นับเป็นเวลานานกว่าหลายพันปีมาแล้ว ที่มนุษย์เรามีความต้องการที่จะเอาชนะขีดจำกัดในการมองเห็น ซึ่งระบบการรับภาพของมนุษย์มีข้อจำกัดทางกายภาพในแง่ของขนาดวัตถุที่เราสามารถแยกแยะได้ (resolution) โดยมุมที่เล็กที่สุดที่ตาคนเราสามารถแยกแยะได้ (angular resolution) จะอยู่ที่ประมาณ 0.02-0.03 องศา ซึ่งเทียบเท่ากับความสามารถในการแยกแยะวัตถุขนาด 30-50 เซนติมิเตอร์ ที่วางห่างออกไปจากผู้สังเกตการณ์เป็นระยะ 1 กิโลเมตร หรือ การแยกแยะขนาดของเส้นผมที่ระยะ 25 เซนติมิเตอร์จากดวงตา อุปกรณ์แรกๆ ที่มีการประดิษฐ์คิดค้นเพื่อขยายขีดจำกัดการมองเห็นของมนุษย์ ก็คือ แว่นขยาย (magnifying glass) นั่นเอง ซึ่งเป็นในลักษณะของเลนส์นูนชิ้นเดียวที่มีกำลังขยายที่ทำให้เกิดขนาดภาพที่ใหญ่กว่าขนาดวัตถุจริงมากๆ และทำให้เราสามารถมองเห็นอนุภาคหรือสสารที่มีขนาดเล็กเกินกว่าที่จะสามารถแยกแยะได้ด้วยตาเปล่า อีกทั้ง ยังเป็นที่มาของการผลิตอุปกรณ์สำคัญอย่าง แว่นตา ที่มีใช้งานกันอย่างแพร่หลายจนถึงปัจจุบัน
แรงผลักดันที่สำคัญประการหนึ่งของการพัฒนาทางเทคโนโลยีของอุปกรณ์ที่ช่วยในการขยายขอบข่ายการรับรู้ของมนุษย์ ก็คือความต้องการที่จะเอาชนะโรคภัยไข้เจ็บ พัฒนาการของอุปกรณ์ถ่ายภาพทางการแพทย์เริ่มขึ้นอย่างจริงจังตั้งแต่การคิดค้น กล้องจุลทรรศน์ ขึ้นในราวต้นศตวรรษที่ 16 ทั้งนี้ ไม่ได้มีหลักฐานปรากฏแน่ชัดว่าใครคือบุคคลแรกที่ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ขึ้นคือใคร ระหว่าง Hans Jansen ช่างทำเลนส์ชาวดัตช์ และ Galileo1 กล้องจุลทรรศน์เป็นอุปกรณ์ชิ้นแรกที่ประกอบขึ้นด้วยเลนส์หลายๆ ชิ้นมารวมกัน (compound lenses) เพิ่มขีดความสามารถของระบบในการขยายวัตถุที่มีขนาดเล็กมากๆ ในระดับไมครอนได้ (1 ไมครอน มีขนาดโดยประมาณเท่ากับ 1 ใน 100 ของขนาดเส้นผมของเราโดยประมาณ) กล้องจุลทรรศน์โดยทั่วไปใช้ตาเราเป็นตัวรับภาพ ดังนั้นจึงถูกออกแบบเพื่อการใช้งานในช่วงแสงปกติที่ตามองเห็น (visible range) เป็นหลัก ทั้งนี้ เป็นที่ทราบกันดีว่า จอประสาทตาของมนุษย์เรามีการตอบสนองต่อแสงในช่วงความยาวคลื่น 400-700 นาโนมิเตอร์เท่านั้น ซึ่งก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่จำกัดขีดความสามารถในการสังเกตการณ์ของมนุษย์
ในปี 1895 William Roentgen ค้นพบรังสีเอ็กซ์ (X-rays) และภายหลังได้ถูกประยุกต์ใช้งานในการถ่ายภาพโครงกระดูกในร่างกายมนุษย์ รวมถึงการประยุกต์ใช้ในการตรวจหาความผิดปกติของเนื้อเยื่อบางชนิด เช่น ปอด ลำไส้ และไต เป็นต้น ยิ่งไปกว่านั้น วิวัฒนาการทางเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ในช่วงทศวรรษ 1960 นำไปสู่การคิดค้น X-ray Computed Tomography หรือที่เรียกกันสั้นๆ ว่า CT ในทศวรรษ ที่ 19702 และได้ถูกพัฒนาไปสู่การใช้งานในระดับคลินิกในปี 19793 อย่างไรก็ตาม การใช้ X-rays ในการถ่ายภาพทางการแพทย์มีข้อจำกัดเนื่องจาก โดยทั่วไปแล้ว X-rays มีการตอบสนองต่อเนื้อเยื่ออ่อนน้อยมาก อีกทั้งยังมีความเสี่ยงต่ออันตรายจากกัมมันตภาพรังสี ซึ่งอาจส่งไปทำลายเซลล์ปกติได้ด้วย
อัลตร้าซาวด์ หรือ ultrasonography เป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีที่มีการพัฒนาเพื่อประโยชน์ทางการแพทย์ ซึ่งถึงแม้ว่าอัลตร้าซาวด์ จะถูกคิดค้นขึ้นมาก่อน CT แต่ก็เพิ่งได้รับการพัฒนาและนำไปใช้งานในคลินิกอย่างจริงจังในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาเท่านั้น จุดเด่นของอัลตร้าซาวด์คือความสามารถในการถ่ายภาพเนื้อเยื่อในเชิงลึก โดยเฉพาะภายในร่างกายมนุษย์ โดยไม่ต้องทำการผ่าตัดและไม่ส่งผลกระทบข้างเคียงใดๆ ต่อเนื้อเยื่อ จึงทำให้ในปัจจุบัน มีการประยุกต์ใช้อัลตร้าซาวด์ในทางการแพทย์อย่างแพร่หลาย และยังคงได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง4
Magnetic Resonance Imaging หรือ MRI เป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีที่ถูกคิดค้นและพัฒนาประโยชน์ในการถ่ายภาพทางการแพทย์ MRI ถูกคิดค้นขึ้นในราวทศวรรษที่ 1970 ซึ่งมีจุดเด่นในด้านความละเอียดในการถ่ายภาพ อีกทั้งไม่มีข้อจำกัดในด้านความลึกของการถ่ายภาพ อย่างไรก็ตาม MRI ก็มีข้อจำกัดในส่วนของต้นทุนการสร้างที่สูง และความซับซ้อนของระบบ รวมถึงความเร็วในการถ่ายภาพที่ช้ากว่า CT และ อัลตร้าซาวด์ นอกจากนั้น MRI ยังต้องอาศัยแท่นแม่เหล็กขนาดใหญ่ ทำให้ยากต่อการเคลื่อนย้าย หรือทำให้มีขนาดเล็ก5
ในปัจจุบัน เทคโนโลยีเลเซอร์และโฟตอนนิกส์ได้ถูกพัฒนาไปอย่างรวดเร็ว ทำให้เทคนิคการถ่ายภาพทางการแพทย์ด้วยแสงเลเซอร์ได้รับความสนใจมากขึ้น ซึ่งการถ่ายภาพด้วยเลเซอร์มีจุดเด่นในเรื่องของ ความไวต่อการตรวจจับสัญญาณ (sensitivity) และความละเอียดในการถ่ายภาพในระดับไมครอนหรือเล็กกว่าไมครอน โดยไม่ก่อให้เกิดอันตรายใดๆ ต่อเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต นอกจากนี้แล้ว อุปกรณ์ทางแสงยังง่ายต่อการออกแบบให้มีขนาดกะทัดรัดและสามารถเคลื่อนย้ายได้โดยง่ายอีกด้วย ตัวอย่างของเทคโนโลยีภาพถ่ายทางการแพทย์ด้วยแสงเลเซอร์ที่มีใช้งานอย่างแพร่หลายในปัจจุบันได้แก่ กล้องจุลทรรศน์แบบคอนโฟคอล (Confocal Microscope)6 กล้องจุลทรรศน์แบบฟลูออเรสเซนต์ (Fluorescence Microscope)7 เทคนิคการถ่ายภาพฟลูออเรสเซนต์ด้วยกระบวนการของ two-photon และ multi-photon8,9 รวมถึงเทคนิคการถ่ายภาพตัดขวางด้วยแสงเลเซอร์อย่าง Optical Coherence Tomography หรือ OCT ด้วย
References
1 Abramowitz, M. et al. Basic Concepts in Optical Microscopy, <http://www.olympusmicro.com/primer/anatomy/anatomy.html> (2009).
2 Kalender, W. A. X-ray computed tomography. Physics in Medicine and Biology 51, 29 (2006).
3 Hounsfield, G. N. Computerized transverse axial scanning (tomography): Part 1. Description ofsystem. Neurosurgical Classics, 8 (1992).
4 Erikson, K. R., Fry, F. J. & Jones, J. P. Ultrasound in medicine-a review. IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics 21, 144-170 (1974).
5 Broady, A. S. & Gooding, C. A. Magnetic Resonance Imaging. Pediatrics in Review 8, 87-92 (1986).
6 Minsky, M. Microscopy Apparatus. 3,013,467 (1961).
7 Rost, F. W. D. Fluorescence microscopy. 183-195 (Cambridge Univ Pr, 1995).
8 So, P. T. C., Dong, C. Y., Masters, B. R. & Berland, K. M. Two-photon excitation fluorescence microscopy. Annual Review of Biomedical Engineering 2,
399-429 (2000).
9 Denk, W., Strickler, J. H. & Webb, W. W. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science 248, 73 (1990).