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男性勃起功能障礙盛行率隨著年齡增長而增加，根據過去研究顯示，台灣四十歲以上的男性勃起功能障礙盛行率高達29%[1]，對於很多患者而言，因為勃起功能障礙就醫是件很尷尬的事情，因此開發居家檢測工具有其重要性，光學感測器就是一個潛在可應用於居家檢測微型化的感測技術，這篇文章就為大家整理近年來光學感測技術於男性勃起功能障礙之研究現況及文獻回顧。
近紅外光譜分析( Near Infrared Spectroscopy, NIRS)及光體積變化描記圖法(photoplethysmography, PPG)
近紅外光譜分析(Near Infrared Spectroscopy, NIRS)係指使用 700 至 2500 奈米波長的光，連續性地評估人體組織內各物質濃度的變化，它具有以下幾個特性: 一、分析組織濃度的時間很短，約在數毫秒至數秒間，可以即時地得知結果；二、波長能量很低，對人體幾乎沒有副作用，安全性高；三、可重複使用；此項技術設計之原理是藉由近紅外光源(near infrared light)照射進入人體組織或器官，經過反射或穿透後，透過接收端的感測器 (detector) 偵測接收端的光能量衰減，經訊號處理後，得到組織內之近紅外光譜及組織的吸收光譜(例如: 某物質化合物濃度愈高，吸收的光能量愈高，測得之光能量衰減愈多)，最後，以校正模型來得知人體組織內某物質化合物的組成與含量濃度，最常用以偵測的就是人體內的氧合及去氧合血紅素濃度(oxygenated and deoxygenated hemoglobin)。[2, 3]
體積變化描記圖法（Photoplethysmography, PPG）是另外一個常用於偵測體內的氧合血紅素及去氧合血紅素濃度的儀器，PPG技術設計之原理是使用發光二極體(light emitting diode, LED)的光線照射人體組織，並用接收端的感測器 (detector) 測量光透射或反射光量衰減的「動態」變化，經由訊號處理後可以得知組織內動脈的脈衝波型(arterial pulse wave)也就是光衰減動態變化引起的體積變化的圖表[4]，PPG通常只使用兩個特定波長的發光二極體(例如:735nm & 850nm)，有別於NIRS的全光譜分析儀器所需體積較大，PPG的儀器體積非常小(表一)，因此很適合設計為穿戴式裝置，市售的智慧型手錶很多都配置有PPG用以偵測血氧、心跳、呼吸等。
表一: 近紅外光譜分析與光體積變化描記圖法的比較
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近紅外光譜分析( Near Infrared Spectroscopy, NIRS) |
光體積變化描記圖法(photoplethysmography, PPG) |
| 儀器體積 |
較大 |
小 |
| 穿透深度 |
較深、可以穿透頭骨偵測腦內血流 |
較淺 |
| 光譜 |
近紅外光、連續性光譜分析 |
近紅外光、只有特定波長 |
| 特性 |
測定組織內物質之「濃度」 |
測定「濃度」及「動態體積變化」 |
光學感測器與男性功能相關研究文獻回顧
目前光學感測器與男性學相關的研究並不多，蒐尋自2000年至2023年較相關的研究共有四篇，首先，Burnett等[5]學者依文獻搜索上為第一個試著使用NIRS去探索陰莖血液動力學的學者，他們首先先建立了與血液體積變化相關的光譜變化的體外模型系統(使用1% Intralipid in 50 mM potassium phosphate buffer來模擬陰莖內部血液體積的變化)，並依據此體外模型系統在人體上利用光衰減信號變化（光吸收）來預測實際的陰莖勃起時的陰莖血容量(blood volume)變化，他們發現血容量變化(blood volume change)與erection quality (P < 0.001)、penile rigidity (P < 0.005) 和penile circumference increase (P < 0.0001)呈現正相關，不過血容量變化(blood volume change)並未與systolic peak velocity呈現很好的正相關，這個實驗除了建構了體外的光譜模型也證實了NIRS在偵測陰莖的血容量具有不錯的準確度。Kim等[6]學者的做法則稍微不同，他們沒有先建立體外的光譜模型，而是直接使用NIRS去偵測陰莖組織內「血紅蛋白」(hemoglobin)濃度的即時變化(包括: 氧合血紅素及去氧合血紅素)，他們證實當陰莖勃起時，陰莖內部的氧合血紅素(oxygenated hemoglobin)會因為海綿體動脈擴張而快速的增加，這樣的發現符合人體勃起的生理狀況，也證實了NIRS偵測氧合血紅素的敏感度足夠好且足夠即時；另一方面，Kudlow等[7]學者也執行了一個相似的NIRS實驗，他們同時也證實了當陰莖勃起時氧合血紅素會快速的增加，這些研究表明，NIRS 可以是一種方便且足夠靈敏的方法，可以檢測勃起過程中陰莖組織中的即時氧合血紅蛋白濃度變化，並具有即時結果。
除了NIRS之外，Pong等[8]則是使用PPG偵測陰莖勃起時海綿體動脈的血管脈衝波型與勃起功能之間的關係，實驗的方法是對於因勃起功能障礙需要做陰莖超音波的患者，於執行陰莖超音波的同時進行PPG訊號的蒐集，其中包括兩個時段的訊號: 勃起中期脈衝波型(也就是注射Prostaglandin E1, Caverject, 後3-5分鐘)及勃起末期脈衝波型(接近full rigid phase)，將各時期的脈衝波型訊號經過訊號處理及降噪後進行震幅變化分析及波形分析(如圖一及圖二)，觀測得知震幅差(Amplitude difference)與勃起硬度呈現正相關，而脈衝波型的reflection time 及 augmentation index則與勃起硬度呈現反向關係，這些觀察發現起因於當勃起末期接近full rigid phase時，陰莖海綿體內壓力(intracavernosal pressure)愈大(也就是勃起硬度愈高)會造成動脈波震幅壓縮以及reflection time 與augmentation index減少，反之亦然，符合陰莖勃起生理上的現象，PPG對於勃起狀態偵測也是一個不錯的感測裝置。以上這幾篇文章研究為目前光學感測器於男性功能障礙診斷相關的研究(表二)，藉由這些實驗在光學訊號上的發現，NIRS或PPG 在未來有更完善的試驗及訊號處理後也許可用作評估陰莖勃起和男性健康的非侵入性、微型化及不間斷的數據蒐集之居家檢測潛在技術。
表二: 近年來光學感測器與男性勃起功能相關的研究
| 作者 |
研究族群 |
發現 |
| Burnett et al.[5] |
38 patients with ED |
1. 建立了與血液體積變化相關的光譜變化的體外模型系統。2. 光譜變化量推得之血容量變化(blood volume change)與erection quality (P < 0.001)、penile rigidity (P < 0.005) 和penile circumference increase (P < 0.0001)呈現正相關。 |
| Kim et al.[6] |
6 healthy subjects |
使用NIRS去偵測陰莖組織內血氧濃度的即時變化，顯示陰莖內部的氧合血紅素會因為海綿體動脈擴張而快速的增加。 |
| Kudlow et al.[7] |
29 Patients (ED: 12. Non-ED: 10) |
使用NIRS發現陰莖內部的氧合血紅素在良好的勃起狀態下會快速增加。 |
| Pong et al.[8] |
68 patients with ED |
使用PPG偵測勃起時陰莖內部的動脈波型變化，觀測得知震幅差與勃起硬度呈現正相關，而脈衝波型的reflection time 及 augmentation index與勃起硬度呈現反向關係。 |
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| 圖一: 震幅變化分析(Amplitude difference): 藉由勃起中期的震幅與勃起末期(接近full rigid phase)的振幅差異與勃起硬度做相關性的比較(APD: amplitude difference) |
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圖二: 波形分析(Arterial waveform feature analysis): 藉由PPG偵測陰莖血管脈衝波型與傳統動脈的脈衝波型相似，會有兩個特徵點:
1. Systolic peak: 也就是心臟收縮期產生的搏動最高點
2. Diastolic peak: 舒張期以及血液推進於管壁後所產生的反彈波造成的波峰。
生理上按照這兩個特徵點可產生兩個重要比值，用以推測血管管壁及管壁外壓力或硬度(愈硬或壓力愈大，反彈時間愈短，反之亦然)。
(a) Reflection time = T2 – T1
(b) Augmentation index = (A1-A2)/A1 |
參考文獻:
- Hwang TI, Tsai TF, Lin YC, Chiang HS, Chang LS: A survey of erectile dysfunction in Taiwan: use of the erection hardness score and quality of erection questionnaire. The journal of sexual medicine 2010, 7(8):2817-2824.
- Beć KB, Huck CW: Breakthrough Potential in Near-Infrared Spectroscopy: Spectra Simulation. A Review of Recent Developments. Frontiers in chemistry 2019, 7:48.
- Beć KB, Grabska J, Huck CW: Near-Infrared Spectroscopy in Bio-Applications. Molecules (Basel, Switzerland) 2020, 25(12).
- Allen J: Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement. Physiological measurement 2007, 28(3):R1-39.
- Burnett AL, Allen RP, Davis, Wright DC, Trueheart IN, Chance B: Near infrared spectrophotometry for the diagnosis of vasculogenic erectile dysfunction. International journal of impotence research 2000, 12(5):247-254.
- Kim E, Lee S, Phillips Zt, Kim JG: A discrepancy of penile hemodynamics during visual sexual stimulation observed by near-infrared spectroscopy. BMC urology 2015, 15(1):11.
- Paul Kudlow BR: Near-infrared spectroscopy to assess penile blood flow: a possible novel technique for the diagnosis of vasculogenic erectile dysfunction. The University of Western Ontario Medical Journal 2011, 80(1):7-8.
- Pong YH, Chang YK, Hsu CE, Chen PC, Lu YC, Tsai VFS, Chang HC, Lo MT, Lin C: Probing penile hemodynamics by using photoplethysmography as objective indicators for male erection quality and sexual function. Scientific reports 2021, 11(1):12019.
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