Dẫu mới có tuổi đời chưa tới 2 năm nhưng phòng thí nghiệm nghiên cứu hệ thống không dây và cảm biến (WSSLAB) của Đại học Texas ở Arlington, Mỹ, do TS. Nguyễn Văn Phúc tạo dựng đang là một trong những ngôi sao đang lên trong việc khám phá các hệ thống không dây, di động và thiết bị đeo dùng cho chăm sóc sức khỏe và giám sát môi trường.

TS. Nguyễn Văn Phúc thử nghiệm thiết bị đeo tai có khả năng nhận diện các tín hiệu cử động răng-lưỡi để thay thế cho bàn phím điều khiển | Ảnh: NVCC
TS. Nguyễn Văn Phúc thử nghiệm thiết bị đeo tai có khả năng nhận diện các tín hiệu cử động răng-lưỡi để thay thế cho bàn phím điều khiển | Ảnh: NVCC

Tối ưu tính năng của các thiết bị giám sát sức khỏe

Từng nghiên cứu các hệ thống giám sát đối tượng vật lý thông qua tín hiệu không dây trước khi chuyển sang đo đạc tín hiệu sinh học từ cơ thể người, phó giáo sư ngành khoa học máy tính Nguyễn Văn Phúc (Đại học Texas ở Arlington) đang cùng các nghiên cứu viên tại phòng thí nghiệm WSSLAB và bác sĩ tại Bệnh viện Đại học Texas Southwestern (UTSW) phát triển một hệ thống đeo nhỏ gọn giúp theo dõi bệnh nhân động kinh (epileptic seizure) tại nhà.

Tại Mỹ, mặc dù có những thiết bị y tế rất hiện đại với những người bệnh liên quan đến não nhưng chúng vẫn tương đối cồng kềnh. Người bệnh phải nằm cố định trên giường để theo dõi tín hiệu điện não và điện tim liên tục bằng một máy hơn 20 điện cực gắn vào cơ thể.

Không chỉ bất tiện, việc khám bệnh kiểu này còn rất đắt đỏ. Với chi phí lên tới hàng ngàn USD mỗi đêm nếu không có bảo hiểm, nhiều người chỉ dám ở lại trong khoảng 3-4 ngày, trong khi theo các bác sĩ, loại bệnh động kinh này nên được quan sát ít nhất 7 ngày để đưa ra các chẩn đoán chính xác.

TS. Nguyễn Văn Phúc lập luận rằng không có lý do gì để mọi người bị hạn chế như vậy. “Nếu chúng ta tìm được cách đo tín hiệu của các đối tương vật lý bằng những thiết bị nhỏ gọn, ít tiền và đáng tin cậy, thì chúng ta cũng có thể tìm được cách tương tự với các thiết bị theo dõi sức khỏe cho con người.” anh nói.

Do đó, nhóm của anh tại WSSLAB đã thiết kế một thiết bị thu tín hiệu di động, cho phép đo hoạt động của não trong khi người đeo vẫn có thể sinh hoạt, đi lại như bình thường. Nó sẽ kết nối với điện thoại thông minh của bệnh nhân và tải dữ liệu lên đám mây, để từ đó bác sĩ xem xét và chẩn đoán mà không cần phải gặp người bệnh.

Điểm khó khăn của công nghệ này là làm sao để cân bằng giữa hai mục tiêu: tiêu hao ít năng lượng nhất nhưng vẫn nhạy cảm với tín hiệu điện não (EEG) và điện cơ (EMG). Các tín hiệu điện trong cơ thể người vốn rất bé, chỉ cỡ vài microvolt hoặc millivolt. Đo được chúng giống như cố gắng nghe được tiếng nói của một người trong buổi nhạc hội ồn ào. Nếu muốn bắt giữ các tín hiệu nhỏ bé này, sẽ cần dùng đến những con chip và các mạch điện tử phức tạp. Tuy nhiên, những mạch như vậy lại tiêu hao nhiều pin hơn, làm giảm thời gian duy trì được của thiết bị.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu WSSLAB đã tạo ra một thuật toán tính theo sự kiện, cho phép mạch điện chỉ chạy khi có những tín hiệu bất ngờ. Cũng bằng các thuật toán, họ tạo nên các ma trận xử lý tín hiệu điện não yếu để khuếch đại những “tiếng thì thầm nho nhỏ” của não, sau đó lọc âm thanh theo các ngưỡng khác nhau rồi trích xuất những dấu hiệu thực sự quan trọng. Một chip ADC 24 bit được sử dụng để bắn những tín hiệu từ tai nghe đến điện thoại trong vòng vài phần nghìn giây.

TS. Phúc đã đem mẫu thử của mình đến trao đổi với các bác sĩ của Bệnh viện UTSW, trong đó có hai người là bác sĩ Kan Ding, M.D (giáo sư khoa thần kinh học) và bác sĩ Jay Harvey, D.O (phó giáo sư khoa thần kinh, thành viên Hiệp hội Động kinh Hoa Kỳ kiêm chủ tịch hội đồng tư vấn chuyên môn của Quỹ động kinh Texas) tỏ ra cực kỳ hứng thú với hệ thống.

Cả hai bác sĩ đều chia sẻ rằng chi phí để theo dõi các bệnh nhân động kinh như hiện nay là “quá cao” nhưng chưa có giải pháp thay thế. Là những người chuộng công nghệ, họ đã nhanh chóng nhìn thấy tiềm năng thay đổi mà sản phẩm của WSSLAB mang tới và muốn thử nghiệm lâm sàng.

Bên cạnh đó, các bác sĩ còn hỗ trợ cải tiến sản phẩm bằng cách cung cấp những thông tin hữu ích mà một người thuần túy kỹ thuật như TS. Phúc không thể tự biết được, ví dụ như chỉ ra đâu là những tín hiệu bệnh động kinh thực sự và đâu là những tín hiệu nhiễu có thể bỏ qua.

Hiện thiết bị đang chạy thử nghiệm trên 5 bệnh nhân đầu tiên. Mục tiêu đến cuối năm, phòng thí nghiệm sẽ hoàn tất chạy thử nghiệm trên khoảng 50 bệnh nhân. “Dữ liệu ban đầu rất hứa hẹn”, anh Phúc nói, “Nếu sản phẩm chạy được thành công trên 150 người, chúng tôi có thể tự tin là hệ thống này chạy tốt và đến lúc đó sẽ quyết định hoặc là tự thương mại hóa, hoặc kêu gọi ai đó đầu tư thương mại hóa cho mình.” Hai tháng trước, dự án này mới đạt được tài trợ trị giá 100.000 USD từ giải thưởng SONY Faculty Innovation cho các sản phẩm đổi mới sáng tạo.

Mở rộng phạm vi ứng dụng

Nhưng thiết bị đeo để theo dõi động kinh không phải là sản phẩm duy nhất mà WSSLAB đang theo đuổi. Bằng cách tiếp cận tương tự - kết hợp giữa điện tử viễn thông, khoa học máy tính và ứng dụng y học - những nhà nghiên cứu trẻ ở phòng thí nghiệm này đang phát triển những hệ thống đeo tai tương tự để theo dõi các cơn đau sau giải phẫu; nhận diện các tín hiệu cử động răng-lưỡi để thay thế cho bàn phím điều khiển, giúp người bị liệt giao tiếp với xung quanh và điều khiển các thiết bị thông minh khác; hay đo không khí hít thở vào lồng ngực bằng sóng WiFi để theo dõi bệnh nhân bị chứng ngưng thở khi ngủ.

TS. Phúc nhận xét rằng có rất nhiều tiềm năng để phát triển từ những tín hiệu đo được từ cơ thể người. Phòng thí nghiệm của anh có những dự án độc đáo về bảo mật - như sử dụng cơ thể người như một “sợi dây diện” để chuyển dữ liệu sinh lý từ đồng hồ thông minh đến điện thoại cầm tay mà không cần thông qua các công nghệ có thể bị xâm nhập như WiFi hay Bluetooth.

Theo anh, những phương thức truyền tin bảo mật như vậy sẽ có đối tượng khách hàng riêng, khi mà yêu cầu về bảo vệ thông tin sức khỏe và quyền riêng tư của con người đang có xu hướng chặt chẽ hơn.
TS. Nguyễn Văn Phúc (trái) và 2 bạn trẻ người Việt là nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm WSSLAB  của Đại học Texas ở Arlington. Họ đang cùng nghiên cứu về thiết bị đeo tai theo dõi bệnh nhân động kinh | Ảnh: NVCC
TS. Nguyễn Văn Phúc (bìa trái) và 2 nghiên cứu sinh trẻ người Việt (Tiên Phạm, Tuấn Đặng) tại phòng thí nghiệm WSSLAB của Đại học Texas ở Arlington. Họ đang cùng nghiên cứu về thiết bị đeo tai theo dõi bệnh nhân động kinh | Ảnh: NVCC

Thậm chí, vượt ra ngoài lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, những ý tưởng táo bạo mà các nhà nghiên cứu này đang nghiền ngẫm có thể hứa hẹn phạm vi ứng dụng xa hơn. Tháng trước, phòng thí nghiệm WSSLAB của TS. Nguyễn Văn Phúc đã bắt tay với phòng thí nghiệm MoSys của TS. Jian Liu ở Đại học Tennessee ở Knoxville để phát triển một hệ thống tái tạo cấu trúc khuôn mặt 3D thông qua các cảm biến sinh học đeo ở tai.

Các nhà nghiên cứu kì vọng rằng họ có thể tái tạo chính xác cử động của gương mặt chỉ bằng phần mềm trí tuệ nhân tạo (AI) và một thiết bị đeo một tai đơn giản, ít năng lượng để đo các tín hiệu sinh học như nhiệt độ, điện cơ,… thay vì dùng camera.

Nếu cảm biến gương mặt này đạt được, nó sẽ mở ra cánh cửa hoàn toàn mới cho một loạt các ứng dụng liên quan đến thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cường (AR). Dự án này đã nhận được gói tài trợ lên tới nửa triệu USD từ Quỹ khoa học quốc gia Mỹ.

Trên thực tế, một loạt công ty công nghệ lớn như Apple, Google, Microsoft, Facebook cùng nhiều nhóm nghiên cứu ở các trường đại học lớn đang chạy đua phát triển những dự án VR có mục đích tương tự nhưng bằng nhiều cách tiếp cận khác nhau.

Điều này sẽ hứa hẹn một sự thay đổi lớn, tương tự như cách mà các trợ lý ảo AI như Siri, Alexa đang làm - khiến người dùng thay đổi thói quen sinh hoạt, từ chỗ “chạm tay” để điều khiển thành dùng “tiếng nói” để điều khiển. Trong tương lai, một khi các công nghệ về theo dõi và tái tạo cử động của gương mặt trở nên hoàn hảo, nó rất có thể được phát triển thành những thiết bị giúp giao tiếp và điều khiển mọi thứ bằng “cử chỉ mặt”


PHÒNG THÍ NGHIỆM CỦA NHỮNG Ý TƯỞNG TÁO BẠO

Trong số hơn 25 phòng thí nghiệm thuộc Khoa khoa học máy tính và kỹ thuật của trường Đại học Texas ở Arlington, WSSLAB là một trong những phòng thí nghiệm được dành diện tích và bỏ kinh phí đầu tư ban đầu đáng kể nhất.

Sở dĩ phòng thí nghiệm có được những ưu đãi này là bởi trước khi “đầu quân” cho Đại học Texas, TS. Nguyễn Văn Phúc đã là một gương mặt nổi bật với nhiều bài báo xuất sắc và giải thưởng triển vọng trong các hội nghị quốc tế lớn về khoa học máy tính và kỹ thuật như ACM MobiCom, ACM MobiSys, ACM SenSys, IEEE INFOCOM. Ba trong số các nghiên cứu của anh đã cho ra sẵn những sản phẩm mẫu thử dạng tiềm năng có thể chạy được trên điều kiện ngoài đời thực.

Y tế và nông nghiệp là hai ngành ưu thế của Đại học Texas, do vậy các nghiên cứu của lab hiện luôn hướng đến các sản phẩm ứng dụng trong các lĩnh vực này. Đầu năm nay, họ đã gõ cửa Bộ nông nghiệp Mỹ để thảo luận về những hệ thống mới liên quan đến máy bay không người lái (drone) để triển khai trên cánh đồng.

TS. Phúc tâm niệm rằng lúc nào cũng phải đổi mới bản thân và tìm ra ý tưởng mới. Anh chia sẻ rằng, với một phòng lab độc lập, có quá nhiều tự do thì sẽ nảy sinh ra rất nhiều nhiều ý tưởng độc lạ. “Nhưng phải lọc ra ý tưởng nào táo bạo nhất, đồng thời cũng phải có thể thực hiện được để cho sinh viên làm”.

Trong vòng chưa đầy một năm, WSSLAB đã kêu gọi được tài trợ lên tới gần 1 triệu USD, đồng thời xuất bản được nhiều bài báo khoa học tại các hội thảo quốc tế uy tín có tỷ lệ chấp thuận khắt khe chỉ từ 16-26%. Những con số này cũng phần nào hé lộ những kỳ vọng về tiềm năng của các dự án đổi mới sáng tạo tại lab.

Bên cạnh TS. Phúc, hiện ở lab mới có 2 nghiên cứu sinh người Việt. Do vậy, TS. Phúc vẫn đang ưu tiên "để dành" bốn suất học bổng tiến sĩ toàn phần cho sinh viên Việt với mong muốn góp phần đào tạo các nhà khoa học trẻ cho đất nước. Anh cũng cho rằng hai hướng nghiên cứu chính của lab là y tế và nông nghiệp đều gần gũi với Việt Nam, nên các thiết bị được phát triển tại Mỹ đều có thể ứng dụng ở Việt Nam trong tương lai gần.