ชีวกลศาสตร์

ตัวอย่างหน้าพร้อมภาพประกอบการศึกษาทางชีวกลศาสตร์
ชีวกลศาสตร์ (Biomechanics) เป็นวิชาหนึ่งในวิทยาศาสตร์ประยุกต์สาขาชีวฟิสิกส์ (Biophysics)ซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ ที่ทำการศึกษาแรงและผลของแรงในสิ่งมีชีวิต ซึ่งรวมถึงมนุษย์ด้วย โดยมีรากศัพท์มาจากคำว่า ชีวะ (คือสิ่งมีชีวิต) และกลศาสตร์ (คือวิชาว่าด้วยการศึกษาแรงและผลของแรง)ซึ่งใกล้เคียงกับความหมายที่นำเสนอโดย Herbert Hatze (1974) “ชีวกลศาสตร์ คือการศึกษาโครงสร้างและการทำงานของสิ่งมีชีวิตโดยวิธีการทางกลศาสตร์”

**ขอบเขต**
ชีวกลศาสตร์มีเนื้อหากว้างขวางครอบคลุมหลายสาขาวิชาเช่น แพทยศาสตร์และสัตวแพทย์ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวของร่างกาย การทำงานของอวัยวะต่างๆและงานฟื้นฟูผู้ป่วย วิศวกรรมการแพทย์ ศาสตร์ด้านกายอุปกรณ์ พฤกษศาสตร์ วิทยาศาสตร์การกีฬา เป็นต้น
ในแง่ของการนำมาใช้ประโยชน์ มีการนำวิชาชีวกลศาสตร์ไปประยุกต์ใช้ในวงการแพทย์ วงการวิศวกรรม วงการกีฬา และอื่นๆ โดยเฉพาะในวงการแพทย์ แพทย์เฉพาะทางที่ต้องเข้าใจชีวกลศาสตร์อย่างมากคือ แพทย์เวชศาสตร์ฟื้นฟู และศัลยแพทย์ออร์โธปิดิคส์ เนื่องจากต้องเข้าใจถึงการรูปแบบเคลื่อนไหวทั้งปรกติและผิดปรกติ และนำมาซึ่งการรักษาต่างๆเช่น การทำขาเทียม การทำแขนเทียม การรักษาฟื้นฟูนักกีฬา การเพิ่มสมรรถภาพนักกีฬา การรักษาฟื้นฟูผู้ป่วยกลุ่มมีปัญหาทางการเคลื่อนไหว เป็นต้น

**วัตถุประสงค์ของการศึกษาชีวกลศาสตร์**
# เพื่อเข้าใจกลไกของร่างกาย โดยเฉพาะเรื่องรูปแบบการเคลื่อนไหวที่ปกติและผิดปกติ
# เพื่อนำมาสู่วิธีการรักษาผู้ป่วยด้วยการปรับปรุงเทคนิคการเคลื่อนไหว 
# เพื่อเป็นพื้นฐานในการพัฒนาปรับปรุงวัสดุอุปกรณ์ต่างๆที่ใช้กับมนุษย์และสิ่งมีชีวิต 
# เพื่อเพิ่มสมรรถภาพและป้องกันการบาดเจ็บของอวัยวะต่างๆทั้งในคนปรกติและนักกีฬา

**การประยุกต์ใช้ทางการแพทย์**
เพนกวินชินสแตรปกระโดดข้ามน้ำ
ในทางการแพทย์ การศึกษาชีวกลศาสตร์ของมนุษย์ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับการเดินและการเคลื่อนไหวร่างกาย สามารถแบ่งออกเป็นหัวข้อย่อยๆตามแง่มุมที่ต้องการศึกษา เช่น 
# การศึกษาแรงกลทางชีวภาพ (Kinetic study)
# การศึกษารูปแบบของการเคลื่อนไหว  (Kinematic study) 
# การศึกษารูปแบบของการหด-คลายตัวของกล้ามเนื้อ (Sequential muscular activity study )
# การศึกษาพลังงานที่ร่างกายใช้ไปในการเคลื่อนไหว (Energetic study) เป็นต้น 	

**ตัวอย่าง**
เนื้อหาทางชีวกลศาสตร์ซึ่งนำมาประยุกต์เพื่อศึกษาการเดินและการเคลื่อนไหวร่างกายมนุษย์ เช่น- การศึกษาแรงกลทางชีวภาพ (Kinetics) เน้นศึกษาปริมาณ ทิศทาง รูปแบบ ของแรงที่กระทำต่อร่างกาย ต่ออวัยวะเฉพาะส่วน เช่น ขา แขน สันหลัง เป็นต้น หรือเฉพาะส่วนย่อยของอวัยวะนั้นๆ เช่น ข้อเข่า เป็นต้น โดยไม่สนใจถึงรายละเอียดอื่นๆแต่อย่างใดเช่น รูปแบบของการเคลื่อนไหว เป็นต้น - การศึกษารูปแบบของการเคลื่อนไหว (Kinematics) เน้นการศึกษาถึงรูปแบบการเคลื่อนไหวทั้งที่ปรกติและผิดปรกติ ของร่างกาย ของอวัยวะเฉพาะส่วน เช่น ขา แขน หรือของส่วนย่อยๆของอวัยวะนั้นๆ เช่น ข้อเข่า เป็นต้น โดยไม่สนใจถึงปัจจัยอื่นๆที่เกี่ยวข้อง อาทิ ปริมาณแรงที่กระทำ เป็นต้น - จุดศูนย์ถ่วงของร่างกาย (Center of gravity หรือ CoG หรือ CG) คือ จุดศูนย์กลางสมมติของวัตถุหรือร่างกายมนุษย์ ที่ถูกแรงโน้มถ่วงกระทำ ซึ่งเป็นจุดสมมติที่แทนถึงน้ำหนักตัวทั้งหมด ซึ่งในทางฟิสิกส์ คำว่า “จุดศูนย์กลางของมวล” และ “จุดศูนย์ถ่วง”นั้น มีความหมายแตกต่างกันดังกล่าวข้างต้น แต่โดยทั่วไปมักอนุโลมใช้แทนกันได้ หากเป็นการศึกษาถึงวัตถุหรือมนุษย์ที่อยู่ในอาณาเขตของโลก มนุษย์ในท่ายืนตรงจุดศูนย์ถ่วงจะอยู่ที่หน้าต่อกระดูกสันหลังส่วนก้นกบอันที่ 2 (the second sacral vertebral bone หรือเรียกง่ายๆว่า S2) ประมาณ 1-2 ซม. และระหว่างการเดินปรกติจุดศูนย์ถ่วงจะเคลื่อนไหวขึ้นบน-ลงล่าง-ซ้ายและขวาไม่เกิน 1 นิ้วจากจุดปรกติ หากเกินกว่านี้จะใช้พลังงานในการเดินมากขึ้น- สแตติค (Static) คือ สภาพขณะที่อยู่นิ่ง ไม่มีการเคลื่อนไหว- ไดนามิค (Dynamic)คือ สภาพขณะเคลื่อนไหว หรือมีแรงมากระทำ ทำให้ไม่อยู่นิ่งและมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา- การวิเคราะห์การเคลื่อนไหว (Gait analysis) คือ การศึกษาถึงรูปแบบการเคลื่อนไหวของมนุษย์ ทั้งรูปแบบปรกติ และผิดปรกติ- ระนาบของร่างกาย (Body plane)	ร่างกายของมนุษย์ เหมือนกับวัตถุชนิดอื่นๆ ในแง่ที่มีรูปทรงเป็น 3 มิติ กล่าวคือ มีความกว้าง, ความยาว (หรือความสูง ซึ่งก็คือส่วนสูงนั่นเอง), และความลึก (หรือความหนาของร่างกาย) และพื้นที่รอบๆตัวมนุษย์ ก็เป็นพื้นที่ที่มี 3 มิติเช่นกัน โดยระนาบทั้งสามมีชื่อเรียกดังนี้		
** ระนาบใน – นอก เป็นระนาบสมมติที่มีแกนอยู่ในแนวด้านในไปยังด้านนอกของอวัยวะ (กรณีใช้กับทั้งตัว แกนวิ่งจากซ้ายไปขวา) ระนาบนี้จะแบ่งร่างกายหรืออวัยวะเป็นส่วนหน้าและส่วนหลัง โดยมักเรียกตามชื่อในภาษาอังกฤษว่า “ระนาบฟรอนทัล” (Frontal plane) หรือ “ระนาบโคโรนัล” (Coronal plane) 	
** ระนาบหน้า – หลัง เป็นระนาบสมมติที่มีแกนวิ่งจากด้านหน้าไปยังด้านหลังของร่างกาย ระนาบนี้ จะแบ่งร่างกายหรืออวัยวะเป็นส่วนในและส่วนนอก (หรือแบ่งร่างกายเป็นข้างซ้ายและข้างขวา ในกรณีใช้กับทั้งตัว) โดยมักเรียกตามชื่อในภาษาอังกฤษว่า “ระนาบซาจิทัล” (Sagital plane) 
** ระนาบขนานกับพื้นโลก เป็นระนาบสมมติที่มีแกนวิ่งตัดขวางกับลำตัว บางครั้งจึงเรียกว่า “ระนาบตัดขวาง” ระนาบนี้ จะแบ่งร่างกายหรืออวัยวะเป็นส่วนบนและส่วนล่าง โดยมีชื่อในภาษาอังกฤษว่า “ระนาบฮอริซอนทัล” (Horizontal plane) หรือ “ระนาบทรานสเวิร์ส” (Transverse plane) 		- รูปแบบการเคลื่อนไหวร่างกายปรกติ (Normal gait pattern) คือ รูปแบบการเดินหรือการเคลื่อนไหวที่คนส่วนใหญ่ใช้ ซึ่งรูปแบบนี้จะทำให้เดินได้ระยะทางที่ต้องการโดยเสียพลังงานไปน้อยที่สุด - ความมั่นคงของร่างกาย (Stability)คือการที่มนุษย์สามารถคงท่าทางเอาไว้ได้ โดยที่ไม่ล้มลงไป เช่น สามารถยืนตัวตรงได้โดยที่ไม่ล้มลง สามารถนั่งได้โดยไม่ล้ม เป็นต้น ซึ่งประกอบไปด้วยหลายปัจจัย อาทิ ความแข็งแรงของกล้ามเนื้อ ความสามารถของระบบประสาท และปัจจัยต่างๆทางชีวกลศาสตร์ เป็นต้น ซึ่งสำหรับปัจจัยทางชีวกลศาสตร์ที่สำคัญ ซึ่งทำให้ร่างกายมนุษย์สามารถคงความมั่นคงของร่างกายเอาไว้ได้ ได้แก่ 
# ระดับความสูงของจุดศูนย์ถ่วง (Height of C.G.) หากจุดศูนย์ถ่วง(คือ จุดศูนย์กลางสมมติของร่างกายมนุษย์ ซึ่งแทนน้ำหนักตัวทั้งหมด และถูกกระทำด้วยแรงโน้มถ่วงอยู่ตลอดเวลา)อยู่สูง ร่างกายย่อมมีแนวโน้มที่จะไม่สามารถตั้งตรงอยู่ได้และล้มลงมาได้ง่ายกว่า
# น้ำหนักตัว (Body weight) หากน้ำหนักตัวมากกว่า ร่างกายย่อมมีแนวโน้มที่ล้มลงมาได้ง่ายกว่าเช่นกัน 
# ขนาดของพื้นที่ฐานรองรับ (Area of base of support) หากพื้นที่ฐานรองรับแคบ (หรือพื้นที่ของส่วนที่สัมผัสกับพื้น) ร่างกายย่อมมีแนวโน้มที่จะไม่สามารถตั้งตรงอยู่ได้และล้มลงมาได้ง่ายกว่า - ในการประยุกต์กับผู้ป่วยและผู้พิการ เพื่อให้มีความมั่นคงของร่างกายที่ดีนั้น สามารถทำได้โดยการเพิ่มขนาดของพื้นที่ฐานรองรับ เนื่องจากไม่สามารถทำการแก้ไขระดับความสูงของจุดศูนย์ถ่วงและน้ำหนักตัวได้ โดยการเพิ่มขนาดของพื้นที่ฐานรองรับทำได้ โดยการใช้เครื่องช่วยเดินชนิดต่างๆ ซึ่งมีประโยชน์ในการเพิ่มขนาดของพื้นที่ฐานรองรับอีกด้วย ทำให้ผู้ป่วยหรือผู้พิการมีความมั่นคงยิ่งขึ้นในขณะยืนหรือเดิน นอกเหนือไปจากหน้าที่อื่นๆเช่น ช่วยทดแทนในกรณีที่ผู้ป่วยอ่อนแรง หรือช่วยผ่อนแรงกรณีมีความเจ็บปวด เป็นต้น - การศึกษาเรื่องคาน โมเม้นต์และการเคลื่อนที่ของวัตถุรอบจุดศูนย์กลางการเคลื่อนไหวซึ่งเป็นผลจากแรงนั้น  มีประโยชน์ในการดัดแปลงอุปกรณ์ต่างๆทางการแพทย์เช่น ขาเทียม แขนเทียม เครื่องประคองต่างๆ เป็นต้น การรักษาโดยการดัดข้อต่อ การฝึกเดิน ฯลฯ และมีประโยชน์ในการเพิ่มสมรรถภาพของนักกีฬาอีกด้วย

**อ้างอิง**
ตำรากายอุปกรณ์เล่มที่1 รศ.นพ.เทอดชัย ชีวะเกตุ บก.
*Jacquelin Perry. Gait analysis: Normal and Pathological Function.
หมวดหมู่:กลศาสตร์
หมวดหมู่:สรีรวิทยา
หมวดหมู่:วิทยาศาสตร์ประยุกต์