生物医学工程考试重点题集

一、填空题

1．【生物技术】

生物技术是指直接或间接地利用生物体的机能生产物质的技术。

生物技术就是利用生物有机体或者其组成部分发展新产品或新工艺的一种技术体系。

基因工程涉及一切生物类型所共有的遗传物质——核酸的分离、提取、体外剪切、拼接重组以及扩增与表达等技术。细胞工程涉及一切生物类型的基本单位－细胞（有时也包括器官或组织）的离体培养、繁殖、再生、融合以及细胞核、细胞质乃至染色体与细胞器（如线粒体、叶绿体等）的移植与改建等操作技术。酶工程是指利用生物体内酶所具有的特异催化功能，借助固定化技术，生物反应器和生物传感器等技术和装置，高效、优质地生产特定产品的一种技术。

发酵工程，也称为微生物工程，就是给微生物提供最适宜的发酵条件生产特定产品的一种技术。蛋白质组是指基因组在特定细胞中所产生的全部种类的蛋白质。

生物科学是一门研究生命体的组成、组织构建、新陈代谢、进化等内容的科学。分子生物学在分子水平上研究生物大分子的行为与生命存在的关系。

生物界近200万种不同的物种（动物、植物、微生物、病毒）的生命各有特色，都以细胞作为结构基础。生命的基本特征表现为新陈代谢、生长与繁殖、遗传、变异、进化、应激性、活动性。通过生物大分子实现的自我更新或新陈代谢是生命的最根本的特征。

生物接受外来刺激，能通过特殊的感受系统以及内在的兴奋和调节，表现出有规律的应答活动，称为应激性。进化是生物多样性的根本动因。糖类是生物界中含量最大的有机物。

氨基酸在形成蛋白质时，主要是氨基与羧基之间缩合，失去一分子水后形成肽键。单纯蛋白质完全由基本组成单位——氨基酸所组成。

质膜的主体是磷脂双分子层，在不同的结构中，有不同数量的不同功能的蛋白镶嵌或贯穿质膜。

核酸是遗传物质，决定了生物体内蛋白质、糖类、脂类的等的生物合成，并由此决定了生物的代谢及表型。在蛋白质合成过程中，tRNA主要起转运氨基酸的作用。rRNA是合成蛋白质的工厂——核糖体的重要成分。mRNA含有的特定碱基顺序，确定了氨基酸的连接顺序，即指导了特定蛋白质的合成。原核细胞的细胞核没有膜包围，没有细胞器等特定结构。

真核细胞有定型的核、完备细胞器，细胞内由膜系隔成了许多功能区。

基因组DNA文库是某一生物体的染色体全部DNA序列被随机切割成适当大小的片段后，插入到载体内构成的DNA文库。

多聚酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）是一种体外特异性地扩增DNA片段的技术。PCR的特异性取决于两个引物链的特异性。

PCR技术利用两种寡核苷酸引物，分别与双链DNA片段的两端互补，形成DNA聚合酶反应中的模板和引物的关系。聚合酶链式反应技术和核酸杂交筛选法是两种用于功能蛋白质基因的分离技术。用于基因工程的质粒载体可分为扩增性载体和表达性载体。

质粒DNA在细菌中的复制有两种类型：严紧型复制和松弛型复制。酵母双杂交技术是研究体内蛋白质相互作用的方法。

抗细菌抗生素的生产工艺主要有两个部分：发酵工艺和提取、精制工艺。

生物转化的本质是利用微生物产生的特殊的胞外酶或胞内酶作为生物催化剂进行的化学反应。

2．【临床生化检验技术】

自动生化分析仪是一种把生化分析中的取样、加试剂、去干扰、混合、恒温、反应、检测、结果处理以及清洗等过程中的部分或全部工作进行自动化操作的仪器。

比色是通过一定的厚度的比色杯进行的，比色杯的厚度即为光径。

自动生化分析仪的检测系统将化学反应的光学变化转变成电信号，由光学系统（光源、光路、分光器）和信号检测系统组成。

自动生化分析仪的光学系统提供足够强度的光束、单色光及比色的光路

自动生化分析仪的光路系统包括从发出光到信号接收的全部路径，由一组透镜、聚光镜、比色杯和分光元件等组成。

自动生化分析仪的信号检测系统接收由光学系统产生的光信号，将其转换成电信号，放大后传送至数据处理单元。信号接收器一般为光电倍增管或硅（矩阵）二极管。信号传送方式有两种：光电信号传送和光导

自动生化分析仪的加样系统包括放置样品和试剂的场所、识别装置和加液器。加样系统模仿人工操作，识别样品和试剂，并把它们加入到反应器中。自动生化分析仪的加样系统分为样本加样系统和试剂加样系统

自动生化分析仪的反应系统由反应盘和恒温系统两部分组成。反应盘是生化反应的场所，所有反应杯位于反应盘中。通过恒温系统保持温度的恒定，以保证反应的正常进行。

自动生化分析仪的反应杯清洗可通过两种方案实现：机内清洗反应杯和自动更换反应杯。

自动生化分析仪的数据处理系统具备结果计算、数据转换和输出等功能。

免疫是指机体免疫系统对自我和危险信号的识别和应答，其作用是识别和排除抗原及异物，以维持机体的生理平衡和稳定。

免疫功能包括免疫防御、免疫稳定和免疫监视。

细菌、螺旋体和红细胞等颗粒性抗原，在适当电解质参与下可直接与相应抗体反应，当二者比例适当时，出现凝集，称为直接凝集反应。

用人工方法将可溶性抗原（或抗体）先吸附或耦联在一种与免疫无关、大小适当的不溶性颗粒（统称为载体）的表面，使之成为致敏的载体颗粒，然后与相应的抗体（或抗原）反应在有电解质存在的适宜条件下，出现特异性的凝集现象，称为间接凝集反应或被动凝集反应。

酶免疫技术是以酶标记的抗体（或抗原）作为主要试剂，将抗原抗体反应的特异性和酶高效催化反应的专一性相结合的一种免疫检测技术。

酶免疫技术的基本原理是利用酶标记物与待测样品中相应的抗原或抗体结合，成为带有酶的免疫复合物，加入酶的底物，通过酶对底物的显色反应，对抗原（抗体）进行定位、定性或定量分析。

流式细胞术（FCM）能在细胞保持完整的情况下进行单细胞分子水平的分析研究。

基因芯片就是按特定的排列方式固定有大量基因探针/基因片段的硅片、玻片、塑料片。

蛋白质芯片是按特定排列方式，在经过特殊处理的固相材料表面固定了许多蛋白质分子的硅片、玻片、塑料片等材料。

3．【现代医学影像技术】

X射线是肉眼看不见的一种电磁波。波长小（光子能量大）的称为硬射线，穿透力强。波长大（光子能量小）的称为软射线，易被其他物质吸收。

在诊断X射线的范围内（能量低于800keV），射线的衰减主要是由瑞利散射、光电吸收和康普顿散射引起的。

X-CT图像重建问题实际上就是如何从投影数据中解算出成像平面上各像素点的衰减系数。导致SPECT的灵敏度比较低的原因是铅准直器使得大部分光子被拒绝进入检测器，只有少量的光子能被检测到。

医学图像有两大主要模态：主要描述人体的生理解剖结构的解剖图像及主要描述人体在不同状态下组织器官的功能活动状况的功能图像。

计算机辅助手术系统中的数据获取及处理主要是从CT、MR、超声等医学成像设备中获取医学图像，然后

计算机辅助手术系统中的手术规划主要是利用手术前获得的图像，得到手术部位的三维结构，进行虚拟的切割和最优路径的设计。

计算机辅助手术系统中的手术导航综合利用术前获得的图像和术中获得的图像，经过配准后重建三维信息，同时将探针等手术仪器的位置信息叠加显示在图像上。

计算机辅助手术系统中的手术中的反馈和更新指的是在手术过程中实时地扫描并获得病人的图像，以及手术仪器目前的位置等信息，配合手术导航指导医生更精确地完成手术过程。

4．【生物电磁学】

生物电的主要基础是细胞膜内外的膜电位。

心脏传导系统包括窦房结、结间束、房室结、房室束（希氏束）和其分支以及分布到心室内的浦肯野纤维网。

正常心脏兴奋的起源点在窦房结。

心房收缩推动血液进入心室，由房室瓣膜控制血流流动方向。

心室收缩推动血液进入主动脉和肺动脉，血液流动由半月瓣和肺动脉瓣控制。

在肌细胞中存在4种不同的生物电位：静息电位（RP）、动作电位（AP）、终板电位（EPP）和损伤电位（IP）。

正常肌电图包括电静息、插入电位、单个运动单元电位和多个运动单元电位等。

电磁波生物医学检测就是利用外加电磁波作用于生物组织，经组织传输、吸收和散射，被反射或透射的信号将携带生物体的物理或几何信息，通过检测和分析这些信号可获得有关生物学信息。

实验剂量学采用实验手段来测定生物体在特定照射条件下所接受的剂量。电测法直接测量照射生物模型或实体内的电磁剂量。热测法根据能量转换关系，通过温度测量、热量测量或红外热像法确定吸收的电磁剂量。

5．【生物力学】

力对物体的作用效果取决于力的三要素：力的大小、力的方向和力的作用点。

物体相互作用并不是点接触而是以物体上的一部分面积接触。作用于物体某一面积上的力称为分布力。

当分布力的作用面积很小时可以近似为一个点，则称此力为集中力。

力对物体作用的运动效应包括移动效应和转动效应。力对物体的移动效应用力来度量。力对物体的转动效应则用力对

点之矩来度量。

大小相等、方向相反、作用线互相平行的两个力构成力偶。

力偶矩的大小、力偶的转向和力偶的作用平面称为力偶的三要素。

用面内任一

点之矩的代数和来度量。

生物软组织的拟弹性是指只要完全消除载荷并经过一段时间后，生物软组织才能恢复到原有形状而无明显残余变形。

人血的非牛顿性是由血球引起的。

从左心室出来的血液，经过主动脉、动脉、并通过毛细血管流往静脉和上、下腔静脉，然后返回右心房，该过程称为体循环。

返回到右心房的血液，从右心室通过肺动脉进入肺内毛细血管，在此吸取O2、释放CO2后，通过肺静脉流入左心房，这一过程称为肺循环。

心脏的肌肉壁由冠状动脉来供血。

6．【电生理的诊断与监护技术】

在所有被研究过的动植物细胞中（少数植物细胞除外），膜外带正电荷，膜内带负电荷，存在电位差，称为“静息电位”。

产生生物电的物质基础是因为细胞膜内外的钠、钾离子分布不均匀。

细胞膜内的钾离子浓度超过膜外很多，而细胞膜外的钠离子浓度则超过膜内很多，是钠泵活动的结果。

动作电位是指细胞受到任何刺激后，细胞膜两侧会出现一个特殊形式的电变化。即在原有的静息电位基础上发生一次两侧电位的快速而可逆的倒转和复原。

人体中生物电信号的共同特点是频率低（小于100Hz，肌电除外）、信号微弱。

电生理信号的检测首先要用电极将微弱的生物电取出，经过放大、处理及变换以后，通过显示器显示或记录器记录，以便观察、分析和保存，供诊断和研究。

电极测量生物电位变化时，在电极-电介质界面上发生了从离子导电向电子导电的能量转换过程。

电极测量生物电位变化时，电极的电性能等效成由电容与电阻和半电池电位组成的等效电路。-B

从物理化学角度分析，通电于组织，其体液内将产生离子迁移（电解质导电），使离子浓度变化，伴有电泳、电渗等效应，从而改变生理状态过程，可起到治疗的效果。

计算机只能处理数字信息，对采集到的模拟信号必须先将其采样并作模/数（A/D）转换。

在对数字信号进行处理时，采用傅里叶变换可以将检测到的以时间域表示的生物信息转换到频率域上。

将体表的任何两点与电流计的两端相连接，可以看见电流计的指针随心脏搏动而出现规律性的偏转。利用心电图机把这种电流描绘成动态曲线，称为体表心电图。

将两个电极放在人体表面任何两点，分别同心电图机正负端相连，可以用来描记这两点的电位变化。这种放置电极的方法及其与心电图机的连接方式称为导联（lead）。

采用加压肢体导联测得的心电图形与标准双极肢体导联相同，但它能使心电信号幅度增加50%。

胸导联将左、右上肢和左下肢的3个电极分别通过一个50000Ω

电阻连接到中心电端，并与心电图机的负极相连，放置在胸前一定部位的探查电极与心电图机的正极相连。

动态心电图（dynamic electrocardiography，OCG），又称Holter心电仪或动态心电仪，是一种可以携带在病人身上的测量、记录心电信号的仪器。可以长时间（24小时进行记录，然后将储存的心电信号回放以进行分析。

心电地形图使用电极阵列在体表几十数百个点上检测心脏电活动，可以用来绘制出体表的等电位图、纵观心电场在体表的分布全貌，从而了解心动周期内心脏电活动概况的设备，又称为心电标测图。

脑电测量中，电极在头皮上的安放方法采用国际标准的10/20电极位置系统。

通常在脑电图机中设有电极电阻测量系统，用来检查电极与皮肤之间的接触电阻。

肌肉活动的最小单位是运动单位。

7【超声医学原理】

超声诊断的物理基础是超声波在生物组织中的传播规律及诊断信息提取方法。

超声治疗的物理基础是超声生物效应的机理和超声计量学。

各种超声诊断仪器检测脏器大小的基础是认为人体软组织中的声速是相等的。

声场中某一位置上的声压与该处质点振动速度之比定义为声阻抗率。

声阻抗率只与媒质本身声学特性有关，故又称特性阻抗。

利用超声的反射只能观察到脏器的轮廓，利用超声的散射才能弄清脏器内部的病变。

空化效应是指在周期性交变的超声声压作用下，空化核体积急剧膨胀，压缩，直至破裂，引起生物组织的破碎或位移的生物学效应。

8．【生物医学光子学】

大多数生物组织是混浊介质，同时存在对光的吸收和散射。

生物组织对红外光的吸收主要是由水分子引起的。

激光的生物效应既与激光的性能有关，又与生物组织的性质有关，还与激光的作用时间和作用方式有关。

激光本身的辐射压力所形成的压强称为一次压强。

激光与生物组织的热效应引起的汽化压力形成的压强称为二次压强。

当人体组织摄入某些光敏剂时，光敏剂分子吸收激光能量后，就会发生光敏化反应。

从第一电子激发态的最低振动能级返回基态振动能级，以发出荧光的形式释放能量。

处于激发态的电子可能先弛豫到三重激发态，再跃迁到基态。从三重激发态跃迁到基态的过程中，以发出磷光的方式释放能量。

分子的每一个电子能态包含有若干个可能的振动能态，而每一个振动能态又含有若干个转动能态。

光的吸收是指光在通过生物组织体时由于部分光能转换成热运动或分子的某种振动从而导致光强度的衰减。

对于生物组织体这样的混沌介质，如果以超短激光脉冲入射，则出射的光可以按照其在组织体中传播的时间被分为三类，分别称为弹道光、蛇形光和漫散射光。

在生物组织内，由光所引起的化学结构改变的所有过程称为光化学反应（

photochemical reaction）。

9．【生物医学传感技术】

化学传感器利用功能性膜对特定成分的选择作用将被测成分筛选出来，再利用电化学装置把它变为电学量。

根据敏感物质相互作用的类型，生物传感器可分为生物亲和型生物传感器、代谢型生物传感器和催化型生物传感器。

根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件的不同，生物传感器可分为五类：酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器、免疫传感器和DNA传感器。

10．【生物医学信号处理】

生物传感器是一种以固定化的生物体成分（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（组织、细胞）作为敏感元件的传感器。

11．【治疗——放射治疗技术、定向能量外科治疗技术、理疗技术与康复】

放射治疗是由一种或多种电离辐射对恶性肿瘤及一些良性病进行的治疗。

远距离放射治疗，亦称外射束治疗，是指辐射源至皮肤间距离大于50cm的放射治疗。远距离放射治疗的治疗手段是辐射束。

近距离放射治疗，亦称内射束治疗，是直接用一个或多个放射源在患者腔内、组织间或表浅部位进行的放射治疗。近距离放射治疗的治疗手段是放射源。

定向能量外科系统应用医用激光、微波、射频、超声、冷冻手段，利用各种不同物理因子的能量辐射，产生局部的生物温度效应，达到定向损毁病灶组织的目的。

17．【解剖生理学】

细胞直接接触和生活的环境被称为机体的内环境。

条件反射活动是一种前馈控制系统活动。

经血液运输至远距离的靶组织而发挥作用的激素分泌方式称为远距分泌。

不经血液运输，仅由组织液扩散而作用于临近细胞的激素分泌方式称为旁分泌。

内分泌细胞所分泌的激素在局部扩散又返回作用于自身的激素分泌方式称为自分泌。

解剖学姿势要求：身体直立，两眼平视；上肢下垂，下肢并拢；手掌足尖向前。

二、简答题

简述生物医学工程的定义。

美国国立卫生研究院（NIH）对生物医学工程的定义：

生物医学工程学是结合物理学、化学、数学和计算机科学与工程学原理，从事生物学、医学、行为学和卫生学的研究；

提出基本概念，产生从分子水平到器官水平的知识，开发创新的生物学制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息

学方法，用于疾病预防、诊断和治疗，病人康复，改善卫生状况等目的。

人们习惯理解为：生物医学工程学是综合运用工程技术的相应理论和方法，深入研究人体结构和功能，解决医学中出现有关问题的一门新兴边缘学科。

简述生物医学工程的层次结构。

生物医学工程的研究对象是生物体，尤其是人体。人体是一个多层次的复杂的巨系统。因此，生物医学工程学必定具有层次结构。从目前情况来看，大体上可以分为三个层次，即整体层次、器官和组织层次以及微观层次。

①整体层次

把人看作一个整体，或者把人和环境（自然的和人为的）看作一个整体，考虑人的生命运动规律和影响因素，进而进行能动的协调和控制。如：人-机环境系统工程研究人和工作环境之间的相互关系。

②系统、器官、组织层次

发展人体器官、组织的某些功能的补偿技术或代用装置及人工生物医学材料。

发展医用传感器和人体参数测量技术，特别是无创诊断技术和装置。如生物传感技术和各种成像技术。

发展新型的医疗技术制备的系统监测装置。

系统、器官、组织层次的研究涉及现代科学技术，同时又需要生理学、材料科学、生物力学和信息科学的相应进展。

③微观层次

主要是指细胞和生物大分子层次上的生物医学工程问题。涉及生物技术、生化（生物化学）

1．【生物技术】

（1）简述构建基因组文库的步骤。

细胞核DNA的分离，适当的限制性内切酶酶切DNA，DNA片段与载体的连接、导入工程菌株，基因文库特性的检测、筛选。

（2）简述PCR的步骤。PCR是如何使得特异性DNA片段以几何级数倍增的？

PCR分三步：

①双链模板DNA变性。双链解开成单链。

②退火。即引物与单链DNA两端互补序列配对，形成DNA聚合反应中的模板与引物的关系。没有引物的帮助，所有的DNA聚合酶都无能力从头合成一条新链。

③链的延伸。DNA聚合酶从引物3'-OH端开始进行聚合酶反应，直至完全产生两条互补的新链。

三个反应阶段结束后，又可以开始下一次的循环，引物链的延伸产物与原来的模板DNA经加热变性后，也作为模板DNA和另一个引物互补，在DNA聚合酶作用下又发生引物链的延伸反应。这样反复循环数十次，可使特异性DNA片段以几何级数倍增。

（3）简述基因工程载体的基本要求和特点。

①载体DNA是单个复制单元，在宿主细胞内应具有DNA独立复制能力。

②分子量尽可能的小，以便容易从细胞中分离纯化，便于离体条件下操作。

③含有多种限制性内切酶单一切点。在切点内可以与外源DNA进行连接、重组。

④载体内有不影响其复制、生长的非必要区域，在此区域内可以插入、接受外源DNA，外源DNA与载体分子一起复制、扩增。

⑤具有多种选择性标志，如营养缺陷型、抗药性、形成噬菌斑的能力、外源性蛋白的产生等，作为区分重组的转化子与非转化子的指标。

2．【临床生化检验技术】

（1）简述全自动生化分析仪的工作原理及其基本结构。

①全自动生化分析是基于物质对光的选择性吸收，即分光光度法。单色器将光源发出的复色光分成单色光，特定波长的单色光通过盛有样品溶液的比色池，光电转换器将透射光转换为电信号后送入信号处理系统进行分析。②从结构上来说，全自动生化分析仪包含分光光度计的主要组成部分。如：光源、单色器（色散装置）、比色池、检测器等。全自动生化分析仪还包括生化分析所需的特有部分，如：加样系统、清洗系统、温控系统、软件系统等。

（2）简述单色器的用途、类型及其特点。

①单色器是使不同波长的光以不同角度发散的组件。

②按色散元件的不同，可分为棱镜单色器、光栅单色器和滤光片式单色器。

棱镜既简单又便宜，但其色散是弯曲且非线性的，长波色散率小，短波色散率高，因此欲得到相同的光谱强度，狭缝宽度要随波长而改变，并且各光谱线间隔不同，为非匀排光谱。

光栅的色散率大，色散角与波长成线性关系，分辨率高，光谱范围宽。采用光栅的仪器设计时须注意光谱叠级、检测灵敏度及光学布局（前分光或后分光）等因素的影响。光栅光谱为匀排光谱，即光栅色散率几乎与波长无关。采用滤光片分光方式完全可以获得与光栅分光同等的效果。

并沿样品管输送，另一方面由空气管吸入的气泡将由同样原理吸入并在试剂管道中连续流动的试剂分成均匀的节段，样品流和试剂流在连续向前流动的过程中相遇、混合、透吸（必要时）、保温、反应及被测定。整个分析过程是液流在管道中连续流动的过程中完成的。

（4）简述非分段流动式自动生化分析仪的类型、结构及其原理。

非分段系统依靠试剂空白或缓冲液来间隔每个样品的反应液，在管道中连续流动的液体不被分段。非分段系统可再分为流动注入系统和间隙系统。

①流动注入系统的组成与空气分段系统相似，不同之处在于，空气分段系统是用气泡分段来防止管道中各反应液在流动过程中的交叉污染，流动注入系统通过将样品依次注入连续流动的试剂流管道中来防止交叉污染。

②间隙系统的结构、组成和工作原理与流动注入系统相似，但是每一次进样都必须在前一样品的分析过程结束后（包括管道的清洗）才能开始，而不能连续地依次进样，每次进样间有一时间间隙，故也被称为不连续流动式分析仪。

（5）简述透射免疫比浊法的基本原理和技术要点。

①基本原理：当一定波长的光线通过抗原抗体反应混和液时，被其中的免疫复合物（IC）反射、吸收而减弱。在一定范围内，透射光被吸收的量（吸光度或A值）与IC量呈正相关，而IC量与相应抗原和抗体的量呈函数关系，当抗体量恒定时，根据所测吸光度值即可算出待测抗原量。

②技术要点：抗原参考品级待测标本应作适当稀释；将待测标本和标准抗原液与适当过量的抗血清混合，在一定条件下，抗原抗体反应完成后，在340nm处检测吸光度；制备剂量-反应曲线，以此作为标本中抗原的浓度依据。

（6）简述免疫电泳的基本原理及技术要点。

免疫电泳是将区带电泳与双向免疫扩散相结合的一种免疫化学分析技术。

①基本原理：将蛋白质抗原在琼脂糖凝胶上进行电泳，样品中不同的抗原成分因所带电荷、分子量及构型不同，电泳迁移率各异，而被分离成肉眼不可见的不同区带。停止电泳后，在与电泳方向平行挖一个条形槽，加入相应抗血清，置于室温或37度，使抗原和抗体呈双向扩散，各种抗原与相应抗体在琼脂中扩散相遇，在两者比例合适处形成肉眼可见的弧形沉淀线。根据沉淀线的数量、位置和形状，可分析、鉴定样品中所含抗原成分及其性质。

②技术要点：取琼脂凝胶制板，凝固后打孔。加入待检抗原标本或正常血清对照。电泳1.5~2h后，沿电泳平行方向挖一小槽，加入抗原相应的抗体，温育。观察沉淀线的数目、形状和位置，并于已知抗原或正常血清抗原对比，分析样品中抗原成分及性质。

（7）简述电阻式血液分析仪的基本原理（库尔特原理）。

由于血细胞具有不良电导性，当其通过加有电极的传感器微孔时，原电路的电阻突然增高，在电流值不变的条件下，两极间的电压发生改变，产生脉冲信号，当电压的增高值达到仪器分析的阈值范围时，电路中的检测系统就会将其转化成血细胞的各种参数，从而达到对各种血细胞检测的目的。

（8）简述微生物学检验时采集标本的一般原则。

①早期采集：采集时间最好是病程早期、急性期或症状典型时，而且必须在使用抗生素或其他抗菌药物之前采集。②无菌采集：采集的标本应无外源性污染。采集的标本均应盛于无菌容器内，不能用消毒剂或酸类处理。③根据目的菌的特性用不同的方法采集。

④采集适量标本：采集量不应过少，而且要有代表性。要注意在不同时间采集不同部位标本。⑤安全采集：不仅要防止皮肤和黏膜正常菌群对标本的污染，同时也要防止传播和自身感染。（9）简述核酸杂交技术的基本原理。

利用杂交特性，制备特定序列DNA片段，进行标记后作为探针，在一定条件下，按照碱基互补配对原则与标本中已变性的细菌DNA进行杂交，通过检测杂交信号确定是否发生杂交反应，从而鉴定标本中有无相应的病原菌基因。

3．【现代医学影像技术】

（1）简述X射线的产生过程及其性质。

X射线由旋转阳极X射线管产生。X射线管由阴极、阳极和真空玻璃管等部分组成。阳极由一个带倾斜角的圆盘构成，四周嵌有环状钨面，圆盘后壁与转子轴相连，可以旋转。给阴极的灯丝加一个低电压，灯丝加热后就能发射电子。再给X射线管的阳极与阴极间加上高压，自由电子群就会在电场的作用下高速向阳

物质（如磷、钨酸钙等）时能产生荧光。

③电离作用：具有足够能量的X射线光子能击脱物质原子轨道上的电子而使之产生电离。④生物效应：生物细胞在受到X射线的电离辐射后有可能会造成损伤甚至坏死。

（2）简述透视X射线成像系统的工作原理。

整个系统在计算机的控制下协调工作。由X射线管产生的X射线先通过影像增强管得以增强，其输出的图像由摄像管采集后送入对数放大器。之后，经过模拟/数字转换器，将模拟信号转换为数字信号，并送入图像存储器。所采集的数字图像经过各种处理后可以再经过数字/模拟转换器送到监视器上显示，也可以用各种存储媒体将它们保存起来。

（3）简述脉冲回波成像的基本原理。

超声换能器将激励电信号转换成超声波向人体内发射。当超声波遇到人体组织中的声阻抗不连续点时，就会形成反射波。这一回波声信号经过同一个超声换能器转换成电信号后进入信号接收与处理电路。回波电信号经过放大、增益补偿、包络检测等一系列处理过程后送往监视器显示。对接收到的回波电信号做进一步的处理，就可以得到有关人体的断面图像或血流消息。

（4）简述超声多普勒方法测量血流的基本原理。

由探头对着血管发射频率为f0的超声波，血管内运动的红血球产生的后向散射信号就会出现多普勒频偏。多普勒频偏fD取决于入射超声的频率、超声波在人体中的传播速度c、血流运动的速度v以及声束与流速之间的夹角θ。如果已知f0、c、θ，那么就可根据fD得到v。当血流运动的方向朝向探头时（定义为正向流），多普勒频偏为正；当血流运动的方向背离探头时（定义为反向流），多普勒频偏为负。因此，利用超声多普勒方法可以测量血流的速度大小及方向，进而可以获得血流的其它信息。

（5）简述放射性核素成像的基本原理。

把某种放射性同位素标记在药物上形成放射性药物并引入体内，当它被人体的脏器和组织吸收后，就在体内形成了辐射源。用核子探测装置可以从体外检测体内同位素在衰变过程中放出的γ射线，从而构成放射性同位素在体内分布浓度的图像。

（6）简述γ照相机的组成及工作原理。

γ照相机由准直器、闪烁晶体、光电倍增管阵列、位置计算电路、脉冲高度分析器与相应的显示装置构成。准直器用来实现空间定位，使得来自不同空间部位的各相同性的γ射线照射到闪烁体的特定位置上。闪烁晶体与入射的γ射线光子发生相互作用时会发出短暂的荧光，闪光亮度与入射γ光子的能量成正比。覆盖在整个闪烁晶体上的光电倍增管可以将输入的微弱光信号转换成电流输出，并有较大的倍增作用。

当闪烁体的某一位置上发生荧光闪烁时，不同强度的光线照射到许多个光电倍增管上。位置计算电路根据各光电倍增管的输出来决定荧光闪烁的位置。

脉冲高度分析器指示的是入射光子的总能量。γ照相机每次只检测一个闪烁事件，因此，如果发现入射光子的能量偏小，则可以认为这个入射的光子是经过康普顿散射后的入射光子。据此，就可以把这一事件放弃，以减少对图像造成的模糊。另外一方面，系统还可以设置一个能量的上限，如果发现入射光子的能量超过了设置的上限值，就可以认为同时有多处发生了荧光闪烁，系统会自动地拒绝将信号送往监视器显示。当在一次次地记录了闪烁点的位置后，就可以构成一幅矩阵形式的数字化图像。

（7）简述正电子发射型断层成像的基本原理。

在衰变过程中，正电子发射核素的一个质子转变为中子时发射出正电子。正电子很快就会与周围环境中的电子相结合发生质量湮灭，并由此转化成两个能量为511keV且传播方向几乎完全相反的γ线光子。在探查对象的周围安放一圈探测器可以检测两个向相反方向传播的γ线光子。各个检测器的输出被联到一个符合检测电路中。如果符合检测电路在一个时间窗内，同时获得两个检测器输出的信号，则认为在这两个检测器空间的连线上有释放正电子的核素存在。这就是所需要的用于重建图像的基本信息。当收集了所有视角上的投影数据后，就可以采用图像重建算法得到人体某一断面上放射性同位素的分布图。

4．【生物电磁学】

（1）简述微波热效应的物理学基础。

①微波电磁场通过介质时，使极性分子旋转摆动，同时离子及带电胶体粒子也作来回运动，这些运动都能产生热量。组成生物组织的细胞的细胞膜内外充满的各种离子，在高频电磁中受到电场力的作用，随着电场的变化而产生运动，形成“传导电流”而产生热量。

人体内的一些物质和组织，如蛋白、脂肪、碳水化合物、内脏组织、神经组织、结缔纤维组织等，在电

体内存在的胶体颗粒能吸附周围的离子而呈现电性，形成带电的胶体粒子。在高频电场的作用下，胶体粒子也能产生类似离子的振动并引起发热。

②生物组织存在电阻，体液又具有黏滞性，传导电流能引起介电质损耗，也会产生热量。

③当微波辐射的功率密度较低时，微波电磁场引起的热能，足以通过生物体温度调节系统而散发，不会引起可观察到的温度变化。当微波辐射功率密度增加到一定程度，使生物组织吸收的能量超过血液循环、传导散热、体表散热所带走的能量，就会引起照射部位温度升高。

（2）简述电磁场在生物体中的传输和能量的吸收。

电磁场在生物体内的传输、反射、吸收、空间分布与电磁波的频率、辐射器结构、波的极化，以及生物组织的介电特性、形状和几何尺寸、环境（如温度等）都密切相关。

生物体由多层不同厚度的空间组织构成。各层厚度不同，会影响电磁波的反射、传输、吸收。不同的工作频率也将影响电磁场在生物体内的分布。例如：

中频电磁波的频率较低，电流不易通过电极和皮肤之间的空气间隙，因此采用中波电疗时电极不能离开皮肤。中波的作用主要是在皮肤和皮下脂肪等处，至于骨骼等深部组织，所受的影响很小。

高频电磁波产生的短波和超短波易于通过电极和皮肤表面所构成的电容，因此电极可离开表皮。由于频率高，例如骨等组织也较易穿过，因而在组织中产生的热较中波均匀，但此时易产生皮下脂肪过热的现象。由于人体皮下多有一层脂肪，脂肪受热过大，势必妨碍电磁能量的进一步深入。

使用微波段后，脂肪过热现象显著减弱，但含水多的组织（如肌肉等）对微波的吸收很强，故经过肌肉层后，几乎大部分的微波能量都被吸收，因此微波的作用深度不大。

随着频率的升高，作用深度越浅，大部分能量都耗在浅层的皮肤上。

在微波作用下，生物体作为复杂的有机电介质吸收微波能量，并引起一系列的反应和变化，使分子内部重新排列，处于激活状态，并为体内化学反应提供外来能源，影响体内生物的电功能，随之产生一系列的生理反应。

（3）简述毫米波对生物机体作用的生物物理基础。

水分子对毫米波能量的吸收，不仅引起毫米波的衰减，还可引起毫米波对水介质的选择性微加热，在相干分界上产生液体对流。在毫米波作用下，液体介质中及细胞内产生对流运动，导致细胞生命活动过程中各种离子和物质的迁移变化。

（4）简述生物磁场检测的特点。

①测定生物磁场时，无需使用电极就能测得生物组织的内源电流，避免了使用电极所引起的电极干扰。②可以同时测量恒定的生物磁场和交变的生物磁场。③可以获得生物磁场的三维空间分布。

④通过测量体外磁场强度和分布，可以了解体内强磁性物质的含量和分布，有助于诊断和检查某些职业病。（5）简述电化学疗法治疗肿瘤的方法。

①利用脉冲电场使药物分子进入细胞内，使肿瘤组织摄取的药物量增加数倍。利用电脉冲在皮肤角质层的脂质双层中产生暂态性的亲水孔道（电穿孔），使经皮给药效率大为改善。②利用直流电流引起的化学变化杀死肿瘤细胞。

5．【生物力学】

（1）简述生物软组织的黏弹性。

①应力松弛：当材料发生应变时，若保持应变一定，则相应的应力将随时间的增加而下降。②蠕变：若令应力保持一定，物体的应变随时间的增加而增大。

③滞后：对物体做周期性的加载和卸载，则加载时的应力应变曲线同卸载时的应力应变曲线不重合。

2）举例说明骨的功能适应性。

在生物进化过程中，骨结构符合优化设计原则。

①骨的功能适应性是指活的骨会随所受应力和应变的改变而改变。例如，在经常的外力作用下，骨会以一个合适的截面来承受这一外力。如果外力增加，截面上与它平衡的应力也就相应地增加，增加后的应力刺激骨，使其内部组织发生两方面变化。一是截面积增加，二是截面上的单位面积抗载能力增强。这就保证了它能在新的情况下抵抗外力。如果外力下降，在骨的截面上就会出现相反的情况。

②经过生长和吸收过程，骨已经本能地适应了生存条件，并且符合最小最大设计原则（用最小的结构材料来承受最大的外力）。

（3）简述心脏搏动的力学过程。

力迅速提高。等容收缩期末端打开主动脉瓣。

③射血期：受到高压的血液经主动脉瓣流入主动脉，心室容积逐渐变小。射血期末端关闭主动脉瓣。④等容舒张期：心肌松弛，心室内压力下降。等容舒张期末端打开二尖瓣。

6．【电生理的诊断与监护技术】

（1）简述电生理诊断监护系统的组成及其工作原理。电生理诊断监护系统主要由信息检测、信息处理（分析）、信息记录与显示及辅助系统等部分构成。

信息检测主要包括被测对象、传感器或电极，它是整个诊断监护系统的信号源。利用测量电极来检测生物电。信息处理的作用是对信息检测传送过来的电信号进行处理，包括放大、识别（滤波）、变换、运算等各种处理和分析。这部分主要是信号加工，信号加工的目的是为了适于对测量结果的分析与识别。

生物信息的记录与显示的作用是来显示和纪录测量结果，将处理后的生物信息变为可供人们直接观察的形式。要求是记录显示的效果明显、清晰，便于观察和分析，正确反映输入信号的变化情况，与其他部分有较好的匹配连接。

辅助系统的配置、复杂程度及结构均随医学仪器的用途和性能而变化。辅助系统一般包括控制和反馈、数据存储和传输、标准信号产生和外加能量源等部分。

诊断监护提供的含有大量信息的数据，一般用存储装置加以保留，既方便诊断和研究，又可重复使用。为了远距离也能调用，还需要有数据传输设备。

医学仪器都备有标准信号源，以便适时校正仪器的自身特性，确保检测结果准确无误。

外加能量源是指仪器向人体施加的能量，用其对生物做信息检测。在治疗类仪器中都备有外加能量源。（2）简述现代医学仪器系统的组成及其工作原理。

现代医学仪器系统总以计算机为核心。生理信号首先从人体的特定部位通过电极或传感器提取出来。如果得到的是模拟电信号，通常需要经过放大、滤波等模拟电子技术处理，经过模数转换器转换为数字信号，传到单片机或通用计算机。如果得到的是数字信号，则可直接传送至单片机或通用计算机中。在单片机或通用计算机中，利用计算机技术和数字信号处理技术执行放大、滤波、抑制干扰和计算分析处理。然后，信息流至显示器、记录器和分配器。分配器可以通过Internet分配到其他更远的地方，显示器可以具体地显示出诊断的结果。最后，经处理后的数据流人控制器去控制病人的治疗或刺激病人，达到治疗的目的。（3）简述心电图机的基本结构及其工作原理。

通常心电图机包括输入电路、心电放大、心电测量、心电记录和电源供给五部分。

心电输入电路包括过压保护、高频滤波、缓冲放大器、威尔逊网络、导联选择电路。过压保护和高频滤波电路确保病人安全和心电图机免遭高压冲击，同时阻止外界高频干扰信号进入心电图机的前置级。

心电放大电路基本上是由前置放大电路、中间级放大电路和功率放大电路组成。前置放大极的作用是将微弱的心电信号加以放大，需要具有良好的抗干扰能力。中间级放大将心电信号进一步放大，增益调节、阻尼调节、增益选择、50Hz电源滤波、35Hz肌电滤波、位移等功能可在这极实现。

功率放大电路把经过前置放大和中间级放大后的心电信号再放大到使记录笔能恰当偏转的电平，驱动记录器进行心电描记。

心电机记录电路由走纸马达（交流电机）调速、稳速电路、记录笔调温电路、记录器组成。

7．【超声医学原理】

（1）按声速和阻抗的不同，人体组织可分成哪几类？简述B超图像诊断的物理基础。

①按声速和阻抗的不同，人体组织可分成三类：气体和充气的肺、液体和软组织、骨骼和矿物化后的组织。

②不同种类的人体组织存在着较大的阻抗差别，超声很难从某一类材料传到另一类材料区域中去，因此使得超声成像只能用于那些有液体和软组织的、且声波传播通路上没有气体或骨骼阻挡的那些区域。在液体和软组织中，声速和阻抗变化不大，使得声反射量适中，既保证了界面回波的显像观察，亦保证了声波可穿透足够的深度，而且接收回波的时延与目标深度成近似的正比关系，这是B超诊断图像成功应用必要的物理基础。（2）简述造成超声衰减的主要原因。

超声的衰减是指超声在介质中传播时，其声强将随着距离的增加而减弱的现象。声束的扩散和介质的吸收是造成衰减的主要原因。

①声束的扩散。超声的反射、折射与散射使能量不再沿原来的方向传播，从而使原来传播方向上的声强减弱。声束扩散造成的衰减并没有减少超声的总能量。

②介质的吸收。在超声传播过程中，介质的吸收将声能转化为热能，而使超声的总能量减少。吸收衰减主

也称为热传导吸收。

8．【生物医学光子学】

（1）举例说明如何测量生物组织的总衰减系数。

通过一个分束器，50%的激光辐射被反射到参考探测器上作为参考信号；另外的50%作用于生物组织样品，位于样品后方的另一个探测器用于测量透射光的强度。从参考探测器获得的光强中减去样品后方探测器获得的光强，就可得到生物组织的衰减系数。（图示）

（2）举例说明如何测量生物组织的吸收系数。

测量吸收系数的装置的最基本的组成部分是积分球装置。在积分球内部有高反射的涂层。积分球探测器探测的光只是没有被样品吸收的光。实验中先测量一次没有样品时的强度，然后放入样品再测量一次，两次测量值的差值就是被测样品吸收的量。考虑到样品的几何尺寸后，即可得到它的吸收系数。（图示）

（3）简述激光光动力疗法（PDT）治疗肿瘤的基本原理。

①机体接受光敏剂后一定时间，肿瘤组织摄取和存留的光敏剂较多，经特定波长的激光照射，在生物组织中氧的参与下发生光敏化反应，产生单态氧和/或自由基，破坏组织和细胞中的多种生物大分子，最终引起肿瘤细胞死亡。②PDT对肿瘤细胞有直接杀伤作用。PDT的光敏化反应可造成微血管破坏，激活血小板及炎性细胞导致炎性因子释放，引起血管收缩、血细胞滞留凝集、血流停滞造成组织水肿、缺血、缺氧，从而杀伤肿瘤。③PDT对局部和全身的免疫反应改变也有影响。

（4）简述激光扫描共聚焦显微镜的成像原理。

激发光经过照明针孔形成点光源，通过激发滤光片被分束器反射，由显微物镜聚焦到三维样品内，并在垂直于光轴的焦平面上扫描。焦平面和焦平面上下被照射的区域所发出的荧光又被物镜收集，通过分束器和发射滤光片。在探测器前方有一共焦针孔，照明针孔和共焦针孔相对于物镜焦平面是共轭的，因此只有焦平面发出的荧光能聚焦于共焦针孔并通过针孔到达探测器。逐步调节样品纵轴的位置，可产生样品的多幅断层图像。通过图像重建技术，能得到样品的三维图像。

（5）简述单光子激发荧光和多光子激发荧光的基本原理。

①单光子激发荧光：荧光分子吸收一个光子，从基态跃迁至激发态，经过能量弛豫后发射一个长波光子回到基态。单光子激发荧光采用的短波长的激发光能量比发射出的荧光波长要高。

②多光子激发荧光的过程：即使单个光子没有足够的能量去激发荧光分子，但在足够短的时间内遇上第二个或多个光子，荧光分子就可以同时吸收两个或多个光子，每次吸收会产生等同于被吸收光子能量的分子激发，即荧光分子在获得足够光子能量的情况下，经过弛豫后同样会发出荧光。

9．【生物医学传感技术】

（1）举例说明生物医学传感器在医学中的主要用途。

①提供诊断信息：如心音、血压、脉搏、血流、体温、呼吸等信息，以供临床诊断和研究。②监护仪器：手术后，病人需要被监视体温、心电等生理参数，以便了解病人的恢复过程。

③临床检验：利用化学传感器和生物传感器从人体的各种体液获取生化信息，是诊断疾病的重要依据。（2）举例说明物理传感器在生物医学工程领域的应用。血压测量

通常的血压测量都是间接测量，通过体表检测出来的血流和压力之间的关系，从而测出脉管里的血压值。测量血压所需要的传感器通常都包括一个弹性膜片，它将压力信号转变成为膜片的变形，然后再根据膜片的应变或位移转换成为相应的电信号。在电信号的峰值处我们可以检测出来收缩压，在通过反相器和峰值检测器后，就可以得到舒张压，通过积分器就可以得到平均压。呼吸测量

呼吸测量是临床诊断肺功能的重要依据。在使用用于测量呼吸频率的热敏电阻式传感器时，把传感器的电阻安装在一个夹子前端的外侧，把夹子夹在鼻翼上，当呼吸气流从热敏电阻表面流过时，就可以通过热敏电阻来测量呼吸的频率以及热气的状态。体温测量

体表温度是由局部的血流量、下层组织的导热情况和表皮的散热情况等多种因素决定的，因此测量皮肤温度要考虑到多方面的影响。热电偶式传感器被较多的应用到温度的测量中，通常有杆状热电偶传感器和薄膜热电偶传感器。由于热电偶的尺寸非常小，精度比较高的可做到微米的级别，所以能够比较精确地测量出某一点处的温度，加上后期的分析统计，能够得出比较全面的分析结果。

（3）简述化学传感器的主要组成部分及其功能。

化学传感器主要由两部分组成：识别系统和传导或转换系统。

①识别系统将待测物的某一化学参数（常常是浓度）与传导系统连结起来。识别系统主要具有两种功能：

等的变化形式，传送到电子系统进行放大或进行转换输出，最终使识别系统的响应信号特变为人们所能用作分析的信号，检测出样品中待测物的量。

10．【生物医学信号处理】

简述生物医学信号检测系统的基本组成及各组成部件的功能。

生物医学信号检测系统的基本组成包括信号提取，信号处理和信号输出三大部分。

信号提取部分通常采用电极或传感器感知被测信息，并使之转换成为易于测量和处理的电信号。信号处理部分对获取的信号放大、存储、处理，以达到所需要的结果。

信号输出部分是将各种结果以一定形式显示给使用者，通常要求具备良好的人机对话和适宜的性能，保证能准确的重复被测信息的特征和内容。

11．【解剖生理学】

（1）举例说明生理功能的神经调节。

①神经调节是指由神经系统的活动调节生理功能的调节方式。神经调节具有快速、局限、准确、精确、协调的特点。神经调节的基本过程是反射，反射的结构基础是反射弧。反射弧包括五个基本环节：感受器、传入神经、神经中枢、传出神经和效应器。

②例如，当血液中氧分压下降时，颈动脉体等化学感受器发生兴奋，通过传入神经将信息传至呼吸中枢导致中枢兴奋，再通过传出神经使呼吸肌运动加强，吸入更多的氧使血液中氧分压回升，维持内环境的稳态。（2）举例说明体内的正反馈控制方式。

反馈控制系统分成比较器、控制系统、受控系统三个环节，输出变量的部分信息经监测装置检测后转变为反馈信息，回输到比较器，由此构成闭合回路。如果反馈信息减少了参考输入信息对控制系统的影响，则为负反馈控制系统；反之，为正反馈控制系统。

②当临近分娩时，某些干扰信息可诱发子宫收缩，子宫收缩导致胎儿头部牵张子宫颈部；宫颈受到牵张可反射性导致催产素分泌增加，从而进一步加强宫缩，转而使宫颈进一步受到牵张，如此反复再生，直至胎儿娩出为止。

三、论述题（20分）

（1）生物医学工程学科的知识结构。【提示】

基础理论研究/基础课程：微积分、工程数学、…、生物物理（生物电磁学、生物力学、生物光子学、医学超声）、生物化学、生物技术、生物系统的建模仿真及控制、…

应用基础与应用研究：生物材料和人工器官、生物医学信号的检测与处理、医学影像技术、医学物理（治疗——放射治疗技术、定向能量外科治疗技术、理疗技术与康复）、生物医学仪器、…

（2）举例分析生物医学工程在医学研究项目或医学临床中的应用。【提示】

入学时做了哪些医学体检项目？这些体检项目使用了哪些检验和诊断仪器？分别与生物医学工程的哪些内容（或

者简单地说，哪些课程）相关？为什么？一个需要住院治疗的患者（譬如，腰背疼痛），通常需要哪些检验、诊断和治疗措施？分别与生物医学工程的哪些内容（或者简单地说，哪些课程）相关？为什么？（3）以X射线透射成像为例，分析说明生物医学工程学在医学研究或医学临床中的应用。研发一台X射线透射成像

仪应具备生物医学工程学的哪些知识？涉及生物医学工程专业中的哪些课程？

（4）一个合格的生物医学工程师应该具备初步的医学仪器研发能力。为了培养合格的生物医学工程师，生物医学工程学科在本科教学中应该具备哪些必备的知识结构？已经学习的哪些课程与这一培养目标密切相关？为达到这一培养目标，还需要学习哪些方面的课程？