Ava 的技術

Ava 人工智能手環是女性在睡覺時佩戴在腕部的生理參數追蹤裝置

所測得的數據可同步到智能手機應用程式上,並在上面顯示每日生育能力狀況、預測月經和夜間生理數據。Ava 的產品已根據瑞士蘇黎世大學醫院開展的 臨床試驗 的數據進行驗證。該數據顯示,Ava 可實時檢測每個月經週期中平均 5.3 天的受孕期,準確率達 89%。該算法的性能已在美國生殖醫學會 (ASRM)1、瑞士婦產科學會 (SGGG)2  和德國婦產科協會 (DGGG)3 的年度會議上進行了報告。

1 Stein, P.、Falco, L.、Kuebler, F.、Annaheim, S.、Lemkaddem, A.、Delgado-Gonzalo, R.、Verjus, C.、Leeners, B.(2016 年 10 月):基於可穿戴設備和大數據的女性數碼健康狀況 (Digital Women’s Health based on Wearables and Big Data),在美國猶他州鹽湖城舉行的美國生殖醫學會 (ASRM) 年度會議上張貼展示。

2 Leeners, B.、Stein, P.(2016 年 6 月): 基於可穿戴設備和大數據的女性數碼健康狀況 (Digital Women’s Health based on Wearables and Big Data)(由 Bayer Healthcare 提供支持), 在瑞士婦產科學會 (SGGG) 年度會議上進行的專題討論會。

3 Stein, P.、Falco, L.、Kuebler, F.、Annaheim, S.、Lemkaddem, A.、Delgado-Gonzalo, R.、Verjus, C.、Leeners, B.(2016 年 10 月):基於可穿戴設備和大數據的女性數碼健康狀況 – 整個月經週期生理變化的新發現 (Digital women’s health based on wearables and big data – new findings in physiological changes throughout the menstrual cycle),在德國斯圖加特舉行的德國婦產科協會 (DGGG) 年度會議上張貼展示。

受孕期

提高受孕機率
受孕期及其月經週期時間

在排卵性月經週期間, 女性可以受孕的天數有限。影響月經週期指定日期受孕可能性的因素有很多,包括(但不限於):

  • 相對於排卵期的行房時間
  • 卵子的活力
  • 精子在女性生殖道的存活率
  • 及宮頸粘液的滲透性。

精子最多可在女性生殖道中存活 6 天。卵子的存活時間中位數約為 12 小時。1 因此,在排卵結束前,預計有 6 天時間可以受孕1, 2。

Likelihood of conceiving on different days of the menstrual cycle*

*Live births (N=129), data for healthy, young couples, Wilcox 1996

Figure based on data from Wilcox, 1995, Live births (N=129), data for healthy, young couples2
為正在設法懷孕的女性預測受孕期的價值

要想成功受孕,需要在受孕期內進行性行為,其中,排卵前兩天和排卵當天受孕機率最高。Ava 會將這些日子標記為受孕高峰日。

和每天或隔天進行性行為一樣,在這些日子定時進行性行為,可提高受孕的可能性。採取以上一種方法,受孕的可能性預計 >=0.30,而每個週期平均每週一次的不定時進行性行為,受孕機率僅為 0.15。因此,定時行房受孕機率相較 每週一次不定時進行性行為增加一倍。即使只考慮活產,研究團隊推測的可能性仍為,每天進行性行為為 0.25,隔天進行性行為為 0.22,每週進行性行為一次則為 0.10。2

樂意每天或隔天過性生活的伴侶,受孕機率也很高,而且無需採取類似 Ava 的生育週期意識方法 (FAM)。FAM 對無法或不想高頻進行性行為的伴侶尤其有用。經證明,壓力通常,特別是生育問題方面的壓力,會對婚姻造成負面影響,包括進行性行為頻率。對於面臨這種情況的夫妻,基於 FAM 的定時進行性行為,較每天或隔天進行性行為 可能更為有利3

1 Weinberg CR、Wilcox AJ: 體內人類配子潛能和存活的估算模型 (A model for estimating the potency and survival of human gametes in vivo), 《生物特徵識別》(Biometrics),1995 年;51:405–412。

2 Wilcox AJ、Weinberg CR、Baird DD:相對於排卵期的性交時間 (Timing of Sexual Intercourse in Relation to Ovulation), 《婦產科調查》(Obstet Gynecol Surv),1995 年;51(6):357-358。doi:10.1097/00006254-199606000-00016.

3 Andrews FM、Abbey A、Halman LJ: 生育問題方面的壓力是否有所不同? 能生育和不能生育的夫妻的壓力變化 (Is fertility-problem stress different The dynamics of stress in fertile and infertile couples), 《生育與不孕》(Fertil Steril),1992 年;57(6):1247-1253。doi:10.1016/S0015-0282(16)55082-1.

預測受孕期

月經週期的激素變化

月經週期分為卵泡期和黃體期這兩個階段,其中卵泡期始於月經來潮的第一天,黃體期始於排卵,止於下次月經來潮首日前一天。在正常的月經週期中,卵巢和腦垂體激素水平呈週期性變化。

對於 Ava 而言,雌激素和黃體素這兩種卵巢激素的變化至關重要。在月經週期中,雌二醇由生長卵泡分泌,經由正反饋系統刺激下丘腦-垂體反應,導致促黃體素激增,從而誘發排卵。LH 激增導致排卵前產生少量黃體素。在黃體期中,雌二醇和黃體素共同作用,使子宮內膜為著床做準備。在非受孕期中,黃體素水平會升高,並在黃體期中期達致高峰。

除調節月經週期,讓身體做好排卵和著床準備外,生殖激素還會影響各項生理參數。Ava 可根據生殖激素傳遞的生理參數變化來計算月經週期的當前狀態。

與月經週期有關的生理變化
概覽

概覽
月經週期由變化的激素水平控制。這些變化的激素水平對生理的影響,在科學文獻中是有據可查的。下面的頁面概述了 Ava 測得的生理參數與月經週期階段有何關聯。

皮膚溫度

皮膚溫度
月經週期基礎體溫 (BBT) 呈雙相形態,是推測排卵日的一個眾所周知的現象。每天醒後即測量肛溫和口腔溫度是估算 BBT 的普遍方法。正如 Cagnacci 等人所證明一樣,在排卵性月經週期中,生理節律與月經相關節律是重疊的。與排卵前的卵泡期相比,黃體期的夜間平均體溫約增加 0.4°C1。這些發現與其他 臨床試驗2不謀而合。Kräuchi 等人觀察到,皮膚溫度節律(包括腕部測得的皮膚溫度)呈現出與月經週期類似的振幅和相位,其中,黃體期結束時最高,卵泡期結束時最低3。這些發現與 Ava 研究員和蘇黎世大學醫院研究員合作開展的試驗中使用 Ava 硬件獲得的結果一樣。排卵期與黃體期之間的平均溫差為 0.4°C4

1 Cagnacci A、Soldani R、Laughlin GA、Yen SC: 「改變黃體期的晝夜體溫節律:褪黑激素的作用」(Modification of circadian body temperature rythm during the luteal menstrual phase: role of melantonin),1996 年。

2 Baker FC、Waner JI、Vieira EF、Taylor SR、Driver HS、Mitchell D:「睡眠和 24 小時體溫:年輕男性、自然行經女性和服用激素避孕藥的女性的對比」(Sleep and 24 hour body temperatures: A comparison in young men, naturally cycling women and women taking hormonal contraceptives), 《生理學雜誌》(J Physiol),2001 年;530(3):565-574。doi:10.1111/j.1469-7793.2001.0565k.x.

3 Kräuchi K、Konieczka K、Roescheisen-Weich C 等人: 「晝間週期和月經週期的體溫以不同方式調節:對有肢冷熱不適的健康女性和對照組進行的一項為期 28 天的非住院研究」 (Diurnal and menstrual cycles in body temperature are regulated differently: A 28-day ambulatory study in healthy women with thermal discomfort of cold extremities and controls), 《國際時間生物學》(Chronobiol Int),2014 年;31(1):102-113. doi:10.3109/07420528.2013.829482.

4 Shilaih, M.、Annaheim, S.、De Clerck, V.、Falco, L.、Kuebler, F. 及 Leeners, B.(2016 年 11 月): 夜間持續測量腕部皮膚溫度作為替代檢測月經週期黃體期基礎體溫的方法 (The continuous measurement of wrist skin temperature during the night as an alternative method to detect the basal body temperature shift in the luteal phase of the menstrual cycle),投稿準備中

脈搏率

脈搏率
在臨床對照環境下,Moran 等人證實,受孕窗口期的靜息脈搏率,較月經週期顯著增加1。這種增加貫穿整個黃體期,並在黃體期中期達到靜息脈搏率峰值1. 據推測,這種增高是由於雌激素導致血容量增加及/或交感心搏加速增強所致。在蘇黎世大學醫院與 Ava 合作開展的一項前瞻性臨床試驗中,我們觀察到,受孕窗口期的脈搏率中位數,較月經期顯著增加(2.0 次每分鐘,p<.01)。此外,黃體期中期的脈搏率中位數較受孕窗口期(1.5 次每分鐘,p<.01)和月經期(3.3 次每分鐘,p<.01)2也有顯著提升。這些結果和皮膚溫度方面的發現(見下文)在美國生殖醫學協會3、瑞士婦產科學會4 和德國婦產科協會5 2016 年年度會議上進行了報告。

1 Moran VH、Leathard HL、Coley J:月經週期中的心血管功能 (Cardiovascular functioning during the menstrual cycle), 《臨床生理學》(Clin Physiol),2000 年;20(6):496-504。doi:10.1046/j.1365 2281.2000.00285.x.

2 Shilaih, M.、De Clerck, V.、Falco, L.、Kuebler, F. 及 Leeners, B.(2016 年 11 月): 使用可穿戴感應器測量睡眠期間的脈搏率,及其與月經週期階段的關聯, 一項前瞻性觀察研究,已提交至《科學報告》(Scientific Report)

3 Stein, P.、Falco, L.、Kuebler, F.、Annaheim, S.、Lemkaddem, A.、Delgado-Gonzalo, R.、Verjus, C.、Leeners, B.(2016 年 10 月):基於可穿戴設備和大數據的女性數碼健康狀況 (Digital Women’s Health based on Wearables and Big Data),在美國猶他州鹽湖城舉行的美國生殖醫學會 (ASRM) 年度會議上張貼展示。

4 Leeners, B.、Stein, P.(2016 年 6 月): 基於可穿戴設備和大數據的女性數碼健康狀況 (Digital Women’s Health based on Wearables and Big Data)(由 Bayer Healthcare 提供支持), 在瑞士婦產科學會 (SGGG) 年度會議上進行的專題討論會。

5 Stein, P.、Falco, L.、Kuebler, F.、Annaheim, S.、Lemkaddem, A.、Delgado-Gonzalo, R.、Verjus, C.、Leeners, B.(2016 年 10 月):基於可穿戴設備和大數據的女性數碼健康狀況 – 整個月經週期生理變化的新發現 (Digital women’s health based on wearables and big data – new findings in physiological changes throughout the menstrual cycle),在德國斯圖加特舉行的德國婦產科協會 (DGGG) 年度會議上張貼展示。

心率變異性

心率變異性
HRV 是指兩次心跳時間間隔的變化,屬於生理現象。有多項既定參數是以 HRV 為基礎:

HRV SDNN 是指脈搏間隔的標準差,通常按長 5 分鐘的時間段計算。它可以反映記錄時間段內引起變異的所有週期成分。\

HRV 比率屬於頻域方法,通常用於了解神經系統對心搏控制的影響。HRV 比率計算的是高頻段變化和低頻段變化的時間間隔之間的比率。據科學文獻記錄顯示,HRV 比率與壓力和交感神經系統活動有關。

Dishman 等人證明,過去一週的知覺情緒壓力,與 HRV 的歸一化高頻段 (HF) 成分,成反向關係1。Cinaz 等人2 、Brosschot 等人3 及 Mellman 等人4也有類似的發現。

HRV 有兩個主要的輸入,分別是交感和副交感神經系統。多項研究表明,副交感和交感神經活動以及 HRV 參數會在月經週期中發生變化,並可用於預測排卵5 6

從 Ava 和合作研究員收集的資料中可以確認,月經週期中發生的變化是顯著的。這些發現不日將公佈。

1 Dishman RK、Nakamura Y、Garcia ME、Thompson RW、Dunn AL、Blair SN: 健康男性和女性的心率變異性、特徵性焦慮和壓力知覺 (Heart rate variability, trait anxiety, and perceived stress among physically fit men and women), 《國際心理生理學雜誌》(Int J Psychophysiol),2000 年;37(2):121-133。doi:10.1016/S0167-8760(00)00085-4.

2 Cinaz B、La Marca R、Arnrich B、Tröster G:精神負荷水平的監測 (Monitoring of mental workload levels), Proc IADIS Int Conf e-Health 2010, EH, Part IADIS Multi Conf Comput Sci Inf Syst 2010, MCCSIS 2010, 2010:189-193。

3 Brosschot JF、Van Dijk E、Thayer JF: 每天的擔憂與清醒期間及之後的夜間睡眠期間的心率變異性偏低有關 (Daily worry is related to low heart rate variability during waking and the subsequent nocturnal sleep period), 《國際心理生理學雜誌》(Int J Psychophysiol),2007 年;63(1):39-47。doi:10.1016/j.ijpsycho.2006.07.016.

4 Mellman TA、Knorr BR、Pigeon WR、Leiter JC、Akay M:睡眠期間的心率變異性和創傷後應激障礙的早期發展 (Heart rate variability during sleep and the early development of posttraumatic stress disorder), 《生物精神病學》(Biol Psychiatry),2004 年;55(9):953-956. doi:10.1016/j.biopsych.2003.12.018.

5 Alexander Meigal;Nina Voronova: 「心率變異性可預測年輕女性的排卵期:流動醫療服務的潛在影響」(Heart Rate Variability Predicts Ovulation in Young Women: Possible Implications for Mobile Medicine Services) – FRUCT 協會第 18 次會議記錄,2016 年。

6 Saini BS、Luthra S、Rawal K:月經週期年輕女性心率變異性分析方法之比較(Comparison of Heart Rate Variability Analysis Methods in Young Women during Menstrual Cycle), 《國際電氣電子工程與電信期刊》(IJEETC),2013 年;第 2 卷(第 2 期):ISSN 2319 – 2518

睡眠

睡眠
美國睡眠醫學會將睡眠劃分為以下階段:NREM(非快速動眼期)1、NREM 2、NREM 3 和 REM。NREM 1 和 NREM 2 為淺眠期,此時更容易醒來。NREM 3 為慢波睡眠或深眠期,可以讓人體得到充分休息,特點是運動甚少。在 REM 睡眠期間,肌肉大部分處於麻痺狀態中,心率、呼吸率以及體溫受到的控制降低。在此階段可能會做夢。

睡眠與月經週期之間的關聯表明,睡眠的時間和組成在整個週期中大致保持相同1。據 Driver 等人報告,在月經週期中,REM 睡眠發生了微小但有重要意義的變化。黃體期晚期的 REM 睡眠佔比,較卵泡期早期高出 4.5%2 ,這與 Baker 等人關於黃體期發生微小下降的發現不相符。兩個研究組都發現,黃體期腦電圖 (EEG) 指標的紡錘波頻率有提升。

Ava 採用將夜間睡眠分為不同階段的分類,以濾除其他訊號。

1 Baker FC、Driver HS: 生理節律、睡眠和月經週期 (Circadian rhythms, sleep, and the menstrual cycle), 《睡眠醫學》(Sleep Med),2007 年;8(6):613-622。doi:10.1016/j.sleep.2006.09.011.

2 Driver HS、Dijk DJ、Werth E、Biedermann K、Borbély AA: 年輕健康女性在月經週期中的睡眠和睡眠腦電圖, 《臨床內分泌與代謝雜誌》(J Clin Endocrinol Metab),1996 年;81(2):728-735。

灌注

灌注
灌注是指血液輸送到組織的方式。Ava 採用光學感應器測量流經不同皮層的血流量。雌激素和黃體素都會影響灌注。Gerhardt 等人觀察到,雌激素水平升高與毛細血管血流量增加和微血管阻力降低有關1。此外,Bartelink 等人還發現,前臂肌肉的基線血流量在一個月經週期中頗為參差,其中,月經期的血流量值較其他階段為低2

1 Gerhardt U、Hillebrand U、Mehrens T、Hohage H:雌二醇血液濃度對絕經前女性皮膚毛細血管鐳射多普勒血流的影響 (Impact of estradiol blood concentrations on skin capillary Laser Doppler flow in premenopausal women), 《國際心臟病學雜誌》(Int J Cardiol),2000 年;75(1):59-64。

2 Bartelink ML、Wollersheim H, Theeuwes A、van Duren D、Thien T:「皮膚血流量在月經週期中的變化:月經週期對健康女性志願者外周循環的影響」(Changes in skin blood flow during the menstrual cycle: the influence of the menstrual cycle on the peripheral circulation in healthy female volunteers), 《臨床科學》(Clin Sci)(倫敦),1990 年;78(5):527-532。

呼吸率

呼吸率
Ava 可基於光學感應器和加速測量值估算呼吸率。較早期的研究表明, 當雌二醇和黃體素水平較高時,黃體期每分鐘呼氣量會增加,但呼吸率未見顯著提升。Brodeur 等人觀察到,接受雌激素治療的大鼠,其呼吸頻率在雌激素治療後從平均每分鐘 862 3 次顯著增加至 93 次。1

1 Brodeur P、Mockus M、McCullough R、Moore LG: 黃體素受體和黃體素引起的呼吸刺激 (Progesterone receptors and ventilatory stimulation by progestin), 《應用生理學雜誌》(J Appl Physiol),1986 年;60(2):590-595。

2 Slatkovska L、Jensen D、Davies GAL、Wolfe LA: 階段性月經週期對健康女性控制呼吸的影響 (Phasic menstrual cycle effects on the control of breathing in healthy women), 《呼吸生理學和神經生物學》(Respir Physiol Neurobiol),2006 年;154(3):379-388。doi:10.1016/j.resp.2006.01.011.

3 Regensteiner JG、Woodard WD、Hagerman DD 等人: 女性激素和代謝率對女性呼吸驅動力的綜合影響 (Combined effects of female hormones and metabolic rate on ventilatory drives in women), 《應用生理學雜誌》(J Appl Physiol),1989 年;66(2):808-813。

運動

運動
儘管在其他物種(如奶牛)中,精神激動與生育能力之間的關聯有據可查1 ,但在人類方面,尚無運動與生育能力之間關聯的報告。Ava 使用加速測量值作為睡眠分類的一個預測指標,及對有運動偽影的其他感應器訊號進行補償。團隊將繼續研究運動訊號,以了解與生育的關聯。

1 Roelofs JB、Van Eerdenburg FJCM、Soede NM、Kemp B:計步器讀數用於動情檢測及預測奶牛的排卵時間 (Pedometer readings for estrous detection and as predictor for time of ovulation in dairy cattle),  《動物生殖學》(Theriogenology),2005 年;64(8):1690-1703。doi:10.1016/j.theriogenology.2005.04.004.

生物阻抗

生物阻抗
生物阻抗測量值被用於確定皮膚的電學特性和皮膚的水合能力。

Harvell 等人證明,將背部和前臂部位雌激素分泌最多的一天和雌激素和黃體素分泌最少的一天進行比較時,熱表皮水損失存在巨大差異。論文的作者指出,在月經來潮前的日子,皮膚的屏障1 功能較排卵前的日子不那麼完全。Gleichaufand 和 Roe 對全身的生物阻抗測量值進行了分析,並在月經週期中觀察到了顯著的變化。其他參數,如皮膚厚度,也出現了顯著的變化。根據 Eisenbeiss 等人的發現,皮膚在黃體期期間明顯增厚,這是由於激素誘導皮膚保持水分所致。3

1 Harvell J、Hussona-Saeed I、Maibach HI: 經皮水分散失和皮膚血流量在月經週期中的變化 (Changes in transdermal water loss and cutaneous blood flow during the menstrual cycle),cO,1992 年;27(5):294-301。

2 Gleichaufand N、Roe D:月經週期對生物阻抗測量值和人體組成的可靠性的影響 (The menstrual cycle’s effect on the reliability of bloimpedance measurements and body composition), 《美國臨床營養學期刊》(Am J Clin Nutr),1989 年;50:903-907。

3 Eisenbeiss C、Welzel J、Schmeller W:「女性性激素對皮膚厚度的影響:使用 20 MHz 超聲檢查進行評估 」(The influence of female sex hormones on skin thickness: Evaluation using 20 MHz sonography), 《英國皮膚病學雜誌》(Br J Dermatol),1998 年;139(3):462-467。doi:10.1046/j.1365-2133.1998.02410.x.

Ava 的演算法

數據處理步驟

將人工智能手環的數據同步至後端伺服器後,傳入的數據會進行質素檢查。此時會識別出不充分或損毀的數據。用戶收到基於此項檢查的數據質素反饋通知。接下來從測得的生理參數中擷取數十個要素。之後,將所得要素用於算法中,以判斷週期的狀況。然後再將此資訊傳回用戶的智能手機。

個性化自學習

算法有不同的自學習部分,可持續適應個人用戶。其中一個自學習部分與個人用戶的生理有關:由於激素變化會引起生理參數的相對變化,了解個人的訊號基線對 Ava 十分重要。個性化的另一方面是以回溯性週期特徵為基礎。Ava 算法可回溯分析每個完整週期,增加先前觀察到的形態資訊,以便未來作出更準確的預測。

算法性能

算法已根據瑞士蘇黎世大學醫院開展的試驗的臨床數據進行驗證。其在實時識別受孕期上的表現如下:

準確度:89%
靈敏度:77%
特異度:92%
平均檢測受孕天數:5.3

有關算法性能的發現已在美國生殖醫學會 (ASRM)1、瑞士婦產科學會 (SGGG)2 和德國婦產科協會 (DGGG)3 的年度會議上呈報。

1 Stein, P.、Falco, L.、Kuebler, F.、Annaheim, S.、Lemkaddem, A.、Delgado-Gonzalo, R.、Verjus, C.、Leeners, B.(2016 年 10 月):基於可穿戴設備和大數據的女性數碼健康狀況 (Digital Women’s Health based on Wearables and Big Data),在美國猶他州鹽湖城舉行的美國生殖醫學會 (ASRM) 年度會議上張貼展示。

2 Leeners, B.、Stein, P.(2016 年 6 月): 基於可穿戴設備和大數據的女性數碼健康狀況 (Digital Women’s Health based on Wearables and Big Data)(由 Bayer Healthcare 提供支持), 在瑞士婦產科學會 (SGGG) 年度會議上進行的專題討論會。

3 Stein, P.、Falco, L.、Kuebler, F.、Annaheim, S.、Lemkaddem, A.、Delgado-Gonzalo, R.、Verjus, C.、Leeners, B.(2016 年 10 月):基於可穿戴設備和大數據的女性數碼健康狀況 – 整個月經週期生理變化的新發現 (Digital women’s health based on wearables and big data – new findings in physiological changes throughout the menstrual cycle),在德國斯圖加特舉行的德國婦產科協會 (DGGG) 年度會議上張貼展示。

生理測量

Ava 的可穿戴裝置包含不同的感應器
1. 生物阻抗感應器模組
  •  生物阻抗 感應器可透過不同激發頻率測量腕部皮膚的阻抗,並擷取電抗和電阻。
  • 這些測量值可用於判斷皮膚的不同特性,包括皮膚的水合能力、細胞間和細胞外水分及其他。
2. 溫度感應器
  • Ava 的人工智能手環擁有兩個負溫度係數 (NTC) 電阻器,用於測量 皮膚溫度和 外殼溫度。
  • 這樣就可以估算從手臂散失的 熱量 。
3. 加速計
  • 運動 透過人工智能手環的 3 軸加速計測量。測量值對識別 睡眠 的不同狀態及補償有運動偽影的訊號十分重要。
4. 光體積掃描器
  • Ava 人工智能手環的光學感應器模組是一個雙波長光體積掃描器。它可以在可見光譜(綠色)和紅外光譜範圍內使用光學測量,確保可檢測出不同皮膚深度發生的變化。這樣便能測量脈搏,且 心率變異性 (HRV) 的計算結果、 脈搏 率、 呼吸率及 灌注 的測量值平均誤差為一毫秒。

質素

Ava 生育追蹤器已取得 CE 標誌,並經 FDA 列示。