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114年:物治基礎(2)

在進行髖關節的人工置換時，下列那種方式無法有效降低關節的反應力？

A改變植入物的髖關節中心的位置
B增大股骨頸的傾斜角變成髖外翻
C將大轉子往外側移動
D將髖關節植入物中的杯狀構造較深入髖臼中

詳細解析

本題觀念：

本題考查的是 全人工髖關節置換術（Total Hip Arthroplasty, THA）的生物力學原理，特別是關於 關節反作用力（Joint Reaction Force, JRF） 的平衡與減壓機制。

髖關節在單腳站立時主要作為一個支點（Fulcrum），運作原理類似第一類槓桿（Class 1 Lever）：

  1. 體重力臂（Body Weight Moment Arm）：從髖關節旋轉中心（Center of Rotation, COR）到身體重心垂線的距離。
  2. 外展肌力臂（Abductor Moment Arm）：從髖關節旋轉中心到外展肌（如臀中肌）作用線的垂直距離。

為了維持骨盆水平，外展肌必須產生足夠的力矩來對抗體重產生的力矩。由於外展肌力臂通常比體重力臂短（約 1:2.5~3），外展肌必須產生比體重更大的力量。關節反作用力（JRF） 主要是外展肌收縮力與體重的向量和。因此，減少 JRF 的核心策略在於「減少外展肌所需的力量」，具體方法為：

  • 縮短體重力臂（將支點移近重心，即髖臼杯內移）。
  • 延長外展肌力臂（將外展肌附著點外移，或增加股骨 Offset）。

選項分析

  • A. 改變植入物的髖關節中心的位置

    • 分析：這是調整生物力學的基礎手段。在 THA 手術中，通常會試圖將髖關節中心**內移（Medialize）**及稍微下移，以縮短體重力臂並優化肌肉張力。若能將中心位置調整至解剖位置或更內側，確實能有效降低 JRF。
    • 結論：此為有效手段之一（視調整方向而定，通常指優化位置）。

  • B. 增大股骨頸的傾斜角變成髖外翻（Coxa Valga）

    • 分析：股骨頸幹角（Neck-Shaft Angle, NSA）正常約為 125°-135°。
      • 髖外翻（Coxa Valga, >135°）：會使大轉子更靠近髖關節中心，導致外展肌力臂（Abductor Lever Arm）縮短。同時，這也會減少股骨偏距（Femoral Offset）。
      • 後果：根據力矩平衡原理（力×力臂=定值力 \times 力臂 = 定值），當外展肌力臂縮短時，外展肌必須收縮得更用力才能維持骨盆平衡。外展肌力量增加，直接導致壓在股骨頭上的關節反作用力（JRF）顯著增加。
    • 結論：此方式無法降低反作用力，反而會增加反作用力。這是本題的正確答案。

  • C. 將大轉子往外側移動

    • 分析：這相當於增加**股骨偏距（Femoral Offset）**或直接延長外展肌力臂。
      • 後果：當外展肌力臂變長，外展肌產生相同力矩所需的力量就會減少。
      • 結果：外展肌收縮力下降 →\rightarrow 關節反作用力（JRF）下降。
    • 結論：此為有效降低 JRF 的方式（常見作法如使用 High Offset Stem 或 Extended Offset Liner）。

  • D. 將髖關節植入物中的杯狀構造較深入髖臼中

    • 分析：這稱為髖臼杯內移（Medialization of the Cup）。
      • 後果：這會將髖關節旋轉中心（支點）移向身體中線（重心）。這直接縮短了體重力臂（Body Weight Moment Arm）。
      • 結果：體重產生的力矩變小，外展肌所需對抗的力量也隨之減少，最終降低 JRF。
    • 結論：此為臨床上最標準且有效的降低 JRF 方式。

答案解析

正確答案為 (B) 增大股骨頸的傾斜角變成髖外翻。

在髖關節生物力學中，為了保護人工關節介面並減少磨損，手術目標是盡量降低關節反作用力。

  • 選項 (C) 增加外展肌力臂，選項 (D) 減少體重力臂，兩者皆能省力並減少關節受力。
  • 選項 (B) 髖外翻（Coxa Valga） 會縮短外展肌力臂（Decreased Abductor Lever Arm），迫使肌肉更費力收縮，導致關節受力增加。相關文獻指出，Coxa Valga 可能使關節反作用力增加約 25%，不利於人工關節的長期存活。

核心知識點

考生應掌握 髖關節生物力學（Hip Biomechanics） 的三大影響因子與 JRF 的關係：

  1. 髖關節中心（Center of Rotation）：
    • 應盡量內移（Medialize） →\rightarrow 縮短體重力臂 →\rightarrow JRF ↓\downarrow。
    • 避免外移（Lateralize Cup） →\rightarrow 體重力臂變長 →\rightarrow JRF ↑\uparrow。
  2. 股骨偏距（Femoral Offset） / 大轉子位置：
    • 應盡量增加 Offset（Lateralize Trochanter） →\rightarrow 延長外展肌力臂 →\rightarrow JRF ↓\downarrow。
    • Offset 不足會導致肌肉無力、跛行（Trendelenburg gait）及關節受力增加。
  3. 頸幹角（Neck-Shaft Angle）：
    • 髖內翻（Coxa Vara）：力臂變長 →\rightarrow JRF ↓\downarrow（但由剪力增加，可能增加股骨頸骨折風險）。
    • 髖外翻（Coxa Valga）：力臂變短 →\rightarrow JRF ↑\uparrow。

參考資料

  1. Impact of neck-shaft angle on the femoral offset and hip joint reaction force. ResearchGate. (Increased neck-shaft angle results in a decrease in femoral offset and increase in hip joint reaction force.)
  2. Biomechanics of Total Hip Arthroplasty. Orthobullets / NIH. (Confirming that medializing the cup decreases JRF and increasing offset decreases JRF.)
  3. The History of Biomechanics in Total Hip Arthroplasty. (States that in coxa valga, the reaction force is up to 25% higher.)
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