Ngày 23/6/2025, trang tin khoa học Science Daily (Mỹ) đăng tải bài viết với tiêu đề “Cấy ghép AI mới của USC hứa hẹn giảm đau mãn tính mà không cần dùng thuốc”, giới thiệu bước đột phá của các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Zhou thuộc Đại học Nam California (USC). Thiết bị cấy ghép siêu âm do nhóm nghiên cứu phát triển không chỉ mở ra hướng đi mới trong điều trị đau mãn tính, mà còn góp phần hạn chế sự phụ thuộc vào các loại thuốc giảm đau gây nghiện.
Thiết bị cấy ghép siêu nhỏ giúp kiểm soát cơn đau mãn tính mà không cần dùng thuốc
Đau mãn tính là một tình trạng nghiêm trọng, ảnh hưởng sâu sắc đến chất lượng cuộc sống và thường khiến người bệnh phụ thuộc vào thuốc giảm đau opioid, một lựa chọn điều trị tiềm ẩn nhiều tác dụng phụ nguy hiểm và nguy cơ nghiện cao. Theo Quỹ Đau Hoa Kỳ, có tới 51,6 triệu người Mỹ đang sống chung với đau mãn tính, trong đó hơn 17 triệu người bị ảnh hưởng nặng nề đến mức giới hạn khả năng lao động và sinh hoạt hằng ngày.
Trước thực trạng này, một nhóm các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Zhou, trực thuộc Khoa Kỹ thuật Y sinh Alfred E. Mann của Đại học Nam California (USC), phối hợp với Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Jun Chen tại UCLA, đã phát triển một thiết bị cấy ghép hoàn toàn mới mang tính đột phá, máy kích thích không dây cấy ghép linh hoạt (UIWI).
Khác với các thiết bị kích thích tủy sống hiện tại vốn cồng kềnh, đắt đỏ và yêu cầu phẫu thuật xâm lấn cũng như thay pin thường xuyên, thiết bị mới có thiết kế siêu nhỏ, linh hoạt, có thể uốn cong theo chuyển động tự nhiên của cơ thể và không cần pin, nhờ sử dụng máy phát siêu âm đeo ngoài cơ thể. UIWI còn tích hợp thuật toán học máy cho phép cá nhân hóa quá trình điều trị, điều chỉnh theo từng người bệnh để đạt hiệu quả tối ưu.
Nghiên cứu về thiết bị này vừa được công bố trên tạp chí khoa học Nature Electronics, đánh dấu một bước tiến lớn trong việc phát triển các giải pháp điều trị đau mãn tính không phụ thuộc vào thuốc. Dẫn đầu nghiên cứu là Giáo sư Qifa Zhou, Nghiên cứu viên Kỹ thuật Zohrab A. Kaprielian, đồng thời là giáo sư nhãn khoa tại Trường Y Keck thuộc USC.
Giảm đau theo yêu cầu: Máy kích thích cấy ghép không dây hoạt động như thế nào?
Trung tâm của công nghệ đột phá này là cơ chế cung cấp năng lượng không dây, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng pin cồng kềnh và các kết nối có dây phức tạp, vốn là rào cản lớn của các thiết bị cấy ghép hiện nay. Thay vào đó, thiết bị kích thích UIWI nhận năng lượng từ một máy phát siêu âm đeo ngoài cơ thể (WUT), cung cấp nguồn điện an toàn, hiệu quả và không xâm lấn thông qua mô sâu.
Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, trong đó sóng siêu âm được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ một phần tử áp điện siêu nhỏ làm từ chì zirconate titanate (PZT), một vật liệu nổi bật nhờ hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. Thiết kế này cho phép thiết bị cung cấp nguồn kích thích đủ mạnh đến tủy sống, giúp kiểm soát cơn đau một cách hiệu quả và có mục tiêu.
“Điểm thực sự tạo nên sự khác biệt của thiết bị này là khả năng không dây, thông minh và tự thích ứng trong việc kiểm soát cơn đau,” Giáo sư Qifa Zhou chia sẻ. “Chúng tôi tin rằng nó có tiềm năng thay thế cho các phương pháp điều trị bằng thuốc cũng như các thiết bị điện truyền thống, đặc biệt là trong các tình huống giảm đau lâm sàng.”
Yushun (Sean) Zeng, nghiên cứu sinh tại Phòng thí nghiệm Zhou và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: thiết bị này có thể tạo ra xung điện mạnh mẽ chỉ nhờ năng lượng từ sóng siêu âm, mở ra khả năng điều trị cục bộ, chính xác và cá nhân hóa hơn bao giờ hết.
“Loại chuyển đổi năng lượng này đặc biệt quan trọng trong việc kích thích sâu,” Zeng nói. “Nhờ vào khả năng truyền năng lượng không dây bằng siêu âm kết hợp với hệ thống phản hồi vòng kín, thiết bị này không cần pin cấy ghép và có thể điều chỉnh cơn đau theo thời gian thực.”
Chen Gong, đồng tác giả và ứng viên tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Zhou, cũng nhấn mạnh rằng: hệ thống này có thể giải mã và phản ứng linh hoạt với các trạng thái đau biến đổi, giúp thiết bị tự động thích ứng với từng bệnh nhân – một yêu cầu cấp thiết trong điều trị đau mãn tính ngày nay.
Thiết bị hoạt động bằng cách:
Phát hiện cơn đau: Hệ thống liên tục theo dõi các bản ghi não, đặc biệt là tín hiệu điện não đồ (EEG), phản ánh mức độ đau của bệnh nhân. Sử dụng AI để đánh giá mức độ đau: Một mô hình học máy tinh vi, dựa trên mạng nơ-ron có tên ResNet-18, phân tích các tín hiệu não này và phân loại cơn đau thành ba mức độ riêng biệt: đau nhẹ, đau vừa và đau cực độ. Mô hình AI tự hào có độ chính xác tổng thể 94,8% trong việc phân biệt các trạng thái đau này. Điều chỉnh phương pháp điều trị khi cần thiết: Khi xác định được mức độ đau, máy phát siêu âm đeo được sẽ tự động điều chỉnh năng lượng âm thanh mà nó truyền đi. Sau đó, máy kích thích UIWI có thể cảm nhận năng lượng lan truyền và chuyển đổi thành cường độ điện, kích thích tủy sống. Điều này tạo ra một hệ thống vòng kín cung cấp khả năng quản lý cơn đau theo thời gian thực và được cá nhân hóa. Bản thân máy kích thích UIWI rất linh hoạt, có thể uốn cong và xoắn, cho phép đặt tối ưu trên tủy sống. Kích thích điện mà nó cung cấp cho tủy sống hoạt động bằng cách cân bằng lại các tín hiệu truyền và ức chế cơn đau, giúp ức chế hiệu quả cảm giác đau.
Thành công đã được chứng minh trong phòng thí nghiệm Nhóm nghiên cứu Zhou Lab đã thử nghiệm chất kích thích UIWI trên mô hình động vật gặm nhấm, với kết quả chứng minh tính hiệu quả của nó trong việc kiểm soát cơn đau.
Các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc làm giảm cơn đau thần kinh mãn tính do cả kích thích cơ học (như kim châm) và kích thích nhiệt cấp tính (nhiệt hồng ngoại).
Các xét nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy việc điều trị bằng máy kích thích UIWI làm giảm đáng kể các chỉ số đau. Trong một thí nghiệm nhằm đánh giá xem động vật có liên hệ môi trường với việc giảm đau hay không, loài gặm nhấm thể hiện sự ưa thích rõ ràng đối với buồng nơi hệ thống quản lý cơn đau được kích hoạt, điều này càng khẳng định hiệu quả của thiết bị.
Tương lai của việc giảm đau cá nhân hóa
Việc phát triển và thử nghiệm thành công máy kích thích UIWI đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong hành trình tìm kiếm giải pháp quản lý cơn đau tiên tiến. Thiết kế linh hoạt của thiết bị cấy ghép và sự tích hợp với các thuật toán AI tinh vi mang đến một phương pháp điều trị năng động và được cá nhân hóa, có thể thích ứng với bản chất biến động và mang tính cá nhân hóa cao của cơn đau mãn tính.
Nhìn về tương lai, Zhou và các cộng sự hy vọng thiết bị này sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn nữa. Zhou cho biết các thiết kế trong tương lai có thể thu nhỏ các thành phần hơn nữa, cho phép cấy ghép thiết bị ít xâm lấn hơn – ví dụ như bằng ống tiêm. Máy phát siêu âm đeo được cũng có thể phát triển thành một thiết bị thu nhỏ không dây, hoặc thậm chí là một miếng dán siêu âm đeo được, có khả năng kết hợp khả năng hình ảnh với khả năng truyền năng lượng để theo dõi thời gian thực và kích thích mục tiêu. Các phiên bản tương lai cũng có thể được điều khiển bằng phần mềm điện thoại thông minh, mang lại khả năng quản lý cơn đau cá nhân hóa mạnh mẽ hơn nữa.
Zhou cho biết mục đích của thiết bị này là cải tiến phương pháp quản lý cơn đau mãn tính, vượt qua những hạn chế của các giải pháp hiện tại để cung cấp một phương pháp giảm đau thực sự hiệu quả, thông minh và được cá nhân hóa.
Zeng cho biết: “Những phát hiện của chúng tôi làm nổi bật tiềm năng của thiết bị điện tử cấy ghép siêu âm trong việc quản lý cơn đau mãn tính về mặt lâm sàng và chuyển dịch”.
Thiết bị kích thích cấy ghép UIWI đại diện cho một bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực y học cá nhân hóa, kết hợp nhuần nhuyễn giữa kỹ thuật điện tử tiên tiến, siêu âm không dây và trí tuệ nhân tạo. Bằng cách cung cấp khả năng đánh giá và điều trị cơn đau theo thời gian thực, UIWI không chỉ mở ra một hướng đi mới trong điều trị đau mãn tính mà còn đặt nền móng cho tương lai của các thiết bị y học thông minh, ít xâm lấn và hiệu quả cao.
Với những thành công bước đầu trong thử nghiệm tiền lâm sàng và triển vọng cải tiến vượt bậc trong thiết kế, UIWI có tiềm năng trở thành công cụ quan trọng trong điều trị lâm sàng, mang lại hy vọng thực sự cho hàng triệu bệnh nhân đang phải sống chung với đau mãn tính – một trong những thách thức lớn nhất của y học hiện đại.
Tài liệu tham khảo tạp chí:
Yushun Zeng, Chen Gong, Gengxi Lu, Jianxing Wu, Xiao Wan, Yang Yang, Jie Ji, Junhang Zhang, Runze Li, Yizhe Sun, Ziyuan Che, Chi-Feng Chang, Hsiao-Chuan Liu, Jiawen Chen, Qingqing He, Xin Sun, Ruitong Chen, Sina Khazaee Nejad, Xunan Liu, Deepthi S. Rajendran Nair, Laiming Jiang, Jun Chen, Qifa Chu. Thiết bị cấy ghép không dây siêu âm có thể lập trình và tự thích ứng để quản lý cơn đau mãn tính được cá nhân hóa . Điện tử Thiên nhiên , 2025; 8 (5): 437 DOI: 10.1038/s41928-025-01374-6
Đinh Hoàng Anh/Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250623233327.htm