บุญรักษ์ กาญจนวรวณิชย์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

ปัจจุบันวงการแพทย์นำรังสีเอกซ์มาประยุกต์ใช้ในงานหลายด้านด้วยกัน ทั้งการวินิจฉัยโรคและการรักษาโรค แต่ด้วยเหตุที่รังสีเอกซ์มีอำนาจทะลุทะลวงสูง หากใช้โดยไม่ระมัดระวังจะก่อให้เกิดโทษอย่างมหันต์ เพราะรังสีเอกซ์สามารถถ่ายเทพลังงานให้แก่โมเลกุลของน้ำในร่างกาย ทำให้แตกตัวเป็นอนุมูลอิสระที่มีความว่องไวต่อการทำปฏิกิริยาเคมีกับเซลล์โดยรอบ ส่งผลให้เซลล์เสียหาย ในที่สุดเนื้อเยื่อและอวัยวะจะเกิดความผิดปกติ เช่น การลดลงของเม็ดเลือดแดงและเม็ดเลือดขาว ทำลายเลนส์ตา ทำให้เกิดต้อกระจก เชื้ออสุจิในเพศชายลดลง ส่วนในเพศหญิงจะเป็นหมัน ผมร่วง หรือผิวหนังมีลักษณะเหมือนถูกไฟลวก
เพื่อป้องกันอันตรายจากรังสีเอกซ์ จึงมีการใช้อุปกรณ์ป้องกันรังสีเอกซ์ ซึ่งออกแบบให้เหมาะสมต่อการใช้งาน เช่น เสื้อป้องกันรังสี อุปกรณ์ป้องกันรังสีบริเวณดวงตา เป็นต้น โดยทั่วไปอุปกรณ์เหล่านี้มักทำจากธาตุที่มีความหนาแน่นหรือมีเลขอะตอมสูง เช่น ตะกั่ว เป็นต้น สำหรับวัตถุอื่นที่มีสมบัติป้องกันรังสี เช่น สารอินทรีย์ที่มีไอโอดีนเป็นองค์ประกอบ ธาตุอิตเทรียม (Y) แกโดลิเนียม (Gd) และแลนทานัม (La) ไม่นิยมใช้ เนื่องจากธาตุเหล่านี้เป็นโลหะหนัก และเป็นธาตุแรร์เอิร์ท (rare earth)

แผ่นเส้นใยป้องกันรังสีเอกซ์โดยนักวิจัยไทย
ด้วยแนวความคิดที่ต้องการพัฒนาวัสดุป้องกันรังสีเอกซ์ให้เบากว่าวัสดุที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน รศ.ดร.นพวรรณ ชนัญพานิช จากภาควิชาเคมีอุตสาหกรรม คณะวิทยาศาสตร์ประยุกต์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ และ รศ.ดร.อุทุมมา มัฆะเนมี นักวิจัยจากภาควิชารังสีเทคนิค คณะเทคนิคการแพทย์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ จึงร่วมกันพัฒนาวัสดุป้องกันรังสีเอกซ์จากเส้นใยนาโนคอมโพสิตขึ้น โดยใช้วัสดุโพลิยูรีเทน (polyurethane, PU) และโพลิไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (polyvinylidene fluoride, PVDF) ซึ่งเป็นพลาสติกน้ำหนักเบา และสามารถขึ้นรูปได้ง่าย แต่เนื่องจากพลาสติกไม่มีสมบัติป้องกันการทะลุทะลวงของรังสีเอกซ์ คณะวิจัยจึงทดลองนำมารวมกับสารประกอบแบเรียมซัลเฟต (barium sulphate) หรือแป้งแบไรต์ สารทึบรังสีที่ใช้ในวงการแพทย์

 แป้งแบไรต์ที่ใช้กินก่อนทำการถ่ายรังสี

อะไรคือ แป้งแบไรต์?
แบไรต์เป็นสารประกอบแบเรียมซัลเฟต ลักษณะเป็นผงสีขาว โดยทั่วไปใช้เป็นสารเติมแต่งในหลายอุตสาหกรรม เช่น สี การเคลือบ พลาสติก เป็นต้น สารประกอบนี้มีสมบัติพิเศษคือ เป็นสารทึบรังสี เมื่อกลืนกินลงไปร่างกายจะไม่ดูดซึม และสามารถขับออกนอกร่างกายได้พร้อมอุจจาระ ดังนั้นแพทย์จึงนำแบเรียมซัลเฟตมาใช้เป็นสารดูดซับรังสี สำหรับการถ่ายภาพเอกซเรย์ของอวัยวะทางเดินอาหารหรือกระเพาะอาหาร
ภาพฟิล์มเอกซเรย์กระเพาะอาหาร โดยส่วนสีขาวคือ แบเรียมซัลเฟต

สำหรับการตรวจวินิจฉัยกระเพาะอาหาร ผู้ป่วยจะดื่มแบเรียมซัลเฟตก่อนการเอกซเรย์ แต่หากเป็นการวินิจฉัยลำไส้ แพทย์จะฉีดสารนี้เข้าทางทวารหนัก และวินิจฉัยสภาพอวัยวะจากภาพที่ปรากฏบนฟิล์มเอกซเรย์ โดยบริเวณที่มีแบเรียมซัลเฟตอยู่จะมีสีขาว หากลำไส้เป็นแผลจะมีแบเรียมซัลเฟตสะสมอยู่ เมื่อวินิจฉัยเสร็จ สารจะถูกขับถ่ายออกจากร่างกาย
เหตุผลที่แบเรียมซัลเฟตมีสมบัติของสารทึบรังสี เนื่องจากอิเล็กตรอนใน K-shell ของอะตอมแบเรียมมีพลังงาน 37.5 kVp (kilovoltage peak) ซึ่งอยู่ในช่วงพลังงานของรังสีเอกซ์เพื่อการวินิจฉัยโรค (26-40 kVp) ดังนั้นสารนี้จึงสามารถดูดกลืนรังสีเอกซ์ได้ และทำให้เกิดความแตกต่างระหว่างบริเวณที่มีและไม่มีแบเรียมซัลเฟต
ภาพแสดงการทดสอบการป้องกันรังสีเอกซ์ของแผ่นเส้นใยนาโนคอมโพสิต

ประสิทธิภาพวัสดุป้องกันรังสีเอกซ์ต้นแบบ
ในการวิจัยและพัฒนาวัสดุป้องกันรังสีเอกซ์ คณะวิจัยเลือกใช้วิธีขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ระหว่างพลาสติกกับสารประกอบแบเรียมซัลเฟตด้วยการปั่นเส้นใยด้วยไฟฟ้าสถิตย์ (electrospinning) เนื่องจากวิธีนี้ทำให้ได้เส้นใยขนาดเล็กมาก มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 400 – 1200 นาโนเมตร (10-9 เมตร) โดยเส้นใยจะสานกันแบบไม่ถักทอ ทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีรูพรุนน้อยกว่าการถักทอทั่วไป
คณะวิจัยสามารถผลิตต้นแบบแผ่นเส้นใยนาโนคอมโพสิตโพลิยูรีเทนกับแบเรียมซัลเฟต (Pu/ BaSO4) หนา 2.56 มิลลิเมตร และแผ่นเส้นใยนาโนคอมโพสิตโพลิไวนิลิดีนกับแบเรียมซัลเฟต (PVDF/ BaSO4) หนา 2.04 มิลลิเมตร ซึ่งเมื่อนำไปทดสอบประสิทธิภาพการป้องกันรังสี พบว่าแผ่นเส้นใยนาโนเคลือบแบเรียมซัลเฟตสามารถป้องกันรังสีได้มากถึงร้อยละ 80 เหมาะสำหรับใช้เป็นแผ่นป้องกันรังสีเอกซ์ ขณะที่แผ่นเส้นใยโพลิไวนิลิดีนกับแบเรียมซัลเฟตสามารถป้องกันรังสีได้ร้อยละ 40 เหมาะสำหรับใช้เป็นแผ่นป้องกันอวัยวะเมื่อต้องการถ่ายภาพเอกซเรย์อวัยวะที่ไวต่อรังสี เพื่อลดความเสี่ยงต่อสุขภาพ

ความรู้ประกอบ:
1.วัสดุกันรังสี
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานสูง เช่น รังสีเอกซ์ รังสีแกมมาถูกดูดซับได้ดีโดยธาตุที่มีเลขอะตอมมาก (ธาตุหนัก) เช่น ตะกั่ว (เลขอะตอม = 82) ทองคำ (เลขอะตอม = 79) หรือแม้แต่ยูเรเนียม (เลขอะตอม = 92) โดยธาตุที่มีเลขอะตอมสูงจะยิ่งดูดซับรังสีเอกซ์ได้ดี โดยทั่วไปอุตสาหกรรมนิยมใช้ตะกั่วเป็นวัสดุป้องกันรังสี เพราะมีราคาไม่สูงมาก
ในการใช้งานจริง จึงมีการนำวัสดุอื่นที่มีลักษณะหนามากมาใช้กันรังสี เช่น ผนังคอนกรีตก็สามารถป้องกันรังสีได้เช่นกัน โดยเพิ่มความหนาชั้นผนังให้เพียงพอ รวมทั้งผสมมวลหยาบอย่างแร่แบไรต์เข้าไป เพื่อเพิ่มสมบัติในการกันรังสีให้ผนัง
2.รังสีเอกซ์ (X-ray)
ค้นพบเมื่อปี ค.ศ. 1895 โดยวิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน (Wilhelm Conrad Röntgen) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน รังสีเอกซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นช่วง 0.01 – 10 นาโนเมตร หรือความถี่ช่วง 30 PHz1 – 30,000 EHz2 รังสีเอกซ์เคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยความเร็วแสง แต่สามารถทะลุผ่านวัตถุได้มากกว่าแสง เช่น สามารถทะลุผ่านไม้ ร่างกายมนุษย์ สัตว์ และโลหะบางๆ เป็นต้น
หมายเหตุ 1.PHz ย่อมาจาก petahertz (1×1015 Hz)
2.EHz ย่อมาจาก exahertz (1×1018 Hz)

รังสีเอกซ์ที่ใช้วินิจฉัยโรคเป็นรังสีที่เกิดจากการจ่ายกระแสไฟฟ้าความดันสูงแก่เครื่องกำเนิดรังสีเอกซ์ เพื่อเร่งให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากไส้หลอด และวิ่งชนเป้าโลหะหนักด้วยความเร็วสูง ส่งผลให้เป้าปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา ทั้งนี้รังสีเอกซ์ มี 2 ประเภท คือ

1.รังสีเอกซ์จำเพาะ (Characteristic X-ray) เกิดจากการชนกันของอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรของเป้า ถ้าพลังงานที่ส่งให้อิเล็กตรอนมากกว่าพลังงานที่ยึดอิเล็กตรอนไว้จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอม อิเล็กตรอนจากวงโคจรอื่นที่มีพลังงานมากกว่าจะวิ่งเข้าไปแทนที่พร้อมกับคายพลังงานออกมาในรูปของรังสีเอกซ์

2.รังสีเอกซ์จากการถูกหน่วง (Bremsstrahlung) เป็นรังสีที่เกิดจากอิเล็กตรอนพลังงานสูงวิ่งเข้าใกล้นิวเคลียส และได้รับแรงดึงดูดจากสนามไฟฟ้าของประจุบวกในนิวเคลียส ส่งผลให้ทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเปลี่ยนไป และมีพลังงานลดลง พลังงานที่อิเล็กตรอนคายออกมานี้ เรียกว่า รังสีเอกซ์เบรมเซมส์สตาร์ลุง (Bremsstrahlung)

แหล่งข้อมูลอ้างอิง
นพวรรณ ชนัญพานิช  และอุทุมมา มัฆะเนมี (2552) รายงานการวิจัย พัฒนา และวิศวกรรมฉบับสมบูรณ์ แผ่นเส้นใยนาโนคอมโพสิตป้องกันรังสีเอกซ์ ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ
History of the X-ray [On-line]. Available: https://inventors.about.com/od/xyzstartinventions/a/x-ray.htm
Hertz [On-line]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Hertz
Radiation protection [On-line]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_protection#Types_of_radiation

Scroll Up