1. ภาพรวมของ Electrotherapy (Overview of Electrotherapy)

Electrotherapy ในทางกายภาพบำบัดอาศัยการนำกระแสไฟฟ้าผ่าน electrode ที่วางบนผิวหนังเข้าสู่เนื้อเยื่อ ผลที่เกิดขึ้นแบ่งได้เป็น 3 กลุ่มตามกลไกหลัก ซึ่งขึ้นอยู่กับประเภทของกระแส ความเข้ม และระยะเวลาที่ใช้

ในทางคลินิก electrotherapy มีชื่อเรียกหลากหลาย เช่น TENS (Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation), NMES (Neuromuscular Electrical Stimulation), IFC (Interferential Current), Russian Current, HVPC (High-Volt Pulsed Current) และ Microcurrent ซึ่งล้วนเป็นการประยุกต์ใช้กระแสไฟฟ้ารูปแบบต่างๆ บนพื้นฐานฟิสิกส์ชุดเดียวกัน

2. หลักการทางฟิสิกส์ไฟฟ้า (Principles of Electricity)

2.1 ประจุไฟฟ้า (Charge)

ประจุไฟฟ้าเป็นคุณสมบัติพื้นฐานที่สุดของสสาร โดยแบ่งเป็นประจุบวก (+) ซึ่งมาจากโปรตอน และประจุลบ (−) ซึ่งมาจากอิเล็กตรอน กฎพื้นฐานคือ ประจุต่างชนิดดึงดูดกัน ประจุชนิดเดียวกันผลักกัน หน่วยของประจุคือ คูลอมบ์ (Coulomb, C) โดย 1 คูลอมบ์เท่ากับประจุของอิเล็กตรอน 6.24 × 10¹⁸ ตัว ปริมาณประจุที่ถ่ายเทในแต่ละพัลส์ (phase charge) เป็นตัวแปรสำคัญที่กำหนดขนาดของการตอบสนองทางสรีรวิทยาที่เกิดขึ้นในเนื้อเยื่อ

Phase Charge คำนวณได้จาก: Phase Charge (µC) = Amplitude (mA) × Phase Duration (µs) ซึ่งหมายความว่า หากต้องการ phase charge เท่ากันสามารถทำได้โดยใช้ amplitude สูงกับ phase duration สั้น หรือ amplitude ต่ำกับ phase duration ยาว ซึ่งให้ผลต่างกันทางคลินิกเพราะกระตุ้นเส้นใยประสาทต่างชนิดกัน

2.2 ขั้วไฟฟ้าและสนามไฟฟ้า (Polarity and the Electric Field)

ในระบบ electrotherapy ขั้วไฟฟ้ามี 2 ชนิด คือ Cathode (−) ซึ่งเป็น negative pole ปล่อยอิเล็กตรอนและมีความหนาแน่นของกระแสสูงกว่า และ Anode (+) ซึ่งเป็น positive pole รับอิเล็กตรอนกลับ ขั้วทั้งสองมีผลต่างกันต่อเนื้อเยื่อ ใน DC cathode ดึงดูด cation (Na⁺, K⁺, Ca²⁺) และผลัก anion ส่วน anode ดึงดูด anion (Cl⁻, HPO₄²⁻) และผลัก cation ความแตกต่างนี้มีความสำคัญโดยตรงต่อ iontophoresis ซึ่งต้องเลือกขั้วให้ตรงกับประจุของยาที่ต้องการส่ง

สนามไฟฟ้า (Electric Field) ที่เกิดขึ้นระหว่าง electrode ทั้งสองในเนื้อเยื่อกระทำแรงต่อ ion และ dipole molecules โดยตรง ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของ ion ตามทิศทางของสนาม ความแรงของสนามไฟฟ้าขึ้นอยู่กับ voltage ที่ใช้และระยะห่างระหว่าง electrode โดย สนามไฟฟ้า (V/m) = Voltage ÷ ระยะห่าง electrode

2.3 แรงดันไฟฟ้า (Voltage)

Voltage หรือความต่างศักย์ไฟฟ้า (Electric Potential Difference) คือแรงขับที่ทำให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีศักย์สูงไปยังบริเวณที่มีศักย์ต่ำ เปรียบได้กับแรงดันน้ำในท่อ ยิ่ง voltage สูงยิ่งสามารถผลักประจุผ่านความต้านทานสูงได้มากกว่า ใน electrotherapy ช่วง voltage ที่ใช้แตกต่างกันมากตามชนิดของกระแส เช่น TENS และ NMES ทั่วไปใช้ 10-100 V ส่วน HVPC (High-Volt Pulsed Current) ใช้ 150-500 V แต่ peak pulse duration สั้นมากจนกระแสเฉลี่ยยังต่ำ

2.4 ตัวนำและฉนวน (Conductors and Insulators)

ตัวนำไฟฟ้า (electrical conductor) คือวัสดุที่อนุญาตให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ง่าย เพราะมีอิเล็กตรอนหรือ ion อิสระมาก ในร่างกายมนุษย์ สารที่เป็น conductor ที่ดี ได้แก่ เลือด น้ำเหลือง และของเหลวในร่างกายที่มี electrolyte สูง ส่วน ฉนวน (insulator) ขัดขวางการไหลของกระแส ผิวหนังชั้น stratum corneum ที่แห้งเป็นฉนวนที่ดีมาก มี resistance สูงถึงหลักแสนโอห์ม เมื่อผิวหนังเปียกหรือใช้ electrode gel resistance ลดลงเหลือเพียงหลักพันโอห์ม ซึ่งแตกต่างกันมากกว่า 100 เท่า

ความเข้าใจเรื่องตัวนำและฉนวนมีผลโดยตรงต่อการปฏิบัติ เช่น ความจำเป็นในการทำความสะอาดผิวหนังและใช้ electrode gel ก่อนทุกครั้ง เพื่อลด skin impedance และให้กระแสกระจายสม่ำเสมอที่ electrode-skin interface แทนที่จะรวมตัวที่จุดใดจุดหนึ่งซึ่งอาจก่อให้เกิด high current density และ skin irritation ได้

2.5 กระแสไฟฟ้า (Current)

กระแสไฟฟ้า (Current, I) คืออัตราการไหลของประจุไฟฟ้าผ่านจุดใดจุดหนึ่ง วัดเป็น แอมแปร์ (A) โดย 1 แอมแปร์ = ประจุ 1 คูลอมบ์ไหลผ่านในเวลา 1 วินาที ในทางปฏิบัติ electrotherapy ส่วนใหญ่ใช้ระดับ มิลลิแอมแปร์ (mA) ยกเว้น microcurrent ที่ใช้ระดับ microampere (µA)

สิ่งสำคัญที่ต้องเข้าใจคือในร่างกายมนุษย์ กระแสไฟฟ้าไม่ได้เดินทางผ่านอิเล็กตรอนอิสระเหมือนในโลหะ แต่เดินทางผ่านการเคลื่อนที่ของ ion ที่มีประจุในน้ำนอกเซลล์และของเหลวในร่างกาย (ionic conduction) กระแสมีแนวโน้มไหลตาม path of least resistance เสมอ ซึ่งหมายความว่าหากระยะทางระหว่าง electrode สั้น กระแสจะไหลผิวเผิน หากระยะห่างมากขึ้น กระแสจะผ่านลึกมากขึ้น

2.6 กฎของโอห์ม: ความต้านทาน ความจุ และอิมพีแดนซ์

กฎของโอห์ม (Ohm’s Law) ระบุความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน (V) กระแส (I) และความต้านทาน (R) ดังนี้

V = I × R     หรือ     I = V ÷ R     หรือ     R = V ÷ I

กฎนี้มีความสำคัญทางคลินิกเพราะ resistance ของร่างกายไม่คงที่ เปลี่ยนแปลงตามความชื้นของผิวหนัง อุณหภูมิ และสภาพ electrode ดังนั้นเมื่อ resistance เพิ่มขึ้น (เช่น ผิวหนังแห้งขึ้น) ที่ voltage เดิม current จะลดลงอัตโนมัติ และกลับกัน นี่คือเหตุผลที่เครื่อง electrotherapy สมัยใหม่มักมีโหมด Constant Current ซึ่งเครื่องจะปรับ voltage อัตโนมัติเพื่อรักษา current ให้คงที่ตลอดการรักษา

ความต้านทาน (Resistance) ใช้อธิบายการต้านทานของวัสดุต่อ DC เป็นหลัก แต่เนื้อเยื่อร่างกายมีคุณสมบัติเพิ่มเติมคือ Capacitance ซึ่งเป็นความสามารถในการเก็บประจุชั่วคราว ผิวหนังทำตัวเหมือน capacitor เพราะประกอบด้วยชั้น lipid bilayer ที่ไม่นำไฟฟ้าคั่นระหว่างชั้น conductor สองชั้น คุณสมบัตินี้ทำให้ impedance รวมของผิวหนังต่อ AC มีส่วนประกอบเพิ่มเติมที่เรียกว่า Capacitive Reactance (Xc)

Xc = 1 ÷ (2π × f × C)

สูตรนี้แสดงให้เห็นว่า Xc แปรผกผันกับความถี่ (f) กล่าวคือ ยิ่งความถี่สูงขึ้น Xc ยิ่งต่ำลง ดังนั้นกระแสความถี่สูงจะผ่านผิวหนังได้ง่ายกว่ากระแสความถี่ต่ำที่ amplitude เท่ากัน นี่คือหลักการสำคัญที่อธิบายว่าทำไม IFC (ที่ใช้ carrier wave 4,000 Hz) จึงทำให้ผู้ป่วยรู้สึกสบายกว่า low-frequency TENS ที่ระดับ current เดียวกัน

Impedance (Z) คือความต้านทานรวมของเนื้อเยื่อต่อ AC ซึ่งรวมทั้ง Resistance (R) และ Capacitive Reactance (Xc) เข้าด้วยกัน

Z = √(R² + Xc²)

ในทางคลินิก Impedance ของผิวหนังลดลงตามเวลาระหว่างการรักษา เนื่องจากความชื้นสะสมใต้ electrode และ skin polarization ลดลง ซึ่งหมายความว่าผู้ป่วยอาจรู้สึก intensity เพิ่มขึ้นหลังจากที่ไม่ได้ปรับเครื่องเลย ผู้บำบัดจึงต้องตรวจสอบความรู้สึกของผู้ป่วยเป็นระยะ

ตารางสรุป Impedance ของเนื้อเยื่อชนิดต่างๆ

ตารางสรุปปริมาณทางไฟฟ้าที่จำเป็นใน Electrotherapy

บทสรุป

ความเข้าใจในหลักการฟิสิกส์ไฟฟ้าพื้นฐาน ตั้งแต่ประจุไฟฟ้า ขั้วไฟฟ้า สนามไฟฟ้า แรงดัน กระแส กฎของโอห์ม ความต้านทาน ความจุ และอิมพีแดนซ์ เป็นรากฐานที่ขาดไม่ได้สำหรับการใช้ electrotherapy อย่างมีเหตุผลทางคลินิก เนื้อเยื่อร่างกายไม่ได้มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าสม่ำเสมอ แต่แตกต่างกันอย่างมากระหว่างชนิดเนื้อเยื่อ ความชื้น และอุณหภูมิ การนำหลักการเหล่านี้มาใช้ในการเตรียมผิวหนัง การเลือกขนาดและตำแหน่ง electrode และการเลือกโหมดเครื่อง จะช่วยให้ผลการรักษามีประสิทธิภาพและปลอดภัยมากขึ้น

เอกสารอ้างอิง (References)

1. Michlovitz, S. L. (2011). Modalities for Therapeutic Intervention (5th ed.). F.A. Davis Company.
2. Cameron, M. H. (2018). Physical Agents in Rehabilitation: From Research to Practice (5th ed.). Elsevier.
3. Bélanger, A. Y. (2015). Therapeutic Electrophysical Agents: Evidence Behind Practice (3rd ed.). Wolters Kluwer.
4. Robinson, A. J., & Snyder-Mackler, L. (2008). Clinical Electrophysiology: Electrotherapy and Electrophysiologic Testing (3rd ed.). Lippincott Williams & Wilkins.