ชีวกลศาสตร์

ชีวกลศาสตร์ () 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 
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.

กลศาสตร์
สรีรวิทยา
วิทยาศาสตร์ประยุกต์