หลักการทำงานของ Spiral CT.

          Spiral CT หรือ Helical CT  : ก่อนจะเป็น Multislices CT.

โดย ผศ.สุชาติ เกียรติวัฒนเจริญ

            เป็นเครื่องเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ที่แก้ปัญหาเครื่องเอกซเรย์แบบ Conventional ทั้ง generation 3 และ generation 4 ที่ไม่สามารถหมุนรอบ gantry ได้เพราะติดปัญหาสายไฟ High voltage ที่จ่ายกระแสไฟฟ้าให้แก่หลอดเอกซเรย์ทำให้เวลาในการ scan ผู้ป่วยใช้เวลาที่ต่ำสุดเพียง 1 วินาทีต่อการ scan หนึ่งครั้ง ดังนั้นเมื่อนำเอา Slip ring ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่สามารถแทนสายไฟแรงสูงที่จ่ายกระแสไฟฟ้าแก่หลอดเอกซเรย์โดยไม่ใช้สายไฟฟ้า ทำให้ตัดปัญหาการ scan ที่ไม่ต่อเนื่องออกไปได้

รูปที่ 1   ซ้ายมือ เครื่อง conventional CT. จะมีข้อจำกัดเรื่อง high voltage cable

            ขวามือ เครื่อง Spiral CT. ใช้ slip ring จ่ายแรงดันไฟฟ้าแก่หลอดเอกซเรย์แทนสายไฟทำให้หมุน หลอดเอกซเรย์ได้ต่อเนื่อง

การทำงานของเครื่อง Spiral CT. scan

            แนวคิดในการนำเอา Slip ring มาใช้ในเครื่อง CT.ครั้งแรกในปี คศ.1988 โดย Dr. Willi A. Kalender แห่งมหาวิทยาลัย Erlanger ในประเทศเยอรมัน (Institute  of Medical Physics) ร่วมกับ Peter Vock จากประเทศสวิสเซอร์แลนด์ ในการวิจัยเกี่ยวกับเทคนิคการเก็บข้อมูลแบบ volume scan และได้เสนอผลงานในการประชุม RSNA (Radiological Society of North America ที่จัดประชุมใน Chicago ในปี คศ. 1989 ซึ่งก่อนหน้านี้ในปี คศ.1997  Dr. Kalender เคยนำเสนอหลักการคำนวณการเก็บข้อมูลแบบ volume ร่วมกับ Mori.นักวิจัยชาวญี่ปุ่น, และได้เสนอผลงานวิจัยที่พัฒนาต่อในเกี่ยวกับเรื่องนี้อีกครั้งกับ Bresler และ Skrabecz  ในปี คศ. 1993

รูปที่ 2   (ขวามือ) ลักษณะการหมุนของหลอดเอกซเรย์ในขณะที่ผู้ป่วยเคลื่อนที่ทำให้การเก็บ

ข้อมูลของเครื่อง Spiral CT.มีลักษณะเป็นเกลียว

(ซ้ายมือ) ระบบมอเตอร์และสายพานเป็นชุดขับเคลื่อนหลักทำให้ Slip ring หมุน

ได้ต่อเนื่อง (ปัจจุบันใช้ระบบ direct drive แทนสายพาน; อ่านในเรื่อง gantry ของ MDCT)

            การใช้ Slip ring ช่วยแก้ปัญหาเครื่อง CT. ใน generation 3 และ 4 ที่ไม่สามมารถหมุนโดยรอบ Gantry ได้ตามอุดมคติที่คิดไว้เพราะปัญหาเรื่อง High voltage cable  ทำให้การหมุนแต่ละครั้งของหลอดเอกซเรย์ต้องหมุนไปและกลับ (Half scan) ทำให้ไม่สามารถทำเวลาในการ scan ต่ำกว่า 1 วินาทีได้ ทั้งนี้เพราะในการเก็บข้อมูลแต่ละครั้งจะต้องให้เวลาเตียงเอกซเรย์เคลื่อนที่เข้าสู่ตำแหน่งที่ตั้งไว้แต่ละ Slice ก่อนจึงจะเริ่มหมุนหลอดเอกซเรย์กลับเพื่อ scan ครั้งต่อไป เรียกเวลาที่อยู่ช่วงต่อระหว่าง scan ว่า interscan time ซึ่งจะใช้เวลาอยู่ในช่วง 0.5-4 วินาที นอกจากนั้นการที่หลอดเอกซเรย์ต้องหยุดทุกๆ ครั้งที่ scan แต่ละ slice ทำให้ต้องเริ่มหมุนจากหยุดนิ่งทุกครั้ง ยิ่งทำให้เสียเวลามากขึ้นในการเริ่มใหม่ทุกๆ ครั้งไม่ว่าไปหรือกลับ ซึ่งต่างจากการใช้เทคโนโลยี slip ring ที่สามารถทำความเร็วของหลอดเอกซเรย์ได้สูงในทุกๆ รอบการ scan ตลอดช่วงที่ตรวจ อย่างไรก็ตามในยุคแรกๆ ของเครื่อง Spiral CT. จะให้ความเร็วต่อรอบประมาณ 1 วินาที (360^๐ per second.)  ซึ่งไม่เร็วมากนัก เนื่องจากข้อจำกัดของการใช้สายพานและมอเตอร์ในการหมุน Slip ring แต่ระหว่างการหมุนของ หลอดเอกซเรย์และ detector นั้น จะเก็บข้อมูลไปพร้อมๆกับการเคลื่อนที่ของเตียงผู้ป่วยทำให้ข้อมูลที่เข้าสู่คอมพิวเตอร์ต่อเนื่องตลอดเวลาไม่ขาดช่วง ซึ่งต่างจาก conventional CT. ที่จะต้องมีเวลาในการประมวลผลภาพจากข้อมูลที่เรียกว่า Reconstruction time ซึ่งใช้เวลาประมาณ 4 วินาทีต่อรูป (GE: CT9800) และการแสดงภาพ (Display time) จะใช้เวลาอีกประมาณ 1 วินาทีนั่นคือการสร้างภาพแต่ละ Slice จะใช้เวลาประมาณ 5 วินาที (Scan time + Interscan time + Display time) นอกจากนั้นแล้วเครื่อง conventional CT. บางเครื่องจะใช้เวลาในการเก็บข้อมูลช้ากว่า Scan time (Long Acquisition time) ซึ่งทำให้เพิ่มเวลา Interscan time มากขึ้นไปอีก

แม้ว่า scan time ต่อครั้งจะเท่ากับ conventional ก็จริงแต่สามารถเก็บข้อมูลได้ครบรอบ (360^๐ ) ในขณะที่ conventional จะได้ข้อมูลไม่ครบรอบ (180-210 ^๐ ) เท่านั้น และไม่มีช่วงเวลาระหว่าง slice ด้วย เพราะมีการ scan ต่อเนื่องตลอดช่วงที่ต้องการและด้วยความก้าวหน้าของระบบคอมพิวเตอร์ที่ใช้ทำให้เห็นได้ว่าแม้ scan time เท่ากันแต่ตัดเรื่อง interscan time และ Acquisition time ภาพที่ได้จากเครื่อง Spiral CT. จะแสดงภาพเกือบทันทีที่เริ่ม Scan และภาพสุดท้ายแสดงได้เกือบทันทีที่สิ้นสุดการ scan

            รูปที่ 3 (A)  Conventional CT. จะเสียเวลาในการ scan จากการเคลื่อนที่และหยุดของเตียง

     รวมทั้งการหยุดกลั้นใจของผู้ป่วยเป็นครั้งๆ

(B) Spiral CT. สามารถ scan ต่อเนื่องตลอดช่วง ทำให้เวลาการ scan สั้นลง

ลักษณะที่สำคัญของเครื่อง Spiral

            ภายหลังการทำให้หลอดเอกซเรย์หมุนได้ครบรอบ 360 องศาจากการใช้ Slip ring ทำให้เครื่อง Spiral CT เก็บข้อมูลในลักษณะ Volume และต่อเนื่องตลอดเวลาที่ scan (Continue acquisition data) แต่ในระยะแรกพบว่าการเก็บข้อมูลที่มีลักษณะที่เรียกว่า Spiral หรือ Helical หากนำไปสร้างภาพด้วย Algorithm มาตรฐานเช่นเดียวกับเครื่อง Conventional CT. จะพบว่าภาพที่ได้มี Motion artifacts อยู่ทุก slice ซึ่งเป็นผลจากการเหลื่อมกันของข้อมูลที่เก็บในแต่ละระนาบ ดังนั้นเครื่อง Spiral CT. ได้พัฒนา Software และ Algorithm ที่จะใช้สร้างภาพให้มีคุณภาพที่สูงและรวดเร็วทันต่อเวลาในการเคลื่อนที่ของหลอดเอกซเรย์ที่ต่อเนื่อง ของข้อมูลตลอดเวลาที่ scan ดังนั้นการสร้างเครื่องของ Spiral CT. จะต้องมีความคุณลักษณะเฉพาะดังนี้

       1.หลอดเอกซเรย์และ detector จะต้องหมุนอย่างต่อเนื่องด้วยความเร็วสูงและสม่ำเสมอ 

     2.เตียงจะต้องเคลื่อนที่ตัดผ่านลำรังสีเอ็กซ์ขณะ scan ตลอดช่วงระยะที่กำหนด

       3.กำลังของเครื่อง (power loading) จะต้องมากกว่าเครื่อง conventional CT. 

             เพื่อให้สามารถรับ Load ที่หลอดเอกซเรย์ทำงานต่อเนื่องตลอดเวลาที่ scan

     4.หลอดเอกซเรย์จะต้องมีความจุความร้อน (Heat capacity) สูงกว่า  conventional 

         CT. เพราะการ scan ต่อเนื่องนานๆ จะเกิดความร้อนที่หลอดเอกซเรย์มหาศาล และระบบ

             การระบายความร้อนต้องรวดเร็วพอที่จะทำงานอย่างต่อเนื่อง

        5. ความเร็วของการหมุนของ Anode disc จะต้องเป็นชนิด High speed rotating 

         anode disc ซึ่งมีรอบสูงมากกว่า 9000 rpm. เช่นหลอดเอกซเรย์ของ Siemens 

              ที่ใช้กับเครื่อง Somatom 64 slices CT. scan จะมีรอบการหมุนถึง 12,000    

          rpm.  ทำให้การระบายความร้อนเร็วมากจนเครื่องสามารถ scan โดยไม่เกิด over heat 

               ที่ต้องหยุด scan เหมือนกับ เครื่อง conventional CT. ที่บางครั้งหากเครื่องระบาย

               ความร้อนไม่ทันก็จะต้องรอเวลาให้หลอดเอกซเรย์เย็นตัวลง เรียกว่า Cooling time 

               ซึ่งเกิดขึ้นเสมอๆ ถ้า scan range มากๆ

        6. การ reconstruction image จะต้องใช้ algorithm ที่เรียกว่า Spiral/Helical 

         weighting algorithm แทน standard algorithm ที่ใช้ใน conventional 

         CT. scan ซึ่งจะได้กล่าวต่อๆไป ในเรื่อง image reconstruction

รูปที่ 4 ลักษณะการ scan ของเครื่อง conventional CT และ spiral CT.

Spiral CT. Image reconstruction

            การสร้างภาพของเครื่อง Spiral CT. นั้นจะมีรูปแบบการเก็บข้อมูลต่างไปจาก conventional scan เนื่องจากข้อมูลที่รวบรวมในเวลาต่างๆ ขณะที่เตียงผู้ป่วยเคลื่อนผ่านไปนั้นจะทำให้แต่ละรอบการ scan มีข้อมูลเหลื่อมกันต่อเนื่องกันไปทุกๆ slice

      รูปที่ 5  (A) เป็นการเก็บข้อมูลเพื่อนำไปสร้างภาพแต่ละ slice ของเครื่อง                       convention CT.

      (B) ลักษณะของข้อมูลที่รวบรวมได้ในแต่ละรอบการ scan ของเครื่อง spiral CT.มีลักษณะการเหลื่อมกันของข้อมูลในแต่ละ axial plane

      (C) การนำข้อมูลจาก data plane ของเครื่อง spiral CT. สร้างภาพด้วยวิธีเดิมแบบ

conventional CT. จะเกิด motion artifacts ทุก slice

      (D) เมื่อใช้วิธี reconstruction แบบ interpolation algorithm จะไม่เกิด motion artefacts

รูปที่ 6   (A) การทำ 3D reconstruction ด้วยเครื่อง conventional CT จะเกิดการเคลื่อนตำแหน่ง ได้ง่าย (จากการขยับหรือเคลื่อนไหวของอวัยวะต่างๆ)

            (B) การทำ 3D-image จากการใช้ใช้ spiral CT. ซึ่งเป็น Volume 

                  acquisition data ทำให้

                              ข้อมูลที่นำมาสร้างภาพมีทุกตำแหน่งในลูกบาศก์ และความเร็วในการ scan ทำให้

      ภาพสามมิติที่ได้มีลักษณะที่ตรงกับความเป็นจริงมากกว่า

            เมื่อนำข้อมูลที่ได้มาสร้างภาพด้วยวิธีการเดียวกับ conventional CT. จะทำให้ภาพเกิด motion artifacts ทุกภาพ ต้องใช้การสร้างภาพที่เรียกว่า spiral/helical algorithm โดยเทคนิคที่เรียกว่า Interpolation Algorithm เพื่อแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นโดยเครื่อง spiral จะออกแบบให้การสร้างภาพทำงานดังนี้

            1. การคำนวณข้อมูลเพื่อกำหนดตำแหน่งของข้อมูลแต่ละตำแหน่งจะใช้ Interpolation technique โดย plane ของข้อมูลที่ได้ทั้งหมด (มีลักษณะ Volume data ที่ทราบตำแหน่งทุกจุด) จัดข้อมูลออกเป็นระนาบของแต่ละ slice โดยการคำนวณค่าของข้อมูลที่อยู่ในตำแหน่งระหว่างข้อมูลที่เหลื่อมกัน เพื่อสร้างเป็น plane ใหม่ที่อยู่ระหว่าง plane ที่เหลื่อมกัน เรียกว่า interpolation data reconstruction ทำให้สามารถสร้างภาพในทุกระยะการ scan

            2. เมื่อได้ค่าของข้อมูลที่เกิดจากการคำนวณของ interpolation technique แล้วก็นำไปสร้างภาพด้วยเทคนิคมาตรฐานเช่น filter back projection ต่อไป จะได้ภาพที่ไม่มี motion artifact

รูปที่ 7   ขั้นตอนที่หนึ่งในการคำนวณหาค่าในตำแหน่งระนาบการสร้างภาพ (image

plane) ที่เกิดจาก Interpolation technique โดยใช้ข้อมูลที่เก็บแบบ volume set ซึ่งตำแหน่งภาพที่ interpolate จะเกิดระหว่าง Acquisition data แต่ละ plane ที่ scan ผ่านในแต่ละตำแหน่ง

จากรูปที่ 9 และ 10 เป็นการอธิบายรูปแบบการเก็บข้อมูลโดยเทคนิค interpolation ที่เรียกว่า simplest approach หรือในทางเทคนิคที่เรียกว่า 360 degree linear interpolation algorithm (360^๐-LI Algorithm)  ซึ่งในทางปฏิบัติพบว่า ในช่วงแรกของเครื่อง spiral CT. ที่ใช้เทคนิคนี้จะให้ภาพที่มีคุณภาพไม่สูงนักเนื่องจากการคำนวณจะใช้ตำแหน่ง Slice Sensitive Profile (SSP)ค่อนข้างกว้าง (รูปที่ 11) หรือเรียกตำแหน่งของระยะห่างกันของระนาบที่ใช้สร้างภาพทั้งสองว่า z-gap ซึ่งมีผลต่อคุณภาพของภาพถ้า z-gap มีระยะมากคุณภาพของภาพก็ไม่ดีนัก แต่ถ้า z-gap แคบจะทำให้ได้ภาพที่ดีกว่า

รูปที่ 8 ขั้นตอนที่สองในการสร้างภาพของเครื่อง spiral CT. เป็นการเลือก

             reconstruction plane ได้ตลอดช่วงข้อมูลอย่างอิสระ

           รูปที่ 9 การสร้างภาพด้วยเทคนิค 360 degree interpolation algorithm (z) โดยคำนวณข้อมูลระหว่างระนาบในตำแหน่ง z’ และ z’+d ที่ต่างกัน 360 องศา

เมื่อนำมาสร้างภาพจะได้ภาพที่ค่อนข้างหยาบ จึงแก้ปัญหาโดยใช้เทคนิคการเก็บข้อมูลที่เรียกว่า 180 degree Linear Interpolation Algorithm แทน (รูปที่ 12) ทำให้ระนาบของ SSP ไม่ห่างกันมากเมื่อนำไปสร้างภาพก็จะได้ภาพที่ดีกว่าการใช้ 360 degree interpolation reconstruction

รูปที่ 10 การสร้างภาพด้วยเทคนิค 180^๐ Linear Interpolation Algorithm (180^๐LI)

เทคนิคการสร้างภาพด้วย 180^๐ Linear Interpolation Algorithm (180^๐LI)  จะเกิดจากการคำนวณข้อมูลระหว่างระนาบในตำแหน่ง z” และ z’+d ที่ต่างกัน 180 องศา ส่วนการใช้ 180^๐ HI technique เป็นการใช้ข้อมูลในระนาบที่ซับซ้อนขึ้นจาก z’, z”,z’+d และ z”+d ทำให้ช่วง z-gap แคบมากกว่า 180 องศา

เอกสารอ้างอิง

สุชาติ เกียรติวัฒนเจริญ. เอกสารประกอบการสอนกระบวนวิชา 515337 เรื่อง ส่วนประกอบ

          ของเครื่องเอกซเรย์คอมพิวเต็ทโทโมกราฟี. คณะเทคนิคการแพทย์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 

          เชียงใหม่. 2549.

E. Seeram. Computed Tomography; Physical principles.

      clinical applications and quality control. 2^nd edition.     

      W.B.Sauders Co.ltd, Philadelphia, USA.2001.

W.A. Kalender. Computertomography. Publicis MCD Verlag.

       München. 2000.

http://www.toshiba medical system.com (online)

http://www.siemens medical system.com (online)

 ********************** ติดตาม MDCT ตอนที่ 2 ครับ ******************************

มลพิษทางอากาศ …ฝุ่นละอองขนาดเล็ก...

ผศ.สุชาติ   เกียรติวัฒนเจริญ คณะเทคนิคการแพทย์  มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

ปัจจุบันจะเห็นได้ว่ากระแสความตื่นตัวในเรื่องสิ่งแวดล้อม ได้มีการนำเสนอข่าวสารออกมาอย่างต่อเนื่อง ทั้งในและนอกประเทศ ทั้งนี้เนื่องจากเริ่มมีปรากฏการณ์ทางธรรมชาติต่างๆ ที่เกิดขึ้นในโลกที่ชี้ให้เห็นว่าเป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อม ทั้งเรื่องของมลพิษทางน้ำ  การปนเปื้อนสารเคมีหรือสารพิษในดิน ในน้ำ หรือการเกิดมลพิษในอากาศ นอกจากนั้นภาวะโลกร้อนได้มีการปลุกกระแสให้คนในโลกได้รับรู้โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสารคดีที่นำเสนอโดย Al Goreอดีตรองประธานาธิบดีของสหรัฐอเมริกา (2007) ในเรื่อง An Inconvenient Truth ซึ่งได้ชี้ให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของโลกโดยเฉพาะเรื่องโลกร้อนอันจะทำให้เกิดการละลายของน้ำแข็งที่ขั้วโลกในบริเวณกว้างจนเกิดความวิตกว่าจะทำให้เกิดน้ำท่วมใหญ่ตลอดแนวชายฝั่งทะเลทุกส่วนของโลกโดยระดับน้ำทะเลอาจเพิ่มสูงขึ้น 1-2 เมตรซึ่งนั่นหมายถึงพื้นที่ชายฝั่งทะเลของแต่ละประเทศอาจหายไปไม่น้อยกว่า 2-3 กิโลเมตรจากปัจจุบัน ซึ่งในปัจจุบันก็จะเห็นได้ว่าตลอดแนวชายฝั่งด้านอ่าวไทยของประเทศไทยมีการกัดเซาะของน้ำทะเลเข้ามาไม่น้อยกว่า 1 กิโลเมตรในช่วงไม่ถึง 20 ปี โดยเฉพาะบ้านขุนสมุทรจีน สมุทรปราการ ปัจจัยที่ส่งผลให้เกิดภาวะโลกร้อนที่สำคัญคือการเกิดภาวะเรือนกระจกที่เกิดจากการปล่อยแกสพิษต่างๆ โดยเฉพาะคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นแกสที่เกิดจากการเผาไหม้ต่างๆทุกชนิด ยิ่งโลกมีประชากรมากขึ้น ความต้องการใช้พลังงานมากขึ้น  แต่สำหรับฝุ่นละอองขนาดเล็กหรือหมอกควันที่เกิดขึ้นในประเทศไทยกำหนดให้ PM10ในอากาศมีค่ามาตรฐานระดับควบคุมจะไม่เกิน 120ไมโครกรับต่อลูกบาศก์เมตร จะมีแหล่งกำเนิดจากรถยน์ในเมืองที่มีการจราจรหนาแน่นกับการเผาในที่โล่งแจ้งเป็นหลัก ซึ่งพบว่าจังหวัดที่ได้รับผลกระทบเรื่องหมอกควันมีหลักๆ ได้แก่ 
1. กรุงเทพฯและปริมณฑลฝุ่นละอองขนาดเล็กที่เกิดขึ้นในกรุงเทพฯและปริมณฑลมักจะเกิดจากควันไอเสียของรถยนต์ซึ่งมีจำนวนมากรวมทั้งควันจากโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ เป็นหลัก จะเกิดขึ้นตลอดปีแต่ระดับปริมาณฝุ่นละอองขนาดเล็กในอากาศ(PM10)ส่วนมากยังไม่เกินระดับมาตรฐาน แต่พบว่าบางช่วงโดยเฉพาะช่วงอากาศหนาวและเข้าสู่ฤดูแล้งประมาณเดือนมกราคมถึงเมษายนของทุกปีก็จะมีแนวโน้มที่ค่อนข้างสูงใกล้ๆระดับควบคุม และอาจมีบางวันเท่านั้นที่อาจมีระดับเกินมาตรฐาน แต่ไม่มากนักทั้งนี้เพราะกรุงเทพเป็นที่ราบและอยู่ใกล้ทะเลดังนั้นจึงมีลมพัดจากทะเลเข้าฝั่งในเวลากลางวันเสมอ และในช่วงกลางคืนจะมีลมพัดจากฝั่งกรุงเทพและพื้นที่ชายฝั่งออกทะเลดังนั้นจึงไม่มีปัญหาฝุ่นละอองในอากาศสะสมเหมือนพื้นที่ที่เป็นแอ่งกะทะ(Basin) 
2. พื้นที่จังหวัดบริเวณภาคเหนือตอนบนและจังหวัดที่อยู่ใกล้เคียงเช่น ตาก สุโขทัย เป็นต้น เกิดจากการเผาป่า เผาซากพืชทางการเกษตรเป็นหลักจะเกิดในช่วงเดือน กุมภาพันธ์จนถึงเดือนเมษายนของทุกปี ซึ่งระดับความเข้มข้นของหมอกควันหรือฝุ่นละอองในอากาศจะเกินค่ามาตรฐานค่อนข้างมาก ซึ่งช่วงระยะเวลาดังกล่าวจะมีค่า PM10 ประมาณ 75-300 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตรเลยทีเดียว และบางปีจะพบบางพื้นที่มีระดับสูงสุดถึง 500 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตรเลยทีเดียว อย่างไรก็ตามจากการติดตามข้อมูลจากกรมควบคุมมลพิษทางอากาศจะพบว่าพื้นที่จังหวัดภาคเหนือตอนบนในแต่ละปีจะมีวันที่มีปัญหาหมอกควันเกินค่ามาตรฐานประมาณเฉลี่ยในแต่ละปีอยู่ราวๆ 5-15วัน แม้ว่าบางปีอาจมีบางพื้นที่เกินมาตรฐานถึง 22-23วัน แต่ก็ไม่ได้เกิดขึ้นทุกปี แต่ก็ถือว่าเป็นปัญหารุนแรงกว่าพื้นที่ภาคอื่นๆ ทั้งประเทศ
3. เขตจังหวัดภาคใต้ตั้งแต่สงขลาลงไปจนถึงยะลาซึ่งมักจะเป็นหมอกควันที่เกิดจากกิจกรรมการเผาในต่างแดน (ไฟไหม้ป่า และการเผาในเขตป่าของบอร์เนียวและเกาสุมาตรา) แล้วถูกลมพัดกระจายมายังภาคใต้ของประเทศไทย ช่วงเวลาที่พบหมอกควันมากในภาคใต้จะมีสองช่วงคือประมาณเดือน มิถุนายนถึงสิงหาคม เป็นส่วนใหญ่ โดยเฉพาะจังหวัดยะลา ปัตตานี นราธิวาส สงขลา ภูเก็ต PM10 จะอยู่ในระดับ 50- 90 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตรซึ่งเป็นระดับที่ไม่เกินมาตรฐาน แต่ก็ถือว่ามากกว่าช่วงเวลาอื่นที่มักจะมีค่าช่วง 10-40 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตรเท่านั้น 

รูปที่ 1 แสดงให้เห็นถึงภาวะหมอกควันเชียงใหม่ในปี 2555 (ซ้าย) ซึ่งมีค่า PM10  มากกว่า 120 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ในบริเวณสี่แยกข่วงสิงห์จะไม่เห็นดอยสุเทพ เทียบกับด้านขวามือที่ยังมีปริมาณหมอกควันไม่เกินค่ามาตรฐาน (น้อยกว่า 120 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตร) จะเห็นดอยสุเทพที่ชัดเจนกว่าวันที่มีมลภาวะทางอากาศเกินมาตรฐาน

ความต้องการพื้นที่มากขึ้นส่งผลให้เกิดการรุกพื้นที่ป่ามากขึ้น การเผาทำลายป่ามากขึ้น ปริมาณน้ำผิวดินลดน้อยลง ความแห้งแล้งในอากาศสูงขึ้น ยิ่งเป็นตัวเร่งให้ภาวะโลกร้อนรุนแรงขึ้นและยิ่งทำให้คุณภาพอากาศแย่ลงทั้งในเรื่องปริมาณแกสพิษและปริมาณฝุ่นละอองในอากาศที่เพิ่มขึ้น

ฝุ่นละอองขนาดเล็กถือเป็นผลพลวงของการเผาไหม้ทุกชนิดรวมทั้งการเกิดจากปรากฏการณ์ธรรมชาติ เช่นการระเบิดของภูเขาไฟ การเกิดพายุทะเลทราย ฯ ซึ่งหากแบ่งขนาดฝุ่นละอองขนาดเล็กแล้วมักจะแบ่งตามขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางได้แก่

TSP (Total Suspension Particle) เป็นฝุ่นละอองที่มีขนาดตั้งแต่ 100 ไมครอนลงมา

( 1 ไมครอน เศษหนึ่งส่วนล้านของเมตร หรือ หนึ่งในพันส่วนของมิลลิเมตร)

PM₁₀  (Paticulate Matters 10 micron)  จัดเป็นฝุ่นละอองขนาดเล็กที่มีขนาดตั้งแต่ 10 ไมครอนลงมา หรือเรียกว่าฝุ่นหยาบ

PM_2.5 (Paticulate Matters 2.5 micron) เป็นฝุ่นละอองขนาดเล็กที่มีขนาดต่ำกว่า 2.5 ไมครอนลงมา เรียกว่าฝุ่นละเอียด

รูปที่ 2 ขนาดเปรียบเทียบวงกลมใหญ่แทนขนาดเส้นผม วงกลมกลางจะเท่ากับฝุ่นละอองขนาด PM₁₀ และวงกลมเล็กสุดจะเท่ากับขนาด PM_2.5

        ในการเก็บตัวอย่างฝุ่นละอองขนาดเล็กทุกขนาดจะใช้เครื่องมือมาตรฐานที่ใส่แผ่นกรอง (Filter) ที่ใช้ดักจับฝุ่นละอองขนาดเล็ก ที่มีขนาดรูพรุนเล็กกว่าขนาดฝุ่นละอองที่ต้องการเก็บตัวอย่างและจะเก็บตัวอย่างเป็นเวลา 24 ชั่วโมงจากนั้น จะวิเคราะห์ปริมาณด้วยการชั่งน้ำหนักฝุ่นแล้วคำนวณปริมาณออกมาเป็นค่าเฉลี่ยน้ำหนักฝุ่นในเวลา 24 ชั่วโมงต่อหน่วยลูกบาศก์เมตรของอากาศ (หน่วยไม่โครกรัมต่อลูกบาศก์เมตรอากาศ)  ซึ่งค่ามาตรฐานที่กรมควบคุมมลพิษของประเทศไทยกำหนดค่าควบคุมสำหรับฝุ่นละอองในอากาศขนาด PM₁₀ ในเวลา 24 ชั่วโมง ต้องมีค่าเฉลี่ยไม่เกิน 120 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตรของอากาศ นั่นหมายความว่าในแต่ละวันที่สถานีตรวจวัดคุณภาพอากาศของกรมควบคุมมลพิษในแต่ละสถานีจะรายงานปริมาณฝุ่นละอองขนาดเล็ก(PM₁₀) ทุกวัน จะบ่งบอกถึงปริมาณฝุ่นละอองขนาดเล็กในรอบ 24 ชั่วโมงที่ผ่านมา ดังนั้นหากพบว่าค่าที่รายงานออกมามีค่าเกิน 120 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตรของอากาศแล้วจะต้องใช้อุปกรณ์ป้องกันแบบต่างๆ เพื่อมิให้ฝุ่นละอองขนาดเล็กเหล่านี้เข้าสู่ร่างกายจนเกิดอันตรายได้

รูปที่ 3 ลักษณะของฝุ่นละอองขนาดเล็กจากกล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอน ขยาย 400 เท่า

ที่มา  http://www.hartford.gov/healthyhartford/OutdoorAir_Quality/Images/pm225a.jpg

                                    (ก)                                               (ข)

รูปที่ 4  รูปถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์ธรรมดาขยาย 100 เท่าเปรียบเทียบขนาดฝุ่นละออง

    ขนาดเล็ก (PM₁₀) กับขนาดเส้นผม  รูป ก (ซ้ายมือ) แผ่นกรองเปล่าเคลือบด้วย

    Apizon’s grease เพื่อใช้เก็บตัวอย่างฝุ่นขนาด 10 ไมครอน 

    รูป ข (ขวามือ) แผ่นกรองที่เก็บตัวอย่างฝุ่นขนาด 10 ไมครอนลงไปเทียบกับ

    เส้นผม

รูปที่ 5 ฝุ่นขนาดต่างๆ เข้าสู่ทางเดินหายใจในระดับความลึกแตกต่างกัน

ที่มา http://www.home-air-purifier-expert.com/lungs.html#dustandpm

รูปที่ 6 ภาพทางเดินอากาศในปอดและถุงลม

จากการศึกษาผลของฝุ่นละอองขนาดเล็กที่ส่งกระทบต่อสุขภาพพบว่าฝุ่นละอองขนาดใหญ่กว่า 10 ไมครอนซึ่งคิดเป็นร้อยละ 99 ของฝุ่นละอองทั้งหมดจะติดอยู่บริเวณโพรงจมูกและปากเท่านั้น¹ ไม่สามารถผ่านเข้าสู่หลอดลมได้ ส่วนฝุ่นที่มีขนาด 5-10 ไมครอนจะเข้าสู่หลอดลม (Trachea) และแขนงหลอดลม (Bronchus) สำหรับฝุ่นขนาด 2.5-5 ไมครอนจะเข้าสู่หลอดลมฝอย(Bronchioles) ถุงลม(Alveoli) และฝุ่นละเอียดขนาดต่ำกว่า 0.02 ไมครอนสามารถดูดกลืนเข้าสู่กระแสโลหิตผ่านเส้นเลือดฝอยในปอดเข้าสู่ร่างกายได้

รูปที่ 7  ฝุ่นละอองเข้าสู่ทางเดินหายใจในระดับลึกส่วนต่างๆ

ผลกระทบต่อสุขภาพที่เกิดขึ้นจากฝุ่นละอองขนาดเล็ก

ในรายงานทางการแพทย์พบว่าผู้ที่อยู่ในอากาศที่มีฝุ่นละอองขนาดเล็กในความเข้มข้นต่ออากาศที่สูงเกินระดับมาตรฐาน (120 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตรอากาศ) แล้วจะเกิดอาการโดยเฉียบในระดับต่างๆ ตั้งแต่ระดับน้อยๆไปจนถึงอันตรายต่อชีวิตได้แก่ การไอจาม มีน้ำมูก หายใจขัด เกิดการแพ้ หายใจลำบาก มีอาการหอบหืด หัวใจเต้นแรง หน้ามืด เป็นลม หมดสติ ชัก หัวใจวายเฉียบพลัน สำหรับผู้ที่ได้รับสัมผัสฝุ่นละอองขนาดเล็กที่มีความเข้มข้นมากกว่า 50ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตรอากาศ เป็นเวลานานๆ อาจไม่มีอาการที่รุนแรงมากนักในระยะต้น แต่ในระยะยาวอาจก่อให้เกิดโรคที่รุนแรงหรือมีอาการเรื้อรังได้แก่ ภูมิแพ้ การอุดตันของท่อลมฝอย หอบหืดเรื้อรัง ปอดอักเสบเรื้อรัง  ไอเป็นเลือด โรคหลอดเลือดและหัวใจ และยังพบรายงานทางระบาดวิทยาว่าประชาชนที่อยู่ในเขตที่มีมลพิษทางอากาศสูงนานๆ มีแนวโน้มที่จะเป็นมะเร็งปอดมากกว่าประชาชนในเขตที่มีอากาศสะอาดอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ ซึ่งพอจะสรุปอาการเจ็บป่วยที่เกิดจากฝุ่นละอองขนาดเล็ก ³ ได้ดังนี้

1.   อาการของระบบทางเดินหายใจ  ตั้งแต่อาการน้อย เช่น ไอ จาม มีน้ำมูก จนไปถึงการอักเสบของไซนัส  เจ็บคอ ไอมีเสมหะ หรือมีไข้ หรืออาจจะมีอาการของระบบทางเดินหายใจส่วนล่าง ได้แก่ หายใจลำบาก  เจ็บหน้าอก หรือหายใจมีเสียงดัง วี๊ซ (Wheez) เนื่องจากมีการหดตัวของหลอดลม 

2.  หลอดลมอักเสบ (Bronchitis)   ในกลุ่มประชากรที่สัมผัสฝุ่นละอองขนาดเล็กในปริมาณที่มาก  จะมีอุบัติการณ์ของการเกิดโรคหลอดลมอักเสบสูงกว่า   และในรายที่มีโรคหัวใจเป็นโรคประจำตัวอยู่แล้ว เมื่อเกิดโรคหลอดลมอักเสบ(Bronchitis) หรือปอดบวม(Pneumonia) จะซ้ำเติมให้การทำงานของหัวใจแย่ลง  จนเกิดหัวใจวายได้ (Heart Failure)

3.  ปอดเป็นพังผืดจากการระคายเคืองเรื้อรัง (Pneumoconiosis)  การที่ฝุ่นละอองขนาดเล็กที่เข้าไปในปอดไประคายเคืองระบบทางเดินหายใจเรื้อรัง จนเกิดพังผืดขึ้นในเนื้อปอด

4. มะเร็งของระบบทางเดินหายใจ   ฝุ่นละอองขนาดเล็กที่มีส่วนผสมของสารบางอย่าง เช่น Arsenic, Chromate ,Poly aromatic hydrocarbon (PAH) ,Nickel,สารกัมมันตรังสี   ซึ่งเมื่อสัมผัสกับเนื้อปอด จะทำให้เป็นมะเร็งปอดได้  และถ้าสารดังกล่าวที่กล่าวมาข้างต้นสามารถละลายน้ำได้  เมื่อไปสู่อวัยวะต่างๆนอกปอด  ก็สามารถทำให้อวัยวะเหล่านั้นเกิดมะเร็งได้เช่นกัน

5. เพิ่มอัตราการตาย และอัตราการนอนพักรักษาตัวในโรงพยาบาล  โดยมีการศึกษาสนับสนุนดังนี้

o    การศึกษาในสหรัฐอเมริกา ในปี 1944  ถ้าฝุ่นละอองขนาดเล็กกว่า 10 ไมครอน (PM₁₀)  มีความเข้มข้นเพิ่มขึ้นจากระดับปรกติ 10 ไมโครกรัมต่อ ลบ.ม. จะทำให้อัตราการตายสูงขึ้นร้อยละ 1.0-3.2   และเพิ่มการนอนรักษาในโรงพยาบาลด้วยโรคที่เกี่ยวข้องกับระบบทางเดินหายใจขึ้นร้อยละ 1-2

o    การศึกษาในสหราชอาณาจักร พบว่า PM₁₀ เพิ่มอัตราการตายร้อยละ 1.9 และเพิ่มการนอนพักรักษาตัวในโรงพยาบาล

การศึกษาอื่นๆ พบว่า ถ้า PM₁₀ เพิ่มขึ้นจากระดับปรกติ 10 ไมโครกรัมต่อ ลบม.  จะทำให้อัตราการตายที่เพิ่มขึ้นร้อยละ 1  อัตราการตายจากโรคหัวใจเพิ่มขึ้นร้อยละ 1.4  การนอนพักรักษาตัวในโรงพยาบาลเพิ่มขึ้นร้อยละ 0.8 และการรักษาตัวในห้องฉุกเฉินเพิ่มขึ้นร้อยละ 1

ฝุ่นละอองขนาดเล็ก สามารถผ่านเข้าไปในทางเดินหายใจได้ลึก³ โดยระบบทางเดินหายใจ เช่นขนจมูกไม่สามารถที่จะกรองเพื่อไม่ให้เข้าไปในส่วนลึกของระบบทางเดินหายใจได้ จึงมีอันตรายมากกว่าฝุ่นละอองขนาดใหญ่ มีหลักฐานแน่ชัดว่าฝุ่นละอองขนาดเล็กมีผลกระทบต่อสุขภาพทั้งในเมืองของประเทศที่พัฒนาแล้ว และประเทศที่กำลังพัฒนา โดยมีผลต่อระบบทางเดินหายใจและระบบหัวใจและหลอดเลือด ไม่มากก็น้อย สำหรับประชาชนที่สูดดมเข้าไป โดยเฉพาะในกลุ่มเสี่ยงได้แก่ เด็กและคนชรา และคนที่มีโรคของระบบทางเดินหายใจ เช่นโรคภูมิแพ้ โรคหอบหืดเป็นต้น ปัจจุบันยังไม่สามารถหาได้ว่าปริมาณที่ไม่เกินเท่าไรถึงปลอดภัยและไม่ทำให้เกิดผลกระทบต่อสุขภาพต่อทุกคน ได้มีการศึกษาในสหรัฐอเมริการและยุโรปเพื่อหาขนาดของฝุ่นลอองงขนาดเล็กว่าปริมาณน้อยสุดที่มีผลกระทบต่อสุขภาพเท่ากับเท่าไร พบว่า ปริมาณของ PM_2.5 ปริมาณที่มากกว่า 3-5 ไมโครกรัม/ลบม. สามารถมีผลสุขภาพ นักระบาดวิทยาสามารถแสดงหลักฐานผลกระทบต่อสุขภาพเมื่อสัมผัสทั้งในระยะสั้นและระยะยาว และสรุปว่าปริมาณของฝุ่นละอองขนาดเล็กและความรุนแรงของผลกระทบต่อสุขภาพนั้นมีความแตกต่างกันในแต่ละคน เป็นการยากที่จะกำหนดมาตรฐานค่าใดค่าหนึ่งที่จะสามารถคุ้มครองประชาชนทุกคนให้ปลอดภัยจากฝุ่นละอองขนาดเล็กได้ ถ้าเป็นไปได้มาตรฐานของปริมาณของฝุ่นละอองขนาดเล็ก ควรต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้ ภายใต้ข้อจำกัดของแต่ละพื้นที่ และการเห็นความสำคัญของปัญหาดังกล่าว . การทำ Quantitative risk assessment โดยการจำลองภาพว่าเมื่อใช้ค่ามาตรฐานของปริมาณ PM₁₀ และ PM_2.5 ค่าต่างๆกัน จะมีความเสี่ยงต่อสุขภาพที่เกี่ยวข้องกับฝุ่นละอองขนาดเล็กอย่างไร เป็นวิธีการที่ Environmental Protection Agency (EPA) ของสหรัฐอเมริกา และ European Commission ใช้กันเพื่อทบทวนค่ามาตรฐานที่เหมาะสมว่าควรเป็นเท่าไร โดยพิจารณาปริมาณของ PM ที่จะทำให้อัตราการตายเพิ่มขึ้น ซึ่งนักระบาดวิทยาส่วนใหญ่ใช้ PM₁₀ ในการศึกษา เนื่องจาก PM₁₀ นั้นจะรวม PM_2.5 นั้นประกอบด้วยฝุ่นละอองขนาดเล็กว่า 2.5 ไมครอน และฝุ่นละอองขนาด 2.6 – 9.9 ไมครอนเข้าไปด้วย

       ฝุ่นละอองขนาดเล็ก เกิดจากกิจกรรมต่างๆ เช่น การก่อสร้าง ฝุ่นละอองบนท้องถนน และการเผาไหม้เชื้อเพลิง ซึ่งสัดส่วนของ PM_2.5 และ PM₁₀ ก็แตกต่างกันไปแล้วแต่พื้นที่ โดยในเขตเมืองของประเทศกำลังพัฒนา สัดส่วนของ PM_2.5 / PM₁₀ มีค่าประมาณ 0.5 แต่ในเขตเมืองของประเทศพัฒนาแล้วประมาณ 0.5- 0.8 แม้ว่า PM₁₀ จะได้รับการใช้ในวงกว้าง แต่การศึกษาของ WHO ใช้ค่า PM _2.5 และคำนวณกลับมาเป็น PM ₁₀ ได้จากการประมาณการว่า ค่า สัดส่วนระหว่าง PM_2.5 / PM₁₀ มีค่าประมาณ 0.5

จากผลกระทบทางสุขภาพที่ได้ทำการศึกษามาก่อนหน้านี้ จำเป็นต้องมีค่ามาตรฐานทั้งระยะสั้น 24 ชั่วโมง และระยะยาวคือ 1 ปี โดยค่าเฉลี่ยระยะยาว 1 ปีของ PM _2.5 นั้นกำหนดระดับต่ำสุดที่ 10 µg/m³ ซึ่งเป็นค่าที่เริ่มมีผลทำให้อัตราการตายสูงขึ้น โดยอิงข้อมูลจาก American Cancer Society's (ACS) study (Pope et al., 2002) และ Harvard Six-Cities data (Dockery et al., 99 ; Pope et al., 1995; HEI, 2000, Pope et al., 2002, Jerrett, 2005). โดยจากการศึกษาพบว่า มีความสัมพันธ์ระหว่างการสัมผัส PM_2.5 ในระระยาว กับอัตราการตาย โดยปริมาณค่าเฉลี่ยของ PM_2.5 ที่ผ่านมาเท่ากับ 18 ไมโครกรัม/ลบม. (11.0 – 29.6 ไมโครกรัม/ลบม. ) ใน 6 เมืองที่ทำการศึกษา และจากการศึกษาของ ACS ค่าเฉลี่ยของ PM _2.5 ที่สัมพันธ์กับอัตราตายที่เพิ่มขึ้นคือ 20 ไมโครกรัม/ลบม. ( 9.0 – 33.5 ไมโครกรัม/ลบม. ) แต่ทั้งการศึกษายังไม่สามารถกำหนดค่า Threshold ได้ว่าค่าที่ปลอดภัยสำหรับประชากรทุกคนควรเป็นเท่าไร แต่จากศึกษา ของ Donkey et al. (1993 ) study พบว่าความเสี่ยงต่ออัตราการตายที่เพิ่มขึ้นยังเหมือนเดิมในเมืองที่ทำการศึกษาที่มีค่าความเข้มข้นระยะยาวของ PM_2.5 ต่ำสุด คือ 11-12.5 ไมโครกรัม/ลบม. จึงสรุปได้ว่า ปริมาณของ PM_2.5 ที่มีผลต่อสุขภาพที่ต่ำสุดคือ 11-15 ไมโครกรัม/ลบม. ดังนั้น WHO AQG จึงกำหนดค่ามาตรฐานที่ 10 ไมโครกรัม/ลบม. ค่าดังกล่าวได้ทำการศึกษาทั้งการสัมผัสในระยะสั้นและระยะยาว ซึ่งพบว่ามีความปลอดภัยในระดับหนึ่ง และสามารถลดความเสี่ยงลงไปได้อย่างมีนัยสำคัญ แม้จะไม่สามารถที่จะรับรองความปลอดภัยของทุกคน

เอกสารอ้างอิง

1. วนิดา  จีนศาสตร์. มลพิษอากาศและการจัดการคุณภาพอากาศ. จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.

     กรุงเทพฯ.  2551.

                2. กรมพัฒนาการส่งเสริมสุขภาพและอนามัยสิ่งแวดล้อม ศอ.4  อ้างใน

                  http://www.hartford.gov/healthyhartford/OutdoorAir_Quality/Images/pm225a.jpg

3. http://hpe4.anamai.moph.go.th/hia/pm2health.php

4. http://www.home-air-purifier-expert.com/lungs.html#dustandpm