精确性 19 。

双能 X 射线吸收技术具有扫描速度快 、精密度 与准确度高 、放射性剂量低等优点 ,是目前各国测定 骨密度 、预测骨折发生率的精确而有效的方法 ,它已 广泛地应用于临床 19。

D EXA 可测定脊椎 , 股骨以 及全身骨量 , 有较高准确度和精度 。

病人接收的辐 射剂量很低 , 因此受到医生的欢迎 。

测试时为确保 仪器测试的准确性 , 必须每日进行校准 。

它可用于 一般诊断 ,也可作为早期诊断 ,监测病情变化和药物 疗效之用 9 。

目前 D EXA 在骨密度测定中实际上已 经成为事实上的标准 , 它通常是评价其他骨密度测 定仪器的基准和参考 20 21 。

2. 4 定量断层成像测定骨密度 ( Q u a n t i t a t i v e co m 2
p u t e d to m o g ra p h ,Q C T )
使用常规的 C T 机配以适当的软件来测定骨密
I H = I 0 , H e x p - ( m B ·μB H + m S ·μS H ) ] ( 1) ( 2)
( m B ·μBL + m S ·μSL ) ]
I L = I 0 ,L e x p - 其中下标 H 、L 分别代表高低两种能量 ; 下标 B 、S
分别代表骨和软组织 ; I H 是高能图象像素的测量 值 ; I L 是低能图象像素的测量值 ; m B 是像素点对应 的骨的面密度 ( g / c m 2) ; m S 是象素点对应的软组织 的面密度 ( g / c m 2) ;μB H 是骨对高能 X 射线的质量吸 收系统数 (c m 2/ g ) ;μBL 是骨对低能 X 射线的质量吸 收系数 (c m 2
/ g ) ;μSH 是软组织对高能 X 射线的质量 吸收系数 (c m 2/ g ) ;μS L 是软组织对低能 X 射线的质 量吸收系数 (c m 2/ g ) 。

因为方程中的质量吸收系数 都是已知的 , 所以可以从方程组中解出 m B 和 m S 并 最终计算出骨密度 17 。

D EXA 用 X 线管代替同位素产生独立的双能
度 22 。

C T 方法的特点是通过图像重建技术获得骨的
剖面图像 , 采用图像分割处理 , 可分别给出皮质骨 、
表 1 几种骨密度测定技术的比较
测量方法
S XA
S PA
D PA
D EXA
S EC T ( 全身)
D EC T ( 全身)
Q C T ( 外周)
超声
测量部位
脊椎 、股骨 、 全身 桡骨 、尺骨 、 跟骨 脊椎 、股骨 、 全身 脊椎 、股骨 、 全身
脊椎 、股骨 、 ( 松质骨) 脊椎 、股骨 、 ( 松质骨)
桡骨 、胫骨 、
( 松质骨)
胫骨 ( 皮质骨)
精密度 %
3
2～3
2～4 1～2 1～2 2～4
0. 3
0. 3
准确度 %
5 5～10
4～8 5～20
5～20
辐射剂量
( m re m )
900
5～10
5
1～3
200
600
10
亚皮质骨 、松质骨区的骨密度 , 可以单独观察敏感 的松质骨骨量变化 。

Q C T 方法分为前处理法和后 处理法两种 。

根据扫描时所用能量的不同又可以分
为单能量法 ( S E C T ) 和双能量法 ( D E C T ) 。

在发达 国家 , C T 是比较普遍用于身体检查的仪器 , 因此近 年来也有使用 Q C T 方法来测定骨密度 。

Q C T 方法的重复精度比较高 ( 通常在 1 %以
内) 但病人所受的辐射剂量是光子吸收法的几十甚
至一百多倍 22 ; 且其再现性在很大程度上取决于医 生的经验 。

这种仪器价格昂贵 , 需要复杂的软件以 及训练有素的人员来操作 ,检查费用很高 。

2. 5 人体中子活化分析法 ( In Vi vo Ne ut ro n Act i 2
v a t io n A n al y si s )
用同位素或 252C f (califo r ni u m 锎) 中子源释放 的快中子经慢化后 , 照射人体的待测部位 , 热中子
和骨赂中的钙发生 48Ca ( n ,γ) 49Ca 核反应 , 通过测 定 49Ca 的 缓 发 特 征γ 射 线 强 度 来 测 定 钙 的 含 量
应用上受到很大的限制 。

它的应用价值尚在探索阶 段 25 - 27 , 目前美国市场上有三种超声骨密度测量仪 取得了 FDA 许可 2 。

3 结论与展望
总之 , 测量骨密度的种种方法各有所长和应用 限制 。

其中 , X 线测量法简便易行 ,无需昂贵设备 ,多 数医院容易做到 。

S P A 仪我国已能生产 ,易普及 ,适 用于多数医院临床工作 , 操作简便 , 而 D EXA 、U S 、
Q C T 的仪器引进使我国在骨质疏松研究手段与国
际水帄靠拢 , 它们比较适于大型医院或研究单位使 用 。

相信随着骨密度分析技术的不断完善和发展 ,对 骨质疏松症的预测与治疗提供现代化的诊断手段 , 对于保障人民健康 , 提高生存质量将起到十分重要 的作用 。

参 考 文 献
1 C o n s e n s us c o n f e r e n c e . O s t e r o p o r os i s . J A M A . 1984 : 25
2 - 799 2 R e
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a n d i t s a p p l i c a t i o n t o s c r e e n i n g f o r p os t m e n o p a us a l os t e r o 2 p o r os i s . W H O t e c h n i c a l r e p o r t s e r i es 843 . G e n e v a : W H O . 1994。

此法由于需要有中子源 , 好的防护设施 , 昂贵
的仪器及操作复杂等原因 , 目前主要在实验室中用 于研究工作 4 。

2. 6 超声波测量 目前利用超声波进行骨密度分析
有两种方 法 :
骨 质 疏 松 展 望 . 国 外 医 学 . 卫 生 学 分 册
3 W a r d l a w G M .
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5 顾本立 . 骨密度测量 . 世界医疗器械 . 199
6 . 3 : 15 - 18 声速法 S O S ( S p ee d of S o u n d ) 和宽带超声衰减法
6 R . D . S
p e l l e r e t a l . I n s t r u m e n t a t i o n a n d t e c h n i q u
e s i n b o n e B U A (B ro a d b a n d U l t ra- so u n d At t e n u a t io n ) 23 。

超声波穿过身体组织时发生衰减 , 衰减量与组 织特性有关 。

根据稀疏的骨组织与正常健康的骨组 织响应不同进行骨密度测定 24。

超声检测法是用一 特制的长形探头 , 在胫骨中段扫描 , 探头一端发射 声波 , 送入胫骨 ; 由于骨的声速远大于软组织 , 故声 波进入人体后 , 在探头另一端接收的首先是沿骨传 播的波 , 由此可测定声在病人胫骨上的传播速度 。

研究表明 , 此速度与胫骨皮质骨的密度密切相关 。

运用超声波技术不但能测量骨密度 , 而且能反映骨 强度和骨结构情况 24 。

短期超声波测定的精确度误 差约为 1. 5 % 。

超声法测试的主要优点是简便 , 无辐射损伤 , 重复精度较高 ,而且价格便宜 、便于搬动普查等 。

缺 点是测试部位有限 : 仅能测量皮质骨 , 不能测量松 质骨 。

由于构成松质骨的小梁骨的表面积大 , 转换 快 , 纯小梁骨的转换率近似为皮质骨的八倍 4
, 最 能反映骨质疏松的骨丢失 , 因为松质骨丢失是骨质 疏松症早期临床表现 , 故超声法骨密度测量在临床
d e n s i t y m e a s u r e m e n t . J . P h y s I n s t r u m . 1989 . 22 : 202 - 214 7 J a c o bs o n B . X- r a y S p e c t r o p h o t o m e t r y i n V i v o . A m e r J R o e - n t . 1964 . 91 ( 1) : 202 8 Ke a n e B El . Q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o n o f b o n e mi n e r a l b
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g y R a d i o g r a p h i c A bs o r p t i o n 2
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状和展望 . 国外医学 —临床放射分册 . 1989 . ( 3) : 285 - 287
14 W o n g C K . C a l i b r a t i o n p r o c e d u r e i n d u a l - e n e r g y s c a n n
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vi s u a l i z a t i o n us i n g d u a l e n e r g y s c a n n e d p r o j e c t i o n r a d i o g -
( 下转 64 页)
的专利产品 , 它的好坏直接影响着使用者使用是否 1. 3 显示系统
由 A / D 转换 、译码和驱动电路组成的显示系
统 ,具有性能稳定 、反应迅速 、体积小等特点 ,同时还 拥有将有用数字锁定的功能 ,便于使用 。

2 讨论
自 1965 年提出闸门控制学说 ,成功地分离出内 源性鸦片样肽 、脑啡肽和内啡肽以来 ,对于人体疼痛 的研究取得了突破性的进展 。

然而 , 对于疼痛测量 的研究却进展不大 ,在疼痛测量研究中 ,深部痛测量 的研究具有特殊的意义 , 因为对深部痛测量的研究 主要是对引起疼痛的阈值和耐受水帄的研究 , 阈值 代表对疼痛的感觉分辨水帄 , 而耐受水帄则与心理 因素等有关 ,因此 ,对于阈值的研究比耐受水帄的研
究意义更大 ,通过临床应用本仪器 ,对多例病人进行 压痛阈测量后 ,发现患处的压痛阈值全部低于健测 , 而且差异有非常显著性 。

当疼痛减轻后所有患处的 压痛阈值均升高 ,前后比较差异非常显著 。

因此 ,可 以说压痛阈测量比其它方法能更好地反映深部痛的 状况及疼痛的轻重变化 , 是当前对深部痛疗效评价 的一个好方法 。

这进一步表明本仪器的实用性 。

方便 ,检测结果是否准确 。

其结构图见图 2 。

它由手 柄 1 、弹性隔膜 2 、液体介质 3 、连杆 4 、测压头 5 和压
力传感器 6 等部份构成 。

为了减少环境温度对检测 的影响 , 采用膨胀系数较小的硅油作为液体传导介
质 。

使用时 , 医生手握手柄使测压头对准病人被检 部位施加压力 ,此时 ,测压头受到病人加压部位的反 作用力 , 该反作用力大小正好等于医生施加的加力 大小 。

测压头受到的反作用力通过连杆 、弹性隔膜 、 液体介质传送到压力传感器上 , 压力传感器将压力 转换成电信号输出 。

为了扩大应用范围 ,特意设计了 5 种 可 更 换 式 表 面 积 , 分 别 为 1c m 2 、 0. 5c m 2 、
0. 25c m 2 、0. 2c m 2 、0. 1c m 2
的测压头 , 这样本仪器不 但可用于测量肌肉 、筋膜等深部软组织的压痛阈 ,而 且还可用于经络 、穴位 (包括耳穴) 的研究诊断 。

1. 2 放大器
由于从传感器输出的信号很弱 , 而且变化频率 又很低 ,这就要求放大器要有尽量低的共模干扰 、低 噪声 、低的时间和温度漂移 , 因此 , 采用专用测量放 大器 A D 521 , 它可以使传感器在较复杂的条件下稳 定的工作 ,其输入端可直接接信号源 ,因为其输入阻 抗非常高 , 并且是差动输入方式 , 只放大信号差值 , 消除了漂移干扰信号 ,其增益为 0. 1～1000 可调 ,用 一片集成块就可满足输出文章编号 : 1000 - 6974 ( 2002) 01 - 0000 - 00 要求 ,大大简化了电路 ,缩小了体积 。

参 考 文 献
1 魏振义等 . 压痛阈测量在深部痛的疗效评价 . 中华理疗杂志
. 1995 ,18 ( 2) : 83 - 85.
( 上接 62 页)
r a p h y . M e d P h y s . 1981 , 8 : 353 f o r B o n e M i n e r a l M e a s u r e m e n t :Te c h n i c a l A s p e c t . D os i m e t r y , J R a d i ol o 2 N o r m a l D a t a a n d Cl i n i c a l g y . 1994
. 64 : 289 A p p l i c a t i o n s . B g y m a m m o g
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a 23 G n u d is e t a l . U l t r a s o u n d i n t h e e v a l u a t i o n o f os t e o p o r os i s :
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17 H a l l M L e t a l . V a r i a t i o n b e t w e e n F e m u r s a s M es a u r e d b
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