Đồng hồ và nhẫn thông minh sắp có khả năng đo đường huyết không cần kim châm hay lấy máu?

Đối với những bệnh nhân đang phải chung sống với căn bệnh tiểu đường, việc kiểm soát chỉ số đường huyết là một nhiệm vụ mang tính sinh tử. Hiện nay, phương pháp phổ biến nhất vẫn là sử dụng máy đo đường huyết truyền thống.

Quy trình này đòi hỏi người bệnh phải dùng kim châm vào đầu ngón tay, nặn ra giọt máu tươi rồi đưa vào que thử để đọc kết quả. Sự đau đớn và bất tiện này không chỉ diễn ra một lần mà lặp đi lặp lại nhiều lần trong ngày, biến nó thành một nỗi ám ảnh dai dẳng.

Ngoài ra, còn có một giải pháp tiên tiến hơn là máy theo dõi đường huyết liên tục (CGM) bằng cách dán cảm biến lên cánh tay. Dù giảm bớt tần suất châm kim nhờ một đầu kim nhỏ nằm cố định dưới da để đo dịch mô, nhưng phương pháp này lại là một gánh nặng tài chính lớn. Trước thực trạng đó, câu hỏi về một phương pháp đo đường huyết hoàn toàn không xâm lấn, không gây đau đớn và chi phí thấp luôn là bài toán hóc búa thách thức giới y khoa toàn cầu.

GlucoRadar: Khi sóng điện từ thay thế mũi kim

Lời giải cho bài toán này vừa được nhóm nghiên cứu tại Đại học Dublin (Ireland) công bố qua hệ thống mang tên GlucoRadar. Thay vì tìm cách chạm vào dòng máu hay dịch mô bên trong cơ thể, giải pháp này sử dụng một mô-đun radar sóng milimet nhỏ gọn được đặt cách bề mặt dung dịch cần đo chưa đầy 5 cm.

Thiết bị sẽ phát ra các sóng điện từ ở băng tần 60GHz xuyên qua chất lỏng. Khi các sóng này phản xạ trở lại, chúng sẽ mang theo những "dấu vân tay" thông tin cực kỳ quý giá về nồng độ glucose bên trong.

Cơ sở vật lý của phương pháp này dựa trên một tỷ lệ chênh lệch khổng lồ trong tự nhiên. Kích thước của một phân tử glucose chỉ rơi vào khoảng 1 nanomet, trong khi bước sóng của radar milimet băng tần này là khoảng 5 milimet - chênh lệch nhau tới 5 triệu lần.

Khi sóng điện từ va chạm với các phân tử glucose siêu nhỏ này, hiện tượng tán xạ sẽ xảy ra. Do mật độ phân tử ở mỗi mức nồng độ đường là khác nhau, tín hiệu phản xạ thu về sẽ mang các đặc trưng năng lượng dị biệt.

Để chứng minh giả thuyết, các nhà nghiên cứu đã pha chế 16 mức nồng độ glucose trong môi trường nước, trải dài từ 50 mg/dL đến 200 mg/dL với bước nhảy 10 mg/dL, bao phủ trọn vẹn từ ngưỡng hạ đường huyết cho đến đường huyết cao ở người. Radar sẽ thu nhận sóng phản xạ và liên tục tích lũy dữ liệu trong vòng 2,5 phút cho mỗi mẫu thử.

Thuần hóa dữ liệu nhiễu bằng thuật toán lọc nâng cao

Tuy nhiên, tín hiệu thô thu về từ radar luôn bị bủa vây bởi một lượng tạp âm khổng lồ từ môi trường xung quanh. Để bóc tách được tín hiệu glucose tinh khiết, đội ngũ nghiên cứu đã phải thiết lập một quy trình xử lý tín hiệu toán học vô cùng nghiêm ngặt:

Triệt tiêu biến động: Thực hiện lấy giá trị trung bình của nhiều lần đo liên tiếp nhằm loại bỏ các xung nhiễu ngẫu nhiên.

Lọc thông cao (high-pass filter): Cắt bỏ hoàn toàn các dải nhiễu tần số thấp phát ra từ chính sự rò rỉ nội bộ của chip radar.

Hàm cửa sổ đặc biệt: Xử lý toán học để giảm thiểu hiện tượng rò rỉ phổ - tác nhân thường làm nhòe các đỉnh tín hiệu quan trọng.

Trích xuất đặc trưng: Thu về các thông số năng lượng cốt lõi gồm tổng năng lượng toàn dải và năng lượng cục bộ của 5 băng tần con.

Kết quả thu được là những đường cong năng lượng trồi sụt, biến thiên phức tạp theo nồng độ glucose. Mối quan hệ này không tuân theo bất kỳ một hàm tuyến tính đơn giản nào, khiến các phương pháp tính toán truyền thống phải bó tay, nhưng lại là vùng đất toán học lý tưởng để học máy (machine learning) phô diễn sức mạnh.

Sức mạnh từ mô hình AI tí hon 598KB

Điểm độc đáo tạo nên tính thực tiễn cao của GlucoRadar chính là cấu trúc mạng thần kinh tích chập (CNN) được nhóm thiết kế tối giản đến mức kinh ngạc. Mô hình này chỉ bao gồm hai lớp tích chập, một lớp gom cụm và hai lớp kết nối đầy đủ với tổng cộng hơn 150.000 tham số. Toàn bộ thuật toán chỉ chiếm dụng vỏn vẹn 598KB dung lượng bộ nhớ.

Con số 598KB này mang một ý nghĩa mang tính cách mạng cho các thiết bị thương mại. Những bộ vi điều khiển (MCU) giá rẻ, phổ thông trên thị trường hiện nay thường có bộ nhớ flash từ vài trăm KB đến vài MB.

Điều này đồng nghĩa với việc thuật toán AI của GlucoRadar có thể chạy trực tiếp ngay trên các chip xử lý của đồng hồ hay vòng đeo tay thông minh mà không cần phụ thuộc vào sức mạnh điện toán đám mây hay các bộ xử lý đắt tiền.

Để tối ưu hóa độ chính xác, dữ liệu thực nghiệm đã được nhân bản lên gấp ba lần bằng kỹ thuật thêm tạp âm nhân tạo, giúp AI nhận diện được các biến thể tinh vi của mẫu chuẩn.

Kết quả thực tế trên tập kiểm thử khiến giới chuyên môn bất ngờ: độ chính xác toàn cục đạt trên 90%, và điểm F1 - thước đo độ tin cậy của thuật toán phân loại - vượt mốc 85% ở hầu hết các dải nồng độ. Ma trận nhầm lẫn cho thấy tỷ lệ mô hình đoán sai giữa các mức đường huyết kế cận là cực kỳ thấp.

Dù đạt kết quả ấn tượng, nhưng các nhà khoa học vẫn đưa ra những khuyến cáo thực tế rằng công nghệ này hiện mới chỉ hoàn thành thử nghiệm trong ống nghiệm (in vitro) trên môi trường dung dịch nước. Khoảng cách từ một đĩa nghiệm trong phòng thí nghiệm đến làn da sống của con người là một bài toán cơ học và sinh học vô cùng phức tạp.

Da người bao gồm nhiều lớp mô với độ dày, hàm lượng nước, nhiệt độ và tuyến mồ hôi thay đổi liên tục theo trạng thái sinh lý của từng cá thể. Những yếu tố này đều có thể làm méo mó sóng điện từ phản xạ. Chính vì tính phức tạp này, cho đến nay Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) vẫn chưa cấp phép cho bất kỳ thiết bị tiêu dùng nào sử dụng công nghệ radar để đo đường huyết.

Mặc dù vậy, GlucoRadar đã chứng minh được ưu thế vượt trội khi so với các phương pháp không xâm lấn dùng tia quang học cận hồng ngoại hiện nay vốn dễ bị hấp thụ và vùi lấp bởi lớp mỡ và cơ bắp dưới da. Hơn nữa, với công suất tiêu thụ của chip radar dưới 5 milliwatt và khả năng kích hoạt ngắt quãng, bài toán thời lượng pin cho các thiết bị đeo thông minh đã tìm thấy hướng giải quyết.

Với kích thước mô-đun radar bao gồm cả ăng-ten chỉ vỏn vẹn vài milimet vuông, công nghệ này hoàn toàn có thể nằm gọn trong một chiếc nhẫn thông minh hay một chiếc vòng tay thể thao trong tương lai gần. Việc đội ngũ Đại học Dublin quyết định mã nguồn mở toàn bộ dự án từ thiết kế đến tham số AI chính là đòn bẩy để cộng đồng khoa học toàn cầu chung tay hoàn thiện, rút ngắn con đường đưa những thiết bị không châm kim này ra thị trường thương mại.