جامعة جنوب الصين تطور نظام مراقبة صلبية القضيب القابل للارتداء والمتكيف، يمكن استخدامه لتقييم اضطرابات وظيفة الانتصاب!

في الوقت الحالي، قد طوّر فريق البروفيسور بان تينغ روي من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين نظامًا لرصد صلابة العضو التناسلي القابل للارتداء والمتكيف يُعرف بـ "WARM" (نظام مراقبة صلابة التكيف القابل للارتداء)، حيث يعتمد هذا النظام على مبدأ قياس بدون حمل نشط، وذلك من خلال استخدام حساس مرونة مزدوج مصمم خصيصًا لتقييم انتصاب وصلابة القضيب. يتكون هذا الحساس المزدوج من حلقتين مرونتين تحتويان على نماذج مرونة مختلفة، مما يوفر دقة عالية (0.1٪)، واستقرارًا ميكانيكيًا وكهربائيًا قويًا (يمكن الاستمرار لأكثر من 1000 دورة)، بالإضافة إلى قدرة على مقاومة التشويش بشكل فعال. يقوم دارايهة دمج دائرة كهربائية عاطفية مرونة بجمع ومعالجة الإشارات الحسية، ثم يتم نقل الإشارة إلى جهاز الكمبيوتر الرئيسي لتقييم ضعف الانتصاب من خلال تقنية البلوتوث. بالإضافة إلى ذلك، يسهل هذا النظام إجراء اختبارات الانتصاب ليلاً مع مراقبة النوم في الوقت ذاته، مما يسمح بتقييم مستمر لانتصاب القضيب وبكفاءة عالية، وفي الوقت نفسه تقليل إمكانية التشويش على انتصاب الليل. يوفر هذا النظام حلاً متكاملاً وقابلاً للارتداء لقياس انتصاب وصلابة القضيب بدقة وبطريقة صديقة للمريض بشكل مستمر. تم نشر هذا العمل في مجلة "Microsystems & Nanoengineering" التابعة لمجلة "Nature" تحت عنوان "نظام رصد صلابة العضو التناسلي القابل للارتداء والمتكيف لتقييم ضعف الانتصاب".

مبدأ قياس صلابة الانتصاب ونظام WARM

أولاً ، دعنا نقارن مبدأ عمل نظام WARM مع جهاز RigiScan المعروف على نطاق واسع للتقييم السريري. يقوم RigiScan بتقييم انتصاب القضيب وصلادته بناءً على قياسات ديناميكية ميكانيكية. بشكل محدد ، يعكس التقييم للانتصاب التغير في محيط القضيب خلال عملية الانتصاب ، ويعكس التقييم للصلادة القدرة على مقاومة التشوه الشعاعي تحت قوى الضغط المعروفة ، كما هو موضح في الشكل 1a. يمكن ملاحظة أن RigiScan يطبق قوى الشد في اتجاه التماس. يمكن بعد ذلك تحويل هذه القوى الشدية إلى ضغط شعاعي ، مما يؤدي إلى تغيير شكل القضيب شعاعيًا وقياس المحيط المقابل. من أجل تنفيذ هذا القياس ، يستخدم RigiScan عملية مكونة من خطوتين. في البداية ، يتم تطبيق تحميل مرجعي خفيف بانتظام (Tr) لقياس محيط القضيب (Dr) دون أن يسبب تشوهًا ملحوظًا. عند اكتشاف تغير ملحوظ في محيط القضيب ، يمكن لجهاز RigiScan بعد ذلك تطبيق تحميل ضغط أكثر قوة (Tm) ، بينما يستمر في تقييم التحرك المحوري المقابل (Dr-Dm) لتحديد الصلادة الشعاعية (S) كالتالي S = (Tm-Tr) / (Dr-Dm). لذلك ، يجب أن يحتوي تصميم النظام على وحدة تحميل محركة تحتوي على وحدة قياس طول عالية الدقة ، الأمر الذي يزيد من تعقيد النظام ويقيد استخدامه في البيئة السريرية.

الصورة 1ب تظهر رسمًا توضيحيًا لنظام WARM المصمم لمراقبة انتصاب القضيب. توفر أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء معلومات فورية حول صلابة القضيب وانتصابه، حيث يتم نقلها عبر وحدة بلوتوث بشكل فوري إلى الأجهزة المحمولة، مما يسهل على الأطباء إجراء تحليل وتشخيص أكثر دقة. كما يُظهر النظام كما في الصورة 1ج، يتكون النظام من ثلاثة أجزاء رئيسية: مستشعر مزدوج الحلقة دقيق ومستقر، يتكون من وحدتي استشعار لهما معاملات مروانية مختلفة، وهما الحلقة المرجعية والحلقة القياسية. بشكل أكثر تحديدًا، يقدم مستشعر قابل للانحناء ثنائي الحلقة مروانيتين مختلفتين القدرة على تطبيق مستويات مختلفة من الحمل على القضيب بشكل تكيفي، وتحويل البيانات المحيطية إلى إخراج سعة. يمكن ربط المستشعر بشكل قابل للعكس بوحدة FPC عبر موصلات قياسية، مما يسهل على وحدة الكشف عن السعة الحصول على الإشارة. بعد ذلك، تقوم وحدة وحدة المعالجة المركزية (MCU) بتقييم صلابة القضيب وانتصابه في الوقت الفعلي. تظهر الصورة 1د نموذج نظام WARM، الذي يتميز بأبعاد أكثر انضباطًا وأخف وزنًا وتصميم مبسط مقارنةً بـ RigiScan. يسمح الطراز بالحلقات المزدوجة بتطبيق الضغط المحوري وتقديم قياسات مستمرة بشكل محيطي في نفس الوقت.

صورة 1: نظام مراقبة صلابة الارتداء الذكي (WARM).

تصميم، تحسين وتوصيف مجسَّات الحلقة المزدوجة المرنة

يوضح الشكل 2a تخطيط مستوي للمستشعر المزدوج المرن ذو الحلقات، حيث يتألف المستشعر من حلقة مرجعية وحلقة قياسية، حيث كل منهما يقوم بقياس التوتر بناءً على مبدأ السعة بين ألواح موازية. تم إثبات أن هندسة الألواح الموازية تتمتع بثبات ميكانيكي وكهربائي عالي في القياسات المستمرة. تم تصميمه على أنها هيكل مكون من 7 طبقات، حيث تم تصنيع جميع هذه الطبقات من مواد مرنة ذات مرونة عالية، ويتم فصل الطبقات الكهربائية بشكل دائم بواسطة العوازل المجاورة. يتم قياس سعة الكهرباء بين الطبقة الكهربية الوسطية القياسية واثنين من الطبقات الخارجية لتقييم تصلب وانتصاب العضو الذكري. تعمل هذه التصميمات الهندسية على زيادة المساحة التراكمية للسعة بمضاعفة منطقة التراكم وبالتالي زيادة السعة الابتدائية وحساسية الجهاز. يمكن تصنيع الطبقة الكهربائية باستخدام مكونات إيونية جيلية ناقلة للكهرباء ومرنة بشكل عالي أو باستخدام معجون فضة موصل قابل للتمدد تجاري، ويمكن استخدام مطاط السيليكون الجاهز للحماية والعوازل. بفضل التصميم المرن بالكامل، يمكن لهيكل المستشعر تحمل الانحناء والتمدد بدون كسر ميكانيكي (انظر الشكل 2b).

تأكيد البارامترات الهندسية المثلى لمستشعر الحلقة المزدوجة، بما في ذلك سمك الطبقة العازلة وعرض الطبقة الكهربائية، يتطلب تلبية متطلبات التصميم المحددة للميكانيكا والكهرباء. بالإضافة إلى ذلك، فإن اختيار المواد المناسبة لكل طبقة يعد أمراً حيوياً. بعد التقييم، اختار الكاتب سمك طبقة العازل بسمك 200 ميكرون. يوفر هذا السمك توازناً مثالياً بين الحساسية والموثوقية، حيث تبلغ قيمة الحساسية والسعة الكهربائية الأولية على التوالي 95.86 بيكوفاراد و1.26 بيكوفاراد/مم، كما هو مبين في الشكل 2ج. بالإضافة إلى ذلك، لتحقيق الدقة المطلوبة في قياس محيط القضيب، يجب على المستشعر أن يظهر تغييرًا كبيرًا وثابتًا في السعة تحت تشوه قدره 0.1 مم، والذي يعادل تقريبًا 0.1٪ من التشوه في المستشعر. كما هو موضح في الشكل 2د، أظهرت العينات ذات عرض الكهربائي 5 ملليمتر و7 ملليمتر زيادةً مستقرة في السعة تحت تشوه بقيمة 0.1 ملم، تبلغ على التوالي 0.172 بيكوفاراد و0.258 بيكوفاراد.

بمجرد تحديد أبعاد الاستشعار الهندسية، فإن اختيار مادة مناسبة لضمان تلبية الأداء الميكانيكي للتصميم ضروري للغاية. قام الباحثون بإعداد عينات من مطاط السيليكون ذي خصائص مختلفة من حيث معامل الانكسار وأجروا اختبارات. أظهرت نتائج الاختبار كما هو موضح في الشكل 2e اختلافًا كبيرًا في أقصى حمولة شد بين عينات مطاط السيليكون المختلفة، مما يتراوح بين 0.248 نيوتن إلى 2.590 نيوتن. ووفقًا لمبدأ تصميم الاستشعار الدائري المزدوج، تم اختيار Ecoflex 0020 وDragon Skin 30 كمواد طبقة العزل للحلقة المرجعية والحلقة القياسية على التوالي. على وجه التحديد، أظهرت Ecoflex 0020 وDragon Skin 30 أدنى وأعلى قيمة لمعامل الانكسار، وأقصى حمولة شد بشكل منفصل تبلغ 0.248 نيوتن و 2.590 نيوتن، وهما أقل من الحدود المصممة. بالإضافة إلى ذلك، تم اختبار الهيدروجيل الأيوني ومعجون الفضة الموصل كمواد لطبقة الأقطاب، وتم الحفاظ على اتصالهما الجيد بعد 1000 دورة من الشد؛ ولذلك، تعتبر هاتان المادتان مناسبتان كطبقة الأقطاب. الهيدروجيل الأيوني سهل التحضير وفعال من حيث التكلفة وشفاف، بينما يمتاز معجون الفضة الموصل بمقاومة منخفضة. باختيار هذه المواد لطبقة العزل والأقطاب، تلبي الاستشعار الدائري المزدوج متطلبات التصميم من حيث الأداء الميكانيكي والراحة عند الارتداء وتوصيل الكهرباء.

بعد التحسين، تم تصنيع وتوصيف جهاز الاستشعار ذو الحلقتين لتقييم أدائه الميكانيكي والكهربائي. تُظهر الشكل 2b صورة بصرية للجهاز الاستشعاري المصنع باستخدام الجيل الأيوني والفضة الموصلة. يُظهر الشكل 2f استجابات السعة الجهد-زاوية والتوتر الجهد-زاوية للحلقة المرجعية والحلقة القياسية. حتى عند الإمتداد الزاوي الأقصى المصمم البالغ 37 ملم، كانت قوى الشد القصوى الملاحظة للحلقتين المرجعية والقياسية على التوالي 0.365 نيوتن و 2.528 نيوتن، وهذا أقل من 1.11 نيوتن و 2.78 نيوتن من RigiScan. يُمكن ذلك من تقليل الحمولة المستخدمة لقياس الانتصاب لتقليل التداخل. بالإضافة إلى ذلك، تعمل حمولة جهاز الاستشعار ذو الحلقتين بشكل أفضل لمراقبة صلابة القضيب والانتصاب بشكل مستمر وغير ملحوظ.

تُظهر الشكل 2g سجلات السعة والتوتر باستخدام مستشعر ذو حلقة قياسية تحت تغيرات درجة واحدة بمقدار 1 ملم. تشير النتائج إلى أن السعة والحمل الشدوي للمستشعر تتغير بشكل كبير مع كل تغيير صغير وتبقى مستقرة على مدى الفترة المحددة. في الشكل 2h، تم مقارنة السعة الأولية لحلقات القياس بين خمسة متطوعين في حالات الاتصال وعدم الاتصال. تُظهر قيم السعة الأولية اختلافات طفيفة (أقل من 0.33 بيكوفاراد)، مما يدل على أن التغييرات الباراسيتية المحدثة من مرضى مختلفين لن تؤثر بشكل كبير على قياسات المستشعر الفعلية. تم تقييم تكرارية مستشعر الحلقة المرن من خلال إجراء اختبارات دورة الشد بين حلقتين. يُظهر الشكل 2i أداء الحلقة القياسية والحلقة المرجعية الآلية والكهربائية المتماثلة، دون وجود انجراف أساسي واضح بعد 1000 دورة.

تصميم وتوصيف المستشعر ذو الحلقتين كما هو موضح في الرسم رقم ٢.

اختبار الجدوى لنظام WARM وتقييم الانتصاب القضيبي

صمم المؤلف محاكي لانتصاب الذكر لتمثيل نظام WARM بشكل فعال. يسمح هذا المحاكي بتعديل مستقر وبرمجي لصلابة وانتصاب نموذج الذكر القابل للتوسع، مما يوفر منصة اختبار قياسية لتقييم نظام WARM. تُظهر الشكل 3a هذا المحاكي، الذي يتضمن نموذج ذكر قابل للتوسع، وحاجب تدفق لضبط صلابة النموذج ومحيطه بشكل غير مباشر، بالإضافة إلى جهاز كمبيوتر مجهز ببرمجيات تحكم متعلقة. يُعتبر نموذج الذكر أسطواني دائري تجاري مجوف مصنوع من السيليكون المرن، ويعكس خصائص صلابة الذكر وانتصابه الفيزيولوجية التي تتغير مع زيادة الضغط داخل الأنسجة الإسفنجية. بإمكان تعديل ضغطه الداخلي التحكم المرن في صلابة النموذج وانتصابه. بعد توصيل وحدة تحكم الضغط (أي حاجب التدفق)، يمكن ضبط صلابة وانتصاب النموذج بدقة من خلال برمجة الكمبيوتر.

الشكل 3c يوضح مقارنة نتائج قياس صلابة القضيب المُستمدة من نظام WARM وجهاز RigiScan على نموذج القضيب تحت ضغط داخلي متغير. يظهر أن جهاز RigiScan يعاني من ضعف في قدرته على مراقبة الانتصاب بشكل مستمر، بينما يحافظ نظام WARM على تطبيق حمل مطاطي قابل للتكيف يبلغ أقل من 1 نيوتن لقياس الصلابة عندما يكون الضغط الداخلي في النموذج أقل من 20 ملم زئبق. هذا الاندماج يسمح لنظام WARM بمراقبة صلابة القضيب بطريقة صديقة للمريض بشكل مستمر من دون الحاجة إلى انتصاب كامل.

تحليل الانحدار الخطي لنتائج قياس صلابة النظامين في صورة 3D أظهر تماشٍ عالٍ، حيث بلغ معامل الارتباط 0.98. يرجع هذا إلى استخدام كل من نظامي WARM وRigiScan نفس تعريف الصلابة النقطية والصيغة الحسابية. ومع ذلك، فإن مبدأ قياسهما مختلف: حيث يستخدم نظام WARM قياس دائري مزدوج المرونة، بينما يعتمد RigiScan على عملية التحميل-التحرك التقليدية خطوة واحدة. ومن أجل محاكاة عملية مراقبة الانتصاب الفعلية، خضعت النماذج القضيبية لسلسلة من دورات التضخيم والتفريغ بأوقات متباينة. نظم RigiScan وWARM رصداً متزامناً لهذه العملية، كما هو موضح في الشكل 3e.

صورة ٣. اختبار قابلية التنفيذ لنظام WARM.

متطوّع في اختبارات سريرية

تتسبب الانتصاب الليلي في الليل في ظاهرة فيزيولوجية طبيعية، تحدث عادة أثناء مرحلة النوم السريعة للعين (REM). لتأكيد قدرة النظام اللاسلكي المدمج للحركة الحرارية للتحكم في الحد الأدنى للتداخل مع النوم والانتصاب الليلي، تم استكمال رصد الهبوط للمتطوع الثاني خلال ثلاث ليالٍ مُتتالية خلال فترة النوم. في الليلة الرابعة، أُخبر بارتداء نظام Fitbit والنظام اللاسلكي للحركة الحرارية معًا لتقييم NPTR-النوم المشترك (الرسم البياني 4c). يُستخدم نظام Fitbit في رصد مراحل النوم. كما هو موضح في الرسم البياني 4d، أظهرت البيانات أن استخدام نظام الحركة الحرارية لا يؤثر على جودة النوم؛ حيث لم يُلاحظ نقص في وقت المرحلة العميقة أو مرحلة REM، مع عدم زيادة وقت المرحلة اليقظة. يقدم الرسم البياني 4e تحليلاً مفصلاً للبيانات النوم ونتائج NPTR، مُسلِّطًا الضوء على مناطق زيادة في محيط القضيب بمقدار أكثر من 6 ملم أو زيادة في الصلادة بنسبة تزيد عن 60%. التحليل يوضح أن نظام الحركة الحرارية لديه موثوقية في رصد NPTR. خلال سبع ساعات من مراقبة NPTR، أظهر النظام اللاسلكي المدمج للحركة الحرارية دقة وموثوقية عالية، وتدخله في الانتصاب كان الأدنى، مما يعزز القيمة السريرية له في تشخيص ضعف الانتصاب.

الصورة رقم 4: اختبار المتطوعين باستخدام نظام WARM لتقييم الانتصاب القضيبي المستدام.

"小结" بالعربية تعني "تلخيص" أو "استنتاج"، هل تحتاج إلى مساعدة في ترجمة جملة أو كلمة؟

تم تطوير هذه الدراسة نظامًا لرصد صلابة العضو التناسلي الذكري والانتصاب بطريقة تكيفية قابلة للارتداء (WARM)، والذي يمكنه المراقبة المستمرة لصلابة العضو التناسلي الذكري والانتصاب للاستخدام في تشخيص العجز الانتصابي السريري. وتحديدًا، قدم الباحثون مبدأً لقياس التماسك التوازني يستخدم أسلوب حلقات مزدوجة بدلاً من العملية الثنائية التقليدية للقوة-الإزاحة. تتيح هذه الطريقة تقييم انتصاب العضو التناسلي الذكري باستخدام حساسات حلقي مرنة مصممة خصيصًا، مما يعالج التحديات المتعلقة بموثوقية القياس المرتبطة بقطع الحركة الميكانيكية وانضباط المريض. تتألف الحساسات الحلقية المزدوجة من حلقتين تحسسيتين ذات معامل مرونة مختلف، وتوفر دقة عالية (0.1%)، وثبات ميكانيكي وكهربائي قوي (يمكنها البقاء لأكثر من 1000 دورة)، وقدرة قوية على مقاومة التشويش. يقوم دائرة الكترونية مطبوعة مرنة (FPC) المدمجة بجمع ومعالجة إشارات الحساسات في الوقت الحقيقي، ونقلها عبر تقنية البلوتوث إلى جهاز النهاية للتقييم السريري للعجز الانتصابي. وللتحقق من موثوقية نظام WARM، قام الباحثون بتجارب على نموذج العضو التناسلي الذكري وعلى البشر، مقارنة بمقارنة شاملة مع جهاز RigiScan. وقد اكتشفت الدراسة أن نظام WARM قادر على مراقبة صلابة وتصلب العضو التناسلي الذكري بفعالية، وتوفر دقة يمكن مقارنتها بالأجهزة السريرية القياسية (R2 > 0.98)، مع الحد الأدنى من التشويش على الانتصاب. يوفر هذا النظام حلاً متكاملاً، قابلاً للارتداء، لقياس صلابة وانتصاب العضو التناسلي الذكري بشكل مستمر، دقيق، وصديق للمريض، وقد يوفر نتائج أكثر موثوقية وراحة في تشخيص العجز الانتصابي السريري.

أوصي بتقديم هذه المعلومات للإخوة الذين قد يحتاجون إليها، حيث يمكن أن تكون الكشف المبكر والعلاج السريع مفيدين.

الرابط للمقال: https://www.nature.com/articles/s41378-024-00721-5