WSSLAB: Khám phá thế giới của các thiết bị y sinh

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.

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.

⁹

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”