กว่าห้าทศวรรษที่ผ่านมา “การตรวจวัดสัญญาณรามาน” (Raman spectroscopy) เป็นเทคโนโลยีหนึ่งที่มีบทบาทสำคัญในการระบุอัตลักษณ์ของสาร ทั้งในอุตสาหกรรมการผลิตยา การตรวจวิเคราะห์ทางนิติวิทยาศาสตร์ ไปจนถึงการตรวจหาสารเคมีตกค้างในภาคการเกษตร เพราะเทคโนโลยีนี้มีจุดเด่นเรื่องความรวดเร็วและความแม่นยำ ถึงกระนั้นการใช้งานเทคโนโลยีนี้ก็ยังไม่แพร่หลาย ด้วยข้อจำกัดที่สัญญาณรามานมักมีความเข้มข้นต่ำ และปัญหาการประมวลผลสัญญาณของสารประกอบที่มีความซับซ้อนสูง

“OnSpec” (ออนสเปก) ภาพจาก เนคเทค สวทช.

กระทั่ง 2-3 ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ (AI) ได้เริ่มเติบโตอย่างก้าวกระโดด และขยายขอบเขตสู่บุคคลภายนอกที่ไม่ใช่ผู้พัฒนาเทคโนโลยี AI มากยิ่งขึ้น ทำให้ AI ก้าวเข้ามาเป็นกุญแจสำคัญที่ช่วยปลดล็อกการประมวลผลสัญญาณรามานที่มีความซับซ้อนสูงได้สำเร็จ โดยปัจจุบันสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในงานด้านการแพทย์แล้ว

กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (อว.) โดยศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) พัฒนาเทคโนโลยีการผลิต “OnSpec” (ออนสเปก) ชิปขยายสัญญาณรามานเพื่อการวิเคราะห์ชนิดของสารความเข้มข้นต่ำ และเทคโนโลยีประมวลผลข้อมูลสัญญาณด้วย AI สำหรับใช้คัดกรองโรค เช่น วัณโรคแฝง ไข้เลือดออก มะเร็งถุงน้ำดี

หยดสารละลายที่ต้องการตรวจสอบลงบนชิป OnSpec ภาพจาก เนคเทค สวทช.

OnSpec ชิปขยายสัญญาณรามานหลักล้านเท่า

ดร.นพดล นันทวงศ์ นักวิจัย กลุ่มวิจัยอุปกรณ์สเปกโทรสโกปีและเซนเซอร์ เนคเทค สวทช. อธิบายว่า สัญญาณรามาน คือ สัญญาณแสงเลเซอร์ที่ยิงไปตกกระทบบนพื้นผิววัตถุแล้วสะท้อนกลับมา โดยแสงบางส่วนจะมีสีหรือความยาวคลื่นเปลี่ยนไปเล็กน้อยตามลักษณะการสั่นของพันธะเคมีในโมเลกุล ทำให้แสดงถึงอัตลักษณ์ของสารแต่ละชนิดได้เสมือน “ลายนิ้วมือ” ที่ใช้ระบุตัวตน

อย่างไรก็ตาม เทคนิคการตรวจวัดสัญญาณรามานยังมีจุดอ่อนเรื่องการวิเคราะห์สารที่มีความเข้มข้นต่ำ เพราะสัญญาณแสงที่สะท้อนกลับมาอาจอ่อนเกินกว่าที่จะตรวจจับอัตลักษณ์ได้ ที่ผ่านมานักวิจัยจากหลายประเทศทั่วโลกจึงพยายามพัฒนา “Surface-Enhanced Raman Scattering chip: SERS chip (เซอรส์ ชิป)” วัสดุโครงสร้างระดับนาโนเพื่อใช้ขยายสัญญาณรามานให้มีความเข้มข้นขึ้นระดับหลักล้านเท่า โดยมีผู้พัฒนาจนประสบความสำเร็จและใช้งานได้จริงแล้วตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ผ่านมา

ทั้งนี้ กลุ่มวิจัยอุปกรณ์สเปกโทรสโกปีและเซนเซอร์จากเนคเทค สวทช. เป็นทีมวิจัยที่ประสบความสำเร็จในการผลิต SERS chip ตั้งแต่ 8 ปีที่แล้ว โดยตั้งชื่อผลงานว่า “OnSpec”

ดร.นพดล เล่าว่า OnSpec มีจุดแข็งคือขยายสัญญาณรามานได้มากกว่าผลิตภัณฑ์ทั่วไปกว่า 100 เท่า และใช้งานร่วมกับเครื่องวัดสัญญาณรามานทั่วไปทั้งชนิดที่ใช้ในห้องปฏิบัติการและแบบพกพาได้เป็นอย่างดี เทคโนโลยีการผลิตที่ทีมวิจัยพัฒนาขึ้นมีอัตราความสำเร็จในการผลิตต่อรอบมากกว่าร้อยละ 90 และยังมีต้นทุนการผลิตต่ำกว่าทั่วไปมาก จึงเหมาะแก่การใช้ผลิตในระดับอุตสาหกรรม โดยทีมวิจัยได้ถ่ายทอดเทคโนโลยีการผลิตให้แก่ภาคเอกชนไทยเรียบร้อยแล้ว

วิธีการใช้งาน OnSpec ทำได้ง่าย เพียงหยดตัวอย่างสารหรือสิ่งส่งตรวจลงบนชิป จากนั้นนำชิปไปติดตั้งในเครื่องรามานสเปกโทรมิเตอร์ (Raman spectrometer) เพื่อยิงแสงเลเซอร์และตรวจวัดสัญญาณที่สะท้อนกลับ ใช้เวลารวมทุกขั้นตอนเพียง 5–10 นาทีก็ทราบผลการตรวจได้แล้ว

นอกจากการพัฒนา OnSpec ปัจจุบันทีมวิจัยยังกำลังพัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัดสัญญาณรามานแบบพกพาเพื่อความสะดวกในการใช้งานนอกห้องปฏิบัติการด้วย โดยคาดว่าจะพัฒนาแล้วเสร็จและพร้อมถ่ายทอดเทคโนโลยีในปี 2570

ต้นแบบเครื่องตรวจวัดสัญญาณรามาน ภาพจาก เนคเทค สวทช.

มุ่งเป้าลดเวลาตรวจวัดทางการแพทย์

ที่ผ่านมาทีมวิจัยได้นำ OnSpec ไปทดสอบใช้งานแล้วในหลายสาขา ทั้งนิติวิทยาศาสตร์ เช่น การตรวจหาคราบสารเสพติด สารระเบิด และการเกษตร เช่น การตรวจวัดสารกำจัดศัตรูพืชตกค้างในพืชผล ผลลัพธ์ที่ได้ต่างยืนยันถึงประสิทธิภาพการตรวจวัดของ OnSpec ทั้งความรวดเร็วและความแม่นยำ ขณะเดียวกันในช่วง 2–3 ปีที่ผ่านมา ทีมวิจัยยังต่อยอดนำเทคโนโลยี AI มาช่วยประมวลผลการตรวจวัดสัญญาณสำหรับการใช้งานทางด้านการแพทย์ด้วย

ดร.นพดล อธิบายว่า ที่ผ่านมาการนำเทคโนโลยีตรวจวัดสัญญาณรามานมาประยุกต์ใช้กับงานด้านการแพทย์ถือเป็นเรื่องที่มีความเป็นไปได้ต่ำ เนื่องจากสัญญาณรามานจากตัวอย่างทางชีวภาพที่เป็นสารประกอบ เช่น เลือด น้ำเหลือง มักเป็นสัญญาณที่มีการซ้อนทับของคลื่นสูง แต่ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยี AI ทำให้ทีมวิจัยสามารถนำ AI มาเป็นผู้ช่วยประมวลผลสัญญาณได้แล้ว

ปัจจุบันทีมวิจัยกำลังทำงานร่วมกับสถาบันการแพทย์ต่าง ๆ ในประเทศไทย วิจัยการตรวจวัดสัญญาณรามานของโรคร้าย 3 โรค โรคแรกคือโรคไข้เลือดออก ร่วมกับคณะแพทยศาสตร์ศิริราชพยาบาล มหาวิทยาลัยมหิดล ในการวิจัยสัญญาณรามานที่บ่งชี้ว่าผู้ป่วยมีแนวโน้มจะมีอาการรุนแรงหรือทรุดหนักหรือไม่ ซึ่งปัจจุบันสามารถวิเคราะห์เพื่อระบุว่าเป็นผู้ป่วยโรคไข้เลือดออกในเด็กได้แม่นยำกว่าร้อยละ 90 และระบุว่าผู้ป่วยมีแนวโน้มที่จะมีอาการรุนแรงได้แม่นยำกว่าร้อยละ 70 แล้ว โดยการวิจัยเรื่องนี้ได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยจากสถาบันวิจัยระบบสาธารณสุข (สวรส.)

โรคที่สองที่ทีมวิจัยกำลังพัฒนากระบวนการประมวลผล คือ โรควัณโรคแบบแฝง โดยร่วมกับคณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น วิจัยสัญญาณรามานที่บ่งชี้ว่าผู้เข้ารับการตรวจมีแนวโน้มที่จะมีเชื้อวัณโรคแฝงอยู่ในร่างกายหรือไม่ เพราะเชื้อวัณโรคแฝงอยู่ในร่างกายของผู้ติดเชื้อได้นานหลักสิบปีหรือกระทั่งตลอดชีวิต เมื่อผู้ป่วยมีภูมิคุ้มกันลดลงจะเกิดอาการป่วย และอาจก่อให้เกิดการแพร่ระบาดของโรคในวงกว้างได้

ปัจจุบันทีมวิจัยวิเคราะห์เพื่อระบุการมีเชื้อวัณโรคแฝงได้แม่นยำกว่าร้อยละ 80 แล้ว การที่แพทย์ตรวจพบได้เร็วจะช่วยเพิ่มโอกาสในการรักษาผู้ป่วยและยับยั้งการแพร่ระบาดของโรคได้อย่างมีประสิทธิภาพ สอดคล้องกับแผนยุทธศาสตร์ยุติวัณโรค (The End TB Strategy) ที่องค์การอนามัยโลกกำหนดขึ้น โดยองค์กรอนามัยโลกตั้งเป้าลดอัตราการเกิดวัณโรคลงร้อยละ 90 และลดอัตราการเสียชีวิตของประชากรโลกจากวัณโรคลงร้อยละ 95 ภายในปี 2578 ทั้งนี้ในการวิจัยเรื่องนี้ สวทช. และมหาวิทยาลัยขอนแก่น ได้รับทุนสนับสนุนการวิจัยจาก Open Philanthropy (โอเพน ฟิแลนโทรปี) องค์กรอิสระจากสหรัฐอเมริกา

โรคสุดท้ายที่กำลังดำเนินการวิจัยอยู่ คือ โรคมะเร็งถุงน้ำดี ที่ประชากรไทยโดยเฉพาะในภาคตะวันออกเฉียงเหนือมีแนวโน้มป่วยเพิ่มขึ้นมาโดยตลอด ทีมวิจัยได้ร่วมกับคณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น วิเคราะห์สัญญาณรามานของผู้ป่วยโรคมะเร็งถุงน้ำดีเพื่อประมวลผลว่าผู้ป่วยกำลังป่วยอยู่ในระยะไหนของโรค ขณะนี้เทคโนโลยีสามารถวิเคราะห์ระยะของโรคในหนูทดลองได้แม่นยำกว่าร้อยละ 80 แล้ว สำหรับสาเหตุที่ทีมวิจัยต้องพัฒนาการตรวจวัดสัญญาณรามานที่บ่งชี้ระยะของโรคมะเร็งชนิดนี้มาจากปัญหาว่าในระยะเริ่มต้นของโรค ผู้ป่วยมักไม่แสดงอาการชัดเจน ทำให้การวินิจฉัยอาจทำได้ล่าช้า และรักษาได้ไม่ทันการณ์

ปัจจุบันการพัฒนา OnSpec เพื่อประยุกต์ใช้ด้านการแพทย์ทั้ง 3 งาน ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนา โดยทีมวิจัยคาดว่าจะยื่นขอทดสอบมาตรฐาน ISO 13485 ซึ่งเป็นมาตรฐานระบบบริหารคุณภาพสำหรับอุตสาหกรรมเครื่องมือแพทย์ได้ในอีกประมาณ 2 ปีข้างหน้า และจะนำไปสู่การทดสอบทางคลินิกต่อไป

สำหรับการนำเทคโนโลยี AI เข้ามาใช้ในการประมวลผลสัญญาณรามาน ถือเป็นก้าวสำคัญที่จะช่วยปลดล็อกขีดจำกัดในการใช้งานเทคโนโลยีซึ่งจะพลิกโฉมเทคโนโลยีการตรวจอัตลักษณ์ที่นำไปใช้ประโยชน์ได้ในหลายอุตสาหกรรม โดยในระยะเริ่มต้นทีมวิจัยได้มุ่งเป้าไปที่งานด้านการแพทย์เพื่อประโยชน์ของประชากรไทยและประชากรโลกก่อน หากได้รับการสนับสนุนข้อมูลทางการแพทย์ที่มีคุณภาพจากหน่วยงานการแพทย์ทั้งภายในและต่างประเทศ ก็จะช่วยให้การวิจัยและพัฒนาที่กำลังดำเนินการอยู่ประสบความสำเร็จได้เร็ว และขยายขอบเขตให้ครอบคลุมโรคร้ายต่าง ๆ ได้มากยิ่งขึ้นต่อไป

สำหรับผู้ที่สนใจติดต่อสอบถามรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ ฝ่ายพัฒนาเครือข่ายเชิงกลยุทธ์และประเมินผล เนคเทค สวทช. อีเมล business@nectec.or.th หรือเบอร์โทรศัพท์ 0 2564 6900

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

แหล่งข้อมูลอ้างอิง : ภัทรา สัปปินันทน์ ฝ่ายสร้างสรรค์สื่อและผลิตภัณฑ์ สวทช.

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

ผลงานนักวิจัยไทย! “OnSpec” x “AI” คัดกรองโรคร้ายใน 5 นาที