Cảm biến sinh học cho phép tai nghe ghi lại hoạt động não

Một cặp tai nghe có thể được biến thành công cụ ghi lại hoạt động điện não cũng như mức độ lactate (sản phẩm của quá trình chuyển hóa tế bào khi cơ thể ở trong điều kiện yếm khí) trong cơ thể bằng cách bổ sung thêm hai cảm biến linh hoạt được in trên bề mặt mềm dẻo giống như một con tem. Mạng cảm biến giao tiếp với tai nghe, sau đó truyền không dây dữ liệu được thu thập để hiển thị và phân tích sâu hơn trên điện thoại thông minh hoặc máy tính xách tay. Dữ liệu được sử dụng theo dõi sức khỏe lâu dài và phát hiện tình trạng thoái hóa thần kinh.

Mạng cảm biến - được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu đa ngành gồm một nhóm kỹ sư Đại học California (UC San Diego, Mỹ) - ít cồng kềnh hơn nhiều so với những thiết bị hiện đại hiện đang được sử dụng để cảm nhận hoạt động điện não và sự tiết mồ hôi của cơ thể. Nhóm nhà nghiên cứu cho thấy chúng có thể được sử dụng trong thế giới thực trong khi tập thể dục. Mặc dù cảm biến trong tai nghe về một số thông số sinh lý không phải là mới, nhưng việc tích hợp cảm biến tín hiệu não vào cơ thể vào một nền tảng duy nhất lại là điều mới mẻ. Bước đột phá này được thực hiện nhờ sự kết hợp chuyên môn của cộng đồng kỹ sư y sinh, hóa học, điện và nano.

Dữ liệu và xác thực

Dữ liệu từ điện não đồ (EEG), đo hoạt động điện trong não và lactate mồ hôi, một loại axít hữu cơ mà cơ thể tạo ra trong quá trình tập thể dục và hoạt động trao đổi chất bình thường, có thể được kết hợp cho nhiều mục đích khác nhau. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng để chẩn đoán nhiều loại động kinh khác nhau, bao gồm cả động kinh. Chúng được sử dụng để theo dõi nỗ lực trong quá trình tập luyện thể chất cũng như mức độ căng thẳng và tập trung. Nhóm nhà nghiên cứu xác thực dữ liệu được thu thập trong nghiên cứu chứng minh khái niệm này dựa trên dữ liệu thu được từ tai nghe EEG tiếp xúc khô có bán trên thị trường và những mẫu máu chứa lactate. Dữ liệu mà mạng cảm biến linh hoạt thu thập cũng có hiệu quả tương tự.

Nhóm mô tả nghiên cứu của họ trong một bài báo xuất hiện trên trang bìa Tạp chí Nature Biomedical Engineering số tháng 10/2023. Nhóm nhà nghiên cứu nhìn thấy trước một tương lai, trong đó hệ thống theo dõi sức khỏe và hình ảnh thần kinh hoạt động với các cảm biến đeo được và thiết bị di động, như điện thoại, tai nghe, đồng hồ,... để theo dõi hoạt động của não cũng như mức độ của nhiều chất chuyển hóa liên quan đến sức khỏe trong suốt cả ngày. Điều này sẽ cho phép người dùng nâng cao khả năng của não và cơ thể. Nhóm cũng dự tính một tương lai trong đó khả năng của những thiết bị âm thanh đeo được hiện có, chẳng hạn như tai nghe, có thể được mở rộng đáng kể để thu thập phạm vi dữ liệu rộng hơn nhiều. Gert Cauwenberghs, giáo sư Khoa Kỹ thuật sinh học Shu Chien Gene Lay tại UC San Diego, cho biết: “Việc có thể đo lường động lực của cả hoạt động nhận thức của não và trạng thái trao đổi chất của cơ thể trong một thiết bị tích hợp trong tai mà không ảnh hưởng đến sự thoải mái và khả năng di chuyển của người dùng sẽ mở ra những cơ hội to lớn nâng cao sức khỏe và thể chất của mọi người ở mọi lứa tuổi, mọi lúc, mọi nơi”.

Mạng cảm biến theo dõi mức độ lactate trong mồ hôi

Nhóm nghiên cứu cảm thấy việc đeo tai nghe nhét tai phổ biến tạo ra tiềm năng chưa được khai thác trong việc thu thập tín hiệu não và cơ thể một cách thuận tiện, cho cả sức khỏe và thể chất. Patrick Mercier, giáo sư Khoa Kỹ thuật điện và máy tính của UC San Diego, bình luận: “Tai nghe tồn tại trong nhiều thập kỷ và theo nhiều cách, nó là một trong những thiết bị đeo đầu tiên trên thị trường. Nghiên cứu này thực hiện những bước quan trọng đầu tiên nhằm chứng minh dữ liệu có thể được đo lường từ cơ thể con người chỉ bằng cách tăng cường khả năng của tai nghe nhét tai mà mọi người sử dụng hằng ngày. Vì không có trở ngại lớn nào khi sử dụng công nghệ này nên chúng tôi dự đoán cuối cùng sẽ áp dụng trên quy mô rộng”.

Yuchen Xu, đồng tác giả đầu tiên của bài báo và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Cauwenberghs, cho biết tai có tuyến mồ hôi và nằm gần não. Ông nói: “Đó là điểm khởi đầu tự nhiên - mọi người đã quen với việc đeo tai nghe. Một hệ thống như vậy đòi hỏi kiến thức chuyên môn đa lĩnh vực, đó là lý do dự án này được triển khai tại Trung tâm Cảm biến thiết bị đeo tại UC San Diego, nơi giáo sư kỹ thuật sinh học Cauwenberghs cộng tác với hai giáo sư kỹ thuật nano Joseph Wang và Sheng Xu, những người có nhiều kinh nghiệm trong việc thiết kế và chế tạo những thiết bị có thể co dãn, cảm biến hóa học linh hoạt và hiệu suất cao. Patrick Mercier, giáo sư Khoa Kỹ thuật điện và máy tính của Trường Jacobs, cũng đã đưa kinh nghiệm sâu rộng của mình về hệ thống không dây và điện tử y sinh công suất thấp vào dự án.

Tiến sĩ Ernesto De La Paz, thành viên nhóm nghiên cứu của giáo sư kỹ thuật nano Joseph Wang, báo cáo: “Một trong những lý do khiến chúng tôi có thể đạt được bước đột phá này là vì chúng tôi thực sự nghĩ đến việc hội nhập. Chúng tôi muốn chế tạo loại cảm biến nhỏ nhất có thể để thu thập các mẫu mồ hôi nhỏ. Chúng tôi cũng giải thích được hình dạng bất thường của tai bằng cách tích hợp những bộ phận có thể uốn cong”. Bước đầu tiên trong việc chế tạo cảm biến trong tai là xác nhận dữ liệu EEG và lactate có thể được thu thập trong tai. Nhóm nhà nghiên cứu đã phải thiết kế các dụng cụ nhỏ hơn, gọn hơn nhằm thu thập mọi tín hiệu điện sinh lý, chẳng hạn như dữ liệu EEG, để vừa với một chiếc tai nghe. Họ cũng phải tìm một chất liệu thích hợp để thấm mồ hôi và cảm nhận lactate. Sau loạt thí nghiệm sơ bộ trên người, nhóm nhà nghiên cứu xác định vị trí tốt nhất thu thập và ghi lại dữ liệu lactate là khí quản, nơi mồ hôi tích tụ ở lối vào tai. Nhóm nghiên cứu cũng biết từ kinh nghiệm trước đây rằng muốn thu thập dữ liệu EEG, cần có các điện cực sinh lý hiệu suất cao hướng về thùy thái dương.

Yuchen Xu nhận định: “Thách thức kỹ thuật cơ bản không chỉ là lắp 2 cảm biến vào tai, vốn là một không gian nhỏ thay đổi từ người này sang người khác, mà còn thu được tín hiệu từ cả điện não đồ và lactate một cách đáng tin cậy. Chúng tôi cũng phải điều chỉnh để tích hợp tai nghe và giảm nhiễu xuyên âm. Đó là lúc chúng tôi nảy ra ý tưởng về cảm biến có thể co dãn giống như một con tem, đây là một phần bổ sung đơn giản cho chính miếng đệm tai nhưng có tất cả mọi chức năng cần thiết mà chúng tôi cần và cho phép chúng tôi có đủ tự do cho thiết kế của mình”. Nhằm đảm bảo mạng cảm biến điện sinh lý tiếp xúc chắc chắn với tai, nhóm nhà nghiên cứu thiết kế loại cảm biến lò xo 3D giữ tiếp xúc nhưng có thể điều chỉnh khi tai nghe di chuyển. Mặt khác, nhằm cải thiện khả năng thu mồ hôi, nhóm nhà nghiên cứu phủ lên mạng cảm biến điện hóa một lớp màng hydrogel trong suốt. Yuchen Xu giải thích: “Nó giống như bọt biển và ưa nước. Nó hoạt động như một lớp đệm cơ học giữa da và các cảm biến, đồng thời giúp thu thập mồ hôi”. Rất khó để tránh nhiễu xuyên âm giữa 2 cảm biến do không gian bên trong tai có hạn. Nhóm nhà nghiên cứu phân tích nhiều lựa chọn vật liệu khác nhau, thiết kế cấu trúc và xác nhận tính khả thi của việc ghi đồng thời tín hiệu EEG và tín hiệu lactate bằng 2 cảm biến cách nhau 2 mm.

Joseph Wang, giáo sư tại Khoa Kỹ thuật nano và Giám đốc Trung tâm cảm biến đeo được tại Trường Jacobs, giải thích: “Nền tảng điện tử sinh học đeo được đa phương thức trong tai mới và mạnh mẽ này cung cấp nguồn thông tin thời gian thực phong phú về sức khỏe của người dùng, bằng cách ghi lại đồng thời và linh hoạt thông tin vật lý và sinh hóa”.

Cơ hội trong tương lai

Một trong những hạn chế của thiết bị là để thu thập đủ lactate nhằm phân tích dữ liệu một cách có ý nghĩa, các đối tượng cần thực hiện bài tập thể dục hoặc hoạt động thể chất khác khiến mọi người đổ mồ hôi. Trong công việc tương lai, nhóm nhà nghiên cứu sẽ hướng tới việc loại bỏ yêu cầu này. Bước tiếp theo cũng là tích hợp các thiết bị điện tử vào cảm biến. Nhóm cũng đang nỗ lực xử lý dữ liệu trên chính thiết bị. Cuối cùng, mục tiêu là truyền dữ liệu đã xử lý không dây tới máy tính hoặc điện thoại thông minh. Cảm biến trong tai cũng thu thập dữ liệu bổ sung, chẳng hạn như mức độ bão hòa oxy và lượng đường trong máu. Nhóm nhà nghiên cứu hình dung công việc này sẽ dẫn đến một số liệu pháp mới. Cauwenberghs chia sẻ: “Phản hồi thần kinh thính giác kết hợp tín hiệu não đo được với âm thanh do thiết bị trong tai phát ra có thể mang lại những tiến bộ trị liệu mới có tiềm năng sâu rộng khắc phục tích cực một số chứng rối loạn thần kinh gây suy nhược, chẳng hạn như chứng ù tai mà hiện tại không có phương pháp điều trị hiệu quả nào”.

Đánh giá cảm biến

Trong suốt quá trình nghiên cứu, nhóm nhà nghiên cứu cũng tiến hành nhiều thí nghiệm sâu rộng để xác nhận tính hiệu quả của các cảm biến. Họ mô tả hiệu suất điện cực cũng như một số mẫu tín hiệu não nổi bật, bao gồm điều biến alpha và phản ứng ở trạng thái ổn định của thính giác, ngoài phương pháp ghi điện quang (EOG) cho mạng cảm biến điện sinh lý. Họ mô tả độ nhạy, độ chọn lọc và độ ổn định lâu dài của cảm biến lactate. Họ cũng mô tả nhiễu xuyên âm giữa các cảm biến, độ ổn định cơ học và độ ổn định môi trường của mạng cảm biến tích hợp. Sheng Xu, giảng viên Khoa Kỹ thuật nano Trường Jacobs, mô tả: “Ống tai tương đối chưa được khám phá trong cộng đồng công nghệ thiết bị đeo. Công trình này chứng tỏ tiềm năng của cảm biến liên tục trong thu thập mọi tín hiệu vật lý và hóa học có giá trị từ ống tai, từ đó mở đường cho nhiều cơ hội thú vị trong lĩnh vực thiết bị đeo”.