การพัฒนาต้นแบบเครื่องกระตุ้นไฟฟ้าประเภท NMES ชนิดควบคุมด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์

Abstract

เครื่องกระตุ้นไฟฟ้าประเภท Neuromuscular electrical stimulator (NMES) เป็นเครื่องกระตุ้นไฟฟ้ารูปแบบหนึ่งที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในงานด้านกายภาพบำบัดและเวชศาสตร์ฟื้นฟูทั้งในทางคลินิกและงานวิจัย เป็นการสร้างกระแสไฟฟ้าในการกระตุ้นกล้ามเนื้อที่ยังมีเส้นประสาทเลี้ยง (Innervated muscle) เพื่อกระตุ้นการทำงานให้เกิดการคงสภาพของกล้ามเนื้อ (restore muscle function),เพิ่มความแข็งแรงของกล้ามเนื้อ (muscle strengthening), ลดอาการหดเกร็ง (spasm reduction) , เพิ่มการไหลเวียนโลหิต (Muscle pumping and increase circulation) และป้องกันการฝ่อลีบของกล้ามเนื้อ (Muscle Atrophy) อย่างไรก็ดีเครื่องกระตุ้นไฟฟ้าแบบ NMES ที่มีขายตามท้องตลาดมักมีการตั้งค่าพารามิเตอร์ไว้เพื่อสร้างสัญญาณไฟฟ้ากระตุ้นที่เหมาะสมกับโปรแกรมการรักษาทั่ว ๆ ไป และเป็นการป้องกันอันตรายที่อาจเกิดจากการใช้งานเครื่องกระตุ้นไฟฟ้าอย่างผิดวิธี อีกทั้งเครื่องกระตุ้นไฟฟ้าสำหรับงานวิจัยที่อนุญาตให้ผู้ใช้สามารถตั้งค่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ ได้ ก็มักจะมีราคาที่สูงมาก ด้วยเหตุนี้ โครงงานวิศวกรรมชิ้นนี้จึงมุ่งเน้นไปที่การศึกษาและพัฒนาตันแบบเครื่องกระตุ้นไฟฟ้าชนิด NMES ที่สามารถสั่งงานและกำหนดค่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ ของสัญญาณไฟฟ้ากระตุ้นผ่านการตั้งค่าด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์ โดยมุ่งเน้นไปที่การใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือโมดูลที่มีขายทั่วไปในท้องตลาดมาประกอบเข้าด้วยกัน เพื่อศึกษาถึงองค์ประกอบและการทำงานของเครื่องกระตุ้นไฟฟ้าชนิด NMES โดยเครื่องต้นแบบที่พัฒนาขึ้นสามารถสร้างสัญญาณรูปแบบคลื่นสี่เหลี่ยม (Square Wave) ได้ทั้งแบบโมโนฟาสิค (Monophasic) และไบฟาสิค (Biphasic) สามารถกำหนดค่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ ได้ เช่น ความถี่ (Frequency), ความกว้างของพัลส์ (Pulse width), ระยะเวลาพักระหว่างพัลส์ (inter-pulse Interval) และช่วงเวลาในการกระตุ้น (Burst duration) เป็นต้น ผลที่ได้จากการทดสอบประสิทธิภาพเครื่องต้นแบบพบว่า เครื่องสามารถใช้งานได้ยาวนานถึง 5 ชั่วโมง 30 นาที เมื่อให้พลังงานด้วยแบตเตอรี่ สามารถปรับค่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดได้ที่ 35 โวลต์ และเมื่อทำการทดสอบโดยการปล่อยสัญญาณไฟฟ้ากระตุ้นไปยังด้วยวงจรเสมือน (Equivalent Circuit) ที่จำลองค่าความต้านทาน (Impedance) ของอิเล็กโทรดและผิวหนังมนุษย์ พบว่ามีค่ากระแสไฟฟ้าสูงสุดไหลผ่านวงจรเสมือนที่ 3.54 มิลลิแอมแปร์ และจากการเปรียบเทียบรูปร่าง (Waveform) ของสัญญาณไฟฟ้ากระตุ้นก่อนและหลังเข้าสู่วงจรเสมือน พบว่าได้รูปร่างของสัญญาณไฟฟ้ากระตุ้นที่ใกล้เคียงกัน โดยมีเพียงค่าแรงดันยอดถึงยอด (Peak-to-peak Voltage) ของสัญญาณไฟฟ้ากระตุ้นแบบโมโนฟาสิคและไบฟาสิคที่มีค่าคลาดเคลื่อนเฉลี่ยประมาณ 3.41% และ 3.76% ตามลำดับ

Neuromuscular electrical stimulation (NMES) is a form of therapeutic electrical stimulation. It is used widely in physiotherapy and rehabilitation medicine for clinical treatments and research purposes. An NMES device generates electrical current to stimulate innervated muscles to restore muscle functions, increase muscle strength, reduce spasms, improve blood circulation, and prevent muscle atrophy. In general, commercially available NMES stimulators are often designed with constant parameters to create the stimulation signal, which is suitable for ordinary treatment programs to prevent the hazards from the misuse of the stimulator. Besides, the electrical stimulators designed for research that allow the parameters adjustment are costly. Therefore, this engineering project aims to study and develop a prototype of an NMES device. The prototype is assembled from commercially available electronic components and modules. It can be programmed and adjust the stimulation parameters via a personal computer. In addition, the device can generate the stimulation signals of mono-phasic and biphasic square waveforms. Stimulation parameters, for instance, frequency, pulse width, inter-pulse interval, and burst duration, are adjustable. The performance testing showed that the device lasts up to 5 hours and 30 minutes when powered by a battery with a maximum adjustable voltage of up to 35 volts and a maximum current of 3.54 mA across a skin-electrode impedance equivalent circuit. In the comparative experiment, the stimulation signal between pre and post passing through the impedance circuit showed similarity in frequency and phase. On the other hand, the peak-to-peak voltage of the mono-phasic and biphasic signals were different by averaging errors of 3.41% and 3.76%, respectively.