ก้าวข้ามขีดจำกัดของเครื่อง MRI ด้วยแม่เหล็กความเข้มสูง

ภาพเส้นเลือดในสมองที่สร้างขึ้นโดยใช้สนามแม่เหล็กความเข้ม 7 เทสลา ที่ The University of Queensland
(ภาพจาก Centre for Advanced Imaging, The University of Queensland)

ปฏิเสธไม่ได้เลยว่า MRI หรือ Magnetic Resonance Imaging เป็นเทคโนโลยีทางการแพทย์ที่มีประโยชน์อย่างมากในปัจจุบัน เพราะมันสามารถสร้างภาพกล้ามเนื้อ เส้นเลือด เส้นประสาท เนื้อเยื่อ และอวัยวะภายในของผู้ป่วยที่มีความละเอียดสูง ช่วยให้แพทย์สามารถวินิจฉัยและรักษาผู้ป่วยได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น แน่นอนว่าเทคโนโลยีนี้มีหลักการทางฟิสิกส์ที่ซับซ้อนอยู่เบื้องหลัง แต่ก่อนที่เราจะกล่าวถึงหลักการทางฟิสิกส์ของเครื่อง MRI เราต้องมาทำความรู้จักส่วนประกอบหลักของเครื่องเสียก่อน


เครื่อง MRI มีลักษณะคล้ายเตียงนอนที่มีโครงสร้างรูปวงกลมขนาดใหญ่ติดตั้งอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของเตียง โดยส่วนของที่นอน(Patient Table) จะสามารถเลื่อนเข้าไปในช่องตรงกลาง(Bore) ของโครงสร้างวงกลมได้ ภายในโครงสร้างวงกลมจะประกอบด้วยแม่เหล็กหลัก(Magnet) สำหรับใช้สร้างสนามแม่เหล็กที่มีค่าสม่ำเสมอ ขดลวดแม่เหล็กเกรเดียนท์(Gradient Coils) สำหรับใช้ทำงานร่วมกับแม่เหล็กหลักและเลือกจุดที่ต้องการสร้างภาพ อุปกรณ์สร้างคลื่นวิทยุ(Radio Frequency Coil) สำหรับใช้ส่งและรับสัญญาณคลื่นวิทยุระหว่างทำการตรวจ อุปกรณ์ที่เหลือคือหน่วยประมวลผลและส่วนสร้างภาพเนื้อเยื่อหรืออวัยวะในคอมพิวเตอร์

ส่วนประกอบหลักของเครื่อง MRI
(ภาพจาก http://www.iambiomed.com/equipments/mri.php)

ร่างกายของมนุษย์ประกอบด้วยน้ำเป็นส่วนใหญ่ ทำให้มีอะตอมไฮโดรเจนอยู่มากด้วยเช่นกัน นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนมีโปรตอนเพียงตัวเดียว ซึ่งโปรตอนมีคุณสมบัติทางควอนตัมที่เรียกว่า สปิน(Spin) ทำให้มันมีโมเมนต์แม่เหล็ก(Magnetic Moment) ที่สามารถตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กภายนอกที่เข้ามากระทำได้ เทคนิคทาง MRI จึงอาศัยการส่งสนามแม่เหล็กที่มีค่าสม่ำเสมอ(Uniform Static Magnetic Field) จากแม่เหล็กหลักผ่านร่างกายของผู้ป่วยเพื่อทำให้โปรตอนภายในอะตอมไฮโดรเจนที่กระจัดกระจายอยู่เกิดการเรียงตัวในทิศทางใหม่

โมเมนต์แม่เหล็กของอนุภาคก่อนและหลังอยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก
(ภาพจาก http://www.chem.ucalgary.ca/courses/350/Carey5th/Ch13/ch13-nmr-1.html)

โปรตอนที่อยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กจะมีทั้งส่วนที่เรียงตัวในทิศทางเดียวกันกับสนามแม่เหล็ก และส่วนที่เรียงตัวในทิศทางตรงกันข้ามกับสนามแม่เหล็ก โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมไฮโดรเจนที่มีทิศทางต่างกันเหล่านี้จะแสดงผลเสมือนว่าเกิดการหักล้างกัน โดยมีอะตอมไฮโดรเจนส่วนเกินที่ชี้ไปในทิศทางเดียวกันหลงเหลืออยู่


โปรตอนจะมีการส่าย(Precession) รอบสนามแม่เหล็กที่ใส่เข้าไปและมีค่าความถี่ธรรมชาติเรียกว่า ความถี่ลาร์มอร์(Larmor Frequency) เมื่อเราทำการส่งคลื่นวิทยุที่มีความถี่ตรงกันเข้าไปจะทำให้เกิดปรากฏการณ์สั่นพ้องที่เรียกว่า Nuclear Magnetic Resonance ทำให้โปรตอนถูกกระตุ้นจนเปลี่ยนทิศทางไปจากแนวเดิม เมื่อเราหยุดส่งคลื่นวิทยุ โปรตอนก็จะคายคลื่นวิทยุออกมาแล้วคืนตัวกลับไปอยู่ในทิศทางเดิม(Relaxation) คลื่นวิทยุที่ถูกคายออกมาจะเข้าสู่เครื่องรับสัญญาณและถูกประมวลผลออกมาเป็นภาพให้เราเห็นในที่สุด


แม่เหล็กหลักที่ใช้ในเครื่อง MRI มี 3 ชนิด ชนิดแรกคือแม่เหล็กตัวต้านทาน(Resistive Magnet) ซึ่งต้องอาศัยกระแสไฟฟ้าในการสร้างสนามแม่เหล็ก ชนิดที่สองคือแม่เหล็กถาวร(Permanent Magnet) ที่ไม่จำเป็นต้องใช้กระแสไฟฟ้าในการสร้างสนามแม่เหล็ก แต่มีข้อจำกัดด้านขนาดและน้ำหนัก ชนิดที่สามคือแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด(Superconducting Magnet) เป็นแม่เหล็กประสิทธิภาพสูงที่จำเป็นต้องจ่ายกระแสไฟฟ้าเพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก โดยขดลวดแม่เหล็กจะแช่อยู่ในฮีเลียมเหลวซึ่งมีอุณหภูมิต่ำมาก


เครื่อง MRI ถูกพัฒนาขึ้นในช่วงกลางของยุค 70 เดิมที นักวิทยาศาสตร์เคยคิดกันว่าสนามแม่เหล็กความเข้ม 0.5 เทสลาน่าจะเป็นค่าที่มากที่สุดที่สามารถใช้ในเครื่อง MRI ได้ เพราะสภาพการนำไอออน(Ion Conductivity) ของเนื้อเยื่ออาจขัดขวางการทำงานของคลื่นวิทยุ แต่ภายหลังพวกเขาก็พบว่าความเชื่อนี้ไม่เป็นความจริง


ปัจจุบัน เครื่อง MRI ที่ใช้ในโรงพยาบาลมีความเข้มของสนามแม่เหล็กไม่เกิน 3 เทสลา ซึ่งสามารถให้รายละเอียดของสมองในระดับเล็กราว 1 มิลลิเมตรได้ แต่สมองของมนุษย์มีความซับซ้อนสูง การเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็กจึงเป็นหนทางหนึ่งที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มองเห็นรายละเอียดของสมองได้ดียิ่งขึ้น ด้วยเหตุนี้ เครื่อง MRI ที่มีสนามแม่เหล็กความเข้ม 7 เทสลาสำหรับการวิจัยจึงเกิดขึ้นในปี ค.ศ.1999


การเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็กจาก 3 ไปเป็น 7 เทสลาถือเป็นความท้าทายที่น่าตื่นเต้น เพราะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มองเห็นรายละเอียดของสมองในระดับเล็กราว 0.5 มิลลิเมตรโดยไม่ต้องทำการผ่าตัดเปิดสมอง แสดงการไหลของข้อมูลในเลเยอร์ของสมองส่วน Cerebral Cortex แสดงกิจกรรมระหว่างเซลล์ประสาทภายในสมองของมนุษย์ที่ยังมีชีวิตอยู่ สามารถสร้างภาพได้อย่างรวดเร็ว และสามารถตรวจจับนิวเคลียสของธาตุอื่น ๆ ที่ไม่ใช่ไฮโดรเจน เช่น โซเดียม โพแทสเซียม ฟอสฟอรัส และฟลูออรีน ได้ด้วย


เครื่อง MRI ที่มีสนามแม่เหล็กความเข้มสูงยังมีบทบาทสำคัญในการช่วยวินิจฉัยและพัฒนาการรักษาโรคบางชนิด เช่น โรคเอ็มเอส(Multiple Sclerosis) ซึ่งเกิดจากการอักเสบของปลอกประสาทในระบบประสาทส่วนกลาง สามารถตรวจหาโรคข้อเข่าเสื่อม(Osteoarthritis) ในระยะแรกเริ่ม และช่วยให้การฝังอิเล็กโทรดในสมองของผู้ป่วยโรคพาร์กินสันด้วยวิธี Deep-brain Stimulation สามารถทำได้ง่ายขึ้น เป็นต้น


แม้จะมีผลบวกที่น่าพอใจ แต่ผู้ที่เข้ารับการทดสอบบางรายก็ได้รับผลข้างเคียงหลายประการ เช่น รู้สึกมึนงง วิงเวียนศีรษะระหว่างเข้าและออกจากเครื่องสแกน ขณะที่อยู่ภายในเครื่องสแกนรู้สึกถึงรสของโลหะภายในปาก เห็นแสงวาบสีขาว และบางรายมีอาการตากระตุก(Nystagmus) ร่วมด้วย

ภาพของสมองที่ถูกสแกนด้วย 3 เทสลา(ซ้าย) กับภาพของสมองที่ถูกสแกนด้วย 9.4 เทสลา(ขวา)
(ภาพจาก Rolf Pohmann/Max-Planck-Institute for Biological Cybernetics)

หลายปีมานี้มีการทดลองสแกนร่างกายของสัตว์ด้วยเครื่อง MRI ที่มีความเข้มสูงถึง 10.5 เทสลา และเมื่อเดือนธันวาคม ค.ศ.2017 ที่ผ่านมา ศ. ดร. Kamil Ugurbil ผู้อำนวยการของ Center for Magnetic Resonance Research แห่ง University of Minnesota ก็ได้ทำการสแกนสมองของชายหนุ่มคนหนึ่งด้วยเครื่อง MRI ดังกล่าวเป็นครั้งแรก เพื่อทดสอบว่าจะเกิดผลข้างเคียงในลักษณะใด (แน่นอนว่าชายคนนั้นสมัครใจเข้ารับการทดสอบ มิได้ถูกจับมาทดลองเหมือนในการ์ตูนแต่อย่างใด) และมีความเป็นไปได้มากน้อยแค่ไหนที่จะเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็กจนถึง 20 เทสลา เนื่องจากนักวิจัยหลายท่านยังมีความกังวลว่าเครื่อง MRI ที่มีความเข้มของสนามแม่เหล็กสูงกว่า 14 เทสลาอาจทำให้การนำกระแสไฟฟ้าของเส้นประสาทลดลง หรืออาจถึงขั้นสร้างความเสียหายให้กับดีเอ็นเอได้เลยทีเดียว!


อย่างไรก็ตาม การเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็กจนถึง 20 เทสลาสำหรับใช้กับมนุษย์อาจไม่ใช่เรื่องที่เป็นไปไม่ได้เสียทีเดียว เพราะเครื่อง MRI ที่ US National High Magnetic Field Laboratory ซึ่งทรงพลังที่สุดในโลกและมีความเข้มมากถึง 21.1 เทสลา เคยทำการศึกษาโซเดียมที่สะสมอยู่ในเนื้องอกของสมองหนู ผลการศึกษาพบว่าการสแกนไม่ส่งผลให้เส้นประสาทหรือดีเอ็นเอของหนูเกิดความเสียหายแต่อย่างใด


สุดท้ายนี้ ผู้เขียนอยากเน้นย้ำว่าผู้ป่วยที่จะเข้าไปสแกนร่างกายในเครื่อง MRI ต้องผ่านการซักประวัติและตรวจร่างกายจากเจ้าหน้าที่ของโรงพยาบาลว่าเป็นโรคกลัวที่แคบ(Claustrophobia) และร่างกายมีวัสดุโลหะหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น เครื่องสำอางบางชนิด คลิปอุดหลอดเลือด โลหะดามกระดูก ลิ้นหัวใจเทียม เครื่องกระตุ้นหัวใจ และเหล็กดัดฟัน หรือไม่ เพราะหากไม่ถอดออก อุปกรณ์เหล่านี้อาจส่งผลต่อความคมชัดของภาพหรือถึงขั้นทำอันตรายต่อร่างกายของผู้ป่วยได้ ห้ามลืมเด็ดขาดนะครับ!

เรียบเรียงโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

• [1] https://www.nature.com/articles/d41586-018-07182-7
• [2] https://www.livescience.com/39074-what-is-an-mri.html
• [3] http://www.mt.mahidol.ac.th/e-learning/MTRD202/WEB/Chapter4MRI/4-1-1.htm
• [4] https://radiopaedia.org/articles/magnets-types