女性LH尿液監(jiān)測系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計研究

丁嘉陽 蓋甄迪 馬春東 史明濤

摘要：基于女性尿液中的LH（促黃體生成素）峰值與排卵有很大的相關(guān)性這一特點，設(shè)計實現(xiàn)一個可以實時檢測女性LH值，從而預(yù)測排卵情況的尿液監(jiān)測系統(tǒng)。以調(diào)查研究為方法，分析現(xiàn)有排卵檢測方法的優(yōu)勢和弊端，分析了影響目標(biāo)用戶的常見相關(guān)因素。從安全性、精準性、科學(xué)性角度提出了符合女性LH尿液監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原則，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了整體方案。本產(chǎn)品解決了生殖期女性無法精準檢測自身排卵情況的問題。實現(xiàn)了女性在家庭中科學(xué)的掌握排卵情況以及管理生理健康，在個體醫(yī)療數(shù)據(jù)方面有了改善和促進。

關(guān)鍵詞：排卵檢測 女性LH 尿液監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TB47 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）02-0012-03

引言

女性的排卵情況直接關(guān)乎整個生理周期的健康以及備孕和避孕的問題。但現(xiàn)有市面上的排卵檢測產(chǎn)品始終無法幫助女性精確檢測排卵情況。近年來，婚前性行為比例增加，女性意外懷孕幾率高達62.4%。國家二孩政策開放后，2018年中國女性備孕產(chǎn)品消費市場較2017年增長了近兩倍。[1]種種數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，達到生殖年齡女性的避孕和備孕成為社會關(guān)注的熱點問題。因此，幫助女性科學(xué)地避孕、備孕以及預(yù)防婦科疾病，對女性生理健康具有重要意義。

一、女性LH及檢測方法現(xiàn)狀

（一）女性LH值與排卵的相關(guān)性

LH是促黃體生成素的簡稱，是由腺垂體細胞分泌的一種糖蛋白類促性腺激素，主要存在于人們的尿液和血液的糖蛋白中[2]。LH在女性卵泡發(fā)育、分泌孕激素、排卵、自然月經(jīng)周期的調(diào)節(jié)中起著非常重要的作用。經(jīng)相關(guān)醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，女性尿液中的LH值相對穩(wěn)定，且濃度均值平衡，是影響女性生理周期及女性生理健康最重要的指標(biāo)。通過檢測女性尿液中的LH峰值可以準確把握排卵及生理周期情況，科學(xué)有效地幫助女性備孕避孕，以及預(yù)防和發(fā)現(xiàn)婦科疾病。

女性尿液中LH值通常在發(fā)生排卵的前1-2天內(nèi)出現(xiàn)上升趨勢，在14-28小時出現(xiàn)LH值的高峰，高峰后14-28小時內(nèi)，卵巢破裂，發(fā)生排卵。LH值在排卵后約兩天時間內(nèi)恢復(fù)到基礎(chǔ)水平，進入黃體期，持續(xù)半個月左右，隨后新的卵泡開始發(fā)育，進入下一月經(jīng)周期，如此周而復(fù)始，直到妊娠[3]。LH與排卵周期的關(guān)系如圖1。

（二）女性LH檢測的方法及存在問題

目前，國內(nèi)醫(yī)療領(lǐng)域檢測LH的方法主要有以下三種：采血化驗、尿液檢測、口腔唾液檢測，其中半定量尿液檢測LH試紙在家庭中經(jīng)常使用。這個方法存在的缺點是：每間隔兩小時檢測一次，需要人為地進行顏色對比，在此過程中可能會因為判斷失誤而錯過排卵時間。同時排卵試紙是定性或半定量檢測，設(shè)定了具體的參考值，不能針對某個個體的LH峰值進行精準檢測。

據(jù)調(diào)查，以上檢測方法測量的參數(shù)區(qū)間均源自于標(biāo)準女性整體的固定平均數(shù)據(jù)，但是由于每個女性LH激素分泌特點的差異會產(chǎn)生不同峰值，對不同的個體預(yù)測排卵準確性不高，不利于個體女性的檢測以及周期性的排卵跟蹤記錄，從而帶來不必要的健康傷害。因此設(shè)計和研發(fā)一種方便使用，檢測效率高，準確預(yù)測個體排卵情況的監(jiān)測系統(tǒng)，是關(guān)乎女性生理健康的新挑戰(zhàn)。

二、目標(biāo)用戶分析

文章將目標(biāo)用戶群體界定為生殖期排卵女性。該階段的女性隨著性特征的成熟、生理周期的循環(huán)更替發(fā)生著復(fù)雜的變化。生理、心理因素都會使其身體激素分析情況發(fā)生改變。因此，本文從以下三個階段對目標(biāo)用戶進行了具體的分析。

（一）青春期

13-19歲是女性生殖系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)鍵時期。女性伴隨著第一性征的成熟，第二性征的出現(xiàn)以及月經(jīng)初潮，生理及心理發(fā)生了巨大的變化。進入青春期后，在下丘腦促性腺激素釋放激素的控制下，垂體前葉分泌促卵泡成熟素（FSH）和少量黃體生成素（LH）促使卵巢內(nèi)卵泡發(fā)育成熟，并開始分泌雌激素。在雌激素的作用下，子宮內(nèi)膜發(fā)生增生性變化。由此女性隨著生理特征的發(fā)育，在心理和行為上也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。[4]例如，情緒的波動和性意識的出現(xiàn)等。在這一時期，精準的LH檢測可以幫助女性來判斷自己是否發(fā)育健康。

（二）生育期

生育期是女性生殖功能和內(nèi)分泌功能最旺盛的時期，此時排卵帶來的受孕機會使得女性產(chǎn)生更多的雌激素和孕激素，產(chǎn)生強烈的繁育動機。LH激素在此期間調(diào)節(jié)整個女性的生理周期，對于此階段的女性來說，通過準確的LH激素檢測，可以幫助女性精準預(yù)測排卵期，從而科學(xué)有效地備孕和避孕，以及發(fā)現(xiàn)和預(yù)防婦科疾病的作用。

（三）絕經(jīng)過渡期和絕經(jīng)后期

此階段為女性的生殖及卵巢功能逐漸衰退直至完全喪失的一個轉(zhuǎn)變時期。性激素水平逐漸枯竭，由此使女性產(chǎn)生一系列心理的變化，常表現(xiàn)為心情和情緒的變化，煩躁、易激動、失眠，焦慮、內(nèi)心不安、抑郁等，女性開始進入“更年期”。此時也是婦科疾病的高發(fā)期，對于這一時期的女性來說，通過檢測LH激素可以直接了解卵巢狀況以及發(fā)現(xiàn)和預(yù)防卵巢早衰等婦科疾病。

三、女性LH尿液監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原則

（一）安全性原則

尿液監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計只有建立在滿足女性安全使用的前提下進行創(chuàng)新才具有意義。因此女性LH尿液監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計在安全性方面需要遵循以下原則：第一，監(jiān)測系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、外觀等方面需符合用戶如廁時行為、人體曲線特征，給用戶帶來安全感;同時在安裝結(jié)構(gòu)方面與家庭座便器相吻合。第二，在材料的選擇方面需考慮達到產(chǎn)品預(yù)期的目的，避免外界物質(zhì)對尿源的污染;第三，監(jiān)測系統(tǒng)在操作空間及使用狀態(tài)方面應(yīng)具備合理的操作流程，提高安全指數(shù)，防止因操作不當(dāng)導(dǎo)致不必要的安全隱患[5]。

（二）精準性原則

精準性原則是滿足女性LH尿液監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的首要目標(biāo)。精準性的目的在于完善半定量檢測的不足，幫助女性精準預(yù)測排卵變化，使女性科學(xué)地進行備孕和避孕。因此在設(shè)計過程中應(yīng)滿足以下條件：在女性如廁的過程中監(jiān)測女性體內(nèi)LH激素的水平情況，實時獲取動態(tài)數(shù)值。通過計算個體LH數(shù)值的情況，進而確定女性個體排卵峰值，精準預(yù)測個體排卵情況。在科學(xué)數(shù)據(jù)支撐的基礎(chǔ)上，幫助女性準確掌握排卵時間，進行避孕和備孕，以及在女性婦科健康方面起到預(yù)警作用，從而達到指導(dǎo)女性生理健康的目的。

（三）科學(xué)性原則

人體的復(fù)雜性決定了女性身體變化的多種因素會影響整個監(jiān)測系統(tǒng)的準確性。因此以個體多次檢測值作為數(shù)據(jù)背景，生成女性在整個生理周期內(nèi)的LH曲線，建立屬于自己的個體縱向數(shù)據(jù)庫，科學(xué)準確地預(yù)測排卵活動和評估排卵規(guī)律。從個體層面上幫助女性了解自身的排卵情況，直觀掌握生理周期的變化。從醫(yī)療體系層面上看，個體長時間積累的檢測數(shù)據(jù)給醫(yī)療行業(yè)提供更準確，更科學(xué)，更具有參考意義的生理參數(shù)，在就醫(yī)過程中醫(yī)生可以根據(jù)積累的檢測數(shù)據(jù)更準確地給出診斷。幫助醫(yī)患之間更有效地溝通。

四、女性LH尿液監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

（一）設(shè)計理念及創(chuàng)新點

文章根據(jù)女性的生理及心理特征，以安全性、精準性、科學(xué)性為監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原則，重點從幫助女性精準檢測排卵的角度對整體方案進行構(gòu)建，最終設(shè)計實現(xiàn)一個小型化女性LH尿液監(jiān)測裝置，嵌入到座便器上，使用戶在如廁過程中可以完成LH數(shù)值的檢測。女性LH尿液監(jiān)測系統(tǒng)主要由檢測裝置和APP信息管理兩部分組成，適用于普通家用座便器。女性在如廁時將尿液流入檢測裝置進行實時動態(tài)數(shù)值監(jiān)測，依據(jù)女性自身生理周期變化數(shù)值建立個體數(shù)據(jù)庫，用戶可通過APP即時了解自身生理情況，精準判斷個體的排卵時間，科學(xué)指導(dǎo)女性避孕和備孕以及在婦科健康方面起到預(yù)警作用，向“小型化家庭醫(yī)療中心”邁進了一步[7]。

根據(jù)設(shè)計理念，創(chuàng)新點如下;1.實現(xiàn)女性LH實時定量監(jiān)測，完善半定量檢測的不足，更精準地預(yù)測排卵時間。2.建立縱向女性LH監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，分析一個生理周期內(nèi)的排卵情況，起到相關(guān)婦科疾病的預(yù)警作用。3.將生活中使用率很高的座便器和檢測裝置結(jié)合，讓人們在如廁的過程中可以進行身體的體檢，讓女性在日常的生活中更充分地了解自己的生理周期情況，如圖2。

（二）基于安全性的產(chǎn)品化設(shè)計

女性LH尿液監(jiān)測系統(tǒng)的產(chǎn)品部分在滿足安全性前提下完成以下設(shè)計：在外觀造型方面，產(chǎn)品采用流線型外掛形式，易拆卸，可以與家用座便器較好整合，符合女性如廁時的身體結(jié)構(gòu)特點，在用戶安全使用的前提下帶來舒適的坐感。這樣一來女性在如廁過程中就能準確了解自己的生理情況，代替了繁瑣的檢測方式。在功能結(jié)構(gòu)方面，為了滿足產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)上不影響座便器的正常使用[8]，檢測端采用傳動結(jié)構(gòu)的伸縮設(shè)計，通過伸縮桿自由伸縮達到采集尿液中LH數(shù)據(jù)的目的，避免影響家庭中其他成員使用座便器。在材質(zhì)方面，考慮到尿液在監(jiān)測過程中的準確性，排除外界物質(zhì)對尿源的污染，裝置采用納米涂層，在如廁過程中不易黏粘尿液糞便，保證尿源的原始性。在操作流程方面，為了檢測過程更簡單方便，本設(shè)計中沒有設(shè)置更多的按鍵和操作需要，多數(shù)的操作是通過移動端來完成，如圖3。

（三）基于精準性的硬件構(gòu)建

女性LH監(jiān)測系統(tǒng)是一個完整的系統(tǒng)，硬件構(gòu)建部分在滿足精準性的基礎(chǔ)上需要完成LH數(shù)值的采集、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，以此來確保精準預(yù)測排卵。其中數(shù)據(jù)采集裝置利用傳感器采集女性尿液中的LH值，通過微處理器對整個系統(tǒng)進行控制以及對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，采用藍牙技術(shù)完成數(shù)據(jù)的傳輸。在此過程中用戶與監(jiān)測裝置之間要進行交互需要有按鍵操作系統(tǒng)，監(jiān)測裝置的伸縮桿結(jié)構(gòu)由電機控制，保證檢測裝置的干凈衛(wèi)生需要有個水泵進行沖洗。具體的電子硬件方案構(gòu)建如圖4。

系統(tǒng)的電子硬件設(shè)計中數(shù)據(jù)采集為核心模塊，是決定監(jiān)測系統(tǒng)能否準確檢測LH值的重要模塊。與市面上常見的試紙采用半定量法檢測LH值相比，運用LH傳感器裝置，可以精確到具體數(shù)值的檢測到女性尿液中的LH情況，解決了試紙顏色需要人為肉眼判斷帶來誤差以及半定量中設(shè)定了標(biāo)準的參考數(shù)值的問題。本系統(tǒng)的優(yōu)勢在于采用電化學(xué)免疫傳感器，將女性尿液中LH激素轉(zhuǎn)換成電信號，以此來達到記錄、存儲、傳輸、處理以及顯示和控制數(shù)據(jù)信息的目的。該電化學(xué)傳感器對1～100mIU·mL-1范圍內(nèi)的促黃體生成素檢驗結(jié)果準確，誤差小，正常的檢測時間可以控制在5min以內(nèi)，滿足實時精確的檢測要求。同時具有體積小，嵌入性強，快速檢測，結(jié)果準確的特點。符合本課題數(shù)據(jù)采集的要求[9]。

（四）基于科學(xué)性的產(chǎn)品APP開發(fā)

移動端APP的主要目的是將采集端檢測到的女性尿液中的LH激素，通過精準計算將結(jié)果以圖像化的形式呈現(xiàn)給用戶，同時存儲數(shù)據(jù)并建立用戶個體縱向數(shù)據(jù)庫。使用戶能夠更加直觀、精準把握自身生理情況，科學(xué)、合理地做出判斷和預(yù)防。移動APP的開發(fā)主要基于105系統(tǒng)，APP主要完成的功能有：數(shù)據(jù)分析、LH值曲線顯示、個體縱向數(shù)據(jù)庫管理、異常報警、系統(tǒng)安全管理、用戶管理等。

整個APP框架主要由六個基本模塊構(gòu)成：用戶注冊、用戶登錄、主頁、數(shù)據(jù)記錄、交流社區(qū)、個人中心。用戶注冊和登錄模塊是APP的起始模塊，初次使用的女性需要先按照流程進行注冊，已有賬號的女性需要完成登錄即可。主頁模塊完成女性LH的檢測、個體曲線分析、以及狀態(tài)顯示等功能。數(shù)據(jù)記錄模塊主要有日記查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能，此模塊是用戶的小型數(shù)據(jù)庫，是LH數(shù)值的整理分析模塊。交流社區(qū)模塊提供了一個交流互動、好物分享以及女性護理常識分享的一個平臺，此模塊也是未來擴展性功能最多的一個模塊，可以與其他APP平臺進行合作。個人中心是用戶自我管理的一個模塊，是整個系統(tǒng)的用戶設(shè)置部分。其中主頁和數(shù)據(jù)記錄模塊為整個APP的核心部分，主要特點是對一段時間內(nèi)采集到的女性個體的檢測數(shù)據(jù)，進行整理、修改、存儲和分析，從而構(gòu)建個體縱向數(shù)據(jù)庫。在個體LH縱向數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，女性可以科學(xué)準確地了解自身排卵情況，同時當(dāng)身體出現(xiàn)異常時可以及時發(fā)現(xiàn)采取恰當(dāng)?shù)拇胧?/p>

在APP界面設(shè)計方面，考慮到用戶群體為女性，界面色調(diào)以粉色為主，搭配直觀的圖形表達，整體界面的視覺效果營造出一種簡潔、明快、溫暖的體驗感受。主要以直觀的圖像表達為主，使復(fù)雜的統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果一目了然，易讀易懂。在交互方面，交互設(shè)計與檢測流程完全吻合，手勢以及界面提示設(shè)計簡潔，不會影響用戶正常如廁，同時防止復(fù)雜的操作給用戶帶來煩躁情緒，如圖5。結(jié)論

現(xiàn)今常規(guī)的婦科檢查，是一種被動式或間歇式預(yù)防疾病檢查的形式，與其相比，積極主動的防患于未然的預(yù)防意識，顯得更有價值意義[10]。因此文章針對目前女性對自身排卵情況掌握不精確，無法科學(xué)地指導(dǎo)避孕和備孕的問題，以精準性、安全性、科學(xué)性為設(shè)計原則，提出了女性LH監(jiān)測系統(tǒng)的整體方案設(shè)計。目的是使女性在家庭如廁的過程中通過對LH數(shù)值的監(jiān)測，達到精準掌握自身排卵周期的目的。女性LH尿液監(jiān)測系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計研究對促進高新技術(shù)在家居生活領(lǐng)域的應(yīng)用、實現(xiàn)小型家庭醫(yī)療中心、提高人們的生活水準，都有重要的意義。

基金項目：校級基金“基于大數(shù)據(jù)下的尿檢指標(biāo)對縱向個體差異的研究”（0918/120043）。

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