การวิเคราะห์ทางชีวกลศาสตร์และกลศาสตร์การเดิน

การวิเคราะห์ทางชีวกลศาสตร์เป็นการศึกษาแรงและการเคลื่อนที่ของร่างกายในระหว่างการทรงตัวและการเคลื่อนไหว และกลศาสตร์การเดินจะนำหลักการนี้มาประยุกต์ใช้กับการเดิน ในด้านอวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริม การวิเคราะห์นี้เป็นกรอบแนวคิดในการทำความเข้าใจว่าอุปกรณ์เปลี่ยนแปลงการเคลื่อนไหวของข้อต่อ ความต้องการของกล้ามเนื้อ และแรงที่ส่งผ่านแขนขาตลอดวงจรการเดินได้อย่างไร และยังเป็นเครื่องมือวัดผล เช่น การจับการเคลื่อนไหว (motion capture) และแผ่นวัดแรง (force plates) ที่ใช้ในการประเมินประสิทธิภาพของอุปกรณ์

Definition

การวิเคราะห์ทางชีวกลศาสตร์และกลศาสตร์การเดินคือการศึกษาจลนศาสตร์ (การเคลื่อนไหว) และจลนพลศาสตร์ (แรง) ของการเคลื่อนไหวของมนุษย์ โดยเฉพาะการเดิน รวมถึงระยะต่างๆ ของวงจรการเดินและวิธีการที่ใช้ในการวัด เพื่อทำความเข้าใจว่าอุปกรณ์อวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริมมีปฏิสัมพันธ์กับร่างกายอย่างไร

Scope

หัวข้อนี้จะแนะนำวงจรการเดิน ปริมาณทางจลนศาสตร์ (kinematic) และจลนพลศาสตร์ (kinetic) ที่ใช้ในการอธิบาย รวมถึงเครื่องมือที่ใช้ในการวิเคราะห์การเดินและชีวกลศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริม เป็นการอ้างอิงแนวคิดและวิธีการ ไม่ใช่ระเบียบปฏิบัติทางคลินิกสำหรับการประเมินหรือรักษาบุคคล

Core questions

• ระยะต่างๆ ของวงจรการเดินและเหตุการณ์ที่กำหนดระยะเหล่านั้นคืออะไร?
• ปริมาณทางจลนศาสตร์และจลนพลศาสตร์ใดที่ใช้อธิบายการเดิน?
• อุปกรณ์อวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริมเปลี่ยนแปลงกลไกการเดินอย่างไร?
• เครื่องมือใดบ้างที่ใช้ในการวัดตัวแปรการเดินและชีวกลศาสตร์?

Key concepts

• วงจรการเดิน (ระยะยืนและระยะแกว่ง)
• จลนศาสตร์ (มุมข้อต่อ, การเคลื่อนไหว)
• จลนพลศาสตร์ (โมเมนต์ข้อต่อ, แรงปฏิกิริยาจากพื้น)
• พารามิเตอร์เชิงพื้นที่และเวลา (cadence, ความยาวก้าว, ความเร็ว)
• การเก็บและส่งคืนพลังงาน
• การจับการเคลื่อนไหวและแผ่นวัดแรง
• ต้นทุนพลังงานของการเดิน

Mechanisms

การเดินถูกอธิบายว่าเป็นวงจรการเดินที่เกิดขึ้นซ้ำๆ ซึ่งแบ่งออกเป็นระยะยืน (stance phase) และระยะแกว่ง (swing phase) โดยมีเหตุการณ์สำคัญ เช่น การสัมผัสพื้นครั้งแรก (initial contact) และการยกปลายเท้า (toe-off) เป็นจุดเปลี่ยนผ่าน จลนศาสตร์จะบันทึกว่าข้อต่อเคลื่อนไหวอย่างไร ส่วนจลนพลศาสตร์จะบันทึกแรงและโมเมนต์ที่อยู่เบื้องหลังการเคลื่อนไหวนั้น รวมถึงแรงปฏิกิริยาจากพื้น (ground reaction force) ที่วัดโดยแผ่นวัดแรง การจับการเคลื่อนไหวด้วยเครื่องมือ แผ่นวัดแรง และบางครั้งการตรวจคลื่นไฟฟ้ากล้ามเนื้อ (electromyography) จะถูกนำมาใช้ร่วมกันเพื่อหาปริมาณตัวแปรเหล่านี้ เมื่อส่วนของแขนขาหรือข้อต่อถูกแทนที่หรือรองรับด้วยอุปกรณ์ กลไกจะเปลี่ยนแปลงไป: อุปกรณ์จะกำหนดวิธีการส่งผ่านน้ำหนักและวิธีการดูดซับหรือส่งคืนพลังงาน ดังนั้น การวิเคราะห์จะเปรียบเทียบการเดินที่ได้รับอิทธิพลจากอุปกรณ์กับรูปแบบปกติเพื่อระบุลักษณะประสิทธิภาพและการชดเชย

Clinical relevance

การวิเคราะห์ทางชีวกลศาสตร์และการเดินเป็นพื้นฐานในการประเมินและเปรียบเทียบอุปกรณ์อวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริมทั้งในการวิจัยและการปฏิบัติ และยังเป็นคำศัพท์ที่ใช้ในการอธิบายว่าอุปกรณ์ส่งผลต่อการเดินอย่างไร เนื้อหานี้เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงพรรณนาเกี่ยวกับแนวคิดและวิธีการวัด ไม่ถือเป็นขั้นตอนการวินิจฉัยหรือการรักษาสำหรับบุคคล

Evidence & guidelines

หลักฐานประกอบด้วยการศึกษาทางชีวกลศาสตร์เบื้องต้นเกี่ยวกับจลนศาสตร์ จลนพลศาสตร์ และการรับน้ำหนักที่ส่วนเชื่อมต่อ (interface loading) ร่วมกับการทบทวนวรรณกรรมอย่างเป็นระบบที่พยายามเชื่อมโยงคุณสมบัติของอุปกรณ์เข้ากับหน้าที่การทำงาน การทบทวนวรรณกรรมอย่างเป็นระบบโดย van der Linde และคณะ (2004) พบว่าความหลากหลายของวิธีการศึกษาทำให้ยากที่จะสรุปผลที่ชัดเจนในระดับส่วนประกอบ ซึ่งเน้นย้ำถึงความสำคัญของวิธีการวิเคราะห์การเดินที่เป็นมาตรฐาน

History

การศึกษาเชิงปริมาณของการเคลื่อนไหวของมนุษย์พัฒนามาจากการถ่ายภาพโครโนโฟโตกราฟี (chronophotography) ในศตวรรษที่ 19 และการวัดแรงในยุคแรกเริ่ม ไปสู่ห้องปฏิบัติการวิเคราะห์การเดินที่มีเครื่องมือครบครัน ผลงานของ Jacquelin Perry ได้สังเคราะห์การวิเคราะห์การเดินทางคลินิกให้เป็นกรอบแนวคิดที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย และการแพร่หลายของการจับการเคลื่อนไหวด้วยแสง แผ่นวัดแรง และการสร้างแบบจำลองเชิงคำนวณตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 20 เป็นต้นมา ทำให้การประเมินทางชีวกลศาสตร์อย่างละเอียดของการเดินด้วยอวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริมกลายเป็นเรื่องปกติในการตั้งค่าการวิจัย

Seminal works

• perry-1992
• van-der-linde-2004

Frequently asked questions

วงจรการเดินคืออะไร?

วงจรการเดินคือลำดับเหตุการณ์การเดินที่สมบูรณ์สำหรับแขนขาข้างเดียว ซึ่งโดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นระยะยืน (เมื่อเท้าอยู่บนพื้น) และระยะแกว่ง (เมื่อเท้าไม่อยู่บนพื้น) โดยมีเหตุการณ์สำคัญ เช่น การสัมผัสพื้นครั้งแรกและการยกปลายเท้าเป็นจุดแบ่ง

การเดินถูกวัดในห้องปฏิบัติการอย่างไร?

การเดินมักจะวัดด้วยกล้องจับการเคลื่อนไหวด้วยแสงที่ติดตามเครื่องหมายเพื่อบันทึกจลนศาสตร์ แผ่นวัดแรงที่บันทึกแรงปฏิกิริยาจากพื้นสำหรับจลนพลศาสตร์ และบางครั้งการตรวจคลื่นไฟฟ้ากล้ามเนื้อเพื่อบันทึกกิจกรรมของกล้ามเนื้อ