จลนศาสตร์และชีวกลศาสตร์ของข้อต่อ
จลนศาสตร์อธิบายว่าส่วนต่างๆ ของร่างกายและข้อต่อเคลื่อนไหวอย่างไร ทั้งตำแหน่ง การกระจัด ความเร็ว และแกนของการหมุน ในขณะที่ชีวกลศาสตร์ของข้อต่อวิเคราะห์แรงและโมเมนต์ที่ก่อให้เกิดและต้านทานการเคลื่อนไหวนั้น เมื่อรวมกันแล้ว ทั้งสองสาขาจะวัดปริมาณว่าระบบกล้ามเนื้อและกระดูกเปลี่ยนความพยายามของกล้ามเนื้อให้เป็นการเคลื่อนไหวที่ควบคุมได้และรับน้ำหนักได้อย่างไร
Definition
จลนศาสตร์คือการอธิบายการเคลื่อนไหว – การกระจัด ความเร็ว และความเร่งของส่วนต่างๆ และข้อต่อ – โดยไม่กล่าวถึงแรงที่เกี่ยวข้อง; ชีวกลศาสตร์ของข้อต่อขยายไปถึงจลนพลศาสตร์ ซึ่งเป็นการวิเคราะห์แรง โมเมนต์ และการทำงานของกล้ามเนื้อที่ก่อให้เกิดและต้านทานการเคลื่อนไหวของข้อต่อ
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมการอธิบายการเคลื่อนไหวของข้อต่อ (องศาอิสระ ระนาบและแกนการเคลื่อนไหว พิสัยการเคลื่อนไหว) การวิเคราะห์แรงและโมเมนต์ของข้อต่อ (จลนพลศาสตร์) และวิธีที่กล้ามเนื้อ เอ็น และรูปทรงเรขาคณิตของข้อต่อทำงานร่วมกันเพื่อสร้างการเคลื่อนไหว รวมถึงการสร้างแบบจำลองเชิงคำนวณที่ใช้ในการประมาณค่าปริมาณที่ไม่สามารถวัดได้โดยตรง นี่คือข้อมูลอ้างอิงเชิงระเบียบวิธีและเชิงวิเคราะห์ ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก
Core questions
- การเคลื่อนไหวของข้อต่อและส่วนต่างๆ อธิบายได้อย่างไรในแง่ขององศาอิสระ ระนาบ และแกน?
- แรงและโมเมนต์ของข้อต่ออนุมานได้อย่างไรจากการเคลื่อนไหวและแรงภายนอก?
- แรงกล้ามเนื้อ แขนโมเมนต์ และรูปทรงเรขาคณิตของข้อต่อรวมกันเพื่อสร้างการเคลื่อนไหวได้อย่างไร?
- แบบจำลองกล้ามเนื้อและกระดูกเชิงคำนวณใช้เพื่อประมาณกลไกภายในได้อย่างไร?
Key concepts
- องศาอิสระและแกนข้อต่อ
- ระนาบการเคลื่อนไหวและพิสัยการเคลื่อนไหว
- แขนโมเมนต์และแรงบิดข้อต่อ
- จลนศาสตร์เทียบกับจลนพลศาสตร์
- พลศาสตร์ผกผันและพลศาสตร์ไปข้างหน้า
- การสร้างแบบจำลองและการจำลองกล้ามเนื้อและกระดูก
Key theories
- การสร้างแบบจำลองกล้ามเนื้อและเอ็นแบบ Hill (Hill-type musculotendon modeling)
- การสร้างแรงของกล้ามเนื้อในการวิเคราะห์ทางชีวกลศาสตร์มักแสดงด้วยแบบจำลองแบบ Hill ซึ่งองค์ประกอบที่หดตัวที่มีคุณสมบัติแรง-ความยาวและแรง-ความเร็วทำงานร่วมกับเอ็นที่ยืดหยุ่น ทำให้สามารถจำลองว่ากล้ามเนื้อขับเคลื่อนการเคลื่อนไหวของข้อต่อได้อย่างไร
- พลศาสตร์ผกผันและพลศาสตร์ไปข้างหน้า (Inverse and forward dynamics)
- จลนพลศาสตร์ของข้อต่อวิเคราะห์ได้โดยใช้พลศาสตร์ผกผัน ซึ่งคำนวณโมเมนต์สุทธิของข้อต่อที่จำเป็นในการสร้างการเคลื่อนไหวที่สังเกตได้ หรือโดยพลศาสตร์ไปข้างหน้า ซึ่งทำนายการเคลื่อนไหวจากแรงกล้ามเนื้อที่สมมติขึ้น โดยให้เส้นทางเสริมระหว่างการเคลื่อนไหวและแรงที่เป็นสาเหตุ
Mechanisms
การเคลื่อนไหวของข้อต่ออธิบายได้ด้วยจำนวนวิธีอิสระที่ข้อต่อสามารถเคลื่อนที่ได้ (องศาอิสระ) และด้วยระนาบและแกนที่ข้อต่อหมุน โดยมีพิสัยการเคลื่อนไหวถูกจำกัดด้วยรูปทรงเรขาคณิตของข้อต่อและข้อจำกัดของเนื้อเยื่ออ่อน แรงที่ขับเคลื่อนการเคลื่อนไหวเกิดจากกล้ามเนื้อ ซึ่งผลกระทบต่อข้อต่อขึ้นอยู่กับแรงที่กล้ามเนื้อสร้างขึ้นและแขนโมเมนต์ของกล้ามเนื้อ – ระยะทางตั้งฉากจากแนวแรงถึงแกนข้อต่อ – ดังนั้น แรงบิดของข้อต่อจึงเป็นผลคูณของแรงกล้ามเนื้อและแขนโมเมนต์ที่รวมกันในกล้ามเนื้อต่างๆ เนื่องจากแรงภายในของกล้ามเนื้อและแรงสัมผัสของข้อต่อไม่สามารถวัดได้โดยตรงในสิ่งมีชีวิต นักชีวกลศาสตร์จึงใช้พลศาสตร์ผกผัน (inverse dynamics) เพื่อคำนวณโมเมนต์สุทธิของข้อต่อจากการเคลื่อนไหวที่วัดได้และแรงภายนอก และแบบจำลองกล้ามเนื้อและกระดูกที่มีตัวกระตุ้นแบบ Hill (Hill-type actuators) เพื่อประมาณการมีส่วนร่วมของกล้ามเนื้อแต่ละส่วนผ่านการจำลอง
Clinical relevance
การวิเคราะห์จลนศาสตร์และจลนพลศาสตร์เป็นพื้นฐานความเข้าใจทางออร์โธปิดิกส์เกี่ยวกับการทำงานของข้อต่อที่ปกติและผิดปกติ เหตุผลสำหรับขั้นตอนการผ่าตัดสร้างใหม่ และการประเมินการเคลื่อนไหวหลังการบาดเจ็บหรือการผ่าตัด หัวข้อนี้อธิบายวิธีการวัดและสร้างแบบจำลองการเคลื่อนไหวและการรับน้ำหนักของข้อต่อ และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการกำหนดการรักษาหรือการฟื้นฟูสำหรับบุคคลใดบุคคลหนึ่ง
Evidence & guidelines
จลนศาสตร์ของข้อต่อและการวิเคราะห์ทางชีวกลศาสตร์มีพื้นฐานมาจากกลศาสตร์และได้รับการตรวจสอบความถูกต้องผ่านการศึกษาเชิงทดลองและเชิงคำนวณ วิธีการมาตรฐานได้รับการรวบรวมไว้ในตำราชีวกลศาสตร์และในกรอบการสร้างแบบจำลองโอเพนซอร์สที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย แทนที่จะอยู่ในแนวทางปฏิบัติทางคลินิก
History
การศึกษาเชิงปริมาณของการเคลื่อนไหวของมนุษย์เติบโตจากการถ่ายภาพการเคลื่อนไหวในยุคแรกเริ่มและการประยุกต์ใช้กลศาสตร์ของวัตถุแข็งเกร็งกับโครงกระดูก ตลอดช่วงปลายศตวรรษที่ยี่สิบ การวิเคราะห์การเดินด้วยเครื่องมือและวิธีการพลศาสตร์ผกผันได้พัฒนาขึ้น และในศตวรรษที่ยี่สิบเอ็ด แพลตฟอร์มการสร้างแบบจำลองและการจำลองกล้ามเนื้อและกระดูกแบบโอเพนซอร์สทำให้การประมาณค่ากลไกภายในของข้อต่อและกล้ามเนื้ออย่างละเอียดเข้าถึงได้ในวงกว้าง
Key figures
- Scott Delp
- Marcus Pandy
Related topics
Seminal works
- delp-2007
- pandy-2001
Frequently asked questions
- ความแตกต่างระหว่างจลนศาสตร์และจลนพลศาสตร์คืออะไร?
- จลนศาสตร์อธิบายการเคลื่อนไหวเอง – ตำแหน่ง มุม ความเร็ว – โดยไม่กล่าวถึงสาเหตุ ในขณะที่จลนพลศาสตร์วิเคราะห์แรงและโมเมนต์ที่ก่อให้เกิดและต้านทานการเคลื่อนไหวนั้น
- เหตุใดจึงใช้แบบจำลองเชิงคำนวณในชีวกลศาสตร์ของข้อต่อ?
- เนื่องจากแรงภายในของกล้ามเนื้อและแรงสัมผัสของข้อต่อไม่สามารถวัดได้โดยตรงในสิ่งมีชีวิต แบบจำลองและการจำลองกล้ามเนื้อและกระดูกจึงใช้เพื่อประมาณค่าปริมาณเหล่านี้จากการเคลื่อนไหวที่วัดได้และแรงภายนอก