เอนโดสโคป (Endoscope) และการสะท้อนกลับหมด (Total Internal Reflection)

     จากการวิจัย คิดค้น และพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ ความก้าวหน้าในทางการแพทย์และการรักษาผู้ป่วยพัฒนาไปอย่างรวดเร็ว ในแต่ละปีสามารถช่วยชีวิตและรักษาผู้ป่วยได้จำนวนมาก โดยอาศัยเครื่องมือและอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ทันสมัย หนึ่งในนั้นที่บทความนี้จะเขียนถึงคือ เอนโดสโคป (Endoscope) ซึ่งอุปกรณ์นี้มีความสำคัญมากในทางการแพทย์ เพราะเพิ่มความสะดวกและเปิดโอกาสให้มีวิธีการรักษาแบบใหม่ ๆ อุปกรณ์นี้ใช้หลักการฟิสิกส์ที่เรียกว่า การสะท้อนกลับหมด (Total Internal Reflection)

ที่มา: https://www.gastroendonews.com/In-the-News/Article/06-19/Avoiding-the-Broken-Endoscope-Blues/55148?sub=1DCBCFE131D668D0E6973CEF03298B7ACDC9CF6B9EE5EA4EADC69F8D

ภาพ 1 การใช้เอนโดสโคปสอดผ่านหลอดอาหารเพื่อตรวจกระเพาะ
ที่มา: https://www.cancer.gov/publications/dictionaries/cancer-terms/def/upper-endoscopy

     เอนโดสโคป คือ กล้องส่องตรวจภายในอวัยวะของร่างกายที่มีลักษณะเป็นท่อยาว ใช้สอดเข้าไปในร่างกายเพื่อวินิจฉัยโรคหรือช่วยในการผ่าตัด เช่น การสอดเข้าไปตรวจกระเพาะจากทางปากผ่านหลอดอาหาร ดังภาพ 1 ท่อของเอนโดสโคปที่โค้งงอได้ง่าย ทำให้สะดวกในการสอดใส่เข้าไปในร่างกาย โดยมีส่วนประกอบหลักคือ แหล่งกำเนิดแสง (Light Source) ที่ช่วยให้เกิดการส่องสว่าง เลนส์สำหรับการจับภาพโครงสร้างภายในร่างกาย และเส้นใยนำแสง เส้นใยนำแสง (Optical Fibers) คือ เลนส์และเส้นใยนำแสง (Optical Fibers) ที่ช่วยให้เกิดการส่องสว่าง หัวฉีดที่ฉีดอากาศหรือน้ำเข้าไปช่วยขยายอวัยวะ ทำให้ภาพชัดขึ้นในบริเวณที่ตรวจ และเลนส์ใกล้วัตถุและเซ็นเซอร์รับภาพจะทำให้สามารถมองเห็นภายในอวัยวะของร่างกายผ่านจอแสดงผลที่ด้านนอกได้ ซึ่งทำให้แพทย์สามารถตรวจสอบหรือแม้แต่ผ่าตัดหรือตัดชิ้นเนื้อไปตรวจได้ โดยที่ปลายของเอนโดสโคปมักติดเครื่องมือผ่าตัดขนาดเล็กไว้ด้วย ซึ่งวิธีการนี้นับเป็นวิธีการวินิจฉัยหรือรักษาแบบไม่ทำให้ได้รับบาดเจ็บ หรือได้รับบาดเจ็บน้อย ผู้ป่วยฟื้นตัวได้ไวเนื่องจากใช้เทคโนโลยีการผ่าตัดผ่านกล้องขนาดเล็ก

ภาพ 2 การสะท้อนกลับหมดเกิดขึ้นในกรณีที่ 4

ภาพ 3 การสาธิตการสะท้อนกลับหมด สาธิตโดยใช้กระจกและแสงเลเซอร์ในโหลใส่ปลา
ที่มา: Young, H. D., Freedman, R. A., & Ford, A. L. (2013). University Physics with Modern Physics Technology Update. Pearson Education.

     เอนโดสโคปจะเกิดขึ้นไม่ได้เลยถ้าเราไม่มีความรู้ในเรื่องการสะท้อนกลับหมด (Total Internal Reflection) ลองพิจารณาภาพประกอบบทความ เมื่อแสงเดินทางจากแหล่งกำเนิดแสงที่อยู่ในตัวกลางที่ 1 ไปยังตัวกลางที่ 2 โดยที่ตัวกลางที่หนึ่งมีดัชนีการหักเห (Index of Refraction) มากกว่าตัวกลางที่สอง เช่น จากแก้วไปอากาศ จะทำให้ลำแสงหักเหเบนออกจากเส้นแนวฉาก โดยมุมหักเหจะมากกว่ามุมตกกระทบ และเมื่อมุมตกกระทบมีค่าเพิ่มขึ้น จนถึงค่ามุมตกกระทบหนึ่งจะทำให้ลำแสงที่หักเหเคลื่อนที่ไปในทิศทางขนานกับขอบของรอยต่อระหว่างตัวกลางทั้งสองชนิด หรือมุมหักเหเท่ากับ 90° เราเรียกมุมตกกระทบนี้ว่ามุมวิกฤต (Critical Angle, \( \theta_c \)) ซึ่งสำหรับมุมตกกระทบที่มากกว่ามุมวิกฤต ลำแสงจะสะท้อนกลับทั้งหมดภายในตัวกลางที่หนึ่ง โดยไม่มีการหักเหไปยังตัวกลางที่สองเลย ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการสะท้อนกลับหมด จากข้อมูลดังกล่าวเราสามารถเขียนเป็นสมการความสัมพันธ์ได้ดังนี้

\[ n_1 \sin \theta_c = n_2 \sin 90^\circ = n_2 \]

     ฉะนั้น n₁, n₂, \( \theta_c \) คือ ดัชนีการหักเหของวัสดุตัวกลางที่หนึ่ง ดัชนีการหักเหของวัสดุตัวกลางที่สอง และมุมวิกฤตตามลำดับ โดยสมการนี้มาจากกฎของสเนลล์ (Snell’s Law) เป็นกฎที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างมุมตกกระทบและมุมหักเหในปรากฏการณ์การหักเหของคลื่นผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่างกัน ในกรณีมุมหักเหเท่ากับ 90° เกิดมุมวิกฤต ซึ่ง sin 90° = 1 เราสามารถเขียนสมการใหม่ได้

\[ \sin \theta_c = \frac{n_2}{n_1} \]

     สำหรับในกรณีที่ n₁ มากกว่า n₂

     เอนโดสโคปใช้หลักการดังกล่าว เมื่อลำแสงเข้าไปที่ปลายด้านหนึ่งของท่อ แสงจะสามารถสะท้อนกลับหมดภายในท่อ ถ้าดัชนีการหักเหของวัสดุภายในท่อมากกว่าวัสดุที่หุ้มท่อไว้ และมุมตกกระทบที่เกิดขึ้นในท่อมากกว่ามุมวิกฤตดังตัวอย่างในภาพ 4 เมื่อแพทย์ใช้เอนโดสโคป แสงจากปลายด้านหนึ่งจะสะท้อนกลับหมดและเดินทางไปยังที่ปลายอีกด้านหนึ่งที่อยู่ข้างในร่างกายของผู้ป่วย (ถึงแม้ว่าท่อจะโค้งไปมากก็ตาม) ทำให้แพทย์สามารถมองเห็นรายละเอียดภายในร่างกายผู้ป่วยสำหรับทำการวินิจฉัยและรักษาได้ถูกต้อง

ภาพ 4 การเดินทางของแสงภายในเอนโดสโคป มุมบีตาและมุมแกมมาคือ มุมตกกระทบครั้งที่ 1 มุมตกกระทบครั้งที่ 2 และมุมตกกระทบครั้งที่ 3 ตามลำดับ
ที่มา: Young, H. D., Freedman, R. A., & Ford, A. L. (2013). University Physics with Modern Physics Technology Update. Pearson Education.

ภาพที่ 5 แผนภาพรังสีของแสงแสดงมุมวิกฤตและการสะท้อนกลับหมด

     จะเห็นได้ว่า การนำความรู้ทางฟิสิกส์เรื่องการสะท้อนกลับหมดมาประยุกต์ใช้ในทางการแพทย์ สร้างประโยชน์ช่วยให้แพทย์สามารถมองเห็นอวัยวะภายในร่างกายของผู้ป่วยได้แบบทันที (real-time) สำหรับการพัฒนาเอนโดสโคปในอนาคต เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้าขึ้น อาจทำได้หลายวิธีด้วยกัน เช่น การทำให้อุปกรณ์มีราคาถูกลง ใช้พลังงานน้อยลง และมีขนาดเล็กลง โดยสำหรับการพัฒนาในส่วนที่เกี่ยวข้องกับการแสดงผล อาจจะเป็นการพัฒนาเพื่อเพิ่มความละเอียดของภาพให้มีความคมชัดมากยิ่งขึ้น รวมไปถึงการใช้เทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์เข้ามาเพื่อช่วยวิเคราะห์ภาพ เพื่อช่วยวินิจฉัยและรักษาผู้ป่วย ลดความเสี่ยงของความผิดพลาดอันอาจเกิดจากการละเลยหรือไม่สังเกต หรือการวินิจฉัยผิด ซึ่งในปัจจุบันยังจำเป็นต้องใช้แพทย์ผู้เชี่ยวชาญที่มีประสบการณ์มาก ถ้าทำได้สำเร็จ เทคโนโลยีนี้จะเป็นประโยชน์ ทำให้มนุษย์มีสุขภาพดี ลดการเจ็บป่วยและเสียชีวิตในแต่ละปีได้จำนวนมาก

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ปีที่ 52 ฉบับที่ 246 มกราคม – กุมภาพันธ์ 2567

ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://emagazine.ipst.ac.th/246/20/

บรรณานุกรม

Halliday, D. & Resnick, R. & Walker, J. (2013). Fundamentals of physics. John Wiley & Sons.

Serway, R. A. & Jewett, J. W. (2018). Physics for scientists and engineers. Cengage learning.

Young, H. D. & Freedman, R. A. & Ford, A. L. (2013). University Physics with Modern Physics Technology Update. Pearson Education.