Kể từ khi phát hiện ra graphene, các ứng dụng trong các ngành khoa học khác nhau đã bùng nổ, với những lợi ích to lớn được tạo ra, đặc biệt là trong thiết bị điện tử tần số cao, cảm biến sinh học, hóa học và từ tính, bộ tách sóng quang băng thông cực rộng và lưu trữ và tạo ra năng lượng. Việc ứng dụng cảm biến điện cơ từ vật liệu nano graphene có tiềm năng tạo ra thay đổi cơ bản cho việc theo dõi tín hiệu điện cơ từ bề mặt da bằng cách tích hợp vào các vật liệu vải thông minh có thể đeo (mặc) [13].
Tầm quan trọng của việc đo tín hiệu điện cơ
Các loại quần áo thông minh đang dần được tích hợp các công nghệ đeo (mặc) thông minh trong y tế, thể thao, phục hồi chức năng cũng như huấn luyện quân sự. Một phương pháp chẩn đoán quan trọng và có giá trị có thể được tích hợp vào các loại vải thông minh là hệ thống đo điện cơ (Electromyography – EMG) nhằm thu thập, phân tích và nghiên cứu các tín hiệu điện phát ra từ các bó cơ và mối tương quan của chúng với chức năng của cơ.
Tín hiệu điện cơ là một dạng tín hiệu điện sinh học. Nó là loại tín hiệu rất quan trọng có giá trị hỗ trợ chẩn đoán chính xác các bệnh về thần kinh và cơ. Gần như toàn bộ các tín hiệu điện sinh học có nguyên do từ sự thay đổi rất nhanh của điện thế qua màng tế bào của các tế bào sống. Các tín hiệu điện sinh học phát sinh từ các điện thế qua màng tế bào và thay đổi theo thời gian; chúng có thể được thấy ở các tế bào thần kinh hay các tế bào cơ, bao gồm cả cơ tim. Cơ sở điện hóa của điện thế màng tế bào dựa trên hai hiện tượng: màng tế bào có tính bán thấm – có độ dẫn và độ thấm khác nhau đối với các ion và phân tử khác nhau; màng tế bào có các cơ chế bơm ion sử dụng năng lượng trao đổi chất [1, 2].
Hình 1. Motor Unit (MU) – Đơn vị thần kinh vận động
Một sơ đồ đơn vị thần kinh vận động được mô tả trong Hình 1. Một đơn vị thần kinh vận động (Motor Unit – MU) được tạo thành từ một nơ-ron vận động và các sợi cơ xương bao quanh bởi các đầu nối trục thần kinh vận động của nơ-ron. Các nhóm MU thường phối hợp với nhau để thực hiện động tác co của cơ. Tất cả các sợi cơ trong một đơn vị vận động đều thuộc cùng loại sợi: sợi châm loại I hay sợi nhánh loại II. Khi một đơn vị vận động được kích hoạt, tất cả các sợi của nó đồng loạt thực hiện. Số lượng các sợi cơ kết nối với mỗi đơn vị vận động khác nhau trong các nhóm cơ bắp khác nhau. Ví dụ như một đơn vị vận động của cơ đùi liên kết với hàng trăm sợi cơ, trong khi một đơn vị vận động ở mắt liên kết với khoảng 10 sợi cơ ngoài. Nhiều nghiên cứu khoa học đã ghi nhận các thực nghiệm và giá trị của tín hiệu điện cơ (EMG) trong các ứng dụng khác nhau, ví dụ:
i) Chẩn đoán y tế: mục đích của việc ghi điện cơ là để thăm dò hệ thần kinh ngoại biên. EMG được sử dụng như một công cụ chẩn đoán để xác định các bệnh thần kinh cơ, hoặc là một công cụ để nghiên cứu về cơ thể động học (Kinesiology – nghiên cứu các cơ chế chuyển động của con người và ảnh hưởng của chúng đến sức khỏe) và rối loạn kiểm soát vận động.
Hình 2. a) Ghi điện cơ ở tay và b) đồ thị biên độ tín hiệu EMG
Tín hiệu EMG được thu bằng phương pháp ghi điện cơ (điện cơ đồ) và được biểu diễn ở dạng đồ thị biên độ như Hình 2. Tín hiệu điện cơ giúp bác sĩ chẩn đoán xác định, chẩn đoán, phân biệt bản chất tổn thương sợi trục hay tổn thương phối hợp, tế bào thần kinh vận động, myelin (một chất giàu lipid bao quanh sợi trục của một số tế bào thần kinh, tạo thành một lớp cách điện, cần thiết để hệ thần kinh hoạt động chuẩn xác) và chẩn đoán định khu, tiên lượng bệnh để từ đó xác định nguyên nhân của bệnh và đưa ra phương pháp điều trị hiệu quả nhất. Bệnh nhân sau khi được thực hiện đo điện cơ, bác sĩ nhìn vào kết quả có thể xác định một số bệnh [3,4]:
- Rối loạn dây thần kinh bên ngoài tủy sống (hệ thần kinh ngoại biên) như hội chứng ống cổ tay hoặc bệnh lý dây thần kinh ngoại biên. EMG giúp các bác sĩ chẩn đoán bệnh và đưa ra quyết định có cần điều trị phẫu thuật hay không.
- Các rối loạn ảnh hưởng đến thần kinh vận động ở não hoặc tủy sống như xơ cứng cột bên teo cơ hoặc bại liệt.
- Các rối loạn rễ thần kinh như thoát vị đĩa đệm cột sống, đau thần kinh tọa.
- Rối loạn cơ như loạn dưỡng cơ hay viêm đa cơ.
- Các bệnh ảnh hưởng đến sự liên kết giữa thần kinh và cơ như bệnh nhược cơ.
ii) Phục hồi chức năng: sau những cơn đột quỵ, việc phục hồi chức năng sớm là cực kỳ quan trọng để tận dụng giai đoạn dẻo dai cao của hệ thần kinh. Ứng dụng của tín hiệu điện cơ kết hợp với sự hỗ trợ của các robot được áp dụng trong trị liệu và phục hồi chức năng sau đột quỵ [5]. Bằng cách theo dõi, kiểm tra các hoạt động của chi trên, chi dưới một cách liên tục khi người bệnh vận động, bác sĩ sẽ đưa ra các quy trình điều trị cụ thể.
iii) Thể thao và huấn luyện: trong thể thao, ứng dụng của tín hiệu điện cơ được kết hợp với các trang thiết bị chuyên môn để đo đạc, tính toán các thông số trong quá trình huấn luyện, từ đó đưa ra các quy trình đào tạo cụ thể cho vận động viên để nâng cao chất lượng luyện tập. Phương pháp đo điện cơ sử dụng trong thể thao thường là đo ở bề mặt da để tạo sự thoải mái nhất cho vận động viên, đồng thời có tính linh hoạt để tín hiệu được theo dõi liên tục. Ví dụ, trong tập luyện bộ môn bắn súng, các vận động viên thường được gắn các cảm biến trên cánh tay để đo độ ổn định của người bắn, thời điểm bắn, độ di chuyển của súng và tay [6].
Hạn chế của các phương pháp đo điện cơ truyền thống
Tuy nhiên, việc thực hiện theo dõi tín hiệu điện cơ một cách thường xuyên và liên tục vẫn đang bị vướng nhiều rào cản về khả năng tái sử dụng và sự bất tiện của điện cực thông thường. Vì vậy, có hướng nghiên cứu mới tập trung vào việc tìm ra phương pháp không xâm lấn (non-intrusive) cho phép đo các tín hiệu điện từ bề mặt da người. Hai phương pháp phổ biến nhất dùng để đo tín hiệu điện cơ hiện nay là đo bên trong da với điện cực kim đồng tâm và đo bề mặt da với điện cực ướt Ag/AgCl.
Hình 3. Đo điện cơ trong da
Phương pháp đo điện cơ bên trong da sử dụng điện cực kim được thể hiện trong Hình 3. Trong quá trình ghi điện cơ, hoạt động điện của cơ được đo lúc nghỉ ngơi và khi co cơ. Bác sĩ sẽ dùng các kim khác nhau có kích thước nhỏ hơn kim tiêm. Thăm dò này cần thiết để chẩn đoán đau thần kinh hông hay còn gọi là đâu thần kinh tọa hoặc đau dây thần kinh cổ tay. Kỹ thuật này phổ biến nhất trong lĩnh vực ghi điện cơ bởi độ nhạy và tính chính xác của nó. Đây được coi là tiêu chuẩn vàng để chẩn đoán tất cả các bệnh lý về cơ như: bệnh cơ, viêm cơ hoặc loạn dưỡng cơ. Tuy nhiên, đối với điện cực kim, người bệnh sẽ có cảm giác khó chịu hoặc đau khi đâm kim xuyên vào da. Trong một vài trường hợp, người bệnh có cảm giác ngứa ran, bầm tím và sưng tại vị trí dùng kim đo điện cơ. Bên cạnh đó, kỹ thuật này không có tính linh hoạt bởi nó chỉ được sử dụng ở bệnh viện hoặc phòng khám.
Đo điện cơ bề mặt da: để đo tín hiệu điện cơ ở bề mặt da, người ta thường sử dụng điện cực ướt Ag/AgCl. Điện cực này được cố định trực tiếp trên da bởi lớp keo dính dẫn điện. Cảm biến Ag/AgCl rất nhạy với điện cơ và thu tín hiệu rất tốt, tuy nhiên nhược điểm của nó là tuổi thọ ngắn, chỉ sử dụng được một lần.
Hình 4. Đo điện cơ bề mặt da sử dụng mạch Myoware
Hiện nay, phương pháp phổ biến nhất để thu điện cơ bề mặt là sử dụng mạch Myoware như Hình 4. Cảm biến Ag/AgCl được tiếp xúc giữa cơ và mạch Myoware. Mạch này sẽ kết nối với vi điều khiển như Arduino, STM32, v.v. và truyền dữ liệu lên máy tính để phân tích. Phương pháp này sẽ không gây đau hay cảm giác khó chịu như đo điện cơ bên trong da. Tuy nhiên nó vẫn khá cồng kềnh và không linh hoạt.
Cảm biến graphene đang thay đổi ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến như thế nào?
Graphene là một dạng của carbon bao gồm một lớp (đơn lớp) nguyên tử carbon được sắp xếp, liên kết chặt chẽ với nhau trong một mạng tổ ong hai chiều. Mỗi nguyên tử cacbon trong tấm graphene liên kết chặt chẽ với ba nguyên tử khác ở các góc giống hệt nhau, tạo thành một cấu trúc phẳng giống như tổ ong. Tương tự như kim cương – graphene là một tinh thể carbon ba chiều, nơi mọi nguyên tử được kết nối với bốn nguyên tử khác – những liên kết bền chặt này mang lại cho cấu trúc độ bền đáng kể. Có khoảng 3 triệu lớp graphene trong một tấm graphit dày 1 mm [13].
Hình 5. Các cấu trúc khác nhau của carbon, bao gồm cả graphene
Kể từ khi phát hiện ra graphene, các ứng dụng trong các ngành khoa học khác nhau đã bùng nổ, với những lợi ích to lớn được tạo ra, đặc biệt là trong thiết bị điện tử tần số cao, cảm biến sinh học, hóa học và từ tính, bộ tách sóng quang băng thông cực rộng và lưu trữ và tạo ra năng lượng. Việc ứng dụng cảm biến điện cơ từ vật liệu nano graphene có tiềm năng tạo ra thay đổi cơ bản cho việc theo dõi tín hiệu điện cơ từ bề mặt da bằng cách tích hợp vào các vật liệu vải thông minh có thể đeo (mặc) [13].
Graphene chức năng hóa hứa hẹn đặc biệt cho các cảm biến sinh học và hóa học. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc 2D đặc biệt của graphene oxide (GO), kết hợp với khả năng siêu thấm của nó với các phân tử nước, dẫn đến các thiết bị cảm biến với tốc độ chưa từng có. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng hơi hóa học làm thay đổi phổ nhiễu của bóng bán dẫn graphene, cho phép chúng thực hiện cảm biến khí có chọn lọc đối với nhiều hơi bằng một thiết bị duy nhất làm bằng graphene nguyên sinh – không cần chức năng hóa bề mặt graphene [13].
Một cách tiếp cận khá hay là kết nối cảm biến nano graphene thụ động, không dây với vật liệu sinh học thông qua hấp thụ sinh học. Các nhà nghiên cứu cũng đã bắt đầu làm việc với bọt graphene – cấu trúc ba chiều của các tấm graphene liên kết với nhau có độ dẫn điện cực cao. Những cấu trúc này rất có triển vọng làm cảm biến khí và như cảm biến sinh học để phát hiện bệnh [13].
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta không thể phát hiện ra những dao động quy mô rất nhỏ về nhiệt độ, áp suất và điện trở trên cơ thể, nhưng các cảm biến graphene thế hệ mới có thể làm công việc đó. Các tín hiệu vô hình như điện cơ, điện tim, điện não trở nên hữu hình, có thể đo lường được và quan trọng nhất là giúp cải thiện sức khỏe của con người bằng cách thu nhập và phân tích bộ dữ liệu lớn. Cảm biến graphene được tích hợp trong thiết bị thông minh sẽ tạo ra những thay đổi đột phá trong tương lai trong việc chăm sóc sức khỏe từ xa và tại nhà.
Ngay trong đại dịch COVID-19, nhóm nghiên cứu từ Viện Công nghệ California (Caltech) đã thiết kế một thiết bị cảm biến từ graphene cho phép chẩn đoán nhiễm COVID-19 ngay tại nhà. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một bộ kiểm tra nhanh – SARVS-CoV-2 RapidPlex có thể chẩn đoán COVID-19 chỉ trong 10 phút hoặc ít hơn. RapidPlex được chế tạo bằng cách khắc các cảm biến graphene vào một tấm nhựa bằng tia laser. Các cảm biến được ngâm tẩm với các kháng thể cụ thể có thể phản ứng với kháng nguyên virus cho biết nhiễm trùng đang hoạt động, kháng thể SARS-CoV-2 cho biết phản ứng miễn dịch và C-Reactive Protein cho biết mức độ nghiêm trọng của triệu chứng. Các cảm biến graphene được kết nối với bảng mạch để xử lý tín hiệu truyền tới thiết bị và hiển thị kết quả.
Phát triển ứng dụng cảm biến điện cơ từ vật liệu nano graphene tại Việt Nam
Là một trong những công ty tiên phong nghiên cứu về công nghệ cảm biến graphene, Bonbouton Incorporation và đối tác Flextrapower tại Hoa Kỳ có khả năng tạo ra những cảm biến thế hệ mới từ vật liệu nano graphene để tích hợp vào vật liệu vải và đưa vào các ứng dụng trong y tế, trong phục hồi chức năng, trong khoa học thể thao.
Flextrapower và các cộng sự đã được cấp bằng sáng chế tại Hoa Kỳ cho việc tạo ra điện cực graphene từ công nghệ in 3D graphene. Các đặc tính điện của điện cực graphene có thể được điều chỉnh bằng cách thêm hoặc giảm kích thước các hạt nano cũng như thay đổi thành phần của dung môi được dùng để tối ưu hoá độ dẫn điện hoặc để tạo ra môi trường điện dung. Điện cực graphene có thể được sử dụng để chế tạo ra tụ điện hai lớp nhằm lưu trữ năng lượng bằng cách phân tách điện tích ở quy mô nano tại giao diện điện cực – chất điện phân (siêu tụ điện).
Nhóm nghiên cứu của Bonbouton Incorporation kết hợp cùng Viện Điện tử Viễn thông – ĐH Bách khoa Hà Nội, thông qua dự án nghiên cứu “Phát triển công nghệ ứng dụng cảm biến điện cơ từ vật liệu nano graphene” do Quỹ VINIF tài trợ, đã chứng minh được tiềm năng rất lớn của ứng dụng cảm biến điện cơ từ vật liệu graphene. Các điện cực graphene do Bonbouton Incorporation chế tạo có khả năng tích hợp vào các loại vải thông minh khác nhau. Tín hiệu đo được từ điện cực graphene tốt tương đương với điện cực tiêu chuẩn dùng trong y tế hiện nay là Ag/AgCl. Điều đặc biệt là điện cực graphene có khả năng dùng lại nhiều lần (> 500 lần) so với loại điện cực chỉ dùng một lần hiện nay, từ đó có thể giảm giá thành của cảm biến xuống nhiều lần.
Hình 6. Các đồ thị so sánh cảm biến graphene và cảm biến Ag/AgCl
Hệ thống cảm biến điện cơ graphene được kỳ vọng sẽ mở ra những tiềm năng ứng dụng trong ngành y tế số, và chăm sóc sức khỏe từ xa. Một số ứng dụng cụ thể mà nhóm nghiên cứu đang theo đuổi là những ứng dụng trong vật lý trị liệu, theo dõi quá trình phục hồi chức năng một số bệnh lý như loãng xương ở người già, chứng nhược cơ ở trẻ nhỏ, v.v., cũng như khả năng xử lý và chẩn đoán sớm một số bệnh về cơ như chứng đau lưng dưới.
Tác giả: Vũ Quốc Sỹ1, Lê Huệ Chi1, Hàn Huy Dũng2, Phạm Nguyễn Thanh Loan2, và Lê Tùng Linh1
1 Công ty TNHH Bonbouton Incorporation
2 Viện Điện tử Viễn Thông – Đại học Bách Khoa Hà Nội
Biên tập: Quỹ đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF).
Tài liệu tham khảo
1. P. Konrad, “The ABC of EMG: A Practical Introduction to Kinesiological Electromyography,” Noraxon U.S.A. Inc., pp. 7-9, 2006.
2. R. Merletti and P. Parker, “Basic Physiology and Biophysics of EMG Signal Generation” in Electromyography Physiology, Engineering, and Noninvasive Application,” vol. IEEE Press, pp. 2-4, 2004.
3. “Vinmec international hospital,” [Online]. Available: https://www.vinmec.com/vi/tin-tuc/thong-tin-suc-khoe/ghi-dien-co-emg-de-lam-gi/
4. V. Như, “Viện nghiên cứu bệnh cơ xương khớp Việt Nam,” 09 03 2021. [Online]. Available: https://ihr.org.vn/co-sinh-hoc-1703.html
5. “Ant neuro inspiring technology,” [Online]. Available: https://www.ant-neuro.com/show-case/eeg-and-emg-rehabilitation
6. L. Sv.ecova and D. Vala, “Using Electromyography for Improving Training of Sport Shooting. IFAC-PapersOnline,” Vols. IFAC-PapersOnline, pp. 541-545, 2016.
7. Ngan, “Thư viện tài liệu,” 11 08 2020. [Online]. Available: https://www.elib.vn/tai-lieu/electromyography-dien-co-16510.html
8. S. F. Toro, Y. Wei, E. Olmeda, L. Ren, W. Guowu and V. Diaz, “Validation of a Low-Cost Electromyography (EMG) System via a Commercial and Accurate EMG Device: Pilot Study,” 2019.
9. California Technology Institute, “SARS-CoV-2 RapidPlex: New Sensor Rapidly Detects COVID-19 Infection,” 10 4 2020 [Online]. Available: https://scitechdaily.com/sars-cov-2-rapidplex-new-sensor-rapidly-detects-covid-19-infection/
10. “Fatima Awan; Yilin He; Linh Le; Le-Lan Tran; Huy-Dung Han; Loan Pham Nguyen, “ElectroMyography Acquisition System Using Graphene-based e-Textiles”, 2019 International Symposium on Electrical and Electronics Engineering (ISEE): 19240638”.
11. “H. Carvalho, A. P. Catarino, A. Rocha and O. Postolache, “Health monitoring using textile sensors and electrodes: An overview and integration of technologies,” 2014 IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications (MeMeA), Lisboa, 201″.
12. “Laferriere, Pascal, Edward D. Lemaire, and Adrian DC Chan. “Surface electromyographic signals using dry electrodes.” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 60.10 (2011): 3259-3268.”