ฟิสิกส์ของสารทึบรังสีในฐานะของไหล

ฟิสิกส์ของสารทึบรังสีในฐานะของไหล

Physics of Contrast as Fluid flow

 

เอนก สุวรรณบัณฑิต  วท.บ., ศศ.ม., ปร.ด. (กำลังศึกษา)

ภาควิชารังสีวิทยา คณะแพทยศาสตร์ศิริราชพยาบาล มหาวิทยาลัยมหิดล

 

เอนก สุวรรณบัณฑิต. ฟิสิกส์ของสารทึบรังสีในฐานะของไหล. วารสารชมรมรังสีเทคนิคและพยาบาลเฉพาะทางรังสีวิทยาหลอดเลือดและรังสีร่วมรักษาไทย, 2555; 6(2): 10-17.

สารทึบรังสีเป็นสิ่งที่คุ้นเคยกันเป็นอย่างดีสำหรับงานรังสีวิทยาหลอดเลือดโดยเฉพาะสารทึบรังสีกลุ่มละลายในน้ำ
(water soluble contrast media) ที่ฉีดเข้าสู่หลอดเลือดดำ (intravenous administration) ในการตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์และการฉีดผ่านสายสวนหลอดเลือด (vascular catheterร)ในการตรวจเอกซเรย์ระบบหลอดเลือด สารทึบรังสีได้มีการพัฒนาจนกระทั่งได้เป็นสารประกอบไอโอดีนที่มีความเป็นพิษน้อย มีคุณสมบัติทางเคมีและความหนืดแตกต่างกันไป อย่างไรก็ตามกรอบความคิดต่อสิ่งที่เกิดขึ้น (phenomena) ในการฉีดสารทึบรังสีเข้าสู่หลอดเลือดหรือฉีดผ่านสายสวนหลอดเลือดในเชิงฟิสิกส์นั้นมีการอธิบายไว้เพียงคร่าวๆ ส่งผลให้ผู้ที่เกี่ยวข้องขาดความเข้าใจอันดีและทำให้ความตระหนักในการเฝ้าระวังการฉีดสารทึบรังสีลดลงไป บทความนี้มุ่งเน้นในการรวบรวมแนวคิดทางฟิสิกส์ที่เหมาะสมมาใช้ช่วยอธิบายปรากฏการณ์เพื่อเพิ่มความเข้าใจแก่ผู้เกี่ยวข้องในด้านต่างๆ

 

เมื่อสารทึบรังสีที่นิยมใช้มีลักษณะเป็นสารประกอบไอโอดีน คุณลักษณะอย่างสำคัญคือเป็นของเหลวใส ไม่มีสี และมีความหนืดมากกว่าเลือด เมื่อฉีดสารทึบรังสีเข้าสู่หลอดเลือดหรือฉีดผ่านสายสวนหลอดเลือดจะมีปรากฎการณ์ทางฟิสิกส์เกิดขึ้น 3 ประการพร้อมๆ กัน ได้แก่

1. พลวัตของไหล (Fluid dynamics)

2. การแพร่ (Diffusion)

3. การออสโมซิส (Osmosis)

 

พลวัตของไหล (Fluid Dynamics)

สารทึบรังสีเปรียบเทียบได้กับของไหลจึงอธิบายได้ตามพลวัตของไหลที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของของไหล
ซึ่งต้องพิจารณาปรากฏการณ์ตามลำดับดังนี้

1.การพิจารณาของไหลแบบที่เป็นอุดมคติ (ideal fluid) ของไหลที่ไหลอย่างอุดมคติมีลักษณะสำคัญคือ

1) การไหลแบบคงตัว (steady flow) ความเร็วที่จุดใดจุดหนึ่งมีค่าคงตัว

2) การไหลจะต้องเป็นแบบไม่หมุน (irrotational flow) ตำแหน่งใดๆจะต้องไม่มีความเร็วเชิงมุม

3) การไหลจะเป็นแบบที่อัดไม่ได้ (incompressible flow) ความหนาแน่น ณ จุดต่าง ๆ มีค่าตงที่

4) ของไหลมีการไหลโดยไม่มีแรงต้านเนื่องจากความหนืดของของไหล(nonviscous flow) ไม่มีแรงเค้นเฉือนระหว่างชั้นของไหลที่ติดกัน

เมื่อพิจารณาจากลักษณะของไหลอุดมคติ จะพบได้ว่าสารทึบรังสีไม่สามารถที่จะไหลได้อย่างอุดมคติ เนื่องจากในการฉีดสารทึบรังสีจะมีการอัดการไหล ทำให้ความหนาแน่น ณ จุดเริ่มต้นสูงกว่าตำแหน่งต่อๆ ไป ขณะเดียวกันสารทึบรังสีมีความหนืดในตัวและเมื่อไหลอยู่ในหลอดเลือดจะเกิดแรงเค้นเฉือนกับเลือดที่อยู่ในหลอดเลือดทำให้เกิดลักษณะไม่อุดมคติ แต่หากพิจารณาลึกถึงขั้นนี้จะยากเกินกว่าที่จะอธิบายให้เกิดความเข้าใจเบื้องต้นได้ จึงควรพิจารณาในลักษณะอุดมคติก่อนเพื่อจะเข้าใจได้ง่ายขึ้นผ่านการมองเป็นสายกระแส

 

2.การพิจารณาของไหลในลักษณะสายกระแส (Stream line) เมื่อของไหลไหลไปอย่างอุดมคติ จะเกิดความต่อเนื่องเรียกว่าเป็นสายกระแสซึ่งมีลักษณะสำคัญคือ

1) การเคลื่อนที่ของของไหล ต้องบอกทั้งขนาดและทิศทางของความเร็วที่ทุก ๆ จุดในลำของเหลวที่เคลื่อนที่เป็นสายกระแส (stream line)

2) การไหลแบบคงตัว สายกระแสจะสัมผัสกับเส้นการไหล (line of flow) ของของไหล

3) สายกระแส (streamline) คือ อนุภาคของของไหลจะมีเส้นทางการไหลที่แน่นอนไม่ตัดกัน

จากคุณลักษณะของสายกระแสสารทึบรังสีที่ไหลในหลอดเลือดหรือสายสวนหลอดเลือดจะไหลไปในลักษณะของสายกระแสตามเส้นการไหลโดยที่โมเลกุลของสารประกอบไอโอดีนจะไม่เคลื่อนที่ตัดกันไปตาม แต่จะพุ่งไปข้างหน้าด้วยความเร็วคงที่จากจุดที่มีความดันสูงไปยังจุดที่มีความดันต่ำกว่า โดยที่เส้นการไหลแต่เส้นไม่ตัดกันและวิ่งขนานกันไปเป็นสายกระแส ในขณะที่ความเป็นจริงแล้วย่อมมีโมเลกุลของสารประกอบไอโอดีนที่ไหลวนตัดกันไปมาบางส่วน

3.การไหลเวียนของของเหลว (Liquid flow) ของเหลวจะไหลเมื่อมีความแตกต่างของความดันระหว่างจุด 2 จุด เรียกว่าเส้นแนวความดัน (Pressure Gradient) โดยของเหลวจะไหลจากที่ที่มีความดันสูงไปยังจุดที่มีความดันต่ำ ของเหลวจะไหลได้ดีเมื่อมีความเสียดทานน้อย ซึ่งขณะที่ของเหลวไหล ความดันจะลดลงเรื่อยๆ เนื่องจากความเสียดทานที่เกิดจากความต้านทานจากโมเลกุลของเหลวกับของเหลว และความต้านทานของของเหลวกับท่อ โดยท่อมีมีผลต่อความต้านทานดังนี้

1) ท่อเล็กมีความเสียดทานมากกว่าท่อใหญ่

2) ท่อยาวมีความเสียดทานมากกว่าท่อสั้น

3) ผนังของท่อหากขรุขระจะมีความเสียดทานมากว่าผนังเรียบ

สารทึบรังสีที่ไหลไประบบท่อซึ่งได้แก่หลอดเลือดที่มีขนาดใหญ่เล็กไม่เท่ากันและผนังมีลักษณะขรุขระ
ทำให้มีความเสียดทานสูง การไหลจะมีอัตราที่ช้าลง สำหรับการไหลของสารทึบรังสีในสายสวนหลอดเลือดจะมีความเสียดทานน้อยกว่าเนื่องจากผนังของสายสวนหลอดเลือดมีลักษณะเรียบ

4. การไหลแบบเป็นชั้นๆ ในหลอดเลือด (Laminarflowinvessels) เลือดมีลักษณะเป็นสารประกอบ การไหลของเลือดในหลอดเลือดจะคล้ายกับการไหลของของเหลวในท่อแข็ง ซึ่งมีลักษณะการไหลเป็นชั้นๆ (laminar flow, streamline flow) การไหลของเลือดแต่ละชั้นจะห่างจากผนังหลอดเลือดเท่าเดิมตลอดการไหล โดยเลือดที่อยู่ในชั้นจุดศูนย์กลางของผนังหลอดเลือดจะมีความเร็วมากที่สุด และความเร็วของการไหลจะลดลงเมื่อชั้นของการไหลอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางหลอดเลือด การไหลของชั้นที่ติดอยู่กับผนังหลอดเลือดจะมีอัตราการไหลของเลือดเท่ากับศูนย์ การไหลแบบเป็นชั้นๆ ของของเหลวจะเกิดขึ้นเมื่อความเร็วในการไหลต่ำกว่าความเร็ววิกฤติ (critical velocity) โดยทั่วไปการไหลแบบเป็นชั้นๆ มักจะไม่เกิดเสียงจึงไม่สามารถฟังเสียงการไหลของเลือดในหลอดเลือดปกติของร่างกายได้

สารทึบรังสีจะไหลไปในหลอดเลือดอย่างการไหลของเลือดโดยมีอัตราการไหลใจกลางหลอดเลือดสูงกว่าอัตราการไหลที่บริเวณรอบนอกและตำแหน่งใกล้ผนังด้านในของหลอดเลือดซึ่งยังต้องพบกับความเสียดทานจากผนังหลอดเลือดและความเล็กลงของหลอดเลือดปลายทางอีกด้วย

5.การไหลแบบปั่นป่วน (turbulant flow) การไหลของของเหลวมีลักษณะแบบไม่เป็นระเบียบ ไม่มีทิศทาง เกิดได้เมื่อของเหลวไหลผ่านท่อที่ตีบแคบและความเร็วในการไหลของของเหลวสูงกว่าความเร็ววิกฤติ (critical velocity) เนื่องจากของไหลไม่สามารถไหลผ่านผนังท่อและไม่มีการสร้างหรือทำลายของไหลในท่อ ดังนั้นมวลของของไหลที่ผ่านแต่ละส่วนของท่อการไหลในเวลาเดียวกันจึงมีค่าเท่ากัน ทำให้การไหลในท่อตีบแคบมีลักษณะการไหลแบบปั่นป่วน

สารทึบรังสีเมื่อไหลไปยังหลอดเลือดปลายทางขนาดเล็กมากๆ ย่อมมีลักษณะของการไหลแบบปั่นป่วนนี้ ทำให้ต้องเข้าใจต่อหลักการสำคัญที่จะต้องคำนึงถึงในการฉีดสารทึบรังสีดังนี้

1)อัตราเร็วของสารทึบรังสีแปรผกผันกับพื้นที่หน้าตัดของหลอดเลือด

2) ถ้าพื้นที่หน้าตัดของหลอดเลือดมีขนาดเล็ก  อัตราเร็วจะมาก  และถ้าพื้นที่หน้าตัดใหญ่  อัตราเร็วจะน้อย 

3) ส่วนของหลอดเลือดที่มีพื้นที่หน้าตัดเล็ก  เส้นกระแสจะอยู่เบียดกัน  ส่วนของหลอดเลือดที่พื้นที่หน้าตัดใหญ่
เส้นกระแสจะอยู่ห่างกันออกไป 

4) เมื่อระยะระหว่างเส้นกระแสลดลง  จะทำให้อัตราเร็วของของไหลเพิ่มขึ้น  และอัตราเร็วของของไหลจะลดลง  เมื่อระยะระหว่างเส้นกระแสเพิ่มขึ้น

การแพร่ (Diffusion)

การแพร่ (diffusion) ของโมเลกุลของสารเป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลจากจุดที่มีความเข้มข้นสูงกว่าไปยังจุดที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า การเคลื่อนที่นี้เป็นไปในลักษณะทุกทิศทุกทางโดยไม่มีทิศทางที่แน่นอนผลจากการเคลื่อนที่อันนี้จะทำให้ความเข้มข้นของโมเลกุลของสารในภาชนะบรรจุที่มีเนื้อที่จำกัดนั้นมีความเข้มข้นเท่ากันหมด โดยมีปัจจัยเสริมได้แก่

1. อุณหภูมิ ในขณะที่อุณหภูมิสูง โมเลกุลของสารมีพลังงานจลน์มากขึ้นทำให้โมเลกุลเหล่านี้เคลื่อนที่ได้เร็วกว่า เมื่ออุณหภูมิต่ำการแพร่จึงเกิดขึ้นได้เร็ว

2. ความแตกต่างของความเข้มข้นถ้าหากมีความเข้มข้นของสาร 2 บริเวณ แตกต่าง แตกต่างกันมากจะทำให้การแพร่เกิดขึ้นได้เร็วขึ้นด้วยเนื่องจากบริเวณที่มีความเข้มข้นมากโมเลกุลมีโอกาสชนและกระแทกกันมากทำให้โมเลกุลกระจายออกไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นน้อยกว่าได้เร็วกว่าเมื่อความเข้มข้นใกล้เคียงกัน

3. ขนาดของโมเลกุลของสารสารที่มีขนาดโมเลกุลเล็กจะเกิดการแพร่ได้เร็วกว่าสารโมเลกุลใหญ่ เนื่องจากสารโมเลกุลเล็กสามารถแทรกไประหว่างโมเลกุลของสารตัวกลางได้ดีกว่าสารโมเลกุลใหญ่ สารโมเลกุลเล็กจึงแพร่ได้ดี

4. ความเข้มข้นและชนิดของสารตัวกลาง สารตัวกลางที่มีความเข้มข้นมากจะมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของตัวกลาง ทำให้โมเลกุลของสารเคลื่อนที่ไปได้ยากแต่ถ้าหากสารตัวกลางมีความเข้มข้นน้อยโมเลกุลของสารก็จะเคลื่อนที่ได้ดีทำให้การแพร่เกิดขึ้นเร็วด้วย

 

สารทึบรังสีเป็นสารประกอบที่มีโครงสร้างโมเลกุลใหญ่ มีความเข้มข้นมากกว่าเลือดดังนั้นจึงจะแพร่ไปยังเลือดเพื่อให้เกิดความเข้มข้นใกล้เคียงกันระหว่างที่ไหลไปตามกระแสเลือดสารทึบรังสีกลุ่ม monomer จะมีขนาดโมเลกุลเล็กกว่ากลุ่ม dimer ดังนั้นจะมีการแพร่ได้เร็วดีกว่า สารทึบรังสีที่ความเข้มข้นสูงจะแพร่ได้ดีกว่าสารทึบรังสีที่มีความเข้มข้นต่ำ และการให้อุณหภูมิที่สูงขึ้นกับสารทึบรังสีจะทำให้สารทึบรังสีแพร่ได้เร็วขึ้น การแพร่ที่เร็วขึ้นเท่ากับสารทึบรังสีมีความหนืดน้อยลง การให้ความร้อนกับสารทึบรังสีที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียสจึงถูกแนะนำให้ถือปฏิบัติ

 

การออสโมซิส (Osmosis)

การแพร่ของน้ำจากบริเวณที่มีความหนาแน่นของน้ำมาก (สารละลายเจือจาง)ไปสู่บริเวณที่มีความหนาแน่นของน้ำน้อยกว่า (สารละลายเข้มข้น)โดยผ่านเยื่อเลือกผ่านเป็นกระบวนการที่เกิดควบคู่ไปกับการแพร่ แต่จะเป็นไปในลักษณะตรงกันข้าม

คุณลักษณะของการออสโมซิสในการฉีดสารทึบรังสีได้แก่

1. น้ำนอกหลอดเลือดจะออสโมซิสเข้าสู่หลอดเลือด

2. สารทึบรังสีที่มีความเข้มข้นสูงจะทำให้เกิดออสโมซิสที่เร็วขึ้น

3. เมื่อน้ำในหลอดเลือดเพิ่มสูงขึ้นย่อมทำให้เกิดภาวะ hypervolumia ได้

สรุป

เมื่อฉีดสารทึบรังสีเข้าสู่หลอดเลือด สารทึบรังสีเทียบเท่ากับของไหลความเข้มข้นสูง ความหนืดสูงที่จะไหลไปข้างหน้าด้วยแรงดันที่มากกว่าไปสู่แรงดันที่น้อยกว่าตามเส้นแนวความดัน โดยที่จะเกิดการแพร่ของสารทึบรังสีไปยังสารประกอบเลือดเพื่อให้เกิดความเข้มข้นที่ใกล้เคียงกัน และการออสโมซิสของน้ำนอกหลอดเลือดเข้ามาเพื่อปรับดุลความเข้มข้นในหลอดเลือด ส่งผลให้เกิดภาวะ hypervolumia ซึ่งจะทำให้เกิดความความรู้สึกร้อน-เย็นแก่ผู้ที่ถูกฉีดสารทึบรังสีได้ ผนังหลอดเลือดที่ขรุขระมีผลทำให้สารทึบรังสีแพร่ไปช้าลง ในขณะที่สายสวนหลอดเลือดจะลดข้อเสียเปรียบนี้ลง อย่างไรก็ตามสารทึบรังสีที่ปลายสายสวนหลอดเลือดจะมีความเร็วของการไหลของสารทึบรังสีมากกว่าบริเวณต้นสาย

การฉีดสารทึบรังสีจำเป็นต้องให้ความร้อนแก่สารทึบรังสีเพื่อลดความหนืดและเพิ่มอัตราเร็วในการแพร่ ความดันที่เพิ่มขึ้นสำหรับการฉีดสารทึบรังสีไปยังหลอดเลือดที่เล็กกว่าจะทำให้มีอัตราการไหลที่เร็วขึ้น

 

บรรณานุกรม

1. สำนักเทคโนโลยีเพื่อการเรียนการสอน สพฐ. พลศาสตร์ของของไหล www.cpn1.go.th/

2. จรัส บุณยธรรมา. การไหล. www.electron.rmutphysics.com/

3. การออสโมซิส.www.scimath.org

4. ________. ลักษณะการไหลของเลือด.www.cai.md.chula.ac.th