112 年 國立成功大學生物醫學工程學系碩士班丙組《解剖學》

本題主要考查膝關節的解剖學結構以及人工關節的設計原則。

膝關節結構 (10%)

膝關節是人體最大的關節，也是最複雜的關節之一，主要由股骨、脛骨和髕骨構成。其結構特點包括：

• 骨骼組成：

  • 股骨 (Femur)： 股骨下端有兩個股骨髁 (femoral condyles)，內側髁和外側髁，形成關節的凹面。
  • 脛骨 (Tibia)： 脛骨上端有脛骨髁 (tibial condyles)，內側和外側，形成關節的凸面，且表面覆蓋關節軟骨。脛骨髁之間有脛骨平台 (tibial plateau)。
  • 髕骨 (Patella)： 髕骨是一塊位於股四頭肌肌腱內部的籽骨，其後表面與股骨的髕骨面 (patellar surface) 形成髕骨股骨關節 (patellofemoral joint)。髕骨的作用是增加股四頭肌的槓桿作用，並保護膝關節前方。

• 軟骨與關節盤：

  • 關節軟骨 (Articular cartilage)： 覆蓋股骨髁、脛骨髁和髕骨後表面的透明軟骨，減少關節面的摩擦。
  • 半月板 (Menisci)： 位於脛骨平台上的兩個纖維軟骨盤，內側半月板 (medial meniscus) 和外側半月板 (lateral meniscus)。它們呈新月形，增加了脛骨平台的穩定性，並能吸收震動，分散壓力。

• 韌帶 (Ligaments)： 膝關節周圍有多條強韌的韌帶，提供關節的穩定性，限制關節的過度活動。

  • 內側副韌帶 (Medial collateral ligament, MCL)： 位於膝關節內側，連接股骨內側髁和脛骨內側。
  • 外側副韌帶 (Lateral collateral ligament, LCL)： 位於膝關節外側，連接股骨外側髁和腓骨頭。
  • 前十字韌帶 (Anterior cruciate ligament, ACL)： 位於關節腔內，從脛骨平台前方延伸至股骨外側髁的後上方。ACL 主要防止脛骨向前過度滑動，並限制股骨的內旋。
  • 後十字韌帶 (Posterior cruciate ligament, PCL)： 位於關節腔內，從脛骨平台後方延伸至股骨內側髁的前方。PCL 主要防止脛骨向後過度滑動。

• 關節囊 (Joint capsule)： 包繞整個膝關節的纖維膜，內襯滑膜。

本題考查心血管系統的血液循環路徑以及人工心臟的相關知識。

肺循環與體循環 (10%)

血液循環系統負責將氧氣、營養物質輸送到全身各組織，並將二氧化碳和代謝廢物運送到排泄器官。心臟是血液循環的動力來源，而肺循環和體循環是構成完整血液循環的兩個主要部分。

• 體循環 (Systemic Circulation)：

  • 起點： 左心室 (Left ventricle)。
  • 路徑： 左心室收縮，將富含氧氣的血液經由主動脈 (aorta) 送出。主動脈分支形成動脈，將血液輸送到全身各器官和組織。在組織處，動脈逐漸分支為小動脈，最後形成毛細血管 (capillaries)。在毛細血管網中，血液與組織細胞進行氣體交換（氧氣釋放給細胞，二氧化碳從細胞獲得）和物質交換（營養物質釋放給細胞，代謝廢物從細胞獲得）。
  • 終點： 血液失去氧氣並攜帶二氧化碳和代謝廢物後，經由小靜脈匯集成大靜脈，最終經由上腔靜脈 (superior vena cava) 和下腔靜脈 (inferior vena cava) 回流至右心房 (Right atrium)。
  • 主要功能： 將氧氣和營養物質輸送到全身各組織，並帶走二氧化碳和代謝廢物。

• 肺循環 (Pulmonary Circulation)：

  • 起點： 右心室 (Right ventricle)。
  • 路徑： 右心室收縮，將缺氧的血液經由肺動脈 (pulmonary artery) 送出。肺動脈在肺門處分為左、右肺動脈，進入左右肺。在肺內，肺動脈分支為肺小動脈，最終形成肺毛細血管網，包繞在肺泡 (alveoli) 周圍。在肺毛細血管中，血液與肺泡進行氣體交換（二氧化碳釋放到肺泡，氧氣從肺泡進入血液）。
  • 終點： 血液獲得氧氣後，經由肺靜脈 (pulmonary veins) 回流至左心房 (Left atrium)。
  • 主要功能： 負責血液的氣體交換，將血液中的二氧化碳排出，並將氧氣帶入血液。

圖示說明 (示意圖，請自行繪製)：

本題考查痛覺的感受器、傳導通路以及大腦皮層的處理過程。

痛覺的相關解剖構造 (10%)

痛覺是一種保護性的感覺，由分佈於皮膚、黏膜和部分內臟的特化神經末梢——痛覺感受器 (nociceptors) 所偵測。

• 痛覺感受器 (Nociceptors)：

  • 類型： 主要為游離神經末梢 (free nerve endings)，它們散佈在表皮、真皮、關節、骨骼、肌肉和內臟器官中。
  • 刺激類型： 痛覺感受器對各種有害刺激（傷害性刺激, noxious stimuli）有反應，包括：
    • 機械性刺激： 強烈的壓力、切割、擠壓等。
    • 熱性刺激： 極高或極低的溫度。
    • 化學性刺激： 如組織損傷釋放的離子（$K^+$）、酸性物質、組胺 (histamine)、前列腺素 (prostaglandins)、神經胜肽 (neuropeptides) 等。
  • 疼痛的感知： 痛覺感受器被激活後，會產生神經衝動，沿著感覺神經纖維傳導。

• 感覺神經纖維 (Sensory nerve fibers)：

  • Aδ纖維 (Aδ fibers)： 較細（直徑約 1-5 μm）、有髓鞘的神經纖維，傳導速度較快（約 5-30 m/s）。它們主要感受尖銳、刺痛、定位明確的「初級疼痛」（sharp, pricking pain）。
  • C纖維 (C fibers)： 較細（直徑約 0.2-1.5 μm）、無髓鞘的神經纖維，傳導速度較慢（約 0.5-2 m/s）。它們主要感受瀰漫、燒灼、定位不明確的「繼發性疼痛」（dull, burning, aching pain）。

• 脊髓後角 (Dorsal horn of the spinal cord)：

  • 痛覺神經纖維進入脊髓後，通常在後角的第一級神經元會與第二級神經元形成突觸。脊髓後角是痛覺信號進入中樞神經系統的第一個重要處理站。

• 腦部結構：

  • 脊髓視丘束 (Spinothalamic tract)： 這是痛覺和溫度感覺的主要傳導通路。
  • 視丘 (Thalamus)： 接收來自脊髓視丘束的信號，並將其投射到大腦皮層的相關區域。

本題考查腦神經的支配器官以及交感神經和副交感神經在這些器官上的功能。注意，腦神經本身主要屬於自主神經系統的副交感神經部分，或者支配骨骼肌，而交感神經系統則主要由脊髓發出。此題的問法「其交感與副交感神經功能」可能意指：(1) 腦神經支配的器官，其功能受到交感和副交感神經的調節；或是 (2) 腦神經本身作為副交感神經通路，其支配的器官功能；以及 (3) 腦神經支配的器官，其交感神經的功能。我們將以第一種理解來回答，即針對腦神經支配的器官，分別闡述交感與副交感神經對該器官的調節作用。

腦神經支配的器官及其交感/副交感神經功能：

以下列出五對腦神經及其支配器官，並說明交感與副交感神經對這些器官的調節作用。

1. 第 III 對 動眼神經 (Oculomotor Nerve, CN III)

   • 支配器官： 主要支配眼球的 睫狀肌 (ciliary muscle) 和 瞳孔括約肌 (pupillary sphincter muscle)。
   • 副交感神經功能 (來自動眼神經)：
     • 睫狀肌： 收縮，使水晶體曲度增加，幫助看近處物體（調節, accommodation）。
     • 瞳孔括約肌： 收縮，使瞳孔縮小，減少進入眼球的光線（瞳孔縮小, miosis），保護視網膜。
   • 交感神經功能 (支配相同器官)：
     • 睫狀肌： 舒張，幫助看遠處物體。
     • 瞳孔括約肌： 舒張，同時支配 瞳孔開大肌 (dilator pupillae muscle) 收縮，使瞳孔散大，增加進入眼球的光線（瞳孔散大, mydriasis），適用於應對黑暗環境或緊張狀態。

2. 第 VII 對 顏面神經 (Facial Nerve, CN VII)

   • 支配器官：
     • 腺體： 淚腺 (lacrimal gland)、鼻黏膜腺、腭腺、舌下腺 (sublingual gland)、下頜腺 (submandibular gland)。
     • 舌的味覺 (前 2/3)。
     • 面部表情肌。
   • 副交感神經功能 (來自顏面神經)：
     • 淚腺： 分泌淚液。
     • 鼻黏膜腺、腭腺： 分泌黏液。
     • 舌下腺、下頜腺： 分泌唾液，唾液分泌量增加，且較稀薄。
   • 交感神經功能 (支配相同器官)：
     • 淚腺： 分泌量減少，分泌較濃稠的淚液。
     • 舌下腺、下頜腺： 分泌唾液量減少，且較黏稠。

本題考查手部骨骼結構以及 3D 列印技術在骨科器材研發上的應用。

手部主要骨頭結構 (10%)

手部骨骼結構複雜，主要由腕骨 (carpals)、掌骨 (metacarpals) 和指骨 (phalanges) 組成，共計 27 塊骨頭。

• 腕骨 (Carpals)： 位於前臂和掌骨之間，共 8 塊，排列成兩列。

  • 近端列 (Proximal row)，從橈側到尺側：
    • 舟狀骨 (Scaphoid)
    • 月狀骨 (Lunate)
    • 三角骨 (Triquetrum)
    • 豌豆骨 (Pisiform) - 位於三角骨前方，是籽骨。
  • 遠端列 (Distal row)，從橈側到尺側：
    • 大多角骨 (Trapezium)
    • 小頭骨 (Trapezoid)
    • 頭狀骨 (Capitate) - 最大的腕骨。
    • 鉤骨 (Hamate) - 具有鉤狀突起 (hook of hamate)。

• 掌骨 (Metacarpals)： 共 5 塊，連接腕骨和指骨，編號從拇指側（橈側）的第 1 掌骨到小指側（尺側）的第 5 掌骨。每一塊掌骨由骨底 (base)、骨幹 (shaft) 和骨頭 (head) 組成。掌骨頭與近節指骨形成掌指關節 (metacarpophalangeal joints, MCP joints)。

• 指骨 (Phalanges)： 共 14 塊，構成手指。

  • 拇指 (Thumb)： 只有兩節指骨，稱為近節指骨 (proximal phalanx) 和遠節指骨 (distal phalanx)。
  • 四指 (Fingers)： 每個手指有三節指骨，分別是近節指骨 (proximal phalanx)、中節指骨 (middle phalanx) 和遠節指骨 (distal phalanx)。
  • 指骨之間形成指關節 (interphalangeal joints, IP joints)。

圖示說明 (示意圖，請自行繪製)：