Physics forceps : คีมแห่งความลับ

อุปกรณ์ที่คุ้นเคย และใช้เป็นอุปกรณ์ทำงานพื้นฐานสำหรับทันตแพทย์ นอกจากชุดตรวจ 3 เกลอ (Plier, Exporer, Concave mouth mirror) แล้ว คงต้องนับคีมถอนฟัน (Extraction forceps) เข้าไปด้วย

ถ้าเราไปเปิดหนังสือพื้นฐานเรื่องการถอนฟัน ในหนังสือจะเริ่มด้วยการอธิบายหลักพื้นฐานของเครื่องกลอย่างง่ายทั้ง 6 ชนิด นำมาก่อนทั้ง คาน, ลิ่ม, พื้นเอียง, สกรู, รอก, ล้อและเพลา

พิจารณาเฉพาะการใช้คีม หนังสือจะเขียนตรงกันว่า คีม (ทั้งชนิด Special forceps และ Universal forceps) จะให้กลศาสตร์แบบ Classic เพื่อให้เกิดการผ่อนแรง คือใช้การทำงานของลิ่ม

โดยในจังหวะแรกเมื่อคีมเริ่มจับฟันจะใช้ Apical force ให้ปลายสุดของคีมเป็นลิ่ม เพื่อการจับฟันให้มั่นคง และดันฟันให้มีทิศทางเคลื่อนออกจาก Socket หลังจากนั้นจึงออกแรงโยกฟันในแนว Bucco-lingual เพื่อขยาย Alveolar process

การทำงานของ Extraction forceps จึงไม่ได้ทำให้ฟันหลุดออกจาก Socket โดยใช้หลักการของคาน แต่การสร้างคีมใช้หลักการของคาน และเป็นการทำงานของระบบคานคู่

เป็นคานคู่ที่ให้จุดหมุนร่วมกัน จากรูปการออกแบบคีมที่มีระยะด้ามจับ a ยาวกว่าระยะของแรงต้านทาน b จึงทำให้เมื่อเราออกแรงพยายาม E1 และ E2 (เพราะแรงจากอุ้งมือและนิ้วจาก 2 ด้านของด้ามจับไม่เท่ากัน)

a/b = R1/E1 = R2/E2

แรงที่เกิดตรงด้ามจับจึงถูก multiply (ด้วยอัตราส่วน a/b ซึ่งมีค่ามากกว่า 1) ให้เกิดแรงมากขึ้นที่ปลาย beak เสมอ

ปัญหาจะเกิดตรงนี้แหละครับ คือ การออกแบบปลาย beak จะทำให้เกิดการโอบจับตามรูปร่างของฟัน โดยใช้ blade ที่ปลาย beak มีความคมที่มากกว่า surface hardness ของ Cementum เมื่อคีมถูกจับแน่น และแรงที่กระทำต่อฟันถูก multiply แต่ในกรณีที่สภาพของฟันมีโครงสร้างอ่อนแอ เช่น large filling, รอยร้าว, caries ขนาดใหญ่หรืออยู่ในตำแหน่งที่ทำให้เกิด undermined enamel-dentine, ฟันที่ Fx etc.

จึงพบบ่อยๆ ว่า เมื่อบีบ Handle และออกแรงที่คีม ฟันจะแตกทันที เมื่อได้รับแรง (หรือเมื่อรับแรงที่เพิ่มขึ้นอีกระยะหนึ่ง) แตกที่ระดับต่างๆ แบบคาดเดาได้หรือไม่ได้ เช่น Crown fx, แตกระดับ CEJ, Furcation หรือเกิด Root fx

การสร้าง Extraction forceps ใช้หลักการของคานระบบที่ 1 ก็จริง แต่การทำงานของคีมไม่ได้ช่วยให้เราได้ประโยชน์จากการได้เปรียบเชิงกลจากคานที่สร้างขึ้นเวลาทำให้ฟันหลุดจาก Socket

ทบทวนคานทั้ง 3 ระบบ

โดยส่วนตัวผมจะจำง่ายๆ โดยใช้คำว่า FREE ครับ คือ F–>R–>E ตามตำแหน่งที่อยู่กลางสุด เรียงตามคานระบบ 1–>2–>3

คือคานระบบที่ 1 จะมี F จุดหมุนอยู่ตรงกลาง

คานระบบที่ 2 จะมี R (Resistant) แรงต้านอยู่ตรงกลาง

คานระบบที่ 3 จะมีแรงพยายามของเรา E (Effort) อยู่ตรงกลาง

ยกตัวอย่างเวลาพิจารณาคีมถอนฟัน

เราเห็นว่ามีจุดหมุน F อยู่ตรงกลาง โดยไม่ต้องคิดว่า R กับ E จะอยู่ด้านใด ก็บอกได้เลยว่า มันอยู่ในคานระบบที่ 1

ลองสังเกต คีมถอนฟันกับอุปกรณ์อีกอย่างคือ กรรไกร

จะพบว่า การออกแบบใกล้เคียงกันมาก ซึ่งการออกแบบของกรรไกร คือ เพื่อตัด หรือ บีบทำลายวัตถุที่อยู่ระหว่างปลาย beak ดังนั้นคีมถอนฟันที่ออกแบบมาให้จับและยึดฟันให้มั่งคงก่อนเราจะออกแรงโยกจึงมีอิทธิพลของการตัด,บีบ เพื่อทำลายติดมาด้วยเช่นกัน

ในช่วงเริ่มต้นคริสต์ศตวรรษที่ 21 จึงเริ่มมีการพัฒนาคีมถอนฟันชนิดใหม่ที่ล้มล้าง Principle เดิมๆ ออกไปทั้งหมด โดยใช้ความรู้ทางวัสดุศาสตร์เข้ามามีส่วนร่วมในการสร้างคีมชนิดใหม่นี้

ชื่อของมันคือ Physics forceps ครับ

ถ้าลอง search คำว่า Physics forceps จะเจอข้อมูลเยอะมาก ทั้ง papers, Clip demon ในคนไข้จริง

แต่ในที่นี่จะพูดถึงเฉพาะหลักการในการทำงานพื้นฐานของคีมชนิดนี้ เท่านั้นนะครับ

เริ่มที่ชื่อที่เหมือนเป็นบทสรุปทั้งหมด คำว่า Physics ไม่ได้หมายถึงชื่อคน (เช่น Dr. Physics) แต่หมายถึงหลักการทางฟิสิกส์ที่ใช้ เพื่อทำให้ฟันทุกซี่ที่ไม่ใช่ Bony impact tooth หลุดลอยออกจาก Socket โดยไม่ทำอันตรายต่อ เหงือก, alveolar bone โดยเฉพาะ Facial bone/Buccal plate หรือไม่ทำลายแม้กระทั่งฟันที่ถูกถอน (Atraumatic tooth extraction)

สิ่งที่เกิดตามมาคือ ลด dimensional loss ของ bone เพื่อให้ bone หลังถอนเหลืออยู่มากที่สุด (เพราะเรารู้ว่า Cortical bone ได้รับ blood supply มากกว่า 80% จาก Periosteum ดังนั้นการลด tissue injury ได้มากที่สุด จึงเป็นการ preserve bone ได้ดีที่สุด)

Physics forceps เริ่มพัฒนาโดย Dr. Richard Golden ในปี ค.ศ.2004 และมีผู้พัฒนาร่วมอีกหลายท่าน เช่น Dr.Carl E. Misch, Dr.Helena Perez etc.

papers ต่างๆ เริ่มออกมาเยอะในอีก 10 ปีให้หลังครับ คือตั้งแต่ช่วงปี 2014 เป็นต้นมา

Dr.Richard Golden

การทำงานของ Forceps ชนิดนี้จะใช้หลักทางฟิสิกส์ 3 ข้อด้วยกัน คือ

1. การได้เปรียบเชิงกลของคานระบบที่ 1

การออกแบบ Handle ทั้ง 2 ชิ้นโดย Handle บน ไม่มี blade แต่มีปลายเป็น Bumper ที่ทำหน้าที่เป็นจุดหมุน F

ส่วน Handle ล่าง จะมีปลายเป็น blade เพียงชิ้นเดียว

เวลาออกแรงจะ lock Handle ทั้ง 2 ชิ้นเข้าด้วยกันแล้วหมุนข้อมือให้ Handle เคลื่อนเป็นทิศเดียวกัน (ไม่ออกแรงบีบด้ามคีมเข้าหากัน เหมือนคีมปกติที่ใช้ระบบคานคู่ที่ใช้อยู่)

ด้ามคีมทั้ง 2 จะประพฤติตัวเหมือนคานเดี่ยวที่ออกแรงงัดต่อแรงต้านทานที่อยู่ปลาย beak

ด้ามจับที่มีระยะทำงานถึงจุดหมุน F ยาวเป็น 8 เท่าของระยะที่ปลายคีมทำงานถึงจุดหมุน F

จึงทำให้แรงที่ปลายคีมที่กระทำต่อแรงต้าน R มีขนาดเป็น 8 เท่าของแรงพยายาม E ที่เราออกแรงที่ด้ามจับ จึงถือว่า เป็นคานระบบที่ 1 ที่ได้เปรียบเชิงกล โดยไม่เกิดแรงตัด, อัด หรือบีบ ที่ปลาย blade เหมือนคีมถอนฟันปกติ

เทียบ action ของการถอนตะปูด้วยเครื่องมือที่ออกแบบการทำงานโดยใช้หลักการเดียวกัน เพื่อให้เข้าใจได้ง่าย

การถอนตะปูด้วยคีม (คานคู่) แบบเดียวกับ Extraction forceps ปกติ

จะเห็นว่า เราไม่ได้เปรียบเชิงกลจากงานนี้เลย เพียงแต่คีมช่วยออกแรงแทนเรา แรงที่ปลายคีมจะมีขนาดมากกว่าแรงจากมือบีบที่ด้าม แต่พอเวลาถอนตะปูเราต้องออกแรงโยกตะปูอยู่ดี

ถ้าหัวตะปูไม่แข็งแรงพอ ตะปูจะขาดทันที กรณีให้แรงโยกมากเกินไป

ทีนี้เรามาดูการถอนตะปูด้วยค้อนที่ใช้การทำงานของคานระบบที่ 1 แบบได้เปรียบเชิงกล

Moment ของการหมุนคือการหมุนแบบเดียวกับที่ใช้ใน Physics forceps (ที่จริงต้องพูดว่า arc การหมุนของ Physics forceps มันเลียนแบบค้อน)

ลองมาดูรูปการทำงานของ Physics forceps จริงๆ

หลักการทางฟิสิกส์ข้อที่ 2 ที่นำมาใช้กับ Physics forceps คือ การคืบ (Creep) ของวัสดุ ซึ่งในที่นี้คือ Bone ที่ประกอบเป็น Alveolar process ครับ

ทบทวนอย่างสรุปที่สุด Creep คือ การเปลี่ยนรูปร่างของวัสดุที่หมายถึง Deformation แบบถาวรครับ

เวลาเรียนเรื่องวัสดุศาสตร์ ถ้ายังจำ graph รูปนี้ได้

หมายถึงถ้าเพิ่มแรง F ที่อยู่ใน F/A ของ Stress ไปเรื่อยๆ วัสดุจะเกิดการเปลี่ยนรูปร่างโดยแสดงคุณสมบัติที่เปลี่ยนรูปร่างแต่ยังกลับสภาพเดิมได้ (Elastic deform) ไปจนเกิดการเปลี่ยนรูปไปเสียรูปร่างถาวรไปเลย (Plastic deform) และสุดท้ายแรงที่ใส่เพิ่มขึ้นไปอีก จะทำให้เกิดการแตกหัก fracture ในที่สุด

ทีนี้ถ้าเรามอง Bone เป็นวัสดุตัวหนึ่ง (เทียบกับ โครงโลหะ, Porcelain หรือ ฐานฟันปลอม)

จากรูป A = Porcelain แข็งแต่เปราะมาก ไม่มีเส้นกราฟในส่วน B–>D คือ มันไม่สามารถถูกยืดได้เลย

B = Alloy แข็งและเหนียว แสดงว่าถูกดึงได้บ้าง

C = ฐานฟันปลอม PMMA เพราะอ่อนสุด กราฟในส่วน A–>B แทบไม่มีความชัน และ B–>D ยาวมาก แสดงว่าถูกดึงและยืดได้มาก

ทีนี้ถ้าเราใส่ Bone ลงไปในกราฟ Stress-Strain curve

โดยใช้ Long bone เป็น specimens ที่มีทั้ง Cortical bone และ Cancellous bone

(Cortical จะมี stiffness มากกว่า Cancellous โดยพบว่า Cortical bone จะหักเมื่อมี Strain เกิน 2% แต่ Cancellous bone จะหัก เมื่อมีความเครียดเกิน 75%)

จากรูป จะพบว่า Bone มีพฤติกรรมคล้ายฐานฟันปลอม PMMA

และส่วน A–>B (Elastic deform) ของกระดูกจะโค้งเล็กน้อย ไม่เป็น linear elastic behavior เหมือนโลหะและแก้ว

(ข้อสังเกต stiffness ของแก้ว น้อยกว่า Porcelain เส้นกราฟของแก้วจึงอยู่ต่ำกว่าโลหะ ไม่เหมือนรูปก่อนหน้านี้ แต่ยังแสดงคุณสมบัติคล้าย Porcelain คือ ไม่มี Plastic deformation เลย (ไม่มีกราฟส่วน B–>C))

ถ้าสรุปตาม Stress-Strain curve คือ เมื่อเพิ่มแรง —> วัสดุเปลี่ยนรูป

แต่สำหรับ Creep จะไม่ใช่แบบนั้น Creep จะเป็น เมื่อให้แรงคงที่ (โดยเราไม่ต้องเพิ่มแรง) –> วัสดุเกิดการเปลี่ยนรูป

โดยมีเงื่อนไขคือ แรงที่ให้ต้องต่ำกว่า Yield point (เพราะถ้าแรงมากกว่า Yield Stress วัสดุมันก็จะเปลี่ยนรูปจาก Plastic deform ได้อยู่แล้วตาม Stress-Strain curve)

Creep เปรียบเหมือนเราหลอมวัสดุเป็น โลหะหรือ Polymer แล้ววัสดุเริ่มหลอมตัว เสียรูปทรงเดิม แต่ในที่นี้เราจะหมายถึงให้แรงที่คงที่จำนวนนึง แล้ววัสดุเริ่มหลอมตัว เปลี่ยนรูป (โดยอุณหภูมิคงที่ด้วย, ในที่นี้ยังไม่พูดถึง Creep ที่เกิดจากการเปลี่ยนอุณหภูมินะครับ)

วัสดุทุกชนิดแสดง Creep ได้ทั้งหมด และที่เราคุ้นเคยและเห็นบ่อยๆ ก็คือ Creep ของ Amalgam filling

รูป Before&After หลัง filling 4 ปี (ยิ่งเป็น low-Cu Amalgam ยิ่งพบ Creep rate สูง)

สำหรับ Amalgam–> marginal deterioration คือสิ่งหนึ่งที่ชี้ถึงการแสดงออกของ Creep ในทางคลินิก

สำหรับ Bone ก็เกิด Creep ได้เช่นกัน

การอ่านกราฟของ Creep จะใช้การเปลี่ยนรูป/เวลา คือ แกนตั้งเป็น Strain, แกนนอนเป็น เวลาครับ

ค่าความชันของกราฟที่อ่านได้ คือ Creep rate (แต่ถ้าเราอ่าน Creep ณ ช่วงเวลาหนึ่งจะเรียก Static Creep ครับ)

กราฟนี้ได้จากการทดลองของชิ้น specimens จาก Long bone โดยใช้ส่วนของ Cortical bone ครับ

โดยใช้ Stress คงที่ = 60 MPa (Pa = N/m^2) แล้วจับเวลาเมื่อดูการเปลี่ยนแปลง Strain ที่เกิดขึ้น

(Bone เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติ Anisotropy คือขึ้นกับลักษณะของกระดูกที่รูปร่างไม่เหมือนกันในแนวตามขวางและตามยาว ทำให้คุณสมบัติทางกลศาสตร์ต่างกัน เมื่อเราให้แรงในแนวที่ต่างกัน)

พบว่า Creep ของ Bone มีลักษณะเหมือน Classic Creep curve ทั่วไป คือ ประกอบด้วย 3 ส่วน

ส่วนแรกสุด คือ เมื่อเวลา start กราฟจะชันมาก เรียก Primary Creep เกิดเริ่มต้นด้วย rate ที่เร็วสุดแล้วลดลงด้วยเวลารวดเร็ว

ส่วนที่ 2 Secondary Creep กราฟเกือบจะไม่มีความชัน และเกิดด้วย rate ที่เกือบจะคงที่ ช่วงนี้วัสดุจะไม่เปลี่ยนรูปจากเดิมมากนัก (หรือพูดอีกแบบคือ วัสดุจะต้านการเปลี่ยนรูปมากขึ้น)

ส่วนที่ 3 ความชันจะกลับมาอีกครั้ง rate สูงมาก จนวัสดุหัก,แตก หรือ ขาด เรียก Tertiary Creep

ความรู้นี้นำมาใช้สำหรับการให้แรงต่อปลาย beak ของ Physics forceps ที่กระทำต่อฟันคือ

1. Primary Creep จะเกิดที่ Alveolar process ภายในเวลา 1 นาที นับจากที่เริ่มออกแรงหมุนที่ด้ามคีม

2. ด้วยแรง constant force โดยไม่ต้องออกแรงบีบด้ามคีมเพิ่ม –> Alveolar bone ที่ปลาย beak รวมถึง PDL complex จะเข้าสู่ Secondary Creep จากนาทีที่ 1–> นาทีที่ 5

แต่เนื่องจาก Secondary Creep มี rate ที่ช้ามาก และทำให้เกิด Strain เพิ่มจาก Primary Creep อีกเพียง 10-20% ส่วนใหญ่เวลาที่ใช้ประมาณ 1 นาทีจึงเพียงพอที่จะทำให้เกิด Bone Creep ที่เราต้องการ คือ Socket อ้าออก, PDL complex ถูกทำลาย (Creep rupture ของ PDL)

3. ถ้าเรายังคง hold ด้ามคีมด้วยแรงเท่าเดิม แล้วยังคง rotate คีมลงมาอีก เมื่อเวลาผ่านไปตั้งแต่ นาทีที่ 5 จะเข้า Tertiary Creep ทำให้กราฟเข้าสู่ความชันเร็วมาก เกิด Creep rupture ของ Bone คือ Bone จะ fracture ทันที (ซึ่งเราไม่ต้องการให้มาถึง stage นี้ นั่นหมายความว่า ไม่ควรหมุนด้ามคีมเกินเวลา 4 นาที ฟันควรจะหลุดออกจาก Socket ได้แล้ว)

ในทางวัสดุศาสตร์การแตกหักจาก Creep เราจะเรียกว่า rupture

ดังนั้นถ้าเจอคำว่า rupture strength คือให้รู้ว่าเป็นการทดสอบความแข็งแรงของวัสดุต่อ Creep ที่มากระทำ และมีเฉพาะคำว่า Creep rupture (ไม่มี Creep fracture ในทางวัสดุศาสตร์ แต่อาจมีในภาษาทั่วไป)

ดังนั้น action ของการถอนฟันด้วย Physics forceps จะไม่มีการออกแรงเพิ่มเพื่อบีบด้ามคีมเด็ดขาด แต่จะใช้แรงระดับหนึ่งแล้วคงที่ เพื่อ hold คีมไว้ เมื่อปลาย beak เข้าตำแหน่งจึงจะเริ่มหมุนคีมในทิศที่ตรงข้ามกับฟันที่จะหลุดออก เพียงทิศทางเดียว แล้ว hold คีมไว้ไม่เกิน 1 นาที –> Primary Creep Socket เริ่มอ้าออก

หลังจากนั้นจึงหมุนเพิ่มขึ้นอีกช้าๆ ไม่เกิน 10-30 วินาที ตอนนี้จะสิ้นสุด Primary Creep และเริ่มเข้าสู่ Secondary Creep—> PDL rupture ฟันจะ loose และลอยขึ้นจาก Socket ~ 1-2 มม.

หลักข้อที่ 3 ที่สร้าง Physics forceps คือความรู้เรื่อง Strength ของ Bone

โดยทั่วไปจะถือว่า Bone ทนต่อแรงอัด (Compressive strength) มากที่สุด และอ่อนแอต่อแรงเฉือน (Shear strength) มากที่สุด

แรงอัดคือ แรงกดจาก Bumper ที่จับ Buccal plate บริเวณ Mucogingival junction (สังเกตว่า Bumper ของคีมจะมีขนาดใหญ่เพื่อให้ cover พื้นที่ได้มาก สำหรับเป็น Compressive stress distribution ทำหน้าที่ประคอง Buccal plate ไม่ให้แตก ขณะหมุนคีม (ตำแหน่งของ Bumper ควรอยู่ apical ที่สุดเท่าที่ทำได้ เพื่ออนุญาตให้เกิดการหมุนคีมด้วยองศาของการหมุนที่มากพอ)

แรงเฉือนคือ แรงจากปลาย beak ที่ทำในแนวขนานกับ External root surface ลงไปสู่ PDL complex

ด้วยลักษณะที่มีการโอบประคองด้วย Bumper ทางด้านนึง อีกด้านนึงทาง Lingual plate เมื่อปลาย beak ดันลงไป Ligual plate จึงมีอิสระในการอ้าออกได้มากขึ้นไปอีก