Tư duy trong hành động: Các nhà khoa học Nga dạy chân tay giả hiểu được người dùng

Chân tay giả sinh học, hệ thống phục hồi chức năng cho bệnh nhân suy giảm vận động, và các thiết bị robot lặp lại chuyển động của người vận hành là những công nghệ đang rất được ưa chuộng trong thế giới hiện đại hôm nay.

© Ảnh : OlgaMerzlyakova.

Đà phát triển của hướng này được thúc đẩy nhờ phương pháp tiếp cận toàn diện - lập bản đồ hoạt động thần kinh cơ của con người, là thành quả sáng chế của các nhà nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Quốc gia Bauman Matxcơva.

Trong cuộc đàm đạo với phóng viên cổng thông tin «Khoa học Nga», PGS-TS Andrei Nikolaevich Briko, người được chính quyền Matxcơva trao giải thưởng dành cho các nhà khoa học trẻ, chuyên gia Khoa Công nghệ Thông tin Y tế và Kỹ thuật của Đại học Kỹ thuật Quốc gia Bauman Matxcơva đã chia sẻ về điều này và nhiều nội dung khác.

- Xin anh vui lòng cho biết về tiến độ nghiên cứu và những kết quả đã đạt được.

- Nghiên cứu trong lĩnh vực này đã được tiến hành trong khoảng mười năm, cá nhân tôi đã tham gia khi còn là sinh viên. Công trình nghiên cứu của chúng tôi trong lĩnh vực đang thảo luận vốn đã khởi đầu với một nhiệm vụ cơ bản là dựa trên các tín hiệu cơ sẽ xác định xem hành động nào cần được thực hiện. Đây là điều cần thiết để thiết lập mệnh lệnh điều khiển chân tay giả sinh học. Sau đó, đề tài này được mở rộng, bởi cần nghiên cứu chi tiết hơn về quá trình phát sinh những tín hiệu đó.

PGS-TS Andrei Nikolaevich Briko.
© Ảnh : OlgaMerzlyakova.

Thời điểm hiện tại, với hỗ trợ của hệ thống siêu âm, chúng tôi đang nghiên cứu các đặc điểm cơ sinh học của sự co cơ, cho phép theo dõi động lực học của các cơn co thắt trong chế độ thời gian hiện thực. Những dữ liệu này cần thiết dành cho việc xây dựng mô hình toán học về quá trình cơ sinh học của sự co cơ, cho phép thiết lập các liên hệ định lượng với những thông số quan trọng từ các tín hiệu được ghi lại.

Hiện nay chúng tôi cũng đang nghiên cứu chuyển động của cơ với sự hỗ trợ của chẩn đoán siêu âm. Phương pháp này giúp theo dõi động lực học của sự co cơ trong thời gian thực tế và đánh giá những thay đổi ở các lớp cơ sâu, điều đặc biệt quan trọng khi tạo ra hệ thống điều khiển thích ứng.

– Vậy công nghệ mà các bạn phát triển đã được sử dụng trong thực tế chưa, hay là còn đang ở giai đoạn thử nghiệm lâm sàng?

- Đại học Kỹ thuật Quốc gia Bauman Matxcơva tích cực hợp tác với các đối tác công nghiệp cũng như các Viện nghiên cứu khoa học. Ngoài ra, một số đồng nghiệp của chúng tôi là cựu sinh viên của Đại học Kỹ thuật Quốc gia Bauman Matxcơva còn miệt mài đam mê lĩnh vực kỹ thuật và thành lập công ty kỹ thuật của riêng họ, tham gia sáng chế trong các lĩnh vực liên quan. Bởi công nghệ của chúng tôi còn mới mẻ, việc ứng nghiệm vào thực tế đòi hỏi phải có thêm nhiều nghiên cứu bổ sung.

Thử nghiệm các phương pháp ghi tín hiệu trên chính bản thân hoặc đồng nghiệp dưới sự giám sát của ủy ban đạo đức nội bộ là một chuyện, còn tích hợp công nghệ này vào một thiết bị y tế rồi thử nghiệm trên nhóm bệnh nhân rộng lại là chuyện hoàn toàn khác. Hơn nữa, hiện hữu sự khác biệt đáng kể giữa tín hiệu của những tình nguyện viên khỏe mạnh và của bệnh nhân đã cắt cụt chi.

Yếu tố này gây khó khăn cho việc điều chỉnh các thuật toán: để đánh giá hiệu quả điều khiển chân tay giả thì quy trình ghi tín hiệu phải được hiệu chuẩn riêng cho từng cá nhân người dùng. Ở một bệnh nhân, độ chính xác của hiệu suất vận động có thể đạt tới 99%, nhưng ở một người khác chỉ đạt 80%. Tương tự, một người có thể thực hiện nhiều chuyển động hơn, trong khi ở một người khác, số lượng chuyển động sẽ là hạn chế.

Như vậy, thử nghiệm cho thấy hiệu quả cao ở giai đoạn phòng thí nghiệm, nhưng khi chuyển sang ứng dụng thực tế chắc chắn sẽ nảy sinh thêm những khó khăn về mặt kỹ thuật và lâm sàng. Tuy nhiên, tôi tin rằng những rào cản đó sẽ được khắc phục. Chúng tôi trông đợi rằng trong tương lai gần công nghệ này được đánh giá lâm sàng, sẽ là bước tiến quan trọng hướng tới việc triển khai trong thực hành y tế và thương mại hóa.

- Có ghi nhận là kết quả nghiên cứu của các bạn rất quan trọng đối với việc tạo ra các hệ thống robot phục hồi chức năng cho các bệnh nhân bị suy giảm vận động. Ở đây ngụ ý kiểu một khung xương ngoài hay là thứ gì khác?

- Trước hết, chuyện đang nói về dụng cụ chỉnh hình phục hồi chức năng, là các thiết bị thực hiện giữ vững hoặc hỗ trợ chuyển động, giúp người bệnh thực hiện hành động mà họ không thể tự mình làm được. Ví dụ, các hệ thống như vậy có thể giống như chiếc găng có động cơ được đeo vào tay và cho phép người dùng cầm nắm đồ vật hoặc rèn luyện những chức năng bị mất.

Tất nhiên, khung xương bên ngoài cũng là hướng đi đầy triển vọng. Điểm khác biệt then chốt bao hàm ở chỗ có thể hỗ trợ cho cả chi trên và chi dưới, mà đôi khi là toàn bộ cơ thể. Tương ứng, để kiểm soát hiệu quả thì đòi hỏi ghi nhận tín hiệu không chỉ từ tay mà còn từ chân nữa.

Công trình nghiên cứu của chúng tôi về cơ bản tập trung vào phân tích hoạt tính thần kinh cơ ở chi trên, bởi công nghệ mà chúng tôi phát triển chủ yếu nhằm mục đích kiểm soát bộ phận giả ở tay và những thiết bị phục hồi chức năng cho bệnh nhân sau cơn đột quỵ. Tuy nhiên, về mặt lý thuyết, có thể điều chỉnh để dành cho cả bộ khung xương bên ngoài. Nhưng sẽ phải nghiên cứu thêm về cơ chế sinh học của sự co cơ ở chi dưới và thử nghiệm hệ thống trong điều kiện mới.

Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc phân tích hoạt động thần kinh cơ ở chi trên, vì công nghệ chúng tôi phát triển chủ yếu nhằm mục đích điều khiển chân tay giả và thiết bị phục hồi chức năng cho bệnh nhân đột quỵ. Tuy nhiên, về mặt lý thuyết, nó có thể được điều chỉnh cho bộ xương ngoài. Điều này đòi hỏi phải nghiên cứu thêm về cơ sinh học của sự co cơ ở chi dưới và thử nghiệm hệ thống trong những điều kiện mới. Chúng tôi coi khả năng này như là một trong những hướng nghiên cứu trong tương lai.

- Hiện nay ở Nga và trên toàn thế giới có những vấn đề cơ bản nào trong quá trình phát triển chân tay giả sinh học và các thiết bị khác để phục hồi chức năng cho người bị suy giảm vận động? Liệu những phát kiến của nhóm bạn có cho phép khắc phục một số vấn đề trong đó hay chăng?

- Một trong những khó khăn chủ chốt gắn với việc ghi lại tín hiệu điện sinh học. Phần lớn các chân tay giả thương mại, sản phẩm của Nga và nước ngoài, đều sử dụng cơ đồ điện bề mặt. Tuy nhiên, phương pháp này có những hạn chế: vì các điện cực đọc tín hiệu từ các cơ nông trên bề mặt của chi, nên chất lượng tiếp xúc đóng vai trò quyết định. Sự dịch chuyển điện cực, thay đổi tình trạng của da, đổ mồ hôi - tất cả những điều đó có thể dẫn đến mất ổn định tín hiệu và giảm khả năng kiểm soát. Hệ thống điện cực bố trí trong ống chân tay giả cần phải vừa khít với cơ thể, nếu không độ chính xác điều khiển sẽ giảm.

Vấn đề thứ hai là xử lý tín hiệu trong chế độ thời gian hiện thực. Để điều khiển chân tay giả sinh học một cách thoải mái và tự nhiên, độ trễ từ lúc nảy sinh ý định đến khi thực hiện chuyển động không được vượt quá 100-200 ms (mili giây). Tuy nhiên, việc xử lý tín hiệu, lọc nhiễu và điều chỉnh hệ thống cho phù hợp với từng người dùng cụ thể lại đòi hỏi tài nguyên tính toán. Thuật toán xử lý chậm hoặc dữ liệu chất lượng kém có thể dẫn đến cảm giác trễ, gây khó khăn cho việc dùng chân tay giả.

Khó khăn thứ ba là việc điều chỉnh hệ thống thích ứng cho t từng cá nhân. Mỗi bệnh nhân có cấu hình giải phẫu riêng biệt, yếu tố ảnh hưởng đến vị trí phân bố các cảm biến, mức tín hiệu và hiệu suất điều khiển. Ở một người, hệ thống có thể hoạt động với độ chính xác cao, trong khi ở người khác nó có thể cho kết quả kém ổn định hơn. Thực trạng đó đòi hỏi việc điều chỉnh chân tay giả và hiệu chuẩn thuật toán riêng biệt, gây phức tạp cho việc triển khai ứng nghiệm đại trà các công nghệ như vậy.

Khắc phục những tồn tại này là nhiệm vụ khá cấp bách. Phân tích các công trình khoa học đã công bố cho thấy hướng này đang phát triển mạnh, và chúng tôi hy vọng rằng trong tương lai không xa sẽ vượt qua được những hạn chế kể trên.

- Vậy ngoài y học thì thành tựu nghiên cứu của các bạn có thể hữu ích trong lĩnh vực nào khác hay không?

- Có triển vọng lớn đang mở ra về việc ứng dụng công nghệ của chúng tôi trong lĩnh vực sản xuất thiết bị y tế, như tôi đã đề cập, hoặc sản xuất các hệ thống robot hình người, vốn đòi hỏi khả năng điều khiển bằng lực tương ứng có kiểm soát. Cụ thể, hướng đi đầy hứa hẹn là tạo ra các hệ thống liên lạc phản hồi. Điều này sẽ cho phép người dùng cảm nhận được lực cản khi tương tác với các vật thể, là yêu cầu đặc biệt quan trọng khi làm việc với những vật thể dễ vỡ như trứng hoặc thủy tinh. Nhờ đó, có thể điều chỉnh lực kẹp chính xác hơn, ngăn ngừa gây hư hại các vật thể. Hiện tại, hướng này đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển đồng bộ các thiết bị hoàn chỉnh.