การพัฒนาเทคโนโลยีเซนเซอร์เพื่อการบำบัดมะเร็งด้วยฮาดรอนโดยใช้ความรู้ทางฟิสิกส์นิวเคลียร์และอนุภาค

ในบทความนี้จะนำเสนอเรื่องราวของการนำความรู้และเทคโนโลยีเซนเซอร์ตรวจจับเส้นทางเดินของอนุภาคขั้นสูงทางด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์และอนุภาคในปัจจุบันมาประยุกต์ใช้ในด้านการบำบัดมะเร็งด้วยฮาดรอนได้อย่างไร

 การบำบัดมะเร็งด้วยอนุภาคโปรตอน

มะเร็งเป็นโรคร้ายที่หลายคนรู้จักและเป็นสาเหตุของการตายอันดับต้นๆของประชากรของประเทศไทยและโลก ในปัจจุบันการรักษามะเร็งจะใช้วิธีการรักษาหลักๆคือ การรักษาด้วยวิธีการผ่าตัดนำเซลล์มะเร็งออกเพื่อไม่ให้ลุกลามต่อไป การรักษาด้วยเคมีบำบัด (Chemotherapy) หรือที่เคยได้ยินว่า “คีโม” นั้นคือการใช้ยาเพื่อรักษาหรือควบคุมเซลล์มะเร็งตามอาการที่ปรากฏ แต่ยาที่ใช้ก็ไม่ได้ส่งผลเฉพาะต่อเซลล์มะเร็งเสมอไปอาจเกิดผลกระทบต่อเซลล์ปกติได้ด้วย [1] ส่วนอีกวิธีคือการบำบัดมะเร็งด้วยรังสีจะใช้ลำแสงโฟตอน (เรียกว่า การบำบัดแบบโฟตอน; Photon therapy) หรือรังสีเอกซ์ในการรักษา ซึ่งจะต้องฉายผ่านเนื้อเยื้อปกติไปถึงเซลล์มะเร็งจากนั้นก็ทะลุออกด้านหลัง (ดังรูปที่ 1 (ซ้าย)) ซึ่งในการรักษาแบบนี้จะส่งผลกระทบเซลล์ปกติบริเวณข้างหน้าและหลังเซลล์มะเร็งด้วย

รูปที่ 1 แสดงความแตกต่างของรังสีเอกซ์ (ซ้าย) และโปรตอน (ขวา) เมื่อถูกฉายผ่านเข้าสู่ร่างกายเพื่อบำบัดมะเร็ง     ที่มาของรูปภาพ: https://www.protominternational.com/2019/02/4-benefits-of-proton-therapy/

ในปัจจุบันการรักษาโดยการใช้อนุภาคโปรตอนนั้นเป็นทางเลือกใหม่ในการรักษามะเร็งซึ่งนับว่าเป็นการเปิดศักราชของการนำอนุภาคมีมวลและประจุ (charged particles) มาใช้ในการรักษาผู้ป่วยมะเร็งด้วย โดยเรียกการรักษาแบบนี้ว่า การบำบัดแบบโปรตอน (Proton therapy, ดูรูปที่ 1 (ขวา) ประกอบ) โดยจะเห็นได้ว่าในการรักษาด้วยโปรตอนจะมีข้อแตกต่างอย่างเห็นได้ชัดจากการรักษาโดยใช้โฟตอนคือ โฟตอนเป็นก้อนพลังงานและไม่มีมวลแต่โปรตอนนั้นมีพลังงาน มีมวลและประจุ ซึ่งข้อแตกต่างนี้เองส่งผลให้เมื่อนำโปรตอนมาใช้ในการรักษามะเร็งจะทำให้สามารถที่จะกำหนดตำแหน่งและความลึกให้โปรตอนทำลายเซลล์มะเร็งได้อย่างแม่นยำโดยที่ส่งผลกระทบน้อยมากต่อเซลล์ปกติทางผ่านและบริเวณใกล้เคียง ดังแสดงการเปรียบเทียบปริมาณรังสีระหว่างการรักษามะเร็งสมองด้วยโปรตอนกับการรักษาด้วยรังสีเอกซ์ในรูปที่ 2 เนื่องจากตำแหน่งที่อนุภาคโปรตอนหยุดเคลื่อนที่ในตัวกลางจะเป็นตำแหน่งที่ตัวกลางดูดกลืนปริมาณรังสีสูงที่สุด เรียกว่า Bragg peak จึงนับว่าเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงในการรักษามะเร็ง และนับว่าเป็นความหวังของผู้ป่วยที่มีภาวะมะเร็งบริเวณสมองรวมไปถึงมะเร็งในเด็กที่จะต้องรักษาอย่างระมัดระวังอีกด้วย

เซนเซอร์และการสร้างภาพด้วยโปรตอน

ในการรักษามะเร็งนั้นกระบวนการตรวจและวางแผนก่อนการรักษาถือว่ามีความสำคัญไม่น้อยไปกว่ารักษาเลยทีเดียวโดยเฉพาะการหาตำแหน่งและรูปร่างของเซลล์มะเร็งที่แน่นอนก่อนการรักษาซึ่งจะส่งผลให้การรักษามีความถูกต้อง ปลอดภัยและแม่นยำด้วย โดยปัจจุบันได้มีหลากหลายวิธีด้วยกัน เช่น การถ่ายภาพเอ็กซ์เรย์ การตรวจด้วยเครื่องอัลตร้าซาวด์ การตรวจหามะเร็งเต้านมโดยการถ่ายภาพเอ็กซ์เรย์แมมโมแกรม การตรวจด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าร่วมกับคอมพิวเตอร์ (MRI) การตรวจโดยใช้เครื่องเอ็กซ์เรย์คอมพิวเตอร์ (CT) ฯลฯ ซึ่งแต่ละวิธีก็มีข้อดีข้อเสียที่แตกต่างกัน แต่ขอเสียที่เห็นได้ชัดคือเมื่อทำการถ่ายภาพเซลล์มะเร็งผู้ป่วยจะได้รับรังสีจากการถ่ายทุกครั้งและภาพที่ได้ยังมีความชัดเจนไม่เพียงพอต่อมะเร็งบ้างประเภท อย่างเช่นมะเร็งภายในสมองที่อยู่ลึกและซับซ้อน

รูปที่ 2 แสดงความแตกต่างของบริเวณที่ได้รับรังสีขณะกำลังทำการรักษามะเร็งสมองด้วยโปรตอน (ซ้าย) และรังสีเอกซ์  ที่มาของรูปภาพ: https://www.procure.com/th/what-is-proton-therapy/

ในปัจจุบันก่อนรักษาด้วยโปรตอนนั้นแพทย์จะต้องทำการหาตำแหน่งของเซลล์มะเร็งโดยการใช้รังสีเอกซ์ซึ่งมีคุณสมบัติและอันตรกิริยาต่อเนื้อเยื่อร่างกายที่แตกต่างจากโปรตอน ซึ่งเมื่อจะทำการรักษาด้วยโปรตอนจะต้องแปลงตำแหน่งของเซลล์มะเร็งใหม่ให้สอดคล้องกับการใช้โปรตอน โดยการแปลงค่านี้จะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งเซลล์มะเร็งได้  วิธีการแก้ไขปัญหา คือ ใช้การระบุตำแหน่งของเซลล์มะเร็งจากโปรตอนที่มาจากแหล่งเดียวกับเครื่องที่ทำการรักษาได้เลยโดยการเพิ่มพลังงานและลดความเข้มของโปรตอนลง วิธีการนี้ยังมีข้อดีอีกข้อหนึ่งคือผู้ป่วยไม่ต้องเคลื่อนย้ายกลับไปกลับมาระหว่างเครื่องตรวจและเครื่องรักษาจึงทำให้ลดเวลาในการรักษาลงเป็นอย่างมากอีกด้วย ดังนั้นจึงมีแนวคิดที่จะนำอนุภาคโปรตรอนที่มีพลังงานสูงและยังส่งผลกระทบต่อผู้ป่วยน้อยนั้นมาประยุกต์ใช้ในการสร้างภาพความผิดปกติในร่างกายของมนุษย์ โดยเฉพาะเซลล์มะเร็ง ซึ่งวิธีดังกล่าวได้ถูกเรียกว่า Proton Computed Tomography หรือ pCT โดยในปีพ.ศ. 2559 ศาสตราจารย์ Robert P. Johnson นักฟิสิกส์อนุภาค แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา ได้สร้างต้นแบบของเครื่องสร้างภาพเซลล์มะเร็งจากลำโปรตอนขึ้น [2] โดยได้ทำการทดสอบกับศีรษะมนุษย์จำลอง (head phantom) โดยใช้ระบบตรวจจับอนุภาคแบบซิลิกอน จาก NASA ชื่อว่า Fermi Gamma-ray Space Telescope ผลที่ได้คือ ปริมาณรังสีที่ได้รับจากการสร้างภาพด้วยโปรตอนคือ 1.4 mGy ซึ่งน้อยกว่าการถ่ายภาพแบบเดิมโดยใช้รังสีเอกซ์ที่มีปริมาณรังสีอยู่ที่ 30-50 mGy [3] แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้และประโยชน์ของ pCT

ความรู้ทางด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์และอนุภาคที่นำมาประยุกต์ใช้

ถ้าพูดถึงความรู้ทางด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์และอนุภาคแล้วสถาบันวิจัยด้านนี้ที่ใหญ่ที่สุดคือ ศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป หรือ “เซิร์น” (CERN: เป็นตัวย่อจากภาษาฝรั่งเศส ซึ่งแปลว่า Center of European Nuclear Research) โดยสำนักงานใหญ่ตั้งอยู่ที่กรุงเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ถูกสร้างขึ้นเพื่อยิงลำอนุภาคโปรตอน 2 ลำ มาเร่งให้มีความเร็วที่ใกล้แสง (แสงมีความเร็ว 300,000,000 เมตร/วินาที) หลังจากนั้นบังคับเส้นทางการวิ่งของอนุภาคนั้นให้มาชนกันอย่างแรง ซึ่งเหมือนกับการชนกันของรถยนต์ที่จะทำให้ชิ้นส่วนภายในกระเด็นหลุดออกมาเผยให้เห็นองค์ประกอบภายในของโปรตอนสิ่งที่เราเชื่อว่าเล็กที่สุดตลอดมาก่อนที่จะมีการทดลองนี้เกิดขึ้น ซึ่งบรรดานักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะได้เห็นอนุภาคใหม่ๆ อย่างอนุภาคฮิกก์สโบซอน ซึ่งตามทฤษฎีระบุว่าเป็นอนุภาคที่ก่อให้เกิดมวลอนุภาคและสสารอื่นๆในเอกภพซึ่งนำไปสู่การเข้าใจในพื้นฐานธรรมชาติของจักรวาล [4] จากการพุ่งชนกันครั้งนี้ และยังเป็นการจำลองเหตุการณ์ “บิ๊กแบง (Big Bang)” ที่ยอมรับโดยทั่วไปว่าเป็นการระเบิดที่ก่อให้เกิดจักรวาล เมื่อราว 1.4 หมื่นล้านปีก่อน ในการทดลองดังกล่าวส่วนที่สำคัญเป็นอย่างมากคือเซนเซอร์ที่ทำหน้าที่ตรวจจับเส้นทางและแยกแยะประเภทของอนุภาคที่มีขนาดเล็กและเคลื่อนด้วยความเร็วสูง ที่เกิดขึ้นหลังการชนกันของโปรตอน โดยจะต้องเป็นเซนเซอร์ที่มีประสิทธิภาพและความทนทานสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ดังนั้นเซนเซอร์ดังกล่าวจึงต้องมีการพัฒนาและปรับปรุงด้วยเทคโนโลยีใหม่ล่าสุดอยู่เสมอ ทั้งนี้เทคโนโลยีและกระบวนการในการออกแบบและสร้างระบบตรวจจับอนุภาคของเซิร์น จึงถือได้ว่าเป็นเทคโนโลยีที่ล้ำหน้ามากที่สุดแห่งหนึ่งของโลก

รูปที่ 3 แสดง ALPIDE chip ซึ่งเป็นเซนเซอร์ แบบ CMOS โดยภายในความกว้าง 15×30 มม² มีจำนวนพิกเซลตรวจจับอยู่มากถึง 524,288 พิกเซล ที่มีกระจกวงกลมป้องกันการสัมผัสที่ผิวหน้า

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารีได้มีการร่วมมือกับเซิร์นในการวิจัยและทดสอบเซนเซอร์ที่มีชื่อว่า ALPIDE (ALICE Pixel Detector) ซึ่งเป็นเซนเซอร์ตรวจจับทางเดินรุ่นล่าสุดดังแสดงในรูปที่ 3 และกำลังติดตั้งในปี พศ. 2563 ที่สถานีวัดชื่อว่าอลิซ (ALICE: ย่อมาจาก A Large Ion Collider Experiment) ภายใน Large Hadron Collider (LHC)  ของเซิร์น โดยหัวข้อที่ได้ทำการวิจัยคือ การทดสอบและหาวัสดุที่เหมาะสมเพื่อเป็นวัสดุตั้งต้นในการสร้างเซนเซอร์ ALPIDE และหลังจากที่เซนเซอร์สร้างแล้วเสร็จ  นักวิจัยยังได้ทำการ ทดสอบการทำงานและประสิทธิภาพของเซนเซอร์ ALPIDE ที่ได้ จากองค์ความรู้ที่ได้รับจากการทำงานวิจัยร่วมกับเซิร์นและด้วยเทคโนโลยีเซนเซอร์ ALPIDE ที่มีสมรรถนะสูงมากนี้ยังสามารถที่จะนำไปใช้ประโยชน์ในด้านอื่น ๆ ได้อีกด้วย เช่น การนำมาใช้ทางด้านการแพทย์

การวิจัยการสร้างภาพด้วยโปรตอนในประเทศไทย

ในประเทศไทย มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารีโดยได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยจากศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ (ThEP) และโครงการความร่วมมืองานวิจัยชั้นแนวหน้าระหว่างกลุ่มประเทศใน เอเชีย-ยุโรป เพื่อ พัฒนาเครื่องต้นแบบของ pCT โดยใช้องค์ความรู้และเซนเซอร์ตรวจวัดอนุภาคประสิทธิภาพสูง ALPIDE จากเซิร์น มาประยุกต์ใช้ในการตรวจจับอนุภาคโปรตอนเพื่อการสร้างภาพ  โดยในรูปที่ 4 ได้แสดงถึงองค์ประกอบหลักของระบบต้นแบบ pCT ดังนี้

รูปที่ 4 แสดงองค์ประกอบหลักของ Proton Computed Tomography (pCT)

หมายเลข 1 คือ เซนเซอร์ตรวจจับโปรตอนโดยใช้เทคโนโลยีจากเซิร์นเพื่อระบุเส้นทางการเคลื่อนที่ของโปรตอน ซึ่งในการสร้างระบบเซนเซอร์นี้จะต้องอาศัยความรู้ด้านการทดสอบที่ได้รับจากการทำงานกับเซิร์น โดยในเฟสแรกจะใช้เซนเซอร์ ALPIDE แต่ในอนาคตจะมีการวางแผนที่จะผลิตชิ้นส่วนนี้ในประเทศไทยเอง

หมายเลข 2 คือ Calorimeter ซึ่งมีหน้าที่วัดพลังงานของโปรตอนหลังจากที่ชนกับเนื้อเยื้อทดสอบเพื่อนำมาเปรียบเทียบกับพลังงานก่อนการชนซึ่งสามารถนำข้อมูลนี้ไปสร้างภาพด้วยระบบคอมพิวเตอร์ต่อไปซึ่งจะต้องมีการเขียนโปรแกรมเพื่อแปลงข้อมูลเป็นภาพก่อน

หมายเลข 3  Phantom คือ เนื้อเยื้อ, เซลล์มะเร็ง หรือวัสดุใด ๆ ที่มีคุณสมบัติ และความหนาแน่นใกล้เคียง กับเซลล์ในร่างกายมนุษย์ โดยอาจจะใช้เซลล์ที่ได้จากกระบวนการเพาะเลี้ยงเซลล์เพื่อนำมาศึกษาอัตราการอยู่รอด (survival curve) ของเซลล์เมื่อถูกฉายด้วยโปรตอน ซึ่งในทางการแพทย์จะใช้เพื่อทดสอบกับเครื่องมือก่อนที่จะใช้รักษาจริงกับผู้ป่วย

โดยเมื่อทำการออกแบบและสร้างเครื่อง pCT ต้นแบบ (prototype) แล้ว เครื่องนี้จะถูกนำไปทดสอบการสร้างภาพของ Phantom โดยใช้รังสีโปรตอนจากเครื่องที่ใช้ในการรักษาจริง ซึ่งในประเทศไทย ขณะนี้ได้มีการจัดตั้งศูนย์รักษามะเร็งด้วยโปรตอนเรียกว่า “ศูนย์โปรตอนสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ” ซึ่งตั้งอยู่ที่ โรงพยาบาลจุฬาลงกรณ์ สภากาชาดไทย คาดว่าจะสามารถเปิดให้บริการได้ในปลายปี 2563 ซึ่งแผนงานการทดสอบจะทำโดยการวางเครื่องต้นแบบบนเตียงสำหรับผู้ป่วยและฉายรังสีโปรตอนตรงไปยังเครื่องต้นแบบดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 แสดงวิธีการติดตั้งเพื่อทดสอบเครื่องต้นแบบ (prototype) ของ Proton Computed Tomography (pCT)

จะเห็นได้ว่าเพื่อที่จะทำให้ pCT สำเร็จได้จะต้องความรู้และมีการวิจัยในหลายแขนง โดยต้องใช้ทั้งความรู้ทางด้าน ฟิสิกส์อนุภาค วัสดุศาสตร์ อิเล็กทรอนิกส์ ชีวรังสี และการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์มาบูรณาการร่วมกัน ซึ่งในประเทศไทยนั้นมีหน่วยงานของรัฐที่มีศักยภาพในการวิจัยในแต่ละด้านโดยมีศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ (TMEC) ซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญทางด้านการออกแบบและการผลิตเซนเซอร์  สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) (TINT) ผู้เชี่ยวชาญทางด้านการวิจัยเกี่ยวกับรังสีต่าง ๆ รวมไปถึงโปรตอนด้วย สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) (SLRI) ซึ่งเป็นสถาบันที่ดำเนินการเกี่ยวกับการใช้ประโยชน์จากแสงซินโครตรอนจากลำอิเล็กตรอนเพื่อการศึกษาโครงสร้างวัสดุในระดับอะตอมและโมเลกุล ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (NECTEC) ที่สามารถผลิตเครื่องสร้างภาพตัดขวางจากรังสีเอกซ์ขึ้นเองได้สำเร็จ โดยเมื่อพิจารณาขีดความสามารถของแต่ละสถาบันวิจัยมารวมกันกับมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารีแล้วทำให้มีความเป็นไปได้สูงที่ประเทศไทยจะสามารถผลิตเครื่อง pCT เองในอนาคตได้

สรุป

ในปัจจุบัน การรักษาโรคมะเร็งด้วยโปรตอนถือเป็นอีกหนึ่งทางเลือก และคาดว่าจะได้รับการยอมรับเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ  โดยอาจจะกลายเป็นมาตรฐานใหม่ในการรักษามะเร็งบางชนิดที่ยากต่อการผ่าตัด การที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารีได้เข้าไปเรียนรู้และทำวิจัยร่วมกับเซิร์นนั้นทำให้ประเทศไทยได้รับการถ่ายทอดองค์ความรู้และเทคโนโลยีขั้นสูงทางด้านการออกแบบเครื่องตรวจวัดอนุภาคด้วยเซนเซอร์แบบซิลิกอน ซึ่งนับว่าเป็นเทคโนโลยีที่สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในด้านการแพทย์ได้ดี โดยหากสามารถสร้างเครื่องต้นแบบของ pCT ได้ ในอนาคตจะสามารถตรวจหาเซลล์มะเร็ง และ ทำการรักษามะเร็งได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ช่วยให้แพทย์ที่ทำการรักษาทำงานได้สะดวกและแม่นยำมากขึ้น เนื่องจากมีเครื่องมือที่ความละเอียดสูงและไม่ต้องย้ายผู้ป่วยไปหลายที่ ซึ่งจะสามารถยกระดับขีดความสามารถทางด้านการรักษามะเร็งของประเทศไทยในระดับโลกขึ้นเป็นอย่างมาก โดยทั้งหมดนี้จะส่งผลให้อัตราการเสียชีวิตจากมะเร็งลดน้อยลงตามไปด้วย ทั้งนี้โครงการนี้จะต้องผ่านการวิจัยและการทดสอบทั้งทางฟิสิกส์และการแพทย์อีกนับครั้งไม่ถ้วน จึงจะสามารถนำไปใช้งานจริงได้ซึ่งอาจจะใช้เวลามากกว่า 10 ปีแต่เชื่อว่าเมื่อถึงเวลานั้น pCT จะสามารถสร้างประโยชน์แก่ประเทศไทยและโลกนี้อย่างแน่นอน

เอกสารอ้างอิง

[1] “เตรียมให้พร้อมก่อนรับคีโม”, PobPad, Available: https://www.pobpad.com/เตรียมให้พร้อมก่อนรับค [06 May 2018].

[2] Bashkirov, V. A., Johnson, R. P., Sadrozinski, H. F. W. and Schulte, R. W., 2016, “Development of proton computed tomography detectors for applications in hadron therapy”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 809, pp.120-129.

[3] “Proton tomography offers better preparation for therapy”, IOP Publishing, diagnostic imaging, Available: https://physicsworld.com/a/proton-tomography-offers-better-preparation-for-therapy/

[4] “เปิดประตูสู่จักรวาลกับเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ LHC”, สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ, https://www.nstda.or.th/th/nstda-knowledge/2087-lhc

รายงานโดย

ผศ. ดร. ชิโนรัตน์ กอบเดช

ห้องปฏิบัติการวิจัยฟิสิกส์นิวเคลียร์และอนุภาค สาขาวิชาฟิสิกส์ สำนักวิชาวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จ. นครราชสีมา 30000

E-mail: kobdaj@g.sut.ac.th