การผลิตไอโซโทปรังสีทางการแพทย์ : เกมวางแผนสำหรับอนาคต

โกมล อังกุรรัตน์
ศูนย์ไอโซโทปรังสี
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ดังสัจธรรมที่ว่าทุกสิ่งเมื่อขึ้นสู่สูงสุดย่อมกลับคืนสู่สามัญ เช่น เกี่ยวกับสถานภาพของโมลิบดีนัม-99 (Mo-99) ที่เป็นตัว กำเนิดของเทคนีเชียม-99เอ็ม (Tc–99m) ซึ่งใช้อยู่อย่างแพร่หลายในรูปของเภสัชภัณฑ์รังสีสำหรับงานทางด้าน เวชศาสตร์นิวเคลียร์เพื่อการวินิจฉัยโรคต่าง ๆ ของร่างกายมนุษย์เกือบทุกระบบ ข้อเท็จจริงมีอยู่ว่า กว่า 80% ของ 40 ล้าน ครั้งที่ใช้ในทางเวชศาสตร์นิวเคลียร์ ในแต่ละปีเป็นการใช้ Tc-99m ซึ่ง มีต้นกำเนิดมาจาก Mo-99 ประมาณการ กันว่า 90% ของ Mo -99 ที่ใช้กันทั่วโลกมาจากแหล่งผลิตหลักคือ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีอายุมากแล้ว 2 เครื่อง คือ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ NRU ที่ Chalk River เมือง Ontario ของประเทศ แคนาดา ซึ่งใช้งานมาตั้งแต่ ค.ศ. 1957 และอีกเครื่องในเนเธอแลนด์ คือ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ HFR Petten ซึ่งใช้งานมาตั้งแต่ ค.ศ. 1961 และกำลังผลิต ที่เหลือมาจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อื่น ๆ อีก 3 เครื่อง คือ OSIRIS ของฝรั่งเศส BR-2 ของเบลเยียม และ SAFARI-1 ของแอฟริกาใต้ ซึ่งก็ติดตั้งมาตั้งแต่ทศวรรษ 1960 ทั้งหมดนี้คือแหล่งผลิตหลักของความต้องการใช้ Mo -99 ทั่วโลก การพึ่งพาแหล่งผลิตหลักซึ่งมีข้อจำกัด โดยเฉพาะอายุของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้งานมานาน ทำให้เกิด ความไม่มั่นคงของลูกโซ่อุปทานที่ละเอียดอ่อนมากและสุ่มเสี่ยง ซึ่งได้แสดงให้เห็นแล้วเมื่อปลายปี 2007 เมื่อเกิด วิกฤตการณ์ทำให้เกิดการขาดแคลน Mo-99 ในอเมริกาเหนือ อันเนื่องมาจากการขยายเวลาปิดการเดินเครื่อง ปฏิกรณ์นิวเคลียร์ NRU ของแคนาดา ในทำนองเดียวกันกับการปิดการเดินเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ HFR Petten ในเดือน สิงหาคม 2008 ก็ทำให้เกิดการขาดแคลน Mo-99 ทั้งในอเมริกาเหนือและยุโรป ซึ่งชัด เจนว่าเป็นสถานการณ์ที่ไม่อาจ ละเลยได้

ด้วยความตระหนักดังกล่าว TRIUMF [ Canada’s national laboratory for particle and nuclear Physics มีที่ตั้งอยู่ใน มหาวิทยาลัย British Columbia ที่นี่มีไซโคลทรอนแบบตัวนำยวดยิ่ง (superconducting cyclotron) ที่ใหญ่ที่สุดในโลก คือเป็นต้นกำเนิดโปรตอน “Luminous” ขนาด 500 MeV. ชื่อ TRIUMF เป็นชื่อดั้งเดิมย่อมาจาก TRI–University Meson Facility] รับหน้าที่เข้ามาดำเนินการในเรื่องนี้โดยร่วมกับบริษัทลูกชื่อว่า Adv anced Applied Physics Solutions และกับมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบีย (University of British Columbia). โดยเมื่อต้นปี 2008 TRIUMF ได้จัดตั้งคณะทำงานเฉพาะกิจภายใต้การสนับสนุนของกระทรวงทรัพยากรธรรมชาติของแคนาดา (Canada ‘s Ministry of Natural Resources) เพื่อประเมินทางเลือกเพื่อเป็นหลักประกันที่จะผลิต Mo-99 ตามความต้องการอย่างต่อเนื่อง โดยไม่นานมานี้ทีมงานผู้เชี่ยวชาญประมาณ 24 คน ได้ศึกษาความเป็นไปได้ที่จะใช้เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง มาแทนที่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เพื่อผลิตไอโซโทปรังสีสำหรับใช้ในทางการแพทย์ให้ได้ปริมาณมาก ๆ

ปัจจุบัน Mo-99 ผลิตได้โดยอาศัยปฏิกิริยาของ U-235 กับนิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งทำให้เกิดผลผลิตจาก ฟิชชันทำให้เกิด Mo-99 ประมาณ 6% จากปฏิกิริยา ทั้งนี้มีแหล่งผลิต Mo-99 หลัก ๆ อยู่ 4 ราย ที่ใช้สารตั้งต้นจาก ยูเรเนียมสมรรถนะสูง (HEU = Highly Enriched uranium) แต่ด้วยข้อตกลงในปัจจุบันเกี่ยวกับการไม่แพร่ขยาย อาวุธนิวเคลียร์และความตระหนักทางด้านความปลอดภัย ทั่วโลกจึงหลีกเลี่ยงการใช้ HEU ซึ่งใช้เป็นอาวุธนิวเคลียร์ได้ และมีการควบคุมการใช้อย่างรัดกุมโดยมุ่งมาที่การใช้ยูเรเนียมสมรรถนะต่ำ (LEU: low-enriched uranium) ทดแทน HEU โดยเฉพาะอย่างยิ่งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ OPAL ของออสเตรเลีย ซึ่งอยู่ในขั้นตอนสุดท้ายที่จะประจำการ ได้ใช้ LEU เป็นสารตั้งต้นที่จะผลิตไอโซโทปทางด้านการแพทย์อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งระบบการผลิตและการขออนุญาตยังไม่ เสร็จสมบูรณ์

แต่มีวิธีการอื่นที่จะผลิต Mo-99 โดยไม่ต้องใช้ HEU ซึ่งจัดเกรดเป็นอาวุธนิวเคลียร์โดยใช้กระบวนการจับยึดนิวตรอน (neutron-capture) ตัวอย่างเช่น ใช้ลำนิวตรอนความเข้มสูงเข้าไปเพิ่มนิวตรอน 1 อนุภาคให้กับสารตั้งต้น Mo-98 ทำให้เกิด Mo-99 ในขณะที่กระบวนการ photo-neutron ใช้ลำ Photon เพื่อไปชนนิวตรอน 1 อนุภาค ออกมาจาก สารตั้งต้น Mo-100 ทำให้เกิดเป็น Mo-99 เช่นกัน วิธีการที่มีแนวโน้มมากที่สุดที่คณะทำงานเฉพาะกิจของ TRIUMF ให้ความสนใจ คือ การแบ่งแยกนิวเคลียสด้วยโฟตอนหรือโฟโตฟิชชัน (photo-fission) โดยใช้ลำ photon ที่เกิดจาก เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน (electron accelerator) ไปทำให้ U-238 เกิดการแบ่งแยกนิวเคลียส กระบวนการ U-238 Photo-fission จะทำให้เกิด Mo-99 ประมาณ 6 % เท่า ๆ กับกระบวนการที่ใช้นิวตรอนทำให้เกิดการแบ่งแยกนิวเคลียส ของ U-235 กล่าวกันว่าโอกาสที่จะเกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสด้วยโฟตอน มีโอกาสเกิดน้อยกว่าด้วยนิวตรอน 3000 เท่าตัว ดังนั้น เพื่อที่จะให้มีอัตราการผลิตเท่ากัน ก็ต้องใช้โฟตอนที่มีฟลักซ์ขีดสูงสุด

ข้อได้เปรียบหลักที่เหนือกว่าของ photo-fission ก็คือสามารถใช้ได้กับสารตั้งต้นที่เป็นยูเรเนียมธรรมชาติหรือยูเรเนียม ด้อยสมรรถนะ (depleted uranium) ทำให้ขจัดปัญหาเกี่ยวกับด้านความมั่นคงในการขนส่ง การเก็บรักษา และการบำบัด HEU นอกจากนี้ยังไม่ต้องพึ่งพาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ด้วยวิธีการของเครื่องเร่งอนุภาคการขออนุญาตต่าง ๆ จะง่ายขึ้น สามารถที่จะเดินเครื่องหรือหยุดเครื่องได้ตามความต้องการ และจะมีค่าใช้จ่ายเมื่อเลิกดำเนินการ (decommission) ที่ต่ำกว่ามากเมื่อหมดอายุใช้งาน แต่ในด้านข้อด้อย สถานประกอบการที่ใช้เครื่องเร่งอนุภาค มีความต้องการพลังงาน ไฟฟ้าสูงกว่าสถานประกอบการที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นอย่างมาก

ต่อมาคณะทำงานเฉพาะกิจได้เขียนรายงานเรื่อง Making Medical Isotopes สรุปว่า จากการคำนวณเบื้องต้นและการ จำลองสถานการณ์ แสดงให้เห็นว่าด้วยกระบวนการ photo-fission ของยูเรเนียมธรรมชาติโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค สามารถจะผลิต Mo-99 ได้ในปริมาณที่มีนัยสำคัญ และยังยืนยันด้วยว่า เทคโนโลยีที่มีอยู่สามารถสร้างเครื่องเร่งอนุภาค อิเล็กตรอนที่มีลำพลังงานในระดับเหมาะสม (2-3 เมกะวัตต์) ได้ และคาดว่า Mo-99 ที่ผลิตได้จะมีกรรมวิธีทาง นิวเคลียร์เคมีที่ใช้แยกและทำให้บริสุทธิ์ขึ้น คล้ายคลึงกับวิธีการที่ใช้กับ Mo-99 ที่ผลิตจาก HEU รายงานยังเสนอแนะว่า ด้วยเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนเครื่องเดียวที่มีระดับพลังงาน “พหุ-เมกะวัตต์”์ (multi-megawatt) สามารถที่จะ ตอบสนองตลาดของแคนาดา หรือตอบสนองตลาดความต้องการ Mo-99 ทั้งหมดของอเมริกาเหนือได้ถึง 5-7 % เพื่อความมั่นใจ ถ้าสร้างเครื่องขนาดระดับพลังงาน พหุ-เมกะวัตต ์สัก 6 เครื่องก็จะสนองความต้องการของตลาด อเมริกาเหนือได้ถึง 30-50 %

ค่าใช้จ่ายการติดตั้งต่าง ๆ ของสถานประกอบการเช่นว่านี้ เป็นหัวข้อหนึ่งที่ต้องพิจารณา ด้วยความไม่แน่นอนทางเรื่อง เงินทุน และค่าใช้จ่ายดำเนินการ (operating costs) สำหรับสถานประกอบการที่ติดตั้งเครื่องเร่งอนุภาคที่วางใจได้ รายงานยังได้ตั้งข้อสังเกตว่า มีความจำเป็นที่ต้องประเมินต่อไปอีก โดยใช้ประสบการณ์จากการทดลองต่าง ๆ ที่ใช้ พลังงานต่ำกว่า ผนวกกับการทดสอบความเป็นไปได้ คณะทำงานเฉพาะกิจกะประมาณการก่อสร้างเครื่องเร่งอนุภาคแบบ photo-fission ว่าจะใช้เวลาประมาณ 3 – 4 ปี ด้วยค่าใช้จ่ายระหว่าง 50 ถึง 120 ล้านเหรียญแคนาดา (40–100 ล้าน ดอลลาร์อเมริกัน) นอกจากนี้ยังต้องรวมถึงงบประมาณในการสร้างขึ้นทดแทนสิ่งอำนวยความสะดวกต่าง ๆ ของวงจร การผลิตไอโซโทปทั้งหมด เช่น การเตรียมประกอบสารตั้งต้นเป้าหมาย การจัดเก็บกากกัมมันตรังสี และระบบตู้ผลิต (hot cell) สำหรับกระบวนการแยก Mo-99 ออกจากสารตั้งต้น และการทำให้บริสุทธิ์ ซึ่งจะมีมูลค่าอย่างน้อยอีก 50 ล้าน ดอลลาร์แคนาดา ในขณะเดียวกันค่าใช้จ่ายดำเนินการทั้งหมดจะตกหนักที่ค่าใช้จ่ายทางด้านพลังงานที่ต้องใช้

หากถามว่าจะฝากอนาคตการผลิต Mo-99 ไว้กับวิธีการ photo-fission อันเป็นเทคนิคใหม่นี้ได้หรือไม่นั้น คณะทำงานเฉพาะกิจไม่ได้กล่าวอย่างเด่นชัด ที่จะเลือกระหว่างการใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ผลิต Mo-99 กับเทคนิค ของ Photo-fission แต่ได้สรุปว่าวิธี photo-fission จากเครื่องเร่งอนุภาค “มีคุณลักษณะที่ดึงดูดใจมากพอประกันว่า องค์การภาครัฐและเอกชนจะให้ความสนใจ” ขั้นต่อไปก็คือ การจัดตั้งคณะกรรมการกำหนดแนวทาง (Steering Group) จากหุ้นส่วนองค์การภาครัฐและเอกชนที่จะพัฒนาเทคโนโลยี ควบคุมดูแลการสาธิตการพิสูจน์หลักการ (proof-of-principle) แล้วนำมาประเมินความอยู่รอดเชิงพาณิชย์ (commercial viability) สำหรับการท้าทายที่สำคัญทาง วิทยาศาสตร์ วิศวกรรม ตลอดจนการดำเนินการ นั้น คณะทำงานเฉพาะกิจแนะนำโครงการวิจัยและพัฒนาที่มุ่งเน้น ในภารกิจต่อไปนี้

• การจัดทำรายงานเชิงแนวคิด ( conceptual report ) สั้น ๆ (ใช้เวลาประมาณ 6 เดือนเศษ) อธิบายการออกแบบเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูงเชิงเส้นที่ใช้ photo-fission สำหรับผลิต Mo-99 ที่เหมาะที่สุด
• การคำนวณงบลงทุนและงบดำเนินการตามรายงานเชิงแนวคิด รวมถึงการพิจารณาคัดเลือกสถานที่ตั้งโครงการ
• การทวนสอบการผลิต Mo-99 โดยวิธีการ photo-fission ว่าเท่าเทียมกับผลิตภัณฑ์ Mo-99 ที่ผลิตอยู่ในปัจจุบัน ทั้งนี้โดยอาศัยการทดลองในห้องปฏิบัติการ
• การออกแบบอุปกรณ์สารตั้งต้น ที่สามารถรองรับกับลำอิเล็กตรอนพลังงาน 2-3 เมกะวัตต์ได้

หลังจากการดำเนินการภารกิจเหล่านี้เสร็จสิ้นแล้ว คาดว่าคณะกรรมการกำหนดแนวทางน่าจะสามารถนำเสนอ ข้อเสนอแนะเทคโนโลยี photo-fission ได้ภายใน 3-4 ปี

ในขณะนี้ TRIUMF เองก็กำลังวางแผนที่จะสร้างเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนเครื่องใหม่สำหรับงานวิจัยทั่วไป ซึ่งมีระดับ พลังงานต่ำกว่าเครื่องเร่งอนุภาคเชิงแนวคิดสำหรับผลิต Mo-99 ปริมาณมาก ๆ (เบื้องต้นในปี 2013 จะมีระดับพลังงาน 100 กิโลวัตต์ และสามารถยกระดับเป็น 0.5 เมกะวัตต์ได้) โดยเครื่องนี้จะใช้เทคโนโลยีพื้นฐานเดียวกัน ทำให้สามารถ ทดสอบความสมเหตุสมผลเชิงห้องปฏิบัติการได้ กับระดับความหนาแน่นของพลังงานที่เทียบเท่ากับเครื่องผลิต Mo-99 ระดับพลังงานเต็มที่ TRIUMF คาดการณ์ว่าเครื่องเร่งอนุภาคนี้จะพร้อมสำหรับการทดสอบการผลิต Mo-99 ที่ระดับ พลังงานต่ำ ๆ ภายใน 2-3 ปี ซึ่งจะทำให้มีตัวอย่าง Mo-99 ที่ผลิตได้ไว้สำหรับตรวจสอบความสมเหตุสมผลต่าง ๆ ได้แก่ ลำพลังงานที่ต้องการ ไอโซโทปที่ผลิตได้ สมรรถนะของสารตั้งต้น การคืนสภาพทางเคมี และการทำให้บริสุทธิ์ตลอดจน ความบริสุทธิ์ของ Mo-99 ที่ผลิตได้

อย่างไรก็ตาม TRIUMF คงไม่สร้างเครื่องเร่งอนุภาคเพื่อการผลิต Mo-99 เป็นของตัวเอง “เนื่องจากโดยหลัก TRIUMF เป็นห้องปฏิบัติการสำหรับการวิจัยพื้นฐาน แต่ก็พร้อมเป็นหุ้นส่วนกับวิสาหกิจใด ๆ ที่สร้างเครื่องเร่งอนุภาคเพื่อผลิต Mo-99 และไม่คิดว่า TRIUMF จะดำเนินการเพียงลำพัง” โดยมีข้อแนะนำคือ การดำเนินการทางห้องปฏิบัติการต่าง ๆ ให้ Canadian radioisotope เป็นผู้รับผิดชอบแล้วส่งต่อให้หน่วยงาน MDS Nordion ในขณะที่ Nordion ยังเป็นเจ้าของและ ดำเนินการเครื่องเร่งอนุภาคไซโคลทรอน (cyclotrons) เล็ก ๆ 3 เครื่องเพื่อผลิตไอโซโทป “เบา” ที่มีครึ่งชีวิตสั้น ๆ ขณะที่ TRIUMF เป็นหน่วยงานควบคุมดูแลด้านความปลอดภัย การให้ใบอนุญาตและด้านการกำกับ ตลอดจนเป็น หน่วยงานกระจายพนักงานเพื่อช่วยเหลือการดำเนินงานของเครื่องไซโคลทรอน

โดยแนวคิดนี้คือรูปแบบที่จะพิสูจน์ถึงอนาคตความเป็นไปได้ของการผลิต Mo-99 โดยวิธี photo-fission ก็คงจะต้อง รอดูกันต่อไปว่าจากสามัญจะขึ้นไปสู่จุดสูงสุดของ Mo-99 เพื่อบรรเทาการขาดแคลน Mo-99 ได้อย่างไร

ถอดความและเรียบเรียงจาก MedicalPhysicsWeb

http://medicalphysicsweb.org/cws/article/opinion/36974