勃起功能障碍（ED）是一种常见的性功能障碍，对自发夜间勃起的阴茎勃起和硬度进行持续监测对于其诊断和分类至关重要。然而，当前的的临床标准设备由于其主动机械负载的限制，体积庞大且不可穿戴，强烈干扰勃起，这既影响了监测的可靠性，也降低了患者的依从性。
近期，中国科技大学潘挺睿教授团队开发了一种可穿戴自适应硬度监测（wearable adaptive rigidity monitoring，WARM）系统，该系统采用无主动负载的测量原理，通过特别设计的弹性双环传感器来评估阴茎勃起和硬度。这种双环传感器由两个具有不同弹性模量的应变感测环组成，提供了高分辨率（0.1%）、坚固的机械和电气稳定性（可持续超过1000个周期）以及强大的抗干扰能力。一个集成的柔性印刷电路（FPC）收集和处理感测信号，然后通过蓝牙将信号传输到主机电脑进行ED评估。此外，该系统便于在夜间勃起测试期间同时进行睡眠监测，持续评估阴茎勃起，同时最小化干扰夜间勃起的能力。该系统提供了一个完全集成、可穿戴的解决方案，用于连续、精确且患者友好的测量阴茎勃起和硬度。该工作以题为“A wearable adaptive penile rigidity monitoring system for assessment of erectile dysfunction”的论文发表在最新一期Nature合作期刊《Microsystems & Nanoengineering》上。
阴茎勃起硬度测量原理和WARM系统
首先将WARM系统的工作原理与广泛认可的临床设备RigiScan进行比较。RigiScan用于评估阴茎勃起和硬度的原理基于动态机械测量。具体来说，评估的勃起反映了勃起过程中阴茎周长的变化，评估的硬度反映了在已知压缩力下抵抗径向变形的能力，如图1a所示。可以观察到，RigiScan在切线方向上施加拉伸力。这样的切向拉伸然后可以转换为径向压缩，从而改变阴茎的径向形状，并测量相应的周长。为了实施这样的测量，RigiScan采用两步过程。最初，定期施加一个轻柔的参考负载（Tr）来测量阴茎的周长（Dr），而不会引起明显的变形。当检测到阴茎周长的显著变化时，RigiScan设备然后可以施加一个更强劲的压缩负载（Tm），同时连续评估相应的周向位移（Dr-Dm），从而可以确定径向硬度（S）为S = (Tm-Tr)/(Dr-Dm)。因此，系统设计中必须包含一个带有高精度长度测量单元的机动加载组件，这增加了系统的复杂性并限制了其在临床环境中的使用。
图1b展示了WARM系统的示意图，该系统设计用于监测阴茎勃起。可穿戴传感设备提供阴茎硬度和勃起的实时信息，通过蓝牙模块即时传输到移动设备，便于医生进行更精确的分析和诊断。如图1c所示，系统由三个主要部分组成：一个精确且稳定的双环传感器，由两个具有不同弹性模量的感应单元组成，即参考环和测量环。具体来说，具有不同弹性模量的柔性双环传感器可以自适应地施加不同级别的负载到阴茎上，并将周向数据转换为电容输出。传感器通过标准连接器可逆地连接到FPC板上，便于电容检测模块获取信号。随后，微控制器单元（MCU）对阴茎硬度和勃起进行实时评估。图1d展示了WARM系统的原型，其具有比RigiScan更紧凑的尺寸、减轻的重量和简化的设计。双环方法允许弹性传感器同时施加径向压缩并提供连续的周向测量。
图1. 可穿戴自适应刚度监测（WARM）系统。
弹性双环传感器的设计、优化和表征
图2a展示了弹性双环传感器的平面布局，该传感器由参考环和测量环组成，两者均基于平行板电容原理进行应变测量。平行板感应架构已被证明在连续测量中具有高度机械和电学稳定性。它被设计为一个7层的结构组装，其中所有层均由高弹性聚合物材料制成，导电层总是被相邻的绝缘层隔开。测量中间导电层与两个外部层之间的电容，以评估阴茎勃起和硬度。这种结构设计还通过加倍电容重叠面积增加了初始电容和设备灵敏度。导电层可以使用高导电性和弹性的离子凝胶或商用的可拉伸导电银浆制成，而保护和介电层可以用现成的硅橡胶制成。由于完全灵活的设计，传感器的整体结构可以在没有机械断裂的情况下承受弯曲和拉伸（图2b）。
确定双环传感器最佳几何参数，包括介电层厚度和电极层宽度，需要满足设计原理的具体机械和电气要求。此外，选择适合每个层的材料也是至关重要的。经过评估，作者选择了200微米的介电层厚度。这种厚度在灵敏度和可靠性之间提供了最佳的平衡，如图2c所示，灵敏度和初始电容分别为95.86 pF和1.26 pF/mm。此外，为了在阴茎周长测量中达到所需的精度，传感器必须在0.1毫米的变形下展现出显著且稳定的电容变化，这大约对应于传感器应变的0.1%。如图2d所示，电极宽度为5毫米和7毫米的样品在0.1毫米变形下显示出稳定的电容增加，分别为0.172 pF和0.258 pF。
确定了传感器的几何尺寸后，选择合适的材料以确保机械性能满足设计要求是至关重要的。作者准备了具有不同弹性模量的硅橡胶样品并进行了测试。如图2e所示的测试结果表明，不同硅橡胶样品的最大拉伸负载有较大差异，范围从0.248 N到2.590 N。根据双环传感器的设计原理，Ecoflex 0020和Dragon Skin 30分别被选为参考环和测量环的绝缘层材料。具体来说，Ecoflex 0020和Dragon Skin 30展现出最小和最大的弹性模量，最大拉伸负载分别为0.248 N和2.590 N，均低于设计的上限。此外，离子凝胶和导电银浆都作为电极层材料进行了测试，并在1000次拉伸循环后保持了良好的导电性；因此，这两种材料都适合作为电极层。离子凝胶易于制备，成本效益高，且透明，而导电银浆具有较低的电阻。有了这些用于绝缘和电极层的材料选择，双环传感器在机械性能、佩戴舒适度和电导率方面满足了设计要求。
优化后，双环传感器被制造并进行表征，以评估其机械和电气性能。图2b展示了使用离子凝胶和导电银浆制造的传感器的光学图像。图2f显示了参考环和测量环的电容-周向位移和张力-周向位移响应。即使在被设计的最大周向位移37毫米拉伸时，参考环和测量环观察到的最大拉伸力分别为0.365 N和2.528 N，这低于RigiScan的1.11 N和2.78 N。这样可以减少测量负载以减少对勃起的干扰。此外，双环传感器的自适应负载更有利于连续且不易察觉地监测阴茎硬度和勃起。
图2g展示了使用测量环的传感器在1毫米变形的阶梯变化下的电容和张力记录。结果表明，传感器的电容和拉伸负载随着每个小的变形而发生显著变化，并在指定的持续时间内保持稳定。在图2h中，比较了五个志愿者在非接触和接触状态下的测量环的初始电容。初始电容值显示出微小差异（低于0.33 pF），这表明不同患者引起的寄生电容变化不会显著影响传感器的实际测量。通过在两个环上进行拉伸循环测试，评估了弹性双环传感器的重复性。图2i展示了测量环和参考环一致的机械和电学性能，经过1000次循环后没有明显的基线漂移。
图2. 双环传感器的设计和表征。
WARM系统的可行性测试以及阴茎勃起评估
作者开发了一个阴茎勃起模拟器，以有效地表征WARM系统。它允许对可扩张阴茎模型的硬度和勃起进行稳定且可编程的调整，提供了一个标准化的测试平台来评估WARM系统。图3a展示了这个模拟器，它包括一个可扩张的阴茎模型，一个用于间接调整模型硬度和周长的流量控制器，以及配备相应控制软件的计算机。阴茎模型是一个商用空心圆形圆柱，由弹性硅胶制成，反映了随着海绵体内压力变化的阴茎硬度和勃起的生理特征。通过调节其内部压力，可以灵活地控制模型的硬度和勃起。连接压力控制单元（即流量控制器）后，可以通过计算机编程对模型的硬度和勃起进行精确调整。
图3c展示了在变化的内部压力下，从WARM系统和RigiScan在阴茎模型上获得的硬度测量结果的比较。RigiScan连续监测勃起的能力较差，而相比之下，由于弹性双环传感器施加的适应性拉伸负载，WARM系统在模型内部压力低于20毫米汞柱时，保持低于1牛顿的拉伸负载进行硬度测量。这种适应性使得WARM系统能以患者友好的方式连续监测阴茎硬度，而不需要完全勃起。
图3d中两个系统硬度测量结果的线性回归分析显示出了高度的一致性，相关系数为0.98。这是因为WARM系统和RigiScan都采用了相同的径向硬度定义和计算公式。然而，它们的测量原理不同：WARM系统使用弹性双环测量，而RigiScan采用传统的一步力-位移过程。为了模拟实际勃起监测过程中的阴茎勃起-消退过程，阴茎模型经历了多次不同持续时间的充气和放气循环。RigiScan和WARM系统同时监测这个过程，结果如图3e所示。
图3. WARM系统的可行性测试。
志愿者临床测试
为了进一步评估WARM系统在监测勃起和诊断ED中的临床实用性，作者招募了两名志愿者进行AVSS和NPTR测试。目前，AVSS和NPTR测试作为区分心理性和器质性ED的两个主要诊断方法，因为它们具有非侵入性和客观性。AVSS测试的结果如图4a所示。可以观察到，在2分钟的视听刺激后，阴茎的勃起和硬度显著增加，表明发生了勃起。这种勃起持续到第22.5分钟，随后勃起和硬度的逐渐下降，表明勃起结束。比较分析显示，WARM系统提供了卓越的阴茎勃起状态实时跟踪，比RigiScan系统提供了更精确的周向评估和高精度的硬度测量。
夜间阴茎勃起是一种正常的生理现象，通常发生在快速眼动（REM）睡眠期间。为了确认WARM系统在最小化对睡眠和夜间勃起干扰方面的能力，第二名志愿者最初在三晚上的睡眠期间连续佩戴Fitbit进行监测。在第四个晚上，他被告知同时佩戴Fitbit和WARM系统进行联合的NPTR-睡眠评估（图4c）。Fitbit是一种在医学研究中常用的可穿戴睡眠监测器，提供了睡眠阶段的检测。如图4d所示，数据显示，使用WARM系统并不会影响睡眠质量，因为深睡眠或REM阶段的时间没有观察到减少，同时清醒阶段的时间也没有增加。图4e提供了睡眠数据和NPTR结果的详细分析，突出显示了阴茎周长增加超过6毫米或硬度超过60%的区域。比较结果验证了WARM系统监测NPTR的可靠性。在七小时的NPTR监测期间，WARM系统展现了高保真度和精确性，对勃起的干扰最小，从而增强了其在诊断ED中的临床价值。
图4. 使用WARM系统进行持续阴茎勃起评估的志愿者测试 。
小结
该研究开发了一种可穿戴自适应硬度监测（WARM）系统，能够连续监测阴茎硬度和勃起以用于临床ED诊断。具体来说，作者提出了一种差分弹性测量原理，通过使用双环法来替代传统的两步力-位移过程。这种方法允许通过特别设计的弹性双环传感器来评估阴茎勃起，解决了与机械运动部件相关的测量可靠性和患者依从性的挑战。该双环传感器由两个具有不同弹性模量的应变感测环组成，提供了高分辨率（0.1%）、坚固的机械和电气稳定性（可持续超过1000个周期）和强大的抗干扰能力。一个集成的柔性印刷电路（FPC）实时收集和处理传感器信号，并通过蓝牙将它们传输到终端进行ED评估。为了验证WARM系统的可靠性，作者通过对阴茎模型和人类受试者进行实验，与RigiScan进行了详尽的比较。研究发现，WARM系统可以熟练地监测阴茎硬度和勃起，提供的准确性可与标准临床设备（R2 > 0.98）相媲美，同时确保对勃起的干扰最小。该系统提供了一个完全可穿戴、集成的解决方案，以连续、准确且患者友好的方式测量阴茎硬度和勃起，可能在ED的临床诊断中带来更可靠和便捷的结果。
文献链接: