111 年 國立成功大學生物醫學工程學系碩士班丙組《解剖學》

此題主要在考驗學生對十二對腦神經的記憶以及對交感神經支配功能的理解。

第一部分：列出12對腦神經

以下是12對腦神經及其主要功能：

1. 嗅神經 (Olfactory nerve, CN I): 負責嗅覺。
2. 視神經 (Optic nerve, CN II): 負責視覺。
3. 動眼神經 (Oculomotor nerve, CN III): 控制大部分眼外肌（上斜肌和外直肌除外）、提上瞼肌，並支配瞳孔縮小肌和睫狀肌（調節瞳孔大小和晶狀體曲度）。
4. 滑車神經 (Trochlear nerve, CN IV): 控制上斜肌，使眼球向下和向內轉動。
5. 三叉神經 (Trigeminal nerve, CN V): 負責面部感覺（眼、上頜、下頜區域）及咀嚼肌的運動。
6. 外旋神經 (Abducens nerve, CN VI): 控制外直肌，使眼球向外轉動。
7. 顏面神經 (Facial nerve, CN VII): 控制面部表情肌、舌前2/3的味覺，並支配淚腺、唾液腺（下頜下腺和舌下腺）的分泌。
8. 前庭耳蝸神經 (Vestibulocochlear nerve, CN VIII): 負責聽覺（耳蝸部）和平衡覺（前庭部）。
9. 舌咽神經 (Glossopharyngeal nerve, CN IX): 負責舌後1/3的味覺，支配咽喉部肌肉（吞嚥）、腮腺的分泌，並接受來自頸動脈竇和頸總動脈的感覺。
10. 迷走神經 (Vagus nerve, CN X): 支配咽喉部、食道、氣管、支氣管、心臟、胃腸道等許多內臟器官的運動和感覺，包括心率、呼吸、消化等。
11. 副神經 (Accessory nerve, CN XI): 主要支配胸鎖乳突肌和斜方肌，負責頭部轉動和聳肩。
12. 舌下神經 (Hypoglossal nerve, CN XII): 控制舌的運動。

第二部分：受交感神經支配的功能

交感神經系統主要負責「戰鬥或逃跑」（fight-or-flight）反應，其作用通常是促進身體能量的消耗和準備應對緊急情況。雖然交感神經系統主要通過脊髓神經節和自主神經節發出支配，但它也通過對某些腦神經支配的器官產生影響，間接調節其功能。

此題分為三個部分：痛覺接受器的敘述、痛覺傳導路徑的說明，以及醫學工程在減痛上的應用。

第一部分：痛覺神經的接受器 (Nociceptors)

痛覺接受器，又稱為傷害感受器（nociceptors），是位於皮膚、肌肉、關節、內臟等組織中的特化感覺神經末梢。它們對各種有害的刺激（如機械性損傷、高溫或低溫、化學物質）產生反應，並將這些傷害訊息轉化為神經衝動，進而引發疼痛感。

痛覺接受器的主要類型包括：

1. 機械性傷害感受器 (Mechanical nociceptors): 對於強烈的機械性壓力、切割、擠壓等刺激敏感。
2. 熱性傷害感受器 (Thermal nociceptors): 對於極高溫（超過約 45°C）或極低溫（低於約 15°C）的溫度敏感。
3. 化學性傷害感受器 (Chemical nociceptors): 對於組織損傷時釋放的化學物質敏感，例如：
   • 組織胺 (Histamine)
   • 激肽 (Kinins)，如緩激肽 (bradykinin)
   • 前列腺素 (Prostaglandins)
   • 鉀離子 ($K^+$)
   • 氫離子 ($H^+$) （pH 值降低）
   • ATP
   • 神經胜肽 (Neuropeptides)，如物質 P (Substance P)
4. 多模式傷害感受器 (Polymodal nociceptors): 對於多種不同類型的刺激（機械、熱、化學）都有反應，是痛覺接受器中最常見的一種。

這些接受器通常是無髓鞘的 Aδ (A-delta) 神經纖維和 C 神經纖維的游離端。Aδ 纖維傳導速度較快，引發「快痛」（sharp, pricking pain），而 C 纖維傳導速度較慢，引發「慢痛」（dull, burning, aching pain）。

第二部分：痛覺的傳導路徑

痛覺的傳導路徑是一個複雜的過程，涉及多個神經元的傳遞和處理：

1. 第一級神經元 (Primary afferent neurons): 痛覺接受器（如上述傷害感受器）的神經末梢接收到傷害刺激後，產生神經衝動。這些衝動沿著周圍神經系統（由 Aδ 和 C 神經纖維構成）傳遞至脊髓後根的神經節（背根神經節，dorsal root ganglion），然後進入脊髓的灰質。
2. 脊髓處理: 第一級神經元通常在脊髓的後角（dorsal horn）與第二級神經元形成突觸。脊髓後角是重要的痛覺處理中樞，在此處，痛覺訊號可以被調節（增強或抑制）。
3. 第二級神經元 (Second-order neurons): 第二級神經元的胞體位於脊髓後角。它們接收來自第一級神經元的訊號，並將其傳遞至腦部。主要的痛覺傳導束包括：
   • 脊髓視丘束 (Spinothalamic tract): 這是最主要的痛覺傳導路徑。第二級神經元軸突交叉到對側，沿脊髓的脊髓視丘束上行，到達丘腦（thalamus）。
   • 脊髓網狀束 (Spinoreticular tract) 和 脊髓頂蓋束 (Spinotectal tract): 這些束也參與痛覺的傳導，並與網狀結構、頂蓋等腦部結構聯繫，影響疼痛的情感和反應。
4. 第三級神經元 (Third-order neurons): 第二級神經元在丘腦與第三級神經元形成突觸。丘腦是感覺訊息的中繼站，將訊號傳遞至大腦皮層的不同區域。
5. 大腦皮層處理: 第三級神經元將訊號傳遞至大腦皮層，包括：
   • 體感覺皮層 (Somatosensory cortex): 負責定位疼痛的精確位置、強度和性質。
   • 前扣帶迴 (Anterior cingulate cortex, ACC) 和 島葉 (Insula): 參與疼痛的情感、情緒和厭惡反應。
   • 前額葉皮層 (Prefrontal cortex): 參與疼痛的認知評估、注意力分配和行為反應。

此外，還有下降的疼痛調節系統（descending pain modulation system），從腦部（如腦幹的導水管周圍灰質 PAG、網狀結構）發出訊號，在脊髓後角抑制痛覺訊號的傳遞，這也是疼痛感知可以被心理狀態（如專注、放鬆）影響的機制。

此題考驗學生對呼吸系統結構（氣管）及功能（氣體交換）的理解。

第一部分：氣管結構與左右特徵

氣管（Trachea），俗稱氣管，是連接喉部與支氣管的管道，負責將空氣從上呼吸道輸送到肺部。

結構特徵：

1. 位置與長度: 氣管位於頸部後方，從環狀軟骨（cricoid cartilage）下方開始，向下延伸至胸腔，約在胸骨角（sternal angle）水平（相當於第5-6胸椎）分為左、右主支氣管（main bronchi）。成人氣管長度約 10-12 公分，直徑約 2-2.5 公分。
2. 軟骨環 (Cartilaginous rings): 氣管壁由 16-20 個 C 形的透明軟骨環（hyaline cartilage rings）支撐，開口朝向後方。這些軟骨環確保氣管在吸氣時保持開放，不會塌陷，特別是在壓力較低時。
3. 氣管後壁: C 形軟骨環的開口後方被平滑肌（氣管平滑肌，trachealis muscle）和結締組織連接。這使得氣管後壁具有彈性，並能在咳嗽或吞嚥時稍微收縮或變形。
4. 內襯黏膜: 氣管內表面覆蓋著一層呼吸上皮（respiratory epithelium），這是一種假複層纖毛柱狀上皮（pseudostratified ciliated columnar epithelium）。
   • 纖毛 (Cilia): 上皮細胞表面有大量的纖毛，它們規律性地擺動，將黏液層（mucus layer）及其捕捉到的灰塵、病原體等異物向上推動，送至咽部被清除（清除機制，mucociliary escalator）。
   • 杯狀細胞 (Goblet cells): 分布在上皮細胞間，分泌黏液，形成黏液層，用於濕潤吸入的空氣並捕捉微粒。
5. 黏膜下層 (Submucosa): 位於上皮下方，含有漿液腺和黏液腺，分泌黏液。
6. 外膜 (Adventitia): 最外層的結締組織，將氣管固定在周圍結構中。

左右特徵：

氣管本身是單一結構，沒有明顯的左右特徵。然而，它的分叉（氣管分叉，carina）處是左右主支氣管的起始點，這個分叉處的結構對咳嗽反射非常敏感。

左右主支氣管的差異：

• 右主支氣管: 較短、較粗、且與垂直方向的夾角較小（約 20-30 度）。異物（如食物殘渣、小物件）更容易因重力而進入右主支氣管。
• 左主支氣管: 較長、較細、且與垂直方向的夾角較大（約 40-50 度）。

第二部分：氣體從鼻腔到肺泡的交換過程

氣體交換是指氧氣（$O_2$）從吸入的空氣進入血液，以及二氧化碳（$CO_2$）從血液排出到呼出的空氣的過程。這個過程發生在肺泡和肺泡周圍的毛細血管之間。

1. 空氣進入鼻腔:
   • 空氣首先通過鼻腔。鼻腔有過濾、濕潤和加溫空氣的功能。鼻毛過濾較大的顆粒，黏膜分泌的黏液捕捉微小顆粒，鼻腔內的血管加溫空氣，黏膜濕潤乾燥的空氣。
   • 空氣隨後經過鼻咽、口咽、喉部，進入氣管。

此題主要考驗學生對心臟結構（腔室與瓣膜）的認識，以及對心室輔助器（Ventricular Assist Device, VAD）的理解。

第一部分：心臟各腔室結構與瓣膜特徵

心臟是人體循環系統的動力泵，由四個腔室組成：兩個心房（atria）和兩個心室（ventricles）。心房接收血液，心室將血液泵出。心臟瓣膜（heart valves）確保血液單向流動，防止血液逆流。

心臟腔室 (Chambers):

1. 右心房 (Right Atrium):

   • 結構: 位於心臟的右上方，接收來自全身的去氧血（venous blood）。
   • 血液來源: 主要通過上腔靜脈（superior vena cava, SVC）和下腔靜脈（inferior vena cava, IVC）接收血液。右心房壁相對較薄。
   • 連接: 與右心室之間有三尖瓣（tricuspid valve）。

2. 右心室 (Right Ventricle):

   • 結構: 位於心臟的右下方，接收來自右心房的去氧血，並將其泵入肺動脈，送往肺部進行氧合。
   • 血液流向: 右心房 → 三尖瓣 → 右心室 → 肺動脈瓣（pulmonary valve） → 肺動脈。
   • 壁厚度: 壁比右心房厚，但比左心室薄，因為它只需將血液泵送到肺部（低壓系統）。
   • 特徵: 右心室壁內有許多肌小樑（trabeculae carneae），並有乳頭肌（papillary muscles）連接到三尖瓣的腱索（chordae tendineae），防止瓣膜在心室收縮時過度膨脹。

3. 左心房 (Left Atrium):

   • 結構: 位於心臟的左上方，接收來自肺部的含氧血（arterial blood）。
   • 血液來源: 主要通過四條肺靜脈（pulmonary veins）接收血液。左心房壁也相對較薄。
   • 連接: 與左心室之間有二尖瓣（mitral valve 或 bicuspid valve）。

4. 左心室 (Left Ventricle):

   • 結構: 位於心臟的左下方，接收來自左心房的含氧血，並將其泵入主動脈，輸送到全身。
   • 血液流向: 左心房 → 二尖瓣 → 左心室 → 主動脈瓣（aortic valve） → 主動脈。
   • 壁厚度: 是心臟四個腔室中壁最厚、肌肉最強壯的腔室，因為它需要產生足夠的壓力將血液泵送到全身（高壓系統）。
   • 特徵: 左心室壁內也有肌小樑和兩顆較大的乳頭肌，連接到二尖瓣的腱索。

心臟瓣膜 (Heart Valves):

心臟有四個瓣膜，確保血液單向流動：

1. 房室瓣 (Atrioventricular Valves): 位於心房和心室之間。

   • 三尖瓣 (Tricuspid Valve): 位於右心房和右心室之間，有三個瓣葉（cusps）。
   • 二尖瓣 (Mitral Valve / Bicuspid Valve): 位於左心房和左心室之間，有兩個瓣葉。
   • 功能: 在心室舒張時打開，讓血液從心房流入心室；在心室收縮時關閉，防止血液回流至心房。

2. 半月瓣 (Semilunar Valves): 位於心室和連接到它們的大動脈之間。

   • 肺動脈瓣 (Pulmonary Valve): 位於右心室和肺動脈之間，有三個瓣葉。
   • 主動脈瓣 (Aortic Valve): 位於左心室和主動脈之間，有三個瓣葉。
   • 功能: 在心室收縮時打開，讓血液泵入肺動脈或主動脈；在心室舒張時關閉，防止血液從肺動脈或主動脈回流至心室。

第二部分：心室輔助器 (Ventricular Assist Device, VAD) 的設計與功能

此題考驗學生對下肢截肢的分類、義肢的設計原則和功能的理解。

第一部分：不同程度的下肢截肢

下肢截肢是指由於創傷、血管疾病、腫瘤、感染或其他原因，需要切除下肢的一部分。截肢的程度根據切除部位的不同而有不同的分類，這直接影響到義肢的設計和功能。

常見的下肢截肢程度：

1. 足部截肢 (Foot Disarticulation / Amputation):

   • 腳趾截肢 (Toe Amputation): 切除一個或多個腳趾。
   • 前足截肢 (Forefoot Amputation): 切除跖骨（metatarsals）前部，例如 Chopart 關節截肢（切除跗骨與跖骨之間的關節）或 Lisfranc 關節截肢（切除跗骨與跖骨之間的關節）。
   • 距下關節截肢 (Trans-tarsal Amputation / Subtalar Disarticulation): 在距骨（talus）下進行截肢，保留跟骨（calcaneus）。
   • 踝關節離斷 (Ankle Disarticulation / Syme's Amputation): 在踝關節處將整個足部與小腿分開，保留跟骨的脂肪墊，這對義肢的承重有益。

2. 小腿截肢 (Below-Knee Amputation, BKA / Tibial Amputation):

   • 定義: 切除小腿部分，但保留膝關節。
   • 部位: 可以是小腿上部、中部或下部，但膝關節必須保留。保留的肢體末端（stump）需要有足夠的長度來支撐義肢的套筒。

3. 膝關節離斷 (Knee Disarticulation):

   • 定義: 在膝關節處將小腿與大腿分開，保留股骨髕骨（patella）和股骨髁（femoral condyles）。
   • 優點: 保留了股骨髕骨的完整性，有助於義肢的穩定性，且末端有股骨髕骨的脂肪墊，可以承受部分體重。

4. 大腿截肢 (Above-Knee Amputation, AKA / Femoral Amputation):

   • 定義: 切除膝關節以上的大腿部分。
   • 部位: 可以是股骨的遠端、中部或近端。保留的肢體末端（stump）需要足夠長度來連接義肢的膝關節和套筒。

5. 髖關節離斷 (Hip Disarticulation):

   • 定義: 在髖關節處將整個下肢與骨盆分開。
   • 情況: 通常是由於嚴重的腫瘤、創傷或感染。

6. 骨盆截肢 (Hemipelvectomy):

   • 定義: 切除部分骨盆及整個下肢。這是最廣泛的下肢截肢。

第二部分：義肢設計的原則與功能

義肢（prosthesis）是用來取代失去的肢體，恢復其部分功能和外觀的裝置。下肢義肢的設計需要考慮多個原則，以確保其安全、有效和舒適。

義肢設計需要注意的原則：

1. 合適的承重與支撐 (Load Bearing and Support):
   • 義肢必須能夠安全地承受身體的重量，並將壓力均勻地分散到殘肢末端或周圍的適當組織上，避免對殘肢末端造成過大的壓力點，防止疼痛、潰瘍或進一步損傷。
   • 對於小腿截肢，套筒（socket）的設計要能良好貼合殘肢，並將壓力分散到脛骨平台、腓骨頭等較能承受壓力的部位。
   • 對於大腿截肢，由於膝關節被移除，更需要精密的套筒設計來穩定股骨，並有懸吊系統（suspension system）來固定義肢。