นาโนเทค สวทช. พัฒนา nSPHERE หมวกแรงดันบวก-ลบ ตอบโจทย์วิกฤตโควิด-19
ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัย และนวัตกรรม (อว.) ร่วมกับเครือข่ายพัฒนา “nSPHERE หมวกแรงดันบวก-ลบ” นวัตกรรมเพื่อลดการแพร่กระจายเชื้อ ด้วยแนวคิดประกอบง่าย ผลิตได้เร็ว ราคาไม่แพง สู่การใช้งานเป็นอุปกรณ์ส่วนบุคคลที่สะดวก น้ำหนักเบา และสามารถนำส่วนควบคุมกลับมาใช้ซ้ำได้ เตรียมถ่ายทอดเทคโนโลยีสู่เอกชน กระจายการผลิตตอบความต้องการใช้งาน
สำหรับวิกฤตโควิด-19 ภายใต้สถานการณ์ในปัจจุบัน การขาดแคลนวัคซีน ประสิทธิภาพการป้องกันการติดต่อของวัคซีนแต่ละยี่ห้อ รวมไปถึงการกลายพันธ์ที่มีแนวโน้มรุนแรงขึ้นเรื่อย ๆ ทำให้เมื่อพิจารณาจากรูปการณ์แล้ว สถานการณ์เช่นนี้ยังถือว่าอยู่ในระดับที่มีความเสี่ยงและเปราะบางสูง และยังไม่สามารถคาดการณ์ถึงแนวโน้มที่ดีขึ้นได้ในเวลาอันใกล้ กลยุทธ์การรับมือข้อหนึ่งที่สำคัญมากและไม่สามารถละเลยได้ ก็คือ มาตรการลดความเสี่ยงการติดเชื้อของบุคคลการด่านหน้า หรือผู้ป่วยที่จำเป็นต้องรับบริการจากสถานพยาบาลไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ เช่น ฟอกเลือด คลอดบุตร หรือ ประสบอุบัติเหตุ จำเป็นต้องปฏิบัติอย่างต่อเนื่อง ดร. ไพศาล ขันชัยทิศ หัวหน้าทีมวิจัยเข็มระดับนาโน กลุ่มวิจัยวัสดุตอบสนองและเซ็นเซอร์ระดับนาโน นาโนเทค สวทช. จึงได้ริเริ่มพัฒนา“nSPHERE หมวกแรงดันบวก-ลบ” ขึ้น
หลักการเบื้องต้นสำหรับ nSPHERE นั้น เป็นการพัฒนาหมวกที่สามารถป้องกันการแพร่กระจายเชื้อไวรัสโคโรน่า ได้ด้วยระบบการกรองประสิทธิภาพสูงร่วมกับการควบคุมความดันภายในหมวกให้สูงหรือต่ำกว่าภายนอกแล้วแต่กรณี เพื่อตัดโอกาสการเล็ดลอดละอองไอจามซึ่งเป็นแหล่งที่อยู่ของเชื้อไวรัสโคโรน่า โดยที่หมวกแรงดันบวก หรือ nSPHERE(+) เหมาะสำหรับบุคลากรทางการแพทย์หรือด่านหน้า ความดันภายในหมวกสูงกว่าภายนอกในทางกลับกัน หมวกแรงดันลบหรือ nSPHERE(-) สำหรับผู้ป่วยที่ติดเชื้อหรือกลุ่มเสี่ยงที่มีอาการนั้น ความดันภายในหมวกต่ำกว่าภายนอก ซึ่งเป็นหลักการเดียวกับการควบคุมเชื้อในโรงพยาบาลขนาดใหญ่ที่นับว่ามีประสิทธิภาพสูงวิธีหนึ่งในปัจจุบัน
นักวิจัยนาโนเทคชี้ว่า ในการออกแบบ ทีมวิจัยได้กำหนดให้อากาศที่เข้าและออกจากหมวกถูกกรองด้วยการดูดอากาศผ่านฟิลเตอร์ แต่มีความแตกต่างระหว่าง nSPHERE ลบและบวก คือ แบบลบ เน้นให้อากาศขาออกจากหมวกสะอาดที่สุด เพราะผู้สวมใส่มีหรืออาจมีเชื้อ แต่ในทางกลับกัน หมวกแบบบวก จะเน้นให้อากาศขาเข้าสะอาดที่สุด เนื่องจากต้องป้องกันเชื้อแพร่กระจายจากภายนอกสู่ผู้สวมใส่ ซึ่งถือว่ามีความท้าทายมาก เมื่อพยายามพัฒนาให้เป็นอุปกรณ์สวมใส่ส่วนบุคคลโดยเฉพาะกับ nSPHERE(-) ที่เป็นแนวคิดใหม่ สร้างความดันให้เป็นลบ ทำงานตรงกันข้ามกับ PAPR (Powered Air Purifying Respirator) ที่แพทย์มักจะเป็นผู้ใช้ แต่ด้วยมีแนวคิดว่า หากทั้งผู้ติดเชื้อและผู้ดูแลได้ใช้ก็จะมีประโยชน์กับทั้งสองฝ่าย ในภายหลังจึงพัฒนาทั้งบวกและลบครับ เพื่อสร้างกลไกการป้องกันที่แน่นหนา ลดโอกาสแพร่เชื้อได้มากยิ่งขึ้นไป
และเพื่อให้ประสิทธิภาพสูงสุด ทีมวิจัยนาโนเทคเลือกใช้ฟิลเตอร์กรองอากาศประสิทธิภาพสูง หรือ HEPA ซึ่งต้องมีการออกแบบให้เหมาะสมต่อการใช้งานในลักษณะสวมใส่เป็นอุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคล ความยากจึงตกไปอยู่ที่ประสิทธิภาพและราคา ที่จะสะท้อนความคุ้มค่าของ nSPHERE ให้ได้ ดร.ไพศาลและทีมจึงพยายามหาเกณฑ์การพิจารณาเปรียบเทียบ (benchmark) ในการพัฒนาเชิงความคุ้มค่า เช่น สำหรับ nSPHERE(-) ซึ่งเปรียบเทียบการใช้งานกับการลงทุนสร้างห้องแรงดันลบ ส่วน nSPHERE(+) อาศัยการเทียบค่าใช้จ่ายในการทำความสะอาด PAPR แต่ละครั้งกับการใช้งานหมวกแบบใช้แล้วทิ้ง
“สาเหตุที่ตอนแรกเราออกแบบหมวกให้ใช้ครั้งเดียวทิ้งก็เพื่อให้มั่นใจว่า การใช้งาน nSPHERE จะไม่กลายเป็นพาหะในการแพร่กระจายเชื้อ ดังนั้น การออกแบบจึงให้ทุกส่วนประกอบที่สัมผัสกับละอองหายใจ ไอจาม จะถูกกำหนดให้ทิ้งทั้งหมด นั่นคือ เราให้ทิ้งหมวกทั้งใบ ฟิลเตอร์ เซนเซอร์ และ พัดลมดูดอากาศ ในทีเดียวเลยครับ โดยที่ต้นทุนไม่หนักเกินไป พยายามให้ใกล้เคียงกับค่าเสื่อมและค่าใช้จ่ายในการทำความสะอาด PAPR ตามมาตรฐานทั่วไปครับ” ดร.ไพศาลกล่าว พร้อมชี้ว่า ข้อดีของการทิ้งหมวกทั้งใบคือ ให้ความมั่นใจว่า ฟิลเตอร์ไม่รั่วระหว่างการใช้งาน และไม่เป็นที่สะสมเชื้อไวรัส เพราะตามข้อกำหนดทั่วไปของการใช้ PAPR นั้น ควรจะเป็นอุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคล แต่เนื่องจากราคาค่อนข้างแพง มีตั้งแต่ของจีนหลักหมื่น ไปจนถึงยี่ห้อดังหลักแสน โดยส่วนใหญ่บุคคลาการทางการแพทย์จึงมักใช้ร่วมกันแต่ใช้วิธีทำความสะอาดเอาครับ ปัญหาจึงตกไปอยู่ที่มาตรการทำความสะอาดรัดกุมมากพียงพอหรือไม่นั่นเอง นอกจากนั้น การเปลี่ยนฟิลเตอร์ PAPR นั้น จริง ๆ แล้วต้องนำไปทดสอบการรั่วก่อนนำไปใช้งานด้วย จุดนี้เองด้วยสถานการณ์แบบนี้ ไม่น่าจะทำได้ครับ
ยังไงก็ตาม เมื่อต้นแบบได้ถูกนำไปทดลองใช้งานภายใต้สถานการณ์จริง นักวิจัยนาโนเทคเผยว่า คุณหมอและพยาบาลได้เสนอให้เป็นอุปกรณ์ส่วนบุคคลแบบใช้ซ้ำได้ ทำให้ต้นทุนต่อการใช้งานแต่ละครั้งน้อยลงไปอีก แต่เรากำหนดระยะเวลาสะสมต่อหมวกหนึ่งใบไว้ เพื่อไม่ให้ใช้งานในลักษณะถาวร โดยมีชุดทำความสะอาดด้วย UV/Ozone ให้ด้วยในกรณีที่มีการใช้งานจำนวนมาก
นอกจากนี้ ภายใน nSPHERE ยังมีเซนเซอร์วัดความดัน ซึ่งดร.ไพศาลเผยว่า แนวคิดมาจากตอนเราทดสอบประสิทธิภาพการทำงานของหมวกฯ เราพบว่า บรรยากาศภายนอกหมวกมีความดันขึ้นลงตลอดเวลา เราจึงติดเซนเซอร์วัดค่าเอาไว้ แล้วเราก็พบว่าค่าความแตกต่างความดันที่เราอยากได้ ควบคุมได้ลำบาก ในเชิงการออกแบบก็ทำได้ยาก เพราะถ้าความดันในหมวกฯ สูงหรือต่ำเกินไปก็จะทำให้อึดอัด ไม่สะดวกสบาย เช่น อาจหูอื้อ หรือ ขาดอากาศหายใจ ดังนั้นเราจึงเสนอแนวคิดระบบการเตือนเมื่อความดันภายในหมวกไม่เป็นไปตามกำหนด โดยเราให้มีการวัดความดันภายในและภายนอกหมวกเปรียบเทียบกับตลอดเวลา
จุดนี้กลายเป็นจุดเด่นของ nSPHERE ทำให้การเคลื่อนย้ายผู้ติดเชื้อทำได้จริงในเชิงปฏิบัติ เนื่องจากการเข้าออกจากห้อง การเข้าลิฟต์ หรือ พาหนะโดยสาร มีความแตกต่างความดันอยู่ตลอดเวลา ระบบเดิมจะไม่มีสัญญาณเตือน แต่ nSPHERE ให้ความสำคัญ ณ จุดนี้มากเป็นพิเศษ
หลายคนกังวลเรื่องของต้นทุน แต่นักวิจัยมองว่า เราประนีประนอมต้นทุนได้ แต่เรื่องความปลอดภัยเราไม่ควรประณีประณอม จุดนี้เองทำให้ทีมวิจัยต้องนึกวิธีการผลิตและเลือกใช้วัสดุราคาประหยัด ซึ่งจริง ๆ ยากมาก แต่เราเล็งเห็นว่าจะเป็นประโยชน์ระยะยาว เนื่องจากหากกระบวนการผลิตหมวกสามารถทำได้ง่าย ลงทุนไม่สูงเกินไป เราก็จะสามารถ่ายทอดเทคโนโลยีได้ง่าย นำไปสู่การใช้ประโยชน์ในวงกว้างได้อย่างทันท่วงที โดย nSPHERE ครบชุด (หมวกเเละคอนโทรลเลอร์) มีมูลค่า 2,500บาท แบ่งออกเป็น คอนโทรลเลอร์ 2000 บาท (ใช้ซ้ำได้) และหมวก 500 บาท ซึ่งเป็นแบบใช้แล้วทิ้ง ระยะเวลาการใช้สะสม 24 ชม.
ความท้าทายอย่างหนึ่งคือ มาตรฐาน ดร.ไพศาลเผยว่า ทีมวิจัยส่งนวัตกรรม nSPHERE นี้ ไปทดสอบมาตรฐานที่มีความท้าทายสูง เนื่องจากการทดสอบยังไม่มีมาตรฐานรองรับชัดเจน เพราะมีลักษณะเป็นนวัตกรรมที่มีข้อบ่งใช้ใหม่ จึงต้องมีการประยุกต์ใช้มาตรฐานใกล้เคียงตามข้อมูลที่ทาง CDC และ OSHA กำหนดเป็นไกด์ไลน์เอาไว้ อาทิ มาตรฐานISO 14644-3 ซึ่งเป็นมาตรฐานที่ใช้กับห้อง Clean Room ที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ แต่หมวกของเรามีปริมาตรช่องอากาศไม่ถึงลูกบาศก์ฟุต ดังนั้นในทางปฏิบัติจริง จึงต้องขอความร่วมมือจากผู้ทดสอบ และต้องใช้กรอบที่กำหนดขึ้นเฉพาะเป็นกรณีพิเศษ ซึ่งสามารถผ่านมาตรฐานในระดับที่สูงกว่าเกณฑ์ที่กำหนดจาก CDC หลายเท่าตัว สร้างความเชื่อมั่นเรื่อง ความปลอดภัยที่มีข้อกังวลมาก่อนหน้านี้ นอกจากนี้ยังได้นำหมวกไปทดสอบความปลอดภัยด้านไฟฟ้า และการแผ่รังสีรบกวน ที่ศูนย์ทดสอบผลิตภัณฑ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ (PTEC) ในมุมของวัสดุเพิ่มเติม เพื่อสร้างความเชื่อมั่นให้กับโครงสร้างกระดาษเคลือบกันน้ำ
เมื่อรวบรวมผลการทดสอบมาตรฐานเหล่านี้ไปใช้อ้างอิงพร้อมกับการทดสอบที่นาโนเทค สวทช. สร้างขึ้นเอง เช่น เทคนิคการใช้การกระเจิงแสงเลเซอร์ต่อละอองฝุ่นจำลอง และการใช้กล้อง thermal camera ช่วยระบุตำแหน่งจุดอับทำให้ร้อนเมื่อสวมใส่ ก็ทำให้สร้างความเชื่อมั่นในนวัตกรรมนี้ได้มากยิ่งขึ้น ทำให้ปัจจุบัน มีการนำไปใช้งาน รวมถึงการใช้ในเชิงสาธิตกว่า 900 ชุด ใน 37 หน่วยงานและสถานพยาบาลทั่วประเทศ อาทิ คณะแพทยศาสตร์โรงพยาบาลรามาธิบดี มหาวิทยาลัยมหิดล, ศูนย์บริการการแพทย์ฉุกเฉินกรุงเทพมหานคร (ศูนย์เอราวัณ), โรงพยาบาลกลาง, โรงพยาบาลเวชการุณย์รัศมิ์, โรงพยาบาลสิรินธร, โรงพยาบาลลาดกระบัง, โรงพยาบาลนครพิงค์ จังหวัดเชียงใหม่, โรงพยาบาลกำแพงเพชร เป็นต้น
ความท้าทายต่อมาคือ กำลังการผลิต ที่ไม่เพียงพอ เมื่อเทียบกับจำนวนผู้ป่วยที่มีจำนวนมาก ด้วยทีมวิจัยมองว่า หากจะใช้นวัตกรรมนี้ให้ได้ประสิทธิภาพ ต้องผลิตให้เพียงพอต่อความต้องการใช้งาน ซึ่งการออกแบบให้สามารถประกอบได้เองแก้ปัญหานี้ได้ แต่ก็มีความกังวลเรื่องของประสิทธิภาพหากนำไปประกอบเอง ในช่วงแรก จึงรวมทีมทั้งนักวิจัย และกลุ่มพ่อบ้านแม่บ้าน มีอาสาสมัครมาช่วยนิดหน่อย ประกอบหมวกฯ เพื่อนำไปแจกจ่ายยังสถานพยาบาลที่แสดงความจำนงค์ขอรับไปใช้ในพื้นที่
“จุดนี้ เราพยายามจะตอบเรื่อง speed และ scale ให้ได้ จากเริ่มแรกเราก็ผลิตได้ไม่กี่สิบใบต่อวัน จนตอนนี้เราได้กว่า 100 ใบ กำลังขยายกำลังผลิตสู่พันธมิตร เช่น วิทยาลัยเทคนิคในแต่ละภูมิภาค เช่น วิทยาลัยเทคนิคสุราษฎร์ธานี, วิทยาลัยเทคนิคเชียงใหม่, วิทยาลัยเทคนิคหนองคาย, วิทยาลัยเทคนิคอยุธยา ตั้งเป้าไว้ที่ 800 ใบต่อวันครับ” ดร.ไพศาลกล่าว
ในขั้นตอนของการพัฒนาเทคโนโลยี นักวิจัยนาโนเทคกล่าวว่า เราผ่านมาแล้ว เหลือแค่ขั้นตอนของการถ่ายทอดเทคโนโลยีให้ผู้อื่นสามารถนำไปผลิตได้ ซึ่งเป็นขั้นตอนที่ยากที่สุด แต่ก็สำคัญที่สุด เพราะมองว่า หากสามารถถ่ายทอดเทคโนโลยีไปสู่การใช้จริง จะตอบความตั้งใจที่ริเริ่มนวัตกรรมนี้ขึ้น สามารถช่วยลดความเสี่ยง ลดการแพร่กระจายเชื้อ เกิดประโยชน์กับประชาชน ในขณะเดียวกัน นวัตกรรมไทยในราคาที่เอื้อมถึง ก็จะเป็นเม็ดเงินที่สร้างรายได้กับผู้ผลิตไทย รวมถึงกลายเป็นเงินภาษีกลับคืนให้ประเทศ ส่งต่อเป็นงบประมาณให้เกิดงานวิจัยไทยได้อีก จะทำให้ยั่งยืนได้
ดร.ไพศาลแย้มว่า ปัจจุบัน มีผู้ประสงค์ขอรับถ่ายทอดเทคโนโลยีแล้วหลายราย โดยอยู่ในขั้นตอนของการเจรจา คาดว่า จะทราบผลเร็วๆ นี้ ซึ่งพยายามทำให้เป็นนวัตกรรมที่ราคาไม่แพง และเปิดถ่ายทอดสิทธิแบบ Non Exclusive เพื่อให้เกิดการกระจาย เพิ่มจำนวนการผลิตไปสู่ผู้ใช้ได้มากและเร็ว ทันสถานการณ์และความต้องการ
“รางวัลของงานนี้ ไม่ใช่เงินทองหรือชื่อเสียง แต่เป็นคำขอบคุณจากบุคลากรด่านหน้า และผู้เกี่ยวข้อง ที่ใช้หมวก nSPHERE แล้วมั่นใจ อยู่รอดปลอดภัยเมื่อเกิดความเสี่ยงติดเชื้อ มีหลายครั้งที่คุณหมอ พยาบาล โทรมาบอกว่า ถ้าไม่ได้หมวกน่าจะติดไปแล้ว เป็นการยืนยันเบื้องต้นว่า นวัตกรรมที่เราทำน่าจะมีประโยชน์จริงๆ และสิ่งที่เราคิดก็เป็นจริงได้ ซึ่งหลังจากนี้ ถ้าเราถ่ายทอดเทคโนโลยีเสร็จ เราก็อยากทดสอบผลสัมฤทธิ์ของการใช้งานในเชิงสถิติในกลุ่มตัวอย่างขนาดใหญ่ร่วมกับสถาบันบำราศนราดูร รวมถึงการผลักดันให้เป็นอุปกรณ์เครื่องมือแพทย์ตามนิยามของ อย. ซึ่งเราจำเป็นต้องทดสอบความสามารถในการป้องกันการแพร่กระจายเชื้อ ไม่ใช่เพียงละอองไอจาม จุดนี้เองเราร่วมมือกับรพ.เวชศาสตร์เขตร้อน ม.มหิดลในการทำการทดสอบอยู่ครับ” ดร.ไพศาลเล่าถึงแผนอนาคต
