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EEG/ERP腦電分析系統(tǒng)初步 摘 要:本文介紹了腦電波EEG的產(chǎn)生機制、特征等基本知識,介紹了ERP的特征、分類、基本原理、測試方法、刺激模式、影響事件相關電位的因素和ERP研究的應用。并對EEG/ERP腦電分析系統(tǒng)的各個方面作了說明。 關鍵詞:EEG;ERP;腦電分析1 引言 大腦在頭蓋骨的覆蓋和保護下。而頭皮,即一層薄薄的皮膚,則覆蓋在頭蓋骨之上。緊貼在頭蓋骨下方的大腦的最大的部分就是大腦皮層。大腦皮層由神經(jīng)細胞(神經(jīng)元)組成;大多數(shù)神經(jīng)元彼此相聯(lián)共同作用,并與大腦其他部位形成聯(lián)結(jié)。大腦皮層神經(jīng)元不停地發(fā)送、接收神經(jīng)沖動信號,即使在睡覺時也不例外。在生物、醫(yī)學或更廣泛的意義上,大腦皮層腦電活動的消失就意味著死亡。大腦皮層的功能包括抽象思維、推理、對頭部肌肉無意及隨意的控制,以及對機體、內(nèi)臟和特殊神經(jīng)刺激的識別。大腦皮層的特定腦區(qū)處理或產(chǎn)生各種信號。比如說,枕葉負責處理視覺信息,而頂葉則負責處理機體感覺信號,例如皮膚痛覺或溫度覺。 感覺由外周傳入大腦的低級中樞,再到皮層的各個腦區(qū)。由于大腦皮層緊挨著頭蓋骨,因而在對應大腦特定腦區(qū)的頭皮上安置電極就能測到活躍著的神經(jīng)元的放電情況。用電極對大腦的活動進行記錄就叫做electroencephalogram 或簡稱 EEG (其中electro = electrical, encephelo = brain, gram = record).刺激動物的身體能使腦波發(fā)生變化,他利用這種變化來研究身體之部位與大腦皮質(zhì)區(qū)的關系,并探討大腦皮質(zhì)區(qū)的功能,成為后來神經(jīng)診斷學中誘發(fā)電位( evoked potential )發(fā)展的基礎。目前量測腦波記錄可分為兩種,一是腦電波( electroencephalogram, EEG ),測量大腦皮質(zhì)的電流,大腦皮質(zhì)的電流是發(fā)生在細胞外的電流,是由細胞群與其他細胞群之間的電位差形成的。 另一是腦磁波( magnetoencephalographic, MEG ),此乃根據(jù)法拉第定律電生磁,當腦神經(jīng)活化時所產(chǎn)生的電訊號會引發(fā)磁場變化,所偵測到訊號的大小即為腦磁波。2 EEG (腦波) EEG的電極主要偵察在其正下方的腦區(qū)的活動情況。不過,其接收的信號來自成千上萬的神經(jīng)元。事實上,一平方毫米的大腦皮層上有10萬多個神經(jīng)元。一個人在警覺狀態(tài)下大腦皮層的各個腦區(qū)都忙于 接收、整合和發(fā)送信號,而這些活動都將被EEG偵察到。只有當一個區(qū)域的輸入信號與其自身的腦電活動同步時,才能夠在EEG中區(qū)分出簡單、周期性的波形。 1929年,一位叫漢斯博爾格的奧地利生理學家發(fā)現(xiàn),安置在腦皮上的電極能夠檢測到各種各樣的腦電活動。在證實這些記錄確實是大腦活動而不是肌肉或頭皮運動的產(chǎn)物后,科學家們就開始了對這些“腦電波”的研究。今天在醫(yī)學上,EEG仍舊是一個有用的檢測工具。而醫(yī)學和基礎研究中,關于特定腦波與睡眠期、情緒狀態(tài)、心理整體情況、心理操作類型之間的相關研究也還在繼續(xù)。EEG記錄的四種簡單周期波為alpha, beta, delta, 和theta波。我們用頻率(Hz)和振幅來標定這些波。頭皮電極記錄的振幅以微伏為單位(uV 或l/l,000,000伏)。3 事件相關電位(簡稱ERP) 3.1事件相關電位ERP簡介 對大腦高級心理活動如認知過程作出客觀評價,我們很難將意識或思維單純歸于大腦某一部位組織、細胞或神經(jīng)遞質(zhì)的改變,因為僅采用具體、微觀的自然科學手段如神經(jīng)分子生物學、神經(jīng)生化學難以解決具體的心理活動。二十世紀六十年代,Sutton提出了事件相關電位的概念,通過平均疊加技術從頭顱表面記錄大腦誘發(fā)電位來反映認知過程中大腦的神經(jīng)電生理改變,因為事件相關電位與認知過程有密切關系,故被認為是“窺視”心理活動的“窗口”。神經(jīng)電生理技術的發(fā)展,為研究大腦認知活動過程提供了新的方法和途徑。 (一)誘發(fā)電位的特征 事件相關電位(ERP)是一種特殊的腦誘發(fā)電位,通過有意地賦予刺激儀特殊的心理意義,利用多個或多樣的刺激所引起的腦的電位。它反映了認知過程中大腦的神經(jīng)點生理的變化,也被稱為認知電位,也就是指當人們對某課題進行認知加工時,從頭顱表面記錄到的腦點位。經(jīng)典的ERP主要成分包括P1、N1、P2、N2、P3,其中前三種稱為外源性稱為,而后兩種稱為內(nèi)源性成分。這幾種成分的主要特點是:首先不僅僅是大腦單純生理活動的體現(xiàn),而且反映了心理活動的某些方面;其次,它們的引出必須要有特殊的刺激安排,而且是兩個以上的刺激或者是刺激的變化。其中P3是ERP中最受關注和研究的一種內(nèi)源性成分,也是用于測謊的最主要指標。因此,在某種程度上,P3就成了ERP的代名詞。事件相關電位(ERP)是一種特殊的腦誘發(fā)電位,誘發(fā)電位(Evoked Potentials,EPs),也稱誘發(fā)反應(Evoked Response),是指給予神經(jīng)系統(tǒng)(從感受器到大腦皮層)特定的刺激,或使大腦對刺激(正性或負性)的信息進行加工,在該系統(tǒng)和腦的相應部位產(chǎn)生的可以檢出的、與刺激有相對固定時間間隔(鎖時關系)和特定位相的生物電反應。誘發(fā)電位應具備如下特征:1.必須在特定的部位才能檢測出來;2.都有其特定的波形和電位分布;3.誘發(fā)電位的潛伏期與刺激之間有較嚴格的鎖時關系,在給予刺激時幾乎立即或在一定時間內(nèi)瞬時出現(xiàn)。 (二)誘發(fā)電位的分類 誘發(fā)電位的分類方法有多種,依據(jù)刺激通道分為聽覺誘發(fā)電位、視覺誘發(fā)電位、體感誘發(fā)電位等;根據(jù)潛伏期長短分為早潛伏期誘發(fā)電位、中潛伏期誘發(fā)電位、晚(長)潛伏期誘發(fā)電位和慢波。臨床上實用起見,將誘發(fā)電位分為兩大類:與感覺或運動功能有關的外源性刺激相關電位和與認知功能有關的內(nèi)源性事件相關電位(Event-Related PotentialS,ERPs)。 內(nèi)源性事件相關電位與外源性刺激相關電位有著明顯的不同。ERPs是在注意的基礎上,與識別、比較、判斷、記憶、決斷等心理活動有關,反映了認知過程的不同方面,是了解大腦認知功能活動的“窗口”。經(jīng)典的ERPs成分包括P1、Nl、P2、N2、P3(P300),其中P1、N1、P2為ERPs的外源性(生理性)成分,受刺激物理特性影響;N2、P3為ERPs的內(nèi)源性(心理性)成分,不受刺激物理特性的影響,與被試的精神狀態(tài)和注意力有關?,F(xiàn)在ERPs的概念范圍有擴大趨勢,廣義上講,ERPs尚包括N4(N400)、失匹配陰性波(Mismatch NegatiVity,MMN)、伴隨負反應(Contigent NegatiVe Variaeion,CNV)等。但長期以來有人通常以P3作為事件相關電位的代稱,雖有失偏頗,但臨床應用甚廣。3.2 事件相關電位(簡稱ERP)的基本原理一次刺激誘發(fā)的ERP的波幅約210V,比自發(fā)電位(EEG)小得多,淹沒在EEG中,兩者構(gòu)成小信號與大噪音的關系,因此無法測量,無法研究。但 ERP有兩個恒定,一是波形恒定,一是潛伏期恒定。利用這兩個恒定就可以通過疊加,從EEG中將ERP提取出來。為了從EEG中提取出ERP,需對被使者施以多次重復刺激“S”。將每次刺激產(chǎn)生的含有ERP的EEG加以疊加與平均。由于作為ERP背景的EEG波形與刺激見無固定的關系,而其中所含之ERP 波形在每次刺激后是相同的,且ERP波形與刺激間的時間間隔(潛伏期)是固定的,經(jīng)過疊加,ERP與疊加次數(shù)成比例的增大,而EEG則按隨機噪音方式加和。3.3 ERP成分概述(1)CNVCNV在1964年為Walt和Cooper等所發(fā)現(xiàn)。若在測量反應時,先給出一個預備信號(如一個短音或一個閃光),令被使者聽(或看)到命令信號后盡量快地按鍵,則可在預備信號和命令信號之間觀察到腦電發(fā)生浮想偏轉(zhuǎn),Walt和Cooper等稱此負向偏轉(zhuǎn)為contingent negative variation,簡稱CNV,中文稱為伴隨性負變化或負關聯(lián)。CNV的頭皮分布以Cz點波幅最大。(2)P300P300系Sutton等1965年所發(fā)現(xiàn)。P300即為晚期成分的第三個正波P3,由于當初發(fā)現(xiàn)的P3是在300ms左右出現(xiàn)的正波,故稱之為P300。后來隨者與P300類似的成分的不斷被發(fā)現(xiàn),P300形成了一個含有多個子成分的家族。(3)MMN1978年首先報道。典型的實驗是,仍然運用上述產(chǎn)生P300的Oddball實驗模式,標準刺激為1000Hz的短純音,偏差刺激為800Hz的短純音,分別在被試雙耳中呈現(xiàn)。令被試者雙耳分聽,即注意一只耳的聲音,并對偏差刺激進行反應,而不注意另一只耳的聲音。結(jié)果無論注意與否,在約250ms內(nèi)偏差刺激皆比標準刺激引起更高的負波。若以偏差刺激引起的ERP減標準刺激引起的ERP,觀察此差異波,則可見到在約100ms至250ms之間出現(xiàn)了一個明顯的負波,此即mismatch negtativity(失匹配負波),簡稱MMN.(4)N400N400是研究腦的語言加工原理常用的ERP成分。它首先由Kutas等于1980年報道。他們令被試者對屏幕上呈現(xiàn)的句子進行認知反應,故意將某些句子的最后一個詞寫為畸義詞。當在屏幕上逐個呈現(xiàn)這句話的單詞,并記錄各個單詞誘發(fā)的ERP時發(fā)現(xiàn),該句尾畸異詞誘發(fā)的ERP在400ms左右出現(xiàn)了一個新的負成分,以此命名為N400。研究發(fā)現(xiàn),N400的波幅與畸義詞對其語境背離的程度相關。N400在揭示語言加工的認知規(guī)律上發(fā)揮了很大作用,然而關于N400反應的僅僅是語言本身的性質(zhì),還是廣義的語義加工,甚至它是否僅與語言相關的問題仍有爭議。研究表明,產(chǎn)生N400的腦機制是很復雜的,也許這是由于語言腦機制的復雜性所致。雖然目前已在正常人和語言障礙患者上做了不少工作,但距離徹底揭示N400的原理,需要走的路還很長。3.4 事件相關電位的測試方法 事件相關電位屬于長潛伏期誘發(fā)電位,測試時一般要求被試者清醒,并在一定程度上參與其中。引出ERPs的刺激是按研究目的不同編制而成的不同刺激序列,包括兩種及兩種以上的刺激,其中一個刺激與標準刺激產(chǎn)生偏離,以啟動被試的認知活動過程。如果由陽性的物理刺激啟動,除了由認知活動產(chǎn)生的內(nèi)源性成分,尚包括外源性刺激相關電位;如由陰性刺激來啟動心理活動過程,則引出由認知加工而產(chǎn)生的內(nèi)源性成分。P3為ERPs中重要的內(nèi)源性成分,現(xiàn)時對它的研究最為廣泛。多為神經(jīng)精神學科研究,如精神分裂癥、腦血管疾病和癡呆癥、智力低下等,通過研究P3的潛伏期、波幅、波形變化,反映認知障礙或智能障礙及其程度,同時尚應用于測謊研究。另有人將P3、CNV用作觀察神經(jīng)精神藥物治療效果的指標。事件相關電位的另一內(nèi)源性成分N2為刺激以后200毫秒左右出現(xiàn)的負向波,反映大腦對刺激的初步加工,該波并非單一成分,而是一復合波,由N2a和N2b兩部分組成,N2a不受注意的影響,反映對刺激物理特性的初步加工。3.5 刺激模式刺激模式的設置是研究ERPs的關鍵,要求根據(jù)研究目的不同設計不同的刺激模式,包括兩種及以上不同概率的刺激序列,并以特定或隨機方式出現(xiàn)。包括視覺刺激模式、聽覺刺激模式、軀體感覺刺激模式。聽覺刺激模式包括三類:1.隨機作業(yè)(OB刺激序列);2.雙隨機作業(yè);3.選擇注意。OB刺激序列(oddball paradigm):通過耳機同步給高調(diào)、低調(diào)純音,低概率音作為靶刺激,誘發(fā)ERPs。通常靶刺激概率為1030,非靶概率70一90,刺激間隔多采用152秒,刺激持續(xù)時間通常為4080毫秒,反應方式為或默數(shù)靶信號出現(xiàn)次數(shù)或按鍵反應。3.6 影響事件相關電位的因素1物理因素 刺激的概率:靶刺激概率越小,P3的波幅越高,反之,波幅減小。一般靶刺激與非靶刺激的比例為20:80;刺激的時間間隔:間隔越長,P3波幅越高;刺激的感覺通道:聽、視、體感感覺通道皆可引出ERPs,但其潛伏期及波幅不盡相同。2心理因素 事件相關電位檢測過程中一般要求被試者主動參與,因而被試者的覺醒狀態(tài)、注意力是否集中皆可影響結(jié)果。另外,由于被試者只有識別靶刺激并作出反應才能誘發(fā)出ERPs成分,因此,作業(yè)難度對測試結(jié)果也有影響,難度加大時,波幅降低,潛伏期延長。3 生理因素年齡:不同年齡P3的波幅及潛伏期不同。潛伏期與年齡呈正相關,隨年齡增加而延長,而波幅與年齡呈負相關。在兒童及青少年,波幅較高;分布:ERPs各成分有不同的頭皮分布。3.7 ERP研究的應用ERP被廣泛應用于腦功能研究,在心理學、生理學、認知神經(jīng)科學及醫(yī)學臨床等領域,取得了巨大成就,被譽為“觀察腦功能的窗口”,有很高的研究與應用價值。 事件相關電位(ERP)被譽為觀察腦高級功能的窗口。ERP(事件相關電位)指的是凡是外加一種特定的刺激,作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位,在給予刺激或撤消刺激時,在腦區(qū)所引起的電位變化。近年來,隨著認知神經(jīng)科學研究的突飛猛進,ERP更是受到腦科學界更為廣泛的關注。就認知神經(jīng)科學而言,它是側(cè)重于研究認知過程神經(jīng)機制的交叉學科,而ERP的優(yōu)勢正是具有很高的時間分辨率(毫秒),此外,ERP便于與傳統(tǒng)的心理測量指標反應時有機地配合,進行認知過程研究,且具有無創(chuàng)性。多導聯(lián)ERP設備的應用,也很好地解決了其空間分辨率的局限, 256導EEG/ERP系統(tǒng)的空間分辨率可以達到毫秒級,是科學工作者進行認知神經(jīng)科學的教學和研究的最得力、最有效的方法和手段。ERP/EEG的研究已經(jīng)深入到心理學、生理學、醫(yī)學、神經(jīng)科學、人工智能等多個領域,發(fā)現(xiàn)了許多與認知活動過程密切相關的成分,如CNV、P300、MMN、N400等等。256 EEG/ERP系統(tǒng)具有很高的技術優(yōu)勢,在基礎教學和科學研究方面均有無可比擬的優(yōu)點。該系統(tǒng)可以優(yōu)化學科結(jié)構(gòu),可以進行多學科的交叉資源共享。例如,可以同時記錄被試在某種認知活動或心理狀態(tài)下的腦電、肌電、心電,由于該設備具有最先進的腦成像分析軟件,因此,學生即可以了解腦活動的基本過程,同時又可以把中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能與周圍神經(jīng)系統(tǒng)的表現(xiàn)有機地綜合,從而把生物學、生理學、心理學和醫(yī)學解剖的教學有機地結(jié)合起來。在科學研究方面, 256 EEG/ERP系統(tǒng)可以進行多學科的研究,包括生理學、心理學、醫(yī)學等等,是目前最先進的研究設備。例如,在感覺神經(jīng)科學方面,該設備可以記錄分析聽覺、視覺和體感誘發(fā)電位,并可以進行2D和3D成像以及溯源分析,以深入研究感覺通路和初級皮層的功能狀態(tài);認知神經(jīng)科學方面,可以進行該領域的各項研究,如語言加工、注意、記憶、意識等;在醫(yī)學研究方面,可以進行包括精神病、失語征、學習困難、多動癥、老年癡呆、睡眠等在內(nèi)的各種研究。 ERP 除應用于臨床,服務于患者外,在其它領域也有了蓬勃的發(fā)展,現(xiàn)舉例如下: 1提高工效 人的工作能力是決定工作效率的重要因素,在人的能力中,認知活動又是最基本,也是最重要的內(nèi)容。利用ERP 技術,從心理生理學角度來研究人的信息加工能力,可比單純行為學更科學地說明工作能力的高低的機制及其影響因素。例如:美國空軍單位,已用ERP試驗來選拔飛行員,并進行訓練觀察,預測未來飛行成績的高低。 2智力開發(fā)研究資料表明,左腦是掌管邏輯思維的,而右腦則傾向于形象思維。北京市曾進行過以下實驗:選40名右利手且視力正常的小學生,分為兩組,一組為實驗組,另一組為常規(guī)組。實驗組采取形象教學法,常規(guī)組則采用傳統(tǒng)教學法。結(jié)果分析表明,實驗組右半球P300時限顯著縮短,而對照組兩半球P300基本對稱,反映了形象教學開發(fā)右腦的效果。 3測謊傳統(tǒng)測謊是在詢問受試者與案情有關或無關問題時,記錄其心電、血壓、呼吸等指標,實際上是以植物神經(jīng)變化為指標,間接判斷心理活動,故假陰性率和假陽性率都很高。而P300則不然,它是以波幅和波面積作為指標??梢赃x用不同內(nèi)容(人物或環(huán)境) 的照片作有關刺激和無關刺激組成序列。人對熟知的人或環(huán)境所記錄的電位波幅必然要高,面積也相應要增大,而對不熟的人或環(huán)境所記錄的電位波幅必然要低,面積也較小。測謊的目的是判定單個受試者有無謊情,其答案必須是“是”或“否”。根據(jù)受試者的答案和波幅及波面積,判定其是否在撒謊,從而獲得了較高的準確度。3.8 實驗模式(1) Oddball模式Oddball實驗模式是指采用兩種或多種不同刺激持續(xù)交替呈現(xiàn),它們出現(xiàn)的概率顯著不同,經(jīng)常出現(xiàn)的刺激稱為大概率或標準刺激(standard stimuli),偶然出現(xiàn)的稱為小概率或偏差刺激(deviant stimuli)。令被試對偏差刺激進行反應,因此該偏差刺激稱為靶刺激(Target)或目標刺激。這是誘發(fā)P300、MMN等與刺激概率有關的ERP 成分時常用的經(jīng)典實驗模式。(2)Go-Nogo模式兩種刺激的概率相等。令被試反應的刺激叫做Go刺激,即靶刺激;不需被試反應的刺激叫做Nogo刺激。該模式也叫做Go與Nogo作業(yè),其特點是排除勒刺激概率對ERP的影響;由于沒有大小概率之分,大大節(jié)省勒實驗時間,這是它突出的優(yōu)點,但也丟失勒因大、小概率差異而產(chǎn)生的ERP成分。(3)跨通路研究模式“跨通路”(Cross-Modal)是指在同一實驗模式中采用不同感覺通路的刺激物,通常為視覺與聽覺刺激,常用于選擇性注意的研究。(4)各種特定認知實驗模式如運動知覺、記憶、意識研究。4 Net Station的介紹Net Station是Electrical Geodesics, Inc. (EGI)公司推出的完整的軟件包,用于處理EEG(electroencephalography )和ERP(event-related potential)數(shù)據(jù)。具體來說,主要有以下功能:采集EEG數(shù)據(jù);對EEG數(shù)據(jù)做各種各樣的操作,主要是ERP的獲得;查看和導航EEG和ERP數(shù)據(jù)。4.1 Net Station Waveform ToolsNet Station Waveform Tools用于對EEG數(shù)據(jù)做不同的操作,從而獲得ERP數(shù)據(jù)。也可以說,Net Station Waveform Tools用于離線(off-line)數(shù)據(jù)處理,去除偽跡和增加ERP的信噪比。4.2 獲取ERP的步驟(1)濾波(Filtering)(2)分段(Segmentation)(3)偽跡檢測(Artifact Detection)(4)壞導替換(Bad Channel Replacement)(5)去除眼電偽跡(Ocular Artifact Removal,OAR)(6)偽跡檢測(Artifact Detection)(7)壞道替換(Bad Channel Replacement)(8)平均疊加(Averaging)(9)平均參照(Average Referencing)(10)基線校正(Baseline Correction)(11) 數(shù)據(jù)提取(Statistic Extraction)5 ERP與常規(guī)EEG及誘發(fā)電位的區(qū)別5.1 ERP信號的優(yōu)勢與缺點 ERP是刺激事件引起的實時腦電波,在時間精度可達到微秒級。極高的時間分辨率是ERP的主要優(yōu)勢,ERP也可以和行為數(shù)據(jù),特別是反應時間(RT)很好地配合,以研究認知加工過程的規(guī)律。 通過疊加技術獲得的與事件發(fā)生進程有鎖時(time-lock)關系的腦電就稱為事件相關電位(ERP)。ERP的主要弱點在于低的空間分辨率,ERP在空間上只能達到厘米級,主要的影響因素是容積導體效應與封閉電場問題。另外,ERP只能采用數(shù)學推導來實現(xiàn)腦電的源定位,比如偶極子,這種方法的可靠性也是有限的。5.2 ERP與常規(guī)EEG及誘發(fā)電位的區(qū)別 隨著腦電的問世及逐步發(fā)展,人們認識到:大腦活動時有生物電伴生,這個腦的生物電可以記錄,腦電活動會因周圍環(huán)境的刺激如聲光而發(fā)生改變,腦電波會因心理活動而改變,盡管還無法判定二者之間的準確關系。從信息學角度分析,EEG并不完全是絕對的“自發(fā)”電位,也含有外來刺激,只不過無法將刺激引起的腦電生理變化之內(nèi)容和意義分辨出來。習慣上,人們?nèi)詫EG稱為腦的“自發(fā)”電位,其用意是相對于特別安排的刺激引出的電位,后者常被稱作“誘發(fā)”電位。ERP與普通EEG的區(qū)別在于前者是接受特意安排的重復刺激,經(jīng)平均疊加得到的。 對于誘發(fā)電位而言,其他誘發(fā)電位如視、聽、體感、脊髓誘發(fā)電位、運動誘發(fā)電位等,這些誘發(fā)電位對于研究人腦的高級功能,如知覺、注意、記憶、智能等過程幾乎仍然是無能為力的,因為這些誘發(fā)電位是用單一的固定不變的刺激,并且無須受試者對試驗主動參與。而ERP測試要求受試者一般需意識清醒,不但被動受檢,而且要求他們在一定程度上參與試驗,且必須有兩個以上的刺激組成刺激序列或刺激范型。 必須指出, 雖然ERP已經(jīng)在一定程度上反映了認知與電位之間的關系,但這種成分存在時間仍然很短,不超過一秒,盡管它受認知過程的影響,卻并未深入到意識內(nèi)容之中,故仍然只能說它是一個有限的“窗口”。6 腦功能成像EEG/ERP和fMRI6.1腦功能成像腦功能成像是指利用各種成像技術對大腦功能活動進行顯示的過程,包括腦電圖(EEG)、事件相關電位(ERP)、正電

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