ระบบขาเทียม

ระบบขาเทียม

(Prosthetic Knee Systems)

ระบบการทำงานของหัวเข่าของมนุษย์เป็นส่วนที่มีความสลับซับซ้อนอย่างมาก เนื่องจากหัวเข่าเป็นส่วนที่ต้องรองรับการยืน การเคลื่อนไหวต่างๆ การนั่ง และต้องทำการควบคุมการเดินให้มีความสะดวกลื่นไหลดังนั้นระบบเข่าเทียมจึงได้มีวิวัฒนาการมาอย่างต่อเนื่อง โดยในระยะแรกได้นำหลักการของลูกตุ้ม  (Pendulum) มาประยุกต์ใช้ ซึ่งจะทำการปรับการแกว่งของขาโดยใช้ ยางและสปริง หรือใช้นิวเมติกหรือไฮดรอลิกเป็นส่วนประกอบ ต่อมาในปัจจุบันระบบเข่าเทียมบางแห่งได้นำการควบคุมการเคลื่อนไหวชั้นสูงมาใช้ในการปรับการแกว่งของขาเทียม ผ่านทางการคำนวณของ Microprocessors 

เนื่องจากว่าผู้พิการในแต่ละรายมีความต้องการระบบขาเทียมที่แตกต่างกัน ดังนั้นผู้เชี่ยวชาญทางด้านระบบขาเทียมจึงต้องสามารถช่วยผู้พิการให้เลือกระบบขาเทียมที่เหมาะสมกับผู้พิการแต่ละคนได้ โดยทำการสอนให้ผู้พิการใช้งานระบบขาเทียมได้อย่างเหมาะสม เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความไม่สบายหรือการเดินสะดุดและการล้มได้  ปัจจัยสำคัญที่จะช่วยให้รู้ได้ว่าผู้พิการต้องการระบบขาเทียมแบบไหน คือ การสังเกตุพฤติกรรมวงจรการเดินของผู้พิการ ซึ่งโดยปกติวงจรของการเดินของคนทั่วไปจะถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ

·         Stance phase เป็นช่วงที่ขาเทียมอยู่บนพื้น เพื่อทำการรองรับลำตัว

.        Swing phase เป็นช่วงที่ขาลอยจากพื้น เพื่อแกว่งขาไปด้านหน้า

ซึ่งพบว่าช่วงตรงกลางระหว่าง 2 ช่วงดังกล่าว จะแตกต่างกันในแต่ละราย ซึ่งเป็นจุดที่ทำให้ผู้พิการแต่ละรายต้องการขาเทียมที่แตกต่างกัน

แม้ว่าในปัจจุบันจะมีระบบขาเทียมที่มีขายอยู่ในตลาดมากกว่า 100 แบบ แต่ระบบขาเทียมเหล่านี้สามารถถูกแบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลัก ๆ ได้ดังนี้

·         แบบใช้หลักกลไกของฮาร์ดแวร์ (Mechanical knees) ซึ่งสามารถถูกแบ่งย่อยลงไปได้อีก 2 กลุ่มได้อีก คือ

หัวเข่าแบบแกนเดียว (Single-axis knees)

หัวเข่าหลายแกน (Polycentric หรือ Multi-axis knees)

แบบใช้การคำนวณ

แต่ถึงอย่างไรก็ตาม ผู้พัฒนาระบบขาเทียมส่วนใหญ่ไม่ได้คำนึงถึงระดับความซับซ้อนของระบบ แต่จะคำนึงถึงระบบกลไกที่เพิ่มความสมดุลมั่นคงให้กับระบบ ไม่ว่าจะใช้แบบปรับการล็อคโดยผู้ใช้เอง (Manual) หรือแบบใช้น้ำหนักในการปรับการล็อค (Weight-activated locking systems) นอกจากนี้ยังคำนึงถึงกลไกสำหรับควบคุมการเคลื่อนไหล ที่ใช้หลักการปรับค่าความเสียดทานและการควบคุมของไหลแบบนิวเมติก (Pneumatic) หรือไฮดรอลิก (Hydraulic) มาใช้ โดยการปรับค่าดังกล่าวจะมีทั้งการตั้งให้เป็นค่าคงที่หรือแบบแปรผัน

ระบบขาเทียมแบบแกนเดียว (Single-axis) และหลายแกน (Polycentric)

1.    ระบบขาเทียมแบบแกนเดียว (Single-axis) หรือแบบบานพับ เป็นแบบที่มีความซับซ้อนน้อยที่สุด ซึ่งทำให้แบบนี้มีราคาถูกที่สุด มีอายุการใช้งานมากที่สุด แต่มีความยืดหยุ่นในการปรับแต่งน้อยที่สุด สำหรับขาเทียมแกนเดียวแบบธรรมดานี้ การเคลือนไหวในช่วงแกว่งขา (Free-swinging) ของระบบขาเทียมแบบนี้ จะไม่มีการควบคุมท่าทางของขาเทียม (Stance control) ผู้พิการจะต้องใช้แรงจากกล้ามเนื้อของตัวเองในการควบคุมขาเทียมให้มีความสมดุลเมื่อทำการยืน ด้วยเหตุนี้นี้ นักวิจัยจึงได้ทำการพัฒนาเพื่อแก้ไขปัญหานี้ โดยใช้การควบคุมแรงเสียดทานแบบคงที่และใช้การการล็อกแบบ Manual มาช่วยให้ผู้พิการให้ใช้งานได้สะดวกขึ้น

รูปที่ 1 ระบบขาเทียมแบบแกนเดียว (Single-axis)

2.    ระบบขาเทียมแบบหลายแกน (Polycentric) หรือขาเทียมแบบ “Four bar” ซึ่งจะมีการออกแบบให้มีแกนหมุนหลายแกน ทำให้ขาเทียมแบบนี้มีความสมดุลอย่างมากในช่วงแรกของ Stance phase และยังง่ายต่อการงอในช่วงเริ่มต้นของ Swing phase หรือเพื่อทำการนั่ง นอกจากนี้ขาเทียมแบบนี้ยังมีข้อดีที่ช่วงเริ่มต้น โดยความยาวของขาจะสั้นเมื่อเข้าสู่ช่วงเริ่มต้น เพื่อลดการปัญหาการเดินสะดุด ดังนั้นระบบขาเทียมแบบนี้จึงเหมาะสมกับผู้พิการส่วนใหญ่หรือผู้พิการที่ไม่สามารถใช้ขาเทียมแบบอื่นได้  ถึงแม้ว่าขาเทียมแบบหลายแกนมีกลไกที่ใช้ควบคุมการแกว่ง ซึ่งจะทำให้การเดินในแต่ละช่วงของการก้าวมีความเร็วที่เหมาะสม แต่ได้มีขาเทียมแบบหลายแกนจำนวนมากที่ใช้การควบคุมการแกว่งด้วยของไหล ทั้งแบบนิวเมติกและไฮดรอลิกมาช่วยในการควบคุมเพิ่มเติมเพื่อปรับความเร็วในการเดิน แต่ถึงอย่างไรก็ตามขาเทียมแบบหลายแกนยังมีข้อจำกัดในด้านช่วงการเคลื่อนที่ของเข่าในบางมุมถึงแม้จะไม่จุดสำคัญในการเคลื่อนที่ นอกจากนี้ขาเทียมแบบนี้ต้องการการบำรุงรักษาหรือเปลี่ยนทดแทนที่บ่อยครั้งมากกว่าแบบอื่น 

รูปที่ 2 ระบบขาเทียมแบบหลายแกน (Polycentric)

วิธีการสร้างความสมดุล

Manual Vs Weight-Activated Locking Systems

ผู้พิการบางคนต้องการให้ข้อเข้ามีการล็อคเพิ่มเติมเพื่อป้องการการเคลื่อนที่ที่เร็วเกินความต้องการ ซึ่งวิธีการล็อคสามารถแบ่งวิธีการป้องกันอยู่ 2 วิธีหลักๆ ได้แก่

วิธีที่แรก ทำการล็อคเข่าแบบ Manual  ซึ่งจะทำงานร่วมกับการล็อคอัตโนมัติที่สามารถทำการปลดล็อคได้เอง เนื่องจากว่าการเดินปกติมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดการล็อค โดยระบบการล็อคแบบนี้เหมาะสำหรับผู้พิการที่รักษาสมดุลไม่ได้วิธีที่สอง  คือ Weight-activated stance-control knee ซึ่งจะทำการโดยใช้หลักการของน้ำหนักที่วางบนขาเทียม โดยเมื่อมีน้ำหนักกดลงที่ที่เข่า เข่าเทียมจะงอ ซึ่งลักษณะขาเทียมแบนี้เหมาะสำหรับผู้พิการที่อายุมากหรือมีกิจกรรมน้อย

วิธีการควบคุมการเคลื่อนที่

ระบบขาเทียมทุกแบบต้องการควบคุมการแกว่งของขาเพี่อทำการควบคุมท่าทาง ในหลายๆ กรณีการควบคุมแบบนี้สามารถทำได้โดยการใช้แรงเสียดทางจากกลไกที่แกนหมุน และทำการปรับเพื่อให้เหมาะสมกับจังหวะของขาอีกข้างหนึ่ง สำหรับขาเทียมแบบใช้แรงเสียดทานแบบคงที่ มีข้อได้เปรียบ คือ สามารถออกแบบได้ง่าย น้ำหนักเบา แต่มีข้อเสียหลักคือขาเทียมแบบนี้สามารถปรับความเร็วในการเดินได้แบบเดียวที่ในแต่ละเวลา แต่สำหรับขาเทียมที่ใช้แรงเสียดทานแบบแปรผันจะมีอาศัยหลักการทำงานโดยการเพิ่มความต้านทานในช่วงที่เข่างอจากการยืดขาสุด ถึงแม้ว่าจะขาเทียมแบบใช้แรงเสียดทานที่แกนหมุนจะทำการปรับปรุงมากขึ้น แต่ยังมีข้อจำกัดอยู่ ได้แก่ ขาเทียมแบบนี้ต้องการการปรับและการเปลี่ยนชิ้นส่วนในกลไกการเคลื่อนที่ค่อนข้างบ่อย และยังไม่สามารถทำการพัฒนาให้ดีได้เท่ากับแบบใช้ของไหลในการควบคุมท่าทางของขาเทียม

ระบบการควบคุมของไหล : นิวเมติก Vs ไฮดรอลิก

การควบคุมการแกว่างของขาเทียมขั้นสูง จะใช้หลักของ Fluid dynamics เพื่อเตรียมค่าความต้านทาน ซึ่งจะทำให้ผู้พิการสามารเคลื่อนที่ได้อย่างสะดวกทีความเร็วในแต่ละระดับ ขาเทียมแบบเนี้ประกอบด้วยลูกสูบอยู่ภายใน Cylinders ที่บรรจุอากาศ (นิวเมติก) หรือของไหล (ไฮดรอลิก) โดยขาเทียมจะทำการอัดอากาศเมื่อเข่างอ และจะทำการเก็บพลังงานไว้ เพื่อทำการปล่อยพลังงานกลับในช่วงการยืด นอกจากนี้สามารถทำการเพิ่มประสิทธิภาพในการควบคุมท่าทางโดยทำการเพิ่ม Coil Spring สำหรับระบบนิวเมติก จะถูกใช้สำหรับการควบคุมการแกว่งของเข่า แต่พบว่ามีประสิทธภาพน้อยกว่าการควบคุมบบระบบไฮดรอลิก  ซึ่งระบบไฮดรอลิกจะเหมาะสมมากกับผู้พิการที่มีการเคลื่อนไหวมาก เนื่องจากข้อเข่าเทียมจะทำงานได้ใกลเคียงกับเข่าปกติมาก โดยระบบไฮดรอลิกจะใช้ของเหลว ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็น Silicone oil แทนการใช้อากาศในระบบนิวเมติก เนื่องจากมีการตอบสนองในช่วงความเร็วที่กว้างกว่า ถึงแม้ว่าระบบไฮดรอลิกจะมีการให้ท่าทางที่ค่อนข้างสมบูรณ์ ซึ่งขาเทียมแบบนี้ต้องการการบำรุงรักษาที่มาก

รูปที่ 3 ระบบขาเทียมแบบไฮดรอลิก

ขาเทียมแบบใช้ Microprocessor

ระบบขาเทียมแบบ Microprocessor เป็นเทคโนโลยีที่ใหม่ ซึ่งระบบขาเทียมรุ่นใหม่จะใช้แนวทางนี้ในการพัฒนา โดยการทำงานจะใช้เซนเซอร์บนบอร์ดสามารถที่จะทำการตรวจสอบการเคลื่อนที่ จากกนั้นจะทำการปรับอากาศหรือของไหล เพื่อทำการควบคุม Cylinder ให้เคลื่อนที่ได้อย่างเป็นธรรมชาติและเหมาะสมกับผู้พิการแต่ละคน

จะที่กล่าวมาทั้งหมดจะเห็นว่าเทคโนโลยีในการสร้างระบบขาเทียมต่างๆ มากมาย แต่ก็ยังพบว่าขาเทียมในปัจจุบันยังต้องมีการพัฒนาต่อไป เพื่อให้มีราคาและคุณสมบัติที่เหมาะสมกับผู้พิการ ซึ่งเทคโนโลยีที่นำมาใช้เริ่มมีความหลากหลายมากขึ้น ไม่ว่าจะเป็นขาเทียมแบบใช้กลไก  แบบไฮดรอลิก แบบการคำนวณ และแบบที่ใช้ “Bionic” หรือ Neurophosthetic

ท่านผู้อ่านสามารถส่งข้อคิดเห็น/เสนอแนะมาที่ผู้เขียนที่ djitt@fibo.kmutt.ac.th

——————————————————————————————

ข้อมูลจำเพาะของผู้เขียน

     ดร. ชิต เหล่าวัฒนา จบปริญญาตรีวิศวกรรมศาสตร์ (เกียรตินิยม) จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี ไดัรับทุนมอนบูโช รัฐบาลญี่ปุ่นไปศึกษาและทำวิจัยด้านหุ่นยนต์ที่มหาวิทยาลัยเกียวโต ประเทศญี่ปุ่น เข้าศึกษาต่อระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยคาร์เนกี้เมลลอน สหรัฐอเมริกา ด้วยทุนฟุลไบรท์ และจากบริษัท AT&T ได้รับประกาศนียบัตรด้านการจัดการเทคโนโลยีจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งมลรัฐแมสซาชูเซสต์ (เอ็มไอที) สหรัฐอเมริกา

     ภายหลังจบการศึกษา ดร. ชิต ได้กลับมาเป็นอาจารย์สอนที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี และเป็นผู้ก่อตั้งสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม หรือที่คนทั่วไปรู้จักในนาม “ฟีโบ้ (FIBO)” เป็นหน่วยงานหนึ่งในมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี เพื่อทำงานวิจัยพื้นฐาน และประยุกต์ด้านเทคโนโลยีหุ่นยนต์ ตลอดจนให้คำปรึกษาหน่วยงานรัฐบาล เอกชน และบริษัทข้ามชาติ (Multi-national companies) ในประเทศไทยด้านการลงทุนทางเทคโนโลยี  การใช้งานเทคโนโลยีอัตโนมัติชั้นสูง และการจัดการเทคโนโลยีสารสนเทศอย่างมีประสิทธิภาพ