Miếng dán da không dùng pin của NUS có thể theo dõi huyết áp suốt ngày đêm

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã phát triển một mạng cảm biến biểu bì không dùng pin, được thiết kế để ước tính huyết áp tâm thu liên tục khi người dùng ngủ, tập thể dục và sinh hoạt bình thường. Thay vì tích hợp pin cùng nhiều linh kiện vào đồng hồ thông minh, nguyên mẫu sử dụng hai cảm biến bám trên da, một chiếc smartphone và các đường vải dẫn điện được tích hợp vào quần áo.

Đây mới là một minh chứng cho tính khả thi của công nghệ, chưa phải thiết bị theo dõi y tế thương mại. Thử nghiệm được báo cáo chỉ có năm người tham gia, vì vậy cần các nghiên cứu xác nhận quy mô lớn hơn trước khi hệ thống có thể thay thế thiết bị đo huyết áp đã được kiểm định lâm sàng.

Vì sao cần theo dõi huyết áp liên tục?

Máy đo huyết áp truyền thống thường được sử dụng khi người đo đang ngồi yên và thư giãn. Cách đo này hữu ích để ghi nhận huyết áp lúc nghỉ, nhưng có thể bỏ sót nhiều thay đổi xảy ra trong các thời điểm khác của ngày.

Giấc ngủ và thời điểm thức dậy có thể cho thấy những kiểu biến động khác nhau

Huyết áp thường không được đo trong lúc ngủ sâu hoặc ngay sau khi thức dậy. Vì thế, những thay đổi về huyết áp ban đêm hay mức tăng rõ rệt sau khi thức giấc có thể không xuất hiện trong các lần đo rời rạc vào ban ngày. Dự án của NUS hướng tới việc ghi nhận các biến động này trong chính bối cảnh chúng xảy ra, thay vì chỉ dựa vào những chỉ số đo lúc nghỉ.

Vận động cho thấy hệ tim mạch phản ứng ra sao trước áp lực

Tập thể dục có thể khiến huyết áp tâm thu thay đổi nhanh chóng. Theo dõi trong lúc vận động giúp các nhà nghiên cứu và bác sĩ tìm hiểu những phản ứng tăng hoặc giảm bất thường mà một lần đo bằng vòng bít khi nghỉ khó thể hiện. Nhóm nghiên cứu cho biết đã thử nghiệm hệ thống trong các tình huống đi lại, ngủ và tập luyện, bao gồm cả vận động cường độ cao.

Máy đo bắp tay và thiết bị đeo cổ tay đều có giới hạn

Máy đo dùng vòng bít ở bắp tay vẫn là phương pháp quen thuộc để đo huyết áp, nhưng việc bơm phồng vòng bít có thể làm gián đoạn giấc ngủ và người dùng thường phải giữ yên trong lúc đo. Thiết bị đeo ở cổ tay thuận tiện hơn cho việc sử dụng liên tục, song vẫn cần sạc pin; hơn nữa, các phương pháp ước tính huyết áp không dùng vòng bít cần được kiểm chứng cẩn thận với các phương pháp tham chiếu được chấp nhận.

Nguyên mẫu NUS nhắm tới cả hai bất tiện này: cảm biến được thiết kế để bám trên da trong lúc người dùng vận động hằng ngày, đồng thời không cần trang bị pin riêng cho từng cảm biến. Tuy nhiên, sự tiện lợi không đồng nghĩa với việc thiết bị đã sẵn sàng sử dụng trong lâm sàng.

Cảm biến ở ngực và cổ tay ước tính huyết áp như thế nào?

Hệ thống không đo huyết áp bằng cách bơm phồng vòng bít quanh cánh tay. Thay vào đó, thiết bị kết hợp hai tín hiệu liên quan đến thời điểm hoạt động của tim và quá trình lan truyền của mạch:

1. Cảm biến ở ngực ghi nhận hoạt động điện của tim. Các điện cực bạch kim khô phát hiện sự kiện điện liên quan đến lúc tim co bóp và đẩy máu đi.
2. Cảm biến ở cổ tay phát hiện mạch đến nơi. Cảm biến quang học đo những thay đổi theo nhịp của lượng máu gần cổ tay.
3. Hệ thống tính khoảng trễ giữa hai sự kiện. Khoảng thời gian này được gọi là thời gian truyền mạch—tức thời gian sóng liên quan đến mạch di chuyển từ tim về phía cổ tay.
4. Dữ liệu thời gian được dùng để ước tính huyết áp tâm thu. Nhìn chung, thời gian truyền mạch dài hơn thường tương ứng với huyết áp thấp hơn theo chiều ngược lại. Nhờ đó, hệ thống suy ra xu hướng thay đổi huyết áp thay vì đo trực tiếp như máy dùng vòng bít.

Vì vậy, thiết bị phù hợp hơn với cách gọi bộ ước tính huyết áp không dùng vòng bít. Kết quả phụ thuộc vào tín hiệu cảm biến, phép đo thời gian và quá trình hiệu chuẩn. Hiệu năng của hệ thống cần được đánh giá bằng cách so sánh với các phép đo tham chiếu đã được thiết lập trên nhiều người và trong nhiều điều kiện khác nhau.

Quần áo truyền năng lượng và dữ liệu ra sao?

Nguyên mẫu biến một chiếc áo dài tay thông thường thành một phần của mạng thiết bị đeo. Một đường vải dẫn điện bằng đồng–niken kết nối các vị trí đặt cảm biến, trong khi người dùng đeo smartphone ở phần trên cánh tay.

Kiến trúc này sử dụng hai kênh không dây cho hai nhiệm vụ khác nhau:

• Truyền năng lượng NFC ở tần số 13,56 MHz: cuộn dây trong smartphone tạo ra từ trường, còn cuộn dây ở cảm biến biến năng lượng trường gần đó thành dòng điện.
• Truyền dữ liệu Bluetooth ở tần số 2,4 GHz: sau khi được cấp năng lượng, các cảm biến gửi dữ liệu sinh lý về smartphone.

Vải dệt được thiết kế để tách kênh cấp năng lượng trường gần khỏi kênh truyền dữ liệu Bluetooth. Nói đơn giản, smartphone đóng vai trò trung tâm: thiết bị vừa cấp năng lượng cho các cảm biến phân tán, vừa tiếp nhận dữ liệu mà không cần đặt pin trên da.

Ý tưởng này kế thừa các nghiên cứu trước đó về quần áo hỗ trợ kết nối trường gần, cho phép liên kết những cảm biến không dùng pin tại nhiều vị trí trên cơ thể.

Nhóm nghiên cứu và động lực phát triển

Theo các thông tin về dự án, công việc bắt đầu tại Nhóm Điện tử sinh học không dây của NUS vào năm 2021, với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu từ Đại học Arizona và Đại học Thanh Hoa. Kết quả được công bố trên tạp chí Nature Electronics dưới dạng một mạng cảm biến biểu bì không dây, không dùng pin, nhằm theo dõi liên tục huyết áp tâm thu.

Dự án cũng bắt nguồn một phần từ trải nghiệm cá nhân. Cha của nhà nghiên cứu Selman Kurt từng gặp tình trạng tăng huyết áp “áo choàng trắng”—huyết áp cao hơn khi ở môi trường y tế—và cảm thấy khó chịu với việc đeo máy đo vòng bít trong 24 giờ vì vòng bít phồng lên lúc ngủ. Trải nghiệm này cho thấy nhu cầu về một phương thức ít gây gián đoạn hơn để quan sát huyết áp trong cả ngày lẫn đêm.

Những điểm cần hoàn thiện trước khi thương mại hóa

Các bước tiếp theo của nguyên mẫu không chỉ liên quan đến độ chính xác y khoa mà còn đến trải nghiệm sử dụng hằng ngày.

Hiển thị kết quả theo thời gian thực trên smartphone

Hệ thống dự kiến sẽ đi kèm một ứng dụng hiển thị chỉ số huyết áp trên smartphone theo thời gian thực. Việc chuyển tín hiệu cảm biến thành dữ liệu rõ ràng, ổn định và dễ hiểu sẽ rất quan trọng nếu công nghệ muốn vượt ra ngoài phạm vi trình diễn trong phòng thí nghiệm.

Tăng độ bền của vải dẫn điện

Hiện tại, vải có thể chịu được khoảng 10 lần giặt trước khi khả năng truyền năng lượng và dữ liệu bắt đầu suy giảm. Một hệ thống cảm biến tích hợp vào quần áo sẽ cần chịu được việc giặt lặp lại và hao mòn trong sinh hoạt thường ngày tốt hơn trước khi có thể được sử dụng rộng rãi.

Kiểm chứng trên nhóm người lớn và đa dạng hơn

Thử nghiệm với năm người có thể cho thấy kiến trúc hệ thống hoạt động, nhưng chưa đủ để xác lập hiệu năng trên toàn bộ dân số hoặc chứng minh thiết bị phù hợp cho chẩn đoán. Các nghiên cứu tiếp theo cần so sánh kết quả ước tính với phương pháp tham chiếu huyết áp được chấp nhận trên nhiều người dùng, hoạt động và tình trạng sức khỏe hơn. Trước khi được sử dụng trong lâm sàng thương mại, công nghệ cũng cần trải qua quy trình kiểm định theo quy định.

Kết luận

Đột phá chính của hệ thống NUS nằm ở kiến trúc: kết hợp cảm biến bám da, cơ chế cấp năng lượng không dùng pin qua quần áo và smartphone làm trung tâm thu thập dữ liệu. Cách tiếp cận này có thể giúp theo dõi biến động huyết áp trong lúc ngủ, thức dậy, tập luyện và sinh hoạt thường ngày—những thời điểm mà các lần đo bằng vòng bít không liên tục thường chỉ cung cấp rất ít bối cảnh.

Ở thời điểm hiện tại, đây vẫn là một nguyên mẫu nghiên cứu đầy hứa hẹn, chưa phải sản phẩm thay thế máy đo huyết áp bắp tay đã được kiểm định. Tương lai của công nghệ phụ thuộc vào việc chứng minh độ chính xác trên quy mô lớn, kéo dài độ bền của vải và cung cấp kết quả theo thời gian thực một cách đáng tin cậy trong một hệ thống đeo thực tiễn.