生物医学工程基础历年真题及答案

生物医学工程基础1 .简述生物力学的研究对象、内容、基本方法和主要特点（20’）定义：生物力学是解释生命及其活动的力学，是力学与医学，生物学等多种学科相互结合、相互渗透而形成的一门新兴交叉学科。

研究对象：力与生物体运动、生理、病理之间的关系。

研究目的：通过生物力学的研究，用力学分析的手段了解、学习、利用、治疗、保护并配合创造生物。

另有仿生学、听诊器、血压计等都利用了生物力学的原理。

研究内容：（1）生物运动学：任务是分析动物的运动。

用一个有限的自由度系统的运动模拟动物的运动，在此基础上研究动物的能量，力与位移、速度与加速度之间的关系。

（2）生物流体力学：研究血液、各种体液等流体的特性及生物体内的流体情况，研究生物与空气、水之间的相对运动。

（3）生物固体力学：研究生物体内形状稳定部分的受力特性和变形性，以及一些医疗体育器械的强度和变形情况。

（4）综合问题：同时考虑多项介质的相关影响。

研究方法：用解析方法或数值方法求解数学模型。

用试验方法测定物理模型或实物试件。

对现场进行分析研究。

特点：另外，生物力学在研究方法上有有别于其他各种物理问题或工程问题的研究方法：①生物力学的试验有“在体”和“离体”之分。

②一部分生物材料（如肌肉）能产生主动力，因此不能用常规的材料试验方法对他们进行研究。

③在体实验分麻醉态和非麻醉态。

2.简述细胞力学的研究内容、实验手段及其应用和发展趋势。

（10’）研究内容：实验手段：应用：①仿生学。

在对生物了解的基础上学习生物的优点，进行发明创造。

②体育竞技等。

通过对生物所做的力学分析，可以更好地发挥生物的效能。

③对疾病的治疗：听诊器、血压计、人体器官（人工心脏、假肢）等基于生物力学。

④从力学的角度改造生物，可以指导运动员的训练等。

发展趋势：主要集中在细胞-分子力学、骨力学、血液动力学、组织工程方面。

宏-微观结合的趋势明显，如骨力学，生物流变学，组织工程等研究开始深入到细胞-分子水平。

3.试述下肢假肢接受腔与残端之间存在哪些生物力学问题。

（10’）1’接受腔/残肢界面应力测试。

2’接受腔CAD/CAM3’有限元分析4’假肢三维刚体动力学的模型5’假肢步态分析、足底受力系统4．简述主要医学成像（X-CT成像、超声成像、磁共振成像、核素成像）方法中任意三种方法的基本原理和所得图像的特点（图像特征适用范围、不同于其他方法的特殊之处）。

（18’）（1）X-CT：基本原理：X射线被准直后成为一条很窄的射线束。

当X射线管沿一个方向平移时，与之相对应的检测器也跟着作平移运动。

这样，射线束就对整个感兴趣的平面进行了一次扫描，检测器接收到了与脏器衰减系数直接相关的投影数据。

图像的特点：与投影成像比较，X-CT具有以下优越性：能鉴别处较小的衰减系数差，对软组织的分辨能力高；可获得任意部位的断层图象，并可重建三维图象；可精确测定组织的衰减系数，有利于组织性质判断。

与MRI等成像比较，X-CT的特点是：分辨率高；骨组织与软组织的分辨能力较强；软组织之间的分辨能力差；对人体有一定的辐射；只给出解剖结构信息，几乎无功能信息。

（2）超声成像基本原理：进入人体的超声波遇到密度变化的组织界面时，产生较强的回波信号。

反射波的延迟确定界面的位置，根据接收到的回波成像，反映人体断面结构，对多普勒回波信号频移的分析，可得血流运动方向和速度信息；图像特点：无伤害性，可以动态显示体内器官的运动情况；(3)MRI成像基本原理：将人体置入一个强磁场中，对人体施加一个一点频率的交变射频场，使探测的质子振动向外辐射能量，人体接受线圈中就会有感应电势产生，收到电信号经计算机处理后，得到人体的断层图像，图像灰度代表磁共振信号的强度，弛豫时间T1和T2，典型MRI对氢核和质子成像。

图像特点：1、基于核磁共振，无高能辐射的危险，对人体无创；2、可以对人体组织作出形态和功能的诊断，fMRI：磁共振功能成像；3、提供精确的解剖结构信息，MRI分辨率高达0.5mm,获取的三维图像数据较容易；4、可以不注射造影剂就可对血管成像；5、直接产生二维数据，无需重建。

（4）核素成像原理：把放射性同位素标记在药物上引入病人体内，当他被人体吸收后，人体成了放射源。

放射性同位素在衰变的过程中，将向体外辐射r射线。

用核素探测器体外定量的观察这些同位素在体内的分布情况，以此成像。

目前是心脏功能评价和心脏疾病诊断的主要手段，但分辨率较低，图像质量差。

4、试从空间分辨率、功能（图像所提供的信息）方面对X射线断层成像、磁共振成像、正电子发射断层成像和超声成像进行比较分析：5、简述生物医学测量的特点。

简述生物测量系统组成及各部分的功能，并举一具体仪器加以说明。

特点：1、生物医学测量基本属于弱信号测量；2、生物体内噪声对测量有重要影响；3、信息测量中容易引入外界环境的干扰；4、生物医学信息的多变性；5、生物医学测量的安全要求：电安全性、机械安全性、化学安全性。

生物医学系统的组成：a、被测对象b、测量仪器c、测量环境生物医学测量仪器的组成:信息获取、信号加工、记录与显示三大部分。

功能：1’感知被测信息并使之转换成为易于测量和加工的电信号或其他性质的信号；2’用以对电机或传感器获取的新信号做放大、存储、信号处理等必要加工，以适于对测量结果的分析、识别和量化，并提供给记录与显示部分;3’将各种测量结果最终以一定形式显示给需要者，并按其需要记录下来供存储分析。

如X-CT医学成像系统，由X射线源、检测器、计算机和显示器构成。

其中，X射线源和检测器为信息获取装置，计算机系统为信息技工装置，而显示器为记录与显示装置。

6、任举三例，说明医学图像处理与分析内容和意义。

（1）医学图像增强内容：空域处理（点处理、邻域处理），频域处理意义：对比度调整；对图像滤波，达到消除图像中的噪声或者增强边缘等提高图像质量，有利于操作者的观察；采用图像处理往往能有效地改善图像的观察效果；抑制噪声；突出边缘。

（2）医学图像变换内容：傅里叶变换、离散余弦变换、正弦变换、沃-哈变换意义：把原先二维空间域中的数据变换到另外一个“变换域”，使一些在空间域不易实现的操作，在变换域中简单，方便的完成。

（3）医学图像分割内容：根据某种均匀性的原则，将图像分成若干有意义的部分，使得每一部分都符合某种一致性的要求，而任意两个相邻部分合并都会破坏这种一致性。

意义：对人体各种组织的正确分割和分类为临床组织病变提供计算机辅助的依据，也是图像三维重建，医学图像可视化的基础。

7、简述医学材料的基本性能要求有哪些？生物医学材料生物功能性内涵式什么？生物医学材料按照化学组成可划分为哪些种类？杂化生物已足额材料的构成特征是什么？基本性能要求：A、生物功能性B、生物相容性C、生物安全性生物功能性：指生物医学材料在植入位置行使功能的能力，或为执行能力，其自身和植入位置应当满足适当的物理化学要求；生物医学材料能否有效的行使功能，除与其自身的物理化学性质相关外，还和其所处的生物环境相关。

生物功能性即指材料本身行使功能必须具有的物理化学性质也包括材料对其植入位置的物理化学要求。

按化学组成分类：1、无机生物医学材料2、金属及合金生物医学材料3、高分子生物医学材料4、复合生物医学材料5、生物功能材料（杂化生物医学材料）杂化生物医学材料构成特征：采用物理或化学的方法将生物活性分子加抗体、抗原等固定在人工材料表面或内部，构成具有生理功能的生医材料，是活体材料与非活体材料杂化组成的新型复合生材。

7’、列举一种典型生物功能材料，说明其在材料体系构成与修复功能上与其他复合生物医学材料的异同，分析金属生物医学材料应用过程中除了满足基本性能要求外，还有哪些特殊要求？列举：将酶固定高分子微胶囊内，利用高分子半透膜，将酶与体内蛋白分开，避免了免疫反应，小分子物质和酶反应产物又可以自由通过高分子膜，达到治疗目的。

用类似方法，利用生物活性分子固定在材料上以制备各种杂化人工器官，代替和修复人体器官，可实现生物功能的目的。

金属材料特殊要求：1、腐蚀问题：金属浸在体液中被腐蚀，降低或破坏金属的机械性能，导致断裂，产生腐蚀物对人体有刺激性和毒性。

2、毒性问题：金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜扩散和破坏溶酶体。

某些金属会引起过敏反应。

3、金属材料的机械性能：健康骨骼具有自行调节能力，不易损坏或断裂。

植入材料不具有自行调节能力，需要比自然骨更高的强度和弹性模量，一般要求强度不低于450MPa。

4、其它问题：冶炼工艺添加剂问题、消毒方法问题、抗凝血及溶血问题、松动问题及多孔材料等。

1、生物医学材料的应用特征是什么？什么是载药生物医学材料？答：生物医学材料的应用特征：生物医学材料很少单独使用，通常是结合在医学装置中替代发生病变或失去功能的生命体器官。

载药生物医学材料：在材料中（最常见是修复材料）复合治疗药物植入人体后缓慢释放，进行辅助治疗。

金属医学材料在临床上的应用：（1）不锈钢作为生物医学材料，在临床上已有多年实际应用，一般作为人工骨、人工关节、接骨板、销钉等；（2）钴基合金目前主要用作人工关节及关节修复体；（3）由于钛合金抗剪切强度较低，一般不作为骨螺钉、骨片及类似应用，钛合金具有一定的形状记忆效应（材料变形后，通过加热可恢复原状），因此是矫形外科、管状器官治疗的理想材料。

8、什么是天然生物材料？在天然生物材料的应用中，对生物组织进行处理的方法主要有哪两种？接近惰性的生物陶瓷材料的行为特征是什么？有哪些主要性能要求？常用的接近惰性的生物陶瓷有哪些？有什么主要用途？（20’）天然生物材料：来自人体自身组织同体（如人尸体）或异体（如动物）同类器官与组织的材料，是天然高分子材料。

人类和动物机体的皮肤，肌肉组织和器官，成机体的基本物质，如蛋白质、多糖、核酸都是高分子化合物，他们在机体内行使各种生理功能。

医用：天然蛋白质材料；天然多糖类材料；经特殊处理的天然生物材料=>生物再生材料(生物衍生材料）。

处理方法：1、维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性和较轻微处理。

2、拆散原有构型，重建新的物理形态的强烈处理。

接近惰性的生物陶瓷行为特征和主要性能要求：在宿主内能维持其物理、化学和力学性能，并由此而长期的维持其生物功能。

应该是无毒、非致癌、不过敏、不发生炎症的。

常用的惰性生物陶瓷主要有：氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、单相铝酸钙陶瓷、碳素材料等。

氧化铝陶瓷——由于氧化铝陶瓷具有优良的抗腐蚀性能、良好的生物相容性、高的强度和耐磨损性能，常将其应用于承重、承力的髋关节、膝关节置换体、牙科种植体等。

氧化锆陶瓷——基于氧化锆陶瓷优良的生物相容性、良好的断裂韧性、高断裂强度和低弹性模量，适合制作需承受高剪切应力的人工关节。

碳素材料——制作人工心脏瓣膜等。