Thiết bị có tên là CHARM, viết tắt của Continuous Health Analyzing Ring Module (tạm dịch: Mô-đun nhẫn phân tích sức khỏe liên tục), được nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của kỹ sư Joseph Wang phát triển. Theo nhóm nghiên cứu, đây là mẫu nhẫn thông minh tích hợp hoàn chỉnh đầu tiên có khả năng giám sát các chỉ số sinh hóa liên tục trong sinh hoạt hằng ngày.

CHARM có thể theo dõi các chỉ số như đường huyết, ketone, vitamin C, axit uric, lactate và cồn. Thiết bị chỉ nặng khoảng 5,1 gram, đường kính ngoài khoảng 3 cm, bổ sung một lớp thông tin phân tử mà các thiết bị đeo thông minh hiện nay thường chưa cung cấp.

“Các nhẫn thương mại hiện nay chỉ cung cấp thông tin sinh lý cơ học, nhưng chúng thiếu thông tin phân tử về các chỉ số sinh hóa, vốn là những yếu tố mang lại hiểu biết sâu sắc hơn về tình trạng sức khỏe của một cá nhân”, ông Tamoghna Saha, tác giả chính của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của ông Wang, cho biết.

Trong khi phần lớn nhẫn thông minh hiện nay tập trung theo dõi nhịp tim, nhiệt độ cơ thể hoặc chuyển động, CHARM hướng tới việc ghi nhận những thay đổi bên trong cơ thể ở cấp độ phân tử. Thiết bị được chia thành hai nửa kết nối với nhau. Một bên tích hợp hệ thống thu thập mồ hôi, mảng cảm biến và các kênh vi lưu; bên còn lại chứa pin linh hoạt cùng các linh kiện điện tử. Hai phần được nối với nhau bằng một tấm đệm kết nối.

Theo dõi mồ hôi mà không cần “đổ mồ hôi”

Một điểm đáng chú ý của CHARM là thiết bị có thể thu thập mồ hôi ngay cả khi người đeo không vận động. Đây là khác biệt quan trọng so với nhiều cảm biến mồ hôi hiện nay vốn cần người dùng tập thể dục hoặc hoạt động thể chất để tạo đủ mẫu thử.

Hệ thống sử dụng cơ chế thẩm thấu thụ động để rút mồ hôi qua da, dựa trên một kỹ thuật do ông Saha phát triển. Nhờ đó, chiếc nhẫn có thể thu thập dữ liệu sinh hóa liên tục trong ngày, dù người đeo đang vận động hay nghỉ ngơi.

Thử nghiệm cho thấy phương pháp này có thể thu thập mồ hôi với tốc độ tương đối ổn định trên các ngón tay và giữa những người khác nhau. Lượng dịch thu được cao gấp khoảng 5-6 lần lượng da tự sản sinh tại vị trí đó, nhưng không kích thích tình trạng đổ mồ hôi rõ rệt và không gây khó chịu cho người sử dụng.

“Một chiếc nhẫn ghi lại thông tin phân tử động theo thời gian thực sẽ cực kỳ hữu ích để đưa ra các quyết định sáng suốt liên quan đến sức khỏe, chế độ ăn uống và lối sống”, ông Wang nhận định.

Để đánh giá độ chính xác, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm CHARM trên cả người khỏe mạnh và người mắc bệnh tiểu đường tuýp 1.

Kết quả cho thấy các chỉ số glucose do nhẫn ghi nhận bám sát dữ liệu từ các thiết bị theo dõi glucose liên tục thương mại. Chỉ số ketone cũng tương thích với kết quả từ các máy đo ketone trong máu đang được sử dụng phổ biến.

Trong một thử nghiệm, một người mắc tiểu đường tuýp 1 đeo nhẫn trong khi ăn các bữa ăn, sử dụng thực phẩm bổ sung ketone, uống đồ uống có cồn, tập thể dục và ăn kẹo để xử lý tình trạng hạ đường huyết. Thiết bị ghi nhận được sự tăng glucose sau bữa ăn, mức ketone tăng sau khi bổ sung ketone, lactate tăng sau khi tập thể dục vừa sức và nồng độ cồn trong máu tăng rồi giảm dần sau khi uống một ly rượu vang.

Những biến động này tương đối phù hợp với kết quả xét nghiệm máu tiêu chuẩn được thực hiện đồng thời.

Ở nhóm tình nguyện viên khỏe mạnh, CHARM cũng phát hiện những thay đổi nhỏ về đường huyết sau bữa ăn và ketone sau khi sử dụng đồ uống bổ sung. Thiết bị đồng thời ghi nhận sự thay đổi nồng độ axit uric sau khi người tham gia ăn cá trích, loại thực phẩm giàu purin có thể làm tăng axit uric trong cơ thể.

Thiết bị nhỏ tích hợp nhiều công nghệ tối ưu

CHARM kết hợp cảm biến sinh hóa, linh kiện điện tử tiêu thụ năng lượng thấp và pin linh hoạt trong một thiết bị có kích thước nhỏ gọn. Dữ liệu được truyền không dây tới ứng dụng trên điện thoại thông minh để người dùng theo dõi.

Hệ thống thu thập mồ hôi sử dụng một hydrogel thẩm thấu, một loại polymer mềm có khả năng tạo ra chênh lệch áp suất để hấp thụ dịch qua da mà không gây đau. Cơ chế này tương tự quá trình nước di chuyển từ đất qua rễ rồi lên lá cây.

Sau khi được thu thập, mồ hôi được đưa tới mảng cảm biến điện hóa tích hợp bên trong nhẫn. Các phép đo lặp lại theo thời gian giúp hệ thống xây dựng hệ số hiệu chuẩn riêng cho từng người, từ đó chuyển đổi tín hiệu điện thô thành giá trị nồng độ thực tế.

Cách tiếp cận này cho phép theo dõi các xu hướng sinh hóa mang tính cá nhân hóa. Đáng chú ý, các cài đặt hiệu chuẩn riêng có thể duy trì độ chính xác trong khoảng hai tháng trước khi cần cập nhật. Theo các nhà nghiên cứu, điều này có thể giúp người dùng giảm nhu cầu chích máu đầu ngón tay thường xuyên để đối chiếu và hiệu chỉnh thiết bị.

Về nguồn điện, CHARM sử dụng pin sạc kẽm-bạc oxit linh hoạt, cho thời gian hoạt động liên tục lên tới 12 giờ sau mỗi lần sạc. Bo mạch điện tử của thiết bị nhỏ hơn một đồng xu 25 cent của Mỹ. Vỏ nhẫn được chế tạo bằng polymer in 3D, trong khi pin vẫn duy trì khả năng sạc ổn định sau khi bị uốn cong thành các vòng chặt hàng nghìn lần.

“Sự tích hợp như vậy trên một kích thước nhỏ bé của một chiếc nhẫn thật sự kinh ngạc”, ông Wang nói.

Chưa sẵn sàng để ra thị trường

Dù cho thấy nhiều tiềm năng, CHARM hiện vẫn chỉ là mẫu thử nghiệm và chưa sẵn sàng để đưa tới tay người tiêu dùng.

Thiết bị chưa hoàn toàn chống nước, dù nhóm nghiên cứu cho rằng việc phát triển một thiết kế kín hơn có thể khắc phục hạn chế này trong các phiên bản tương lai. Nghiên cứu cũng chưa được tiến hành trên một nhóm lớn và đa dạng người mắc bệnh tiểu đường, đồng thời chưa đánh giá đầy đủ khả năng hoạt động của thiết bị ở những mức đường huyết cực đoan, đặc biệt là tình trạng hạ đường huyết nghiêm trọng.

Để có thể sử dụng trong nhiều ngày thay vì chỉ theo dõi trong một ngày, thiết bị có thể cần những cải tiến về vật liệu hydrogel cũng như các linh kiện có thể dễ dàng thay thế. Các nhà phát triển cũng cần nghiên cứu thêm về hộp cảm biến thay thế hoặc mô-đun pin sạc trước khi công nghệ này có thể trở thành giải pháp theo dõi lâu dài cho người mắc bệnh tiểu đường.

Nghiên cứu về CHARM đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.