Một buổi đào tạo chẩn đoán tại Monrovia, Liberia, kết hợp phản hồi từ các nhân viên y tế cộng đồng và bác sĩ. | Phòng thí nghiệm Prakash
Tóm tắt
- Để việc chẩn đoán sốt rét trở nên nhanh chóng, chính xác và dễ tiếp cận hơn, các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Prakash đã phát triển một thiết bị robot có tên là Octopi, có khả năng tự động chẩn đoán sốt rét trên các lam máu;
- Octopi hoạt động bằng pin hoặc năng lượng mặt trời, có giá thành tương đối thấp và được vận hành bởi AI. Thiết bị này hiệu suất cao gấp khoảng 100 lần so với các phương pháp soi lam thủ công truyền thống;
- Được xây dựng trên kiến trúc phần mềm mở có thể được sửa đổi và tùy chỉnh bởi người dùng trên toàn thế giới, các nhà nghiên cứu hy vọng Octopi có thể trở thành một công cụ chẩn đoán phổ quát.
Các kỹ sư tại Đại học Stanford đã phát triển một kính hiển vi (KHV) tự vận hành, hiệu suất cao, chạy bằng pin/năng lượng mặt trời tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để tự động chẩn đoán sốt rét trên các lam máu – một quy trình đòi hỏi nhiều thời gian và thao tác thủ công trên từng lam một bởi các kỹ thuật viên thực địa.Các nhà nghiên cứu gọi thiết bị này là Octopivà tin rằng nó có thể cứu sống vô số mạng người thông qua việc chẩn đoán sớm và chính xác hơn và có lẽ một ngày nào đó sẽ dẫn đến việc tiêu diệt hoàn toàn các loại ký sinh trùng gây bệnh sốt rét, căn bệnh truyền nhiễm chết chóc nhất thế giới.
"Hiện nay, một người phải ngồi bên kính hiển vi để quan sát và tìm các KSTSR trên các lam máu nghi ngờ, giờ này qua giờ khác, đếm các tế bào bị nhiễm bệnh bằng tay. Mỗi mẫu máu phân tích như vậy mất chừng nửa giờ. Một kỹ thuật viên có thể chỉ soi lam kính được cho khoảng 25 người một ngày và đó là một ngày làm việc kéo dài 12 tiếng" Manu Prakash - phó giáo sư kỹ thuật sinh học tại Trường Kỹ thuật và Y khoa thuộc Đại học Stanford, đồng thời là người phát minh ra Octopi cho biết. "Lần đầu tiên, Octopi hiện có thể thực hiện chẩn đoán chính xác trong vài phút ở những nơi hẻo lánh mà không cần bất kỳ cơ sở hạ tầng nào khác vì có thể áp dụng tại nơi không có điện, không có internet.
Gánh nặng bệnh tật và cơ hội kiểm soát
Bệnh sốt rét giết chết 600.000 người mỗi năm, chủ yếu là trẻ em và phần lớn ở các quốc gia thiếu hụt nguồn lực tại Trung Phi. Hàng triệu người khác nằm trong nhóm nhiễm bệnh nhưng vẫn đi lại bình thường, vô tình truyền bệnh cho người khác thông qua vết muỗi đốt. Chẩn đoán nhanh hơn, chính xác hơn không chỉ cải thiện hiệu quả điều trị mà còn giúp xác định các trường hợp nhiễm bệnh không triệu chứng để hỗ trợ kiểm soát sự lây lan của bệnh.
Cải tiến quy trình chuẩn bị lam máu
Cùng với Octopi, Prakash và nhóm nghiên cứu đã tạo ra một phát minh bổ trợ nhằm tự động và tiêu chuẩn hóa quy trình chuẩn bị các mẫu máu trên lam kính hiển vi, được gọi là một phết máu (smear)."Chúng tôi đã gặp bế tắc vài năm trước," Prakash nhớ lại. "Chúng tôi nhận ra rằng kết quả không đồng nhất tùy thuộc vào người thực hiện phết máu. Trong 200 năm chế tạo lam máu, chưa ai dành thời gian để tìm hiểu điều gì tạo nên một lam máu 'hoàn hảo'. Vì vậy, chúng tôi đã có một thách thức kỹ thuật mới cần giải quyết."Họ đã tạo ra Inkwell, một cơ chế thụ động để tạo ra các lam máu hoàn hảo mọi lúc mà không cần điện. Thiết bị sử dụng cơ chế mao dẫn thông minh để đảm bảo mỗi lam máu chứa một lớp mỏng hoàn hảo gồm 20 triệu tế bào máu sẵn sàng cho việc soi chiếu.
Inkwell là một thiết bị có mã nguồn mở và có thể được in trên máy in 3D thương mại với chi phí linh kiện chưa tới 5 USD, không cần điện và đã được thử nghiệm cũng như sử dụng tại hơn 15 quốc gia trên toàn thế giới.
Một nhân viên y tế tại một trạm y tế nông thôn ở Tanzania chuẩn bị các lam máu sốt rét bằng thuốc nhuộm Giemsa, một phương pháp truyền thống không thay đổi trong suốt 150 năm. Quy trình rườm rà này hiện đang được thay thế bởi Inkwell, một giải pháp tự động đơn giản để chuẩn bị lam máu. | Phòng thí nghiệm Prakash
Octopi đạt hiệu quả đáng kinh ngạc và có độ nhạy rất cao. Nó có thể quét 1 triệu tế bào máu mỗi phút, tăng hiệu suất gấp 100 lần. Công cụ này nhạy đến mức có thể phát hiện mật độ thấp chỉ với 12 tế bào bị nhiễm bệnh trong một microlit máu chứa hơn 5 triệu tế bào với độ đặc hiệu gần 100%.Octopi vừa nhanh chóng, vừa chính xác nhưng cũng có khả năng định lượng" - Prakash cho biết, đồng thời kể lại thời gian ông ở một phòng khám nông thôn tại Ấn Độ, nơi các cộng sự của ông lo lắng rằng một đứa trẻ có thể mắc sốt rét ác tính thể não.
Nhóm nghiên cứu khẩn thiết cần biết không chỉ đứa trẻ có mắc sốt rét hay không, mà chính xác mật độ ký sinh trùng (KSTSR) của bệnh nhân này là bao nhiêu? Octopi đã có thể đưa ra con số đó.Octopi có thể phát hiện tải lượng ký sinh trùng thấp và nhanh chóng tính toán mức độ nghiêm trọng, điều này then chốt cho việc điều trị sớm, thiết lập phác đồ dùng thuốc và cứu sống bệnh nhân, Prakash cho biết, đồng thời nhấn mạnh rằng các nhà cung cấp dịch vụ y tế công cộng chỉ có hai tuần để phát hiện một ca nhiễm mới trước khi bệnh sốt rét trở nên nguy kịch.
Thiết kế tối ưu chi phí
Để giữ chi phí thấp, Octopi ưu tiên sử dụng các linh kiện quang học rẻ tiền thay vì các thấu kính thủy tinh đắt đỏ cần thiết cho các kính hiển vi hiện đại. Giá thành rẻ là mối quan tâm hàng đầu của Prakash và nghiên cứu sinh trưởng nhóm Hongquan Li khi thiết kế Octopi. Hongquan và Prakash bắt đầu dự án này gần một thập kỷ trước, dự đoán sự sụt giảm chi phí tính toán của máy tính và sự trỗi dậy của các khung làm việc máy học mới.
Phòng thí nghiệm Prakash
Sau gần 10 năm cải tiến và thử nghiệm những công cụ này tại chín quốc gia khắp Châu Phi với hàng trăm cộng tác viên, sự đặt cược của họ cuối cùng đã có kết quả. Octopi dự kiến có giá 1.000 USD mỗi đơn vị, trong khi các kính hiển vi robot hiện nay có thể lên tới 100.000 USD mỗi đơn vị hoặc hơn. Hơn nữa, Octopi được cung cấp năng lượng bởi pin sạc hoặc tấm pin mặt trời để giúp thiết bị hoạt động tại các vùng sâu vùng xa, không có điện lưới trên thế giới, nơi bệnh sốt rét phát triển mạnh.
Nhóm nghiên cứu đã tránh được nhu cầu về phần cứng đắt tiền bằng cách huấn luyện Octopi tìm kiếm hiện tượng dịch chuyển phổ (spectral shift) đơn giản xảy ra khi các tế bào máu bị nhiễm bệnh được chiếu sáng dưới tia cực tím. Hongquan và Prakash đã mượn khái niệm này từ thiên văn học, nơi thành phần hóa học chính xác của một ngôi sao xa xôi có thể được tiết lộ bằng các thiết bị quang học công suất thấp từ Trái đất."Sự dịch chuyển phổ này có thể được nhận diện dễ dàng bằng quang học chi phí thấp hơn," Hongquan giải thích. "Các tế bào bị nhiễm bệnh sáng lên, và AI có thể phát hiện cũng như đếm chúng nhanh chóng để tính toán tải lượng bệnh."
Mô hình “cửa hàng ứng dụng”
Tuy nhiên, hứa hẹn nhất trong các tính năng của Octopi là kiến trúc phần mềm mở có thể được sửa đổi và tùy chỉnh bởi người dùng trên toàn thế giới, Prakash cho biết. Phòng thí nghiệm của ông đã chứng minh cách tiếp cận này thông qua sự hợp tác với các bệnh viện ở Nepal, nơi những người dùng khác có thể huấn luyện cùng một thiết bị để phát hiện tất cả bốn loại thiếu máu hồng cầu hình liềm mà không cần sửa đổi phần cứng.
"Đây là một khoảnh khắc mở mang tầm mắt cho cả nhóm," Pranav Shrestha, một thành viên chủ chốt của nhóm, người cũng lớn lên tại Nepal và chứng kiến những tổn thất sinh mạng do bệnh sốt rét và thiếu máu hồng cầu hình liềm, cho biết. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã lặp lại kỳ tích này bằng cách cấu hình lại công cụ để xác định bệnh lao.
Prakash tin rằng Octopi có thể trở thành một công nghệ then chốt cho chẩn đoán bệnh trong môi trường nông thôn. "Bằng cách mở rộng số lượng bệnh mà chúng tôi có thể tầm soát với cùng một cơ sở hạ tầng, chúng tôi hy vọng xây dựng một nền tảng chẩn đoán phổ quát," Prakash cho biết. "Chúng tôi không chỉ có thể cấu hình Octopi để phát hiện sốt rét, lao, thiếu máu hồng cầu hình liềm, mà còn hàng trăm bệnh khác, bao gồm các bệnh lây truyền qua đường tình dục, các bệnh ký sinh trùng như Leishmania và sán máng, cùng nhiều bệnh khác."
Về lý thuyết, bất kỳ căn bệnh nào có thể được xác định bằng kính hiển vi đều có thể tham gia vào "cửa hàng ứng dụng" phổ quát cho chẩn đoán. Nhóm nghiên cứu hiện đang xây dựng các công cụ chú giải tiên tiến cho phép bất kỳ nhân viên y tế nào trên thế giới cũng có thể huấn luyện các mô hình mới. Điều này sẽ tạo ra hàng nghìn mô hình theo đúng nghĩa đen.
"Chúng tôi muốn tạo ra một cửa hàng ứng dụng cho những căn bệnh chết chóc nhất thế giới," Prakash khẳng định.
Các nhà nghiên cứu thảo luận về khả năng tự vận hành của KHV Octopi trong chẩn đoán sốt rét
Nhu cầu thực tế
Có 260 triệu ca sốt rét được báo cáo hàng năm, một con số mà Prakash cho rằng có thể đạt tới nửa tỷ nếu công tác chẩn đoán và can thiệp không theo kịp tốc độ phát triển của bệnh. Hiện đã có các phương pháp xét nghiệm nhanh kháng nguyên (RDT), tương tự như phương pháp dùng cho COVID, nhưng ký sinh trùng đã tiến hóa để tránh bị phát hiện và RDT không có tính định lượng, vì vậy chúng không mô tả được tải lượng bệnh.
Để mở rộng nỗ lực, nhóm nghiên cứu hiện đang gây quỹ để triển khai ODION, viết tắt của "Mạng lưới giám sát hình ảnh chẩn đoán mở (Open Diagnostic Imaging Observatory Network - ODION)", một sáng kiến giáo dục và nghiên cứu đầu tiên thuộc loại này, giúp sức cho các bác sĩ lâm sàng, nhân viên y tế, doanh nhân trên khắp các quốc gia đang phát triểnthu thập dữ liệu, huấn luyện và điều chỉnh các mô hình chẩn đoán của riêng họ và xây dựng một hệ sinh thái ứng dụng cho Octopi.
Prakash cho rằng, một đội quân Octopi tỏa ra khắp thế giới có thể dẫn đến việc giảm mạnh các ca mắc và tử vong do sốt rét, đồng thời đưa mục tiêu tiêu diệt hoàn toàn căn bệnh này vào tầm tay."Một nghìn thiết bị Octopi có thể xử lý khoảng 50 triệu lam máu mỗi năm,” Prakash tính toán. “Nếu chúng ta có 10.000 thiết bị, hãy hình dung những lợi ích to lớn có thể đạt được."
CN. Nguyễn Thái Hoàng, Ths. Huỳnh Thị An Khang
Viện Sốt rét-KST-CT Quy Nhơn
Nguồn: Affordable microscope speeds up malaria diagnosis with AI | Stanford Report