Rene Theophile Hyacinthe Laennec (1781–1826) เกิดที่เมือง Brittany ในฝรั่งเศส หลังจากที่กำพร้าแม่ ลุงซึ่งเป็นแพทย์ได้เข้ามาอุปถัมภ์ และพาไปพำนักที่เมือง Nantes การอยู่กับลุงทำให้ Laennec ได้รับแรงดลใจให้ประกอบอาชีพแพทย์ จึงเข้าเรียนแพทย์ที่มหาวิทยาลัย Nantes จนสำเร็จ แล้วได้เป็นแพทย์ที่มีหน้าที่ทำความสะอาดและตกแต่งบาดแผลของทหารที่บาดเจ็บในสงคราม ซึ่งกำลังระอุในแถบเทือกเขา Alps การทำงานที่จำเจ และไม่สำคัญมาก ทำให้ Laennec รู้สึกขวนขวายจะสร้างความก้าวหน้าในอาชีพการงานของตน จึงไปเรียนต่อที่ Collège de France ในกรุง Paris กับ Jean-Nicolas Corvisart (1755-1821) ซึ่งเป็นแพทย์หลวงในจักรพรรดิ Napoleon Bonaparte
เมื่อมีอายุ 21 ปี Laennec ได้เขียนรายงานการวินิจฉัยคนไข้ที่ป่วยเป็นโรคเยื่อบุท้องอักเสบ (peritonitis) รายงานที่ละเอียด ถูกต้อง และสมบูรณ์นี้ ได้ทำให้บรรดาแพทย์อาวุโสทั้งหลายในเวลานั้นรู้สึกประทับใจมาก
เมื่อ Laennec ได้ทราบข่าวว่าที่เมือง Graz ในประเทศออสเตรีย มีแพทย์คนหนึ่งชื่อ Leopold Auenbrugger (1722–1809) ได้ใช้วิธีเคาะหน้าอก เวลาวินิจฉัยโรคภายในของคนไข้ โดย Auenbrugger อ้างว่า เขาได้พบเทคนิคนี้จากบิดา เวลาต้องการจะรู้ปริมาณเบียร์ที่หลงเหลืออยู่ในถังปิด โดยไม่จำเป็นต้องเปิดฝาออกดู ด้วยการใช้นิ้วดีดผนังถัง เพื่อฟังเสียงสะท้อนและเสียงก้องที่เกิดขึ้นภายในถังที่พร่องเบียร์นั้น
Auenbrugger จึงมีจินตนาการว่า จะใช้เทคนิคนี้ช่วยในการวินิจฉัยโรคที่เกิดในร่างกายของคนไข้ โดยการเคาะหน้าอก แล้วฟังเสียงสะท้อนที่เกิดภายในร่างกาย เพราะ Auenbrugger เป็นนักดนตรี ดังนั้นหูของเขาจึงรู้สึกไวในการวิเคราะห์คุณภาพของเสียงต่างๆ ที่ได้ยิน
แต่วิธีนี้ก็มีข้อเสียตรงที่อวัยวะ เช่น ปอด หัวใจ ฯลฯ มักอยู่ลึกภายในร่างกาย ดังนั้นเสียงสะท้อนจึงดังน้อย ทำให้การวินิจฉัยโรคมีโอกาสผิดพลาด และคลาดเคลื่อนได้มาก ครั้นจะใช้วิธีดีดนิ้วแรงๆ คนไข้ก็จะรู้สึกเจ็บ นอกจากนี้อาการของคนที่เป็นโรคคนละชนิด ก็อาจจะให้เสียงสะท้อนที่ “เหมือน” กันได้ ครั้นหมอจะพยายามให้ได้ยินเสียงชัดขึ้น ด้วยการแนบหูที่หน้าอกคนไข้ที่เป็นสตรี ก็จะเป็นเรื่องที่ผิดจริยธรรม และถ้าคนไข้เป็นวัณโรคปอด (phthisis) คุณภาพของเสียงสะท้อนก็ขึ้นกับระยะเวลาที่ป่วยเป็นโรค และความรุนแรงของเชื้อโรคด้วย
ดังนั้นเมื่อ Laennec รู้ข้อจำกัดของเทคนิคเคาะหน้าอกที่ Auenbrugger ใช้ เขาจึงประสงค์จะสืบสาน และต่อยอดเทคนิคนี้ โดยอาศัยความรู้วิทยาศาสตร์ที่ว่า เสียงสามารถเดินทางผ่านอากาศ ของเหลว และของแข็งได้ จึงหยิบแผ่นกระดาษมาม้วนเป็นทรงกระบอกกลวง แล้วเอาหูแนบที่ปลายอีกข้างหนึ่งของทรงกระบอกนั้น ทำให้ได้ยินเสียงหัวใจเต้นอย่างชัดเจน
แต่การใช้กระดาษราคาถูกๆ มาเป็นอุปกรณ์วินิจฉัยโรค เป็นเรื่องที่ไม่สมศักดิ์ศรีของแพทย์ผู้ทรงคุณวุฒิ Laennec จึงนำท่อนไม้ที่ยาว 30 เซนติเมตร มาเจาะเป็น
ทรงกระบอกกลวง ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.5 เซนติเมตร เพื่อใช้ฟังเสียงหัวใจเต้น และเรียกอุปกรณ์นี้ว่า stethoscope ซึ่งเป็นคำผสมในภาษากรีก จากคำ stethos ที่แปลว่า หน้าอก และ skopein ที่แปลว่า ตรวจ
ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา แพทย์ก็เริ่มใช้ stethoscope ที่ Laennec ออกแบบสร้างในการวินิจฉัยโรค เช่น วัณโรค, ปอดบวม (pneumonia), หลอดลมอักเสบ (bronchitis) และการฟังเสียงหัวใจที่เต้นผิดปกติ (cardiac auscultation) ฯลฯ
Laennec ได้จากโลกไปเมื่อปี 1826 ใน วัย 45 ปี แม้วันเวลาจะผ่านไปนานร่วม 200 ปี แต่โลกก็ยังไม่ลืมเขา เพราะ stethoscope ได้กลายเป็นสัญลักษณ์หนึ่งของแพทย์
วันเวลาผ่านไปอีก 26 ปี Arthur Leared (1822–1879) จึงได้พัฒนาอุปกรณ์หูฟังหน้าอกของ Laennec ให้มีสายยาง 2 สาย ต่อจากทรงกระบอกเข้าหูทั้งสองข้าง เพื่อเพิ่มคุณภาพของการได้ยินเสียง จากนั้นก็มีการติดตั้ง microphone ขนาดจิ๋วที่หูฟัง ครั้น
เมื่อถึงยุคอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ stethoscope ก็สามารถรับสัญญาณเป็น digital บันทึกเสียงและภาพของคลื่นเสียงได้
เทคโนโลยีการวินิจฉัยโรคสภาพของอวัยวะภายในร่างกายได้ก้าวหน้าไปอีกขั้นหนึ่ง เมื่อมีการพบรังสีเอกซ์
ในวันที่ 8 พฤศจิกายน ปี 1895 Wilhelm C. Röntgen (1845-1923) ได้บรรยายการพบรังสีลึกลับชนิดหนึ่ง (ที่ไม่ใช่รังสีที่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสี) แต่ออกมาจากหลอด Crooke ที่ภายในหลอดเกือบจะเป็นสุญญากาศ (คือ มีความดันน้อยมาก) และมีขั้ว anode กับ cathode ที่ต่อกับความต่างศักย์ไฟฟ้าแรงสูง เมื่อเปิดสวิตช์ จะมีกระแสอิเล็กตรอนพุ่งออกจากขั้ว cathode ไปที่ขั้ว anode การปะทะกับขั้วที่ทำด้วยธาตุหนัก จะทำให้เกิดรังสีลึกลับพุ่งออกมาจากหลอด
เพราะ Röntgen ได้สังเกตเห็นว่า แผ่นกระดาษที่เคลือบด้วยสาร barium platinocyanide ซึ่งอยู่ห่างจากหลอดทดลองประมาณ 1 เมตร มีแสงเรือง ๆ แม้หลอดทดลองจะอยู่ภายในห้องที่มืดสนิท คือ ไม่มีแสงอาทิตย์เล็ดลอดเข้ามาได้เลย และเมื่อ Röntgen ปิดสวิตช์ไฟ แสงเรืองก็หายไป Röntgen ได้ขยับกระดาษเคลือบสารเคมี เลื่อนออกไปจากหลอดอีก 1 เมตร (เป็น 2 เมตร) แสงเรืองก็ยังปรากฏบนกระดาษ
นั่นแสดงว่า ได้มีรังสีลึกลับออกมาจากหลอด และเมื่อ Röntgen ไม่รู้ธรรมชาติที่แท้จริงของรังสี เขาจึงเรียกรังสีดังกล่าวว่า รังสีเอกซ์ (X-rays) และได้รายงานข่าวการพบนี้ต่อสมาคมฟิสิกส์-แพทย์ แห่งเมือง Würzburg เมื่อวันที่ 28 ธันวาคม ปี 1895 ว่า ได้พบรังสีลึกลับที่สามารถทะลุผ่านวัตถุทึบแสงได้ ถ้าความหนาของวัตถุนั้นไม่มาก และเมื่อเขาให้ภรรยา Bertha วางมือลงเหนือฟิล์มถ่ายรูป แล้วเอาฟิล์มไปล้าง เขาก็ได้เห็นภาพกระดูกมือ ซึ่งภาพที่เห็นได้ทำให้ Bertha ตะโกนออกมาด้วยความตกใจ เพราะคิดว่าเธอได้เห็น “ศพ” ของเธอ ก่อนกาลเวลาอันควร ภาพคลาสสิกนั้น นับเป็นภาพแรกของโลกที่ได้จากการถ่ายด้วยรังสี (radiography) การเห็นโครงสร้างกระดูกในร่างกาย โดยที่แพทย์ไม่จำเป็นต้องผ่าตัด ก็สามารถรู้ตำแหน่งกระดูกที่หักหรือแตกร้าวได้ การค้นพบรังสีนี้ จึงนับว่ามีประโยชน์ในทางการแพทย์มาก เพราะแพทย์สามารถจะลงมือผ่านตัดจริง โดยไม่จำเป็นต้องควานหาตำแหน่งที่จะลงมีด นอกจากจะมีประโยชน์ในทางการแพทย์ที่ช่วยให้เห็นชิ้นส่วนของกระดูกภายในแล้ว รังสีลึกลับก็ยังช่วยตำรวจในการตรวจหาวัตถุระเบิด และยาเสพติดที่ซุกซ่อนได้ด้วย
ในปี 1901 Röntgen ได้เข้ารับรางวัลโนเบลฟิสิกส์รางวัลแรกจากกษัตริย์ Oscar ที่ 2 แห่ง Sweden หลังจากที่ได้รับการตัดสินจากคณะกรรมการรางวัลโนเบล โดยได้รับการเสนอชื่อ 17 เสียง จาก 29 เสียง จึงมากกว่าชื่อของ Svante August Arrhenius (สวีเดน) ผู้พบปรากฏการณ์ hydrolysis, Henri Becquerel (ฝรั่งเศส) ผู้พบปรากฏการณ์กัมมันตรังสี, J. J. Thomson (อังกฤษ) ผู้พบอิเล็กตรอน, Johannes Diderik van der Waals (เนเธอร์แลนด์) ผู้อธิบายพฤติกรรมการเปลี่ยนสถานะระหว่างของเหลวกับแก๊ส, Philipp Lenard (เยอรมนี) ผู้พบปรากฏการณ์ photoelectric และ Guglielmo Marconi (อิตาลี) ผู้สร้างอุปกรณ์ส่งโทรเลข
สำหรับธรรมชาติที่แท้จริงของรังสีเอกซ์นั้น ก็เป็นที่รู้กันเมื่อ Max von Laue (1879-1960) ได้ฉายรังสีเอกซ์ไปกระทบผลึก และพบว่าโครงสร้างที่เป็นระเบียบของผลึกในสามมิติ ทำให้มันมีสมบัติเหมือนเป็น grating ที่สามารถเลี้ยวเบนแสงได้ ภาพการเลี้ยวเบนของรังสีลึกลับ จึงทำให้โลกรู้ว่ารังสีเอกซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง ที่มีความยาวคลื่นสั้นยิ่งกว่าแสงที่ตาเห็น
การค้นพบนี้ทำให้ Laue ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1914 และผลงานนี้ได้ปูทางให้นักวิทยาศาสตร์ได้พบโครงสร้างของ DNA ในเวลาต่อมา
ข้อจำกัดและข้อเสียในการใช้รังสีเอกซ์มีหลายประเด็น เช่น อุปกรณ์กำเนิดรังสีเอกซ์มีราคาแพง และเวลาเซลล์ร่างกายได้รับรังสีเอกซ์ในปริมาณมาก DNA ภายในเซลล์อาจจะมีการกลายพันธุ์ นอกจากนี้รังสีเอกซ์ก็มิสามารถเห็นเนื้อเยื่อ เอ็น และอวัยวะภายในอื่น ๆ ที่เป็นโรคได้ชัด ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงต้องพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ขึ้นมา เพื่อก้าวข้ามข้อจำกัดต่าง ๆ ของเทคโนโลยีรังสีเอกซ์ นั่นคือ ต้องใช้เทคโนโลยี Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Magnetic Resonance Imaging (MRI) และ functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) เป็นต้น อันเป็นเทคโนโลยีที่ทำงานโดยอาศัยความรู้กลศาสตร์ควอนตัมของฟิสิกส์ และอุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการพัฒนา จนสามารถช่วยแพทย์ในการวินิจฉัยโรค และเห็นการทำงานของเซลล์ประสาทในสมอง เห็นการไหลของเลือดในอวัยวะส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย เห็นว่าใครกำลังป่วยเป็นโรคสมองเสื่อม ใครกำลังเป็นโรค Alzheimer พยายามตอบสาเหตุที่ทำให้คนบางคนไม่ฉลาด สาเหตุที่ทำให้อาการลืมง่าย มีอาการโกรธ หรือมีความอาฆาตพยาบาทสูง หรือใครมีแนวโน้มจะเป็นฆาตกร เพราะสมองของเขาส่วนที่รับผิดชอบเรื่องความชั่วดี ทำงานบกพร่อง หรือพยายามตอบคำถาม เกี่ยวกับสาเหตุที่ทำให้คนมีอาการติดพนันหรือยาเสพติด ฯลฯ เพราะพฤติกรรมต่าง ๆ หรือความพิกลพิการของอวัยวะ เกิดจากการสั่งงานของสมอง ดังนั้นการรู้ความผิดปกติในการทำงานของสมอง อย่างมีหลักฐานด้วยfMRI จะทำให้แพทย์สามารถตอบคำถามที่เกี่ยวกับสุขภาพ และพฤติกรรมของคนไข้ได้ดี (ระดับหนึ่ง)
แต่ก่อนจะไปถึงการทำงานของ fMRI เราจำต้องเข้าใจหลักการทางฟิสิกส์พื้นฐานที่ถูกนำมาใช้ในการสร้างเทคโนโลยี NMR ก่อน
ในนิวเคลียสของทุกอะตอมที่มีอนุภาคโปรตอนเป็นจำนวนคี่ (1, 3, 5,…) เช่น นิวเคลียส hydrogen (H-1), lithium (Li-3), boron (B-5) ฯลฯ นิวเคลียสจะแสดงพฤติกรรมเสมือนว่าเป็นแท่งแม่เหล็กขนาดจิ๋วที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้ ในสสาร เช่น น้ำ หนึ่งหยด จะมีโมเลกุลน้ำ H2O ที่มีจำนวนโปรตอนมากเป็นพันล้านล้านอนุภาค
ในสถานการณ์ปกติที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก อนุภาคโปรตอนที่เปรียบเสมือนแท่งแม่เหล็กขนาดจิ๋ว จะวางตัวโดยมีขั้วเหนือและขั้วใต้ ชี้ทิศสะเปะสะปะ (คือ ทุกทิศทาง) แต่เวลามีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงหลายหมื่นเท่าของสนามแม่เหล็กโลก
ดังนั้น ความเร็วเชิงมุม Larmor ( ) จึงขึ้นกับชนิดของนิวเคลียสที่หมุน และความเข้มของสนามแม่เหล็ก นั่นหมายความว่า ถ้าความเข้มสนามแม่เหล็กยิ่งมาก ความเร็วเชิงมุมก็จะยิ่งมากตามด้วย และถ้าความเข้มสนามแม่เหล็กเปลี่ยน ความเร็วเชิงมุมก็เปลี่ยนตาม ในสนามความเข้ม 1 tesla ความถี่ Larmor ของอนุภาคโปรตอนจะมีค่า 42.57x10^6 hertz
ในการทำงานขั้นต่อไป คือ ขณะที่แท่งแม่เหล็กจิ๋วกำลังหมุนรอบตัวเอง และกำลังส่ายควงรอบสนามแม่เหล็กนั้น ถ้ามีการส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่เท่ากับความถี่ Larmor ไปในแนวตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กภายนอก ความถี่ที่พอเหมาะพอดีของสนามกระตุ้นที่มีค่าเท่ากับความถี่ธรรมชาติของแท่งแม่เหล็กจิ๋ว จะทำให้แท่งแม่เหล็กจิ๋วกลับทิศการวางตัวในทันที (คือ หันกลับ 180 องศา)
เหตุการณ์ที่ความถี่กระตุ้นมีค่าเท่ากับความถี่ธรรมชาตินี้จึงมีชื่อเรียกว่า การสั่นพ้อง (resonance) และนี่ก็เป็นที่มาของชื่อปรากฏการณ์ Nuclear Magnetic Resonance (NMR) แต่เมื่อนำคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกไป แท่งแม่เหล็กจิ๋วที่ถูกกระตุ้นก็จะกลับคืนสู่สภาพเดิม แล้วปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาเป็นสัญญาณ ที่ให้คอมพิวเตอร์แปลเป็นภาพของอวัยวะที่เครื่องกำลังสแกน (scan)
เพราะภาพแสดงความหนาแน่นของอะตอม H กับแสดงอันตรกิริยาระหว่างแท่งแม่เหล็กจิ๋วกับสภาพแวดล้อม ซึ่งเป็นภาคตัดขวางของร่างกาย แพทย์จึงสามารถใช้ภาพที่เห็นบอกอาการโรคของคนได้ว่า เขากำลังจะเป็นอัมพฤกษ์ (stroke) หรือ เป็นโรคหัวใจล้มเหลว (heart failure) ฯลฯ
ในปี 1990 Seiji Ogawa (1934-ปัจจุบัน) ได้พบปรากฏการณ์ที่ความเข้มสีของออกซิเจนในเลือดที่มันดูดซับเข้าไป จะเปลี่ยน (Blood Oxygenation Level Dependent; BOLD) เทคโนโลยี fMRI ที่ Ogawa พบ จึงสามารถบอกปริมาณออกซิเจนที่เปลี่ยนในเลือด จากสัญญาณ fMRI ที่เปลี่ยนแปลงได้
การค้นพบนี้ได้เปลี่ยนโฉมการวิจัย เรื่องการทำงานของส่วนต่าง ๆ ในสมองในทันที เพราะ fMRI ได้ถูกนำไปใช้ในการศึกษาการทำงานของสมองส่วนที่ทำหน้าที่จำ เห็น เรียน ควบคุมอารมณ์ ดูความผิดปกติในสมองของคนที่เป็น Alzheimer คนที่เป็นโรคซึมเศร้า (depression) เป็นโรคจิตเภท (schizophrenia) เป็นอาการ autism หรือเป็นโรคลมชัก (epilepsy) ฯลฯ
ข้อดีของเทคโนโลยี fMRI คือ คนไข้ไม่ต้องรับการฉีดยา หรือรับสารกัมมันตรังสีใด ๆ เข้าร่างกาย อีกทั้งยังสามารถแสดงความละเอียดในการถ่ายภาพของเลือด และเนื้อเยื่อต่างๆ ได้ดีมาก อีกทั้งสามารถแสดงความเป็นไปของเหตุการณ์ ณ เวลาจริง (real time) ในระดับวินาทีได้
ข้อเสียของเทคโนโลยีนี้ก็มีเหมือยกัน คือ คนไข้ต้องนอนนิ่งสนิท จะขยับกาย หรืออวัยวะใด ๆ ไม่ได้ เพราะภาพจะคลาดเคลื่อน และการถ่ายภาพอาจจะต้องใช้เวลาอาจจะนานเป็นชั่วโมง
ข้อมูลการทำงานของสมองส่วนต่างๆ ตามที่พบโดย เทคโนโลยี fMRI คือ
ส่วน amygdala ควบคุมความรู้สึกกลัว และความรัก
ส่วน somatosensory cortex และ insular cortex ควบคุมความเจ็บปวด (ทางกาย)
ส่วน prefrontal cortex ทำหน้าที่เกี่ยวกับความคิดขั้นสูง ซึ่งสามารถจะบอกได้ว่า คนกำลังพูดโกหกหรือพูดจริง
ส่วน ventromedial prefrontal cortex ควบคุมการวิเคราะห์ และตัดสินใจ เป็นต้น
ส่วน Broca ควบคุมความสามารถในการใช้ภาษา
ผลงานนี้ทำให้ Ogawa ได้รับรางวัล Japan Prize ประจำปี 2003 เพราะเขาได้ปฏิรูปวิทยาการด้านประสาทวิทยา คือ ช่วยให้เข้าใจการทำงานของสมองส่วนต่าง ๆ ตลอดจนสาเหตุที่ทำให้คนเป็นโรคที่เกี่ยวกับประสาท และช่วยในการรักษาโรค
บุคคลที่ได้รับรางวัลโนเบลจากผลงาน NMR ได้แก่
O.Stern (ฟิสิกส์ ปี 1943)
I.I. Rabi (ฟิสิกส์ ปี 1944)
F. Bloch กับ E.M. Purcell (ฟิสิกส์ ปี 1952)
R. Ernst (เคมี ปี 1991)
P. Lauterbur กับ P.Mansfield (แพทย์ ปี 2003)
อ่านเพิ่มเติมจาก "Magnetic Resonance, a critical peer-reviewed introduction; functional MRI" (PDF). TRTF/EMRF 2023. โดย Peter A. Rinck Retrieved 23 January 202
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
