อิเล็กโทรดแบบสิ่งทอในบริบทของการใช้งานภาคสนามที่มีเหงื่อออกมาก

TL;DR
บทความนี้อธิบายลักษณะของอิเล็กโทรด sEMG ทั้งแบบเจล แห้ง และสิ่งทอ โดยชี้ให้เห็นผลกระทบของเหงื่อต่อคุณภาพสัญญาณ เช่น Signal Shunting, ความไม่เสถียรของความต้านทาน และ Motion Artifact พร้อมเสนอว่าอิเล็กโทรดแบบสิ่งทอที่ใช้ร่วมกับผ้าบีบอัดและระบายเหงื่อได้ดี อาจเหมาะสมกับบริบทของไทยที่มีอากาศร้อนชื้นและมีเหงื่อออกมากในระหว่างการวัด

อิเล็กโทรดแบบสิ่งทอในบริบทของการใช้งานภาคสนามที่มีเหงื่อออกมาก

การวัดคลื่นไฟฟ้ากล้ามเนื้อ (Electromyography หรือ EMG) เป็นเครื่องมือสำคัญในการศึกษาการทำงานของกล้ามเนื้อ โดยทั่วไปสามารถจำแนกได้เป็น 2 ประเภท คือ การวัดด้วยเข็ม (needle EMG) ซึ่งใช้แทงอิเล็กโทรดแบบเข็มเข้าสู่กล้ามเนื้อโดยตรง และการวัดที่ผิวหนัง (surface EMG หรือ sEMG) ซึ่งวางอิเล็กโทรดไว้บนผิวหนังด้านนอก
needle EMG มักใช้ในงานวินิจฉัยทางคลินิกที่ต้องการข้อมูลจากกล้ามเนื้อเฉพาะจุดอย่างแม่นยำ ส่วน sEMG เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องมีการเคลื่อนไหวหรือทำการวัดในเวลาที่ยาวนาน เช่น การศึกษาวิจัยทางวิทยาศาสตร์การกีฬา กายภาพบำบัด การยศาสตร์ และการพัฒนาอุปกรณ์แบบสวมใส่ บทความนี้จะกล่าวถึงเฉพาะ sEMG เท่านั้น
เมื่อระบบ sEMG ถูกใช้งานในการวัดกิจกรรมที่มีการเคลื่อนไหว หรือนำออกจากห้องทดลองไปใช้งานจริง สิ่งที่พบคือคุณภาพของสัญญาณมักลดลง โดยเฉพาะในสถานการณ์ที่มีการเคลื่อนไหวร่วมกับการที่มีเหงื่อออกมาก ซึ่งเป็นเรื่องปกติในภูมิอากาศร้อนชื้น เช่น ประเทศไทย เหงื่อและการเคลื่อนไหวส่งผลโดยตรงต่อความเสถียรของสัญญาณ ทั้งในแง่ความต้านทานและการสัมผัสที่ไม่สม่ำเสมอ การเลือกอิเล็กโทรดที่เหมาะสมจึงกลายเป็นหัวใจสำคัญของการวัด sEMG เพื่อให้ได้ข้อมูลที่มีคุณภาพดีและเหมาะสมกับจุดมุ่งหมายของการวัดคลื่นไฟฟ้ากล้ามเนื้อ

ประเภทของอิเล็กโทรดสำหรับ sEMG

• อิเล็กโทรดแบบเจล (Pre-gelled Electrodes)

  อิเล็กโทรดประเภทนี้ใช้เจลนำไฟฟ้าคั่นระหว่างอิเล็กโทรดกับผิวหนัง เช่นเดียวกับอิเล็กโทรดสำหรับการวัดคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) เพื่อช่วยลดความต้านทาน ทำให้ได้สัญญาณที่คมชัดและมีแอมพลิจูดสูง ซึ่งอิเล็กโทรดแบบ Ag/AgCl เป็นประเภทที่นิยมใช้และถือเป็น Gold Standard ใช้คู่กับแถบกาวที่ยึดติดกับผิวหนัง เพื่อให้คงตำแหน่งได้ตลอดระยะเวลาที่วัด แต่เมื่อนำไปใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ร้อนหรือในกิจกรรมที่มีเหงื่อออกมาก เหงื่อจะซึมผ่านแผ่นเจลและลดประสิทธิภาพของกาว ทำให้อิเล็กโทรดหลุดง่าย นอกจากนี้ ในทางตรงกันข้าม หากที่อยู่ในอุณหภูมิที่เย็นและไม่มีเหงื่อ เจลอาจแห้งลงเมื่อเวลาผ่านไประยะหนึ่ง ซึ่งส่งผลให้ค่าความต้านทานเปลี่ยนแปลง และคุณภาพของสัญญาณลดลงตามลำดับ

• อิเล็กโทรดแบบแห้ง (Dry Electrodes)

  อิเล็กโทรดชนิดนี้ไม่ใช้เจล ใช้วัสดุนำไฟฟ้าโดยตรง เช่น แผ่นโลหะหรือโพลีเมอร์นำไฟฟ้า วางสัมผัสกับผิวหนังโดยตรง ข้อดีคือใช้งานสะดวก ไม่ต้องกังวลเรื่องเจล และสามารถใช้ซ้ำได้ แต่ส่วนใหญ่ยังต้องใช้อุปกรณ์ช่วยยึด เช่น เทปกาวสองหน้าหรือสายรัด เพื่อรักษาการสัมผัสให้แน่นหนา อิเล็กโทรดแบบแห้งมักมีค่าความต้านทานผิวหนังสูงกว่าชนิดเจล และมีความไวต่อการรบกวนจากการเคลื่อนไหว เมื่อผิวหนังมีเหงื่อออก เหงื่อสามารถสร้างชั้นนำไฟฟ้าแทรกกลาง ทำให้สัญญาณไหลผ่านโดยไม่เข้าสู่อิเล็กโทรด ซึ่งลดแอมพลิจูดของสัญญาณ และเพิ่มความผันผวน

• อิเล็กโทรดแบบสิ่งทอ (Textile Electrodes)

  อิเล็กโทรดแบบสิ่งทอถูกพัฒนาขึ้นเพื่อนำไปใช้ร่วมกับเสื้อผ้า เช่น เสื้อบีบอัดหรือปลอกแขน โดยใช้เส้นด้ายนำไฟฟ้าทอหรือรีดประกบเข้ากับเนื้อผ้า เช่น เส้นด้ายเคลือบเงิน จุดเด่นของการออกแบบนี้คือสามารถผสานกับเสื้อผ้าให้แนบกับร่างกายได้อย่างแนบเนียน โดยเฉพาะเมื่อใช้กับผ้าที่มีแรงกดคงที่ เช่น ผ้าบีบอัด จะช่วยให้ตำแหน่งสัมผัสคงที่ ลดการเคลื่อนตัวของอิเล็กโทรดในขณะเคลื่อนไหว อีกทั้งยังสามารถเลือกเนื้อผ้าที่มีคุณสมบัติระบายความชื้นหรือดูดซับเหงื่อได้ดี ซึ่งมีส่วนช่วยลดโอกาสเกิดการสะสมของเหงื่อบริเวณจุดสัมผัสกับผิวหนัง ด้วยเหตุนี้ อิเล็กโทรดแบบสิ่งทอจึงมีความน่าสนใจในการใช้งานกับสภาวะที่มีการเคลื่อนไหวต่อเนื่อง และในสภาวะที่เหงื่อออกมาก เช่น ประเทศไทย ซึ่งเป็นเงื่อนไขสำคัญต่อคุณภาพของสัญญาณ sEMG

ผลกระทบของเหงื่อต่อสัญญาณ sEMG

• การลัดวงจรของสัญญาณ (Signal Shunting)

  เหงื่อมีอิออนในปริมาณสูง ทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้าระหว่างผิวหนังกับอิเล็กโทรด เมื่อเหงื่อสะสมอยู่ระหว่างจุดสัมผัส สัญญาณไฟฟ้าบางส่วนสามารถไหลผ่านชั้นเหงื่อ แทนที่จะเข้าสู่อิเล็กโทรดโดยตรง ทำให้ค่าที่วัดได้ต่ำกว่าความเป็นจริง

  มีรายงานระบุว่า ความหนาของเหงื่อระดับ 0.2 มิลลิเมตร อาจทำให้แอมพลิจูดของสัญญาณ sEMG ลดลงได้ถึงครึ่งหนึ่ง (Huang et al., 2012)

• ความเปลี่ยนแปลงของความต้านทาน (Impedance Instability)

  ความต้านทานระหว่างผิวหนังกับอิเล็กโทรดจะเปลี่ยนแปลงเมื่อมีเหงื่อ โดยทั่วไปเหงื่อทำให้ความต้านทานลดลง แต่ลดในลักษณะที่ไม่สม่ำเสมอและขึ้นกับเวลาและปริมาณเหงื่อ ทำให้เกิดความไม่เสถียรในสัญญาณ เช่น baseline drift หรือการขยายสัญญาณที่ไม่นิ่ง

• การรบกวนจากการเคลื่อนไหว (Motion Artifacts)

  การสะสมของเหงื่อที่จุดสัมผัสทำให้แรงเสียดทานระหว่างผิวหนังกับอิเล็กโทรดลดลง ส่งผลให้เกิดการขยับตัวของอิเล็กโทรดเมื่อมีการเคลื่อนไหว แม้เพียงเล็กน้อยก็อาจก่อให้เกิดการรบกวนของสัญญาณในลักษณะ burst ของคลื่นความถี่ต่ำ ที่สำคัญ เหงื่อทำให้กาวที่ยึดอิเล็กโทรดกับผิวเสียประสิทธิภาพในการยึดเกาะ

จุดแข็งของอิเล็กโทรดแบบสิ่งทอในบริบทที่มีเหงื่อ

แม้อิเล็กโทรดแบบสิ่งทอจะมีข้อจำกัดในบางด้าน เช่น ความสม่ำเสมอของแรงกด และค่าความต้านทานที่ขึ้นอยู่กับวัสดุ แต่หากได้รับการออกแบบที่ดี ก็สามารถลดผลกระทบจากเหงื่อได้หลายด้าน เช่น

• แรงกดคงที่จากผ้าแบบบีบอัด ช่วยให้จุดสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดกับผิวมีความสเถียรไม่ขยับง่าย

• การใช้เส้นด้ายเคลือบเงิน มีค่าการนำไฟฟ้าที่สูง แม้ในสภาพที่มีความชื้น

• โครงสร้างผ้าที่ช่วยระบายเหงื่อ และดึงเหงื่อออกจากจุดสัมผัส ลดโอกาสเกิดชั้นนำไฟฟ้าสะสม

เมื่อพิจารณาถึงสภาพอากาศร้อนชื้นของไทย ซึ่งมีทั้งอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์สูง การระเหยของเหงื่อจะเกิดขึ้นช้าลง ทำให้ร่างกายต้องขับเหงื่อมากขึ้นเพื่อรักษาอุณหภูมิ ผู้ที่อาศัยอยู่ในภูมิภาคนี้จึงมักมีอัตราการขับเหงื่อสูงกว่าผู้ที่อยู่ในยุโรปหรืออเมริกาเหนือระหว่างทำกิจกรรม อิเล็กโทรดแบบสิ่งทอจึงเป็นทางเลือกที่น่าสนใจ ซึ่งช่วยให้ระบบ sEMG ทำงานได้อย่างต่อเนื่องและเสถียรภายใต้สภาพแวดล้อมนี้

สรุป

การวัด sEMG ในสถานการณ์จริง โดยเฉพาะในพื้นที่ที่มีอากาศร้อนและมีเหงื่อออกมาก ต้องพิจารณาคุณสมบัติของอิเล็กโทรดในหลายด้าน ทั้งประเภทของวัสดุ วิธีการยึดติดกับผิวหนัง และการจัดการความชื้นจากเหงื่อล้วนเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อคุณภาพของสัญญาณ
อิเล็กโทรดแบบเจลให้สัญญาณที่คมชัด เพราะมีเจลนำไฟฟ้าและกาวในตัว ติดตั้งง่าย ใช้งานสะดวก และเหมาะกับการวัดที่ต้องการความแม่นยำในระยะสั้น เช่นในห้องปฏิบัติการหรือระหว่างการทดสอบที่ควบคุมสภาพแวดล้อมได้
อิเล็กโทรดแบบแห้งมีจุดเด่นที่ใช้งานสะดวก ลดค่าใช้จ่ายในส่วนของอิเล็กโทรดแบบเจลที่ใช้แล้วทิ้ง และสามารถติดตั้งซ้ำได้ จึงเหมาะกับงานวัดนอกห้องทดลองที่ต้องการความรวดเร็วและไม่ซับซ้อน
อิเล็กโทรดแบบสิ่งทอที่ผสานเข้ากับเสื้อผ้าได้โดยตรง โดยเฉพาะเมื่อใช้ร่วมกับผ้าประเภทบีบอัดที่ช่วยรักษาจุดสัมผัสให้เสถียรร่วมกับการระบายอากาศที่ดี จึงเหมาะกับการใช้งานที่มีการเคลื่อนไหวต่อเนื่อง และในสภาวะที่ต้องพบกับความชื้นหรือเหงื่อ เช่น การออกกำลังกายหรือการใช้งานกลางแจ้ง