กระดูกหน้าแข้งร้าว (tibial stress fracture) เป็นการบาดเจ็บที่พบได้บ่อยในนักวิ่ง (Brukner et al., 1998). โดยเฉพาะอย่างยิ่งนักวิ่งระยะไกล ซึ่งโอกาสที่กระดูกร้าวมีสูงถึง 31 เปอร์เซ็นต์ (Bennell et al., 1996) ส่วนมากกระดูกหน้าแข้งจะร้าวที่บริเวณกระดูกหน้าแข้งด้านในค่อนไปทางด้านหลัง และเกิด ขึ้นที่ส่วนล่างของกระดูกหน้าแข้ง (Hulkko and Orava, 1987; Fredericson et al., 1995, Brukner et al., 1998).

         ในปัจจุบันยังไม่สามารถสรุปถึงสาเหตุที่ทำให้กระดูกหน้าแข้งร้าวได้ แต่ก็พบว่าระยะทางที่วิ่ง มีความสัมพันธ์กับการร้าวของกระดูก กล่าวคือ ผู้ที่วิ่งระยะทางเฉลี่ย 117 กิโลเมตร ต่อสัปดาห์ มีโอกาสเกิดกระดูกหน้าแข้งร้าว (Korpelainen et al., 2001). นอกจากนี้ยังได้มีการพยายาม อธิบายถึงสาเหตุของการเกิดกระดูกร้าวว่า ในขณะที่เท้ากระทบพื้นในขณะวิ่งจะทำให้มีแรงมากระทำ ที่กระดูกหน้าแข้งจนมากพอที่จะทำให้กระดูกร้าว เพื่อพิสูจน์แนวคิดนี้ได้มีคณะผู้วิจัยบางกลุ่มนำ เครื่องมือวัดแรงเครียดฝังลงไปที่ด้านในของกระดูกหน้าแข้ง (medial side) ของคณะผู้วิจัยเอง (Milgrom et al, 2000 ; Milgrom et al, 2002; Burr et al, 1996) จากนั้นจึงทำการบันทึกแรงเครียดในกระดูก หน้าแข้งที่เกิดขึ้นในขณะวิ่ง คณะผู้วิจัยกลุ่มดังกล่าวพบว่าแรงเครียดที่เกิดขึ้นในกระดูกหน้าแข้งนั้นมี ปริมาณไม่มากพอที่จะทำให้กระดูกร้าวได้ แต่ Petermann และคณะ (2001) พบว่าบริเวณด้านใน (medial side) ของกระดูกหน้าแข้งนั้นเป็นบริเวณที่มีแรงเครียดน้อยที่สุด ดังนั้นแรงเครียดที่พบจึงมีค่า ต่ำกว่าความเป็นจริงมาก จึงทำให้ยังไม่สามารถทราบได้ว่า ในขณะที่เท้ากระทบพื้นในขณะวิ่งนั้นมีแรงมากระทำที่กระดูกหน้าแข้งมากพอที่จะทำให้กระดูกร้าวได้หรือไม่

         เพื่อศึกษาว่าในขณะที่เท้ากระทบพื้นขณะวิ่งนั้นจะทำให้เกิดแรงกระทำที่กระดูกหน้าแข้งมาก หรือน้อยเพียงใด สิริพร และคณะ (2007a) จึงทำการวัดแรงที่พื้นกระทำต่อเท้านักวิ่งในขณะวิ่ง โดยให้ นักวิ่งซึ่งเป็นนักวิ่งระยะไกลทำการวิ่งให้เท้ากระทบแผ่นวัดแรง (Bertec, model 4060-08, Bertec Corporation, Ohio, USA) ที่ติดไว้ที่พื้น ในขณะเดียวกันก็ทำการบันทึกท่าทางการเคลื่อนไหวด้วย กล้องอินฟราเรดความเร็วสูง ( Vicon Motion System, California, USA) ที่ความถี่ 120 ภาพต่อวินาที (ภาพที่ 1)

ภาพที่ 1: แสดงถึงขาและเท้าของนักวิ่งในขณะที่สัมผัสกับแผ่นวัดแรง
และเวคเตอร์ที่แสดงปริมาณ และทิศทางของแรงที่พื้นกระทำต่อเท้า
ตั้งแต่ส้นเท้าเริ่มกระแทกแผ่นวัดแรงจนกระทั่งปลายเท้าผลัก ออกจากแผ่นวัดแรง

            แล้วนำภาพการเคลื่อนไหวของนักกีฬาที่บันทึกได้ ในขณะที่เท้าสัมผัสกับแผ่นวัดแรงมาทำ การโมเดลร่างกายส่วนล่างและกล้ามเนื้อ จากนั้นจึงใช้ขบวณการทางคณิตศาสตร์ (optimization) และ ทางชีวกลศาสตร์ มาคำนวนหาปริมาณของแรงที่พื้นกระทำต่อกระดูกหน้าแข้ง จากการวิจัยครั้งนี้ พบว่า ในขณะที่เท้ากระทบพื้นขณะวิ่งนั้น มีแรงมากดที่กระดูกหน้าแข้งสูงถึง 9 เท่าของน้ำหนักร่างกาย และ ขณะเดียวกันก็มีแรงเฉือนกระดูกไปทางด้านหลัง 0.57 เท่าของน้ำหนักร่างกาย ซึ่งแรงกดและแรงเฉือน นี้มีค่ามากที่สุดในช่วงเวลาเดียวกัน คือขณะที่เท้าผลักพื้น ซึ่งอาจจะเป็นสาเหตุให้กระดูกหน้าแข้งงอและร้าวได้ ถ้าเท้ากระทบพื้นซ้ำๆกันหลายๆครั้ง

           ในลำดับต่อมา ผู้วิจัยต้องการทราบว่าแรงที่พื้นมากระทำต่อกระดูกหน้าแข้งนี้จะทำให้เกิด ความเค้นในกระดูกมากน้อยเพียงใด คณะผู้วิจัยจึงทำการสร้าง แบบจำลองของกระดูกหน้าแข้งแบบ 3 มิติ โดยขบวนการไฟไนต์เอลิเมนต์ (Finite Element modeling) แล้วใส่แรงกดและแรงเฉือนที่ เกิดขึ้นที่กระดูกหน้าแข้งของนักวิ่งเข้าไปในแบบจำลองของกระดูก เพื่อคำนวณหาความเค้นสูงสุดใน กระดูกหน้าแข้ง (สิริพร ศศิมณฑลกุล และคณะ, 2007b) แบบจำลองแสดงให้เห็นว่า แรงกดและแรงเฉือนนี้ทำให้กระดูกหน้าแข้งเกิดการงอเล็กน้อย ซึ่งก่อให้เกิดความเค้นสูงสุดในบริเวณด้านหลังค่อนมา ทางด้านใน (posteriomedial) ของกระดูกหน้าแข้งด้านล่าง (ภาพที่ 2) ซึ่งสอดคล้องกับรายงาน ของ Brukner และคณะ (1998) คือ บริเวณนี้เป็นบริเวณที่เกิดการร้าวของกระดูกหน้าแข้งมากที่สุด

ภาพที่ 2: แสดงถึงความเค้น Von Misses บริเวณกระดูกหน้าแข้ง

        จากแบบจำลองของกระดูกหน้าแข้งแสดงให้เห็นว่า แรงที่กระทำต่อกระดูกหน้าแข้งนี้ทำให้เกิดความเค้นกด (Compressive stress) สูงสุดถึง 57 MPa การจำลองกระดูกหน้าแข้งที่เหมือนจริง ในครั้งนี้ ทำให้คำนวณได้ความเค้นกดที่มากกว่าความเค้นกดที่คำนวณมาจากแบบจำลองของกระดูก หน้าแข้งแบบคาน (สิริพรและคณะ, 2005) ซึ่งมีค่าประมาณ 43 MPa จากการคำนวณพบว่าถ้าแรงมากระทำต่อกระดูกหน้าแข้งจนเกิดความเค้นกดขนาดนี้ จะทำให้กระดูกหน้าแข้งร้าวได้ถ้าเท้ากระทบพื้นมากกว่า 5.3 ล้านครั้ง ดังนั้นการที่พบว่าความเค้นกดที่เกิดขึ้นในกระดูกหน้าแข้ง มีค่ามากกว่าที่เคย คำนวณไว้นี้ (57 MPa) ทำให้คาดเดาได้ว่ากระดูกหน้าแข้งจะร้าวได้เร็วยิ่งขึ้น ดังนั้นจึงยืนยันได้ว่าในขณะที่เท้ากระทบพื้นในขณะวิ่งนั้น มีแรงมากระทำที่กระดูกหน้าแข้งมากพอที่จะทำให้ กระดูกร้าวได้

สรุปผลการวิจัย
       ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า ในขณะที่เท้ากระทบพื้นในขณะวิ่งนั้น กระดูกหน้าแข้งจะถูก กระดูกเท้ากดและเฉือนไปทางด้านหลัง โดยแรงทั้งสองมีค่ามากที่สุดในขณะที่เท้าผลักพื้น แรงกดและ แรงเฉือนนี้ทำให้เกิดความเค้นที่กระดูกหน้าแข้งที่มากพอที่จะทำให้กระดูกหน้าแข้งร้าวได้ ถ้าเท้ากระทบพื้นซ้ำๆกันหลายๆครั้ง