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。

T接受腔CAD/CAM

13,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：

X线机X-CT磁共振PETUS

功能透视断层结构断层结构代谢功能结构形态

拍片代谢功能血流测量

组织定征

特点设备简单断层摄影断层摄影断层摄影无创、无电离辐射

电离辐射电离辐射设备昂贵分辨率低断层成像实时动态

影像重叠非实时非实时放射性药物形态功能与定征

设备价格便宜

空间分辨率分辨率低，能分辨率高，骨分辨率较分辨率低分辨力低，图像质

区分软组织组织、软组织X-CT低，对量差

的细节分辨力强，软软组织的诊

组织之间分断能力强

辨力差

主要应用领域骨骼、血管等脑、骨、钙化脑、神经、血人脑、心脏、肝器外形及大小、

管、肌肉等软全身其他器柔度或可动度；病

组织官及肿瘤边缘回声；内部结

构特征；同临关系

等，心脏功能评价、

心脏疾病诊断

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：

r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）钻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、氧化错陶瓷、单相铝酸钙陶瓷、碳素材料等。

氧化铝陶瓷一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、承力的骸关节、膝关节置换体、牙科种植体等。

氧化错陶瓷一一基于氧化错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。

碳素材料一制作人工心脏瓣膜等。生物碳素材料具有良好的生物相容性和血液相容性，广

泛用于心血管材料；与人骨弹性模量相近，可作为牙科种植体构成材料。

什么是生物活性材料？生物活性材料的组成特征？

生物活性材料是一类能在材料界面上诱发出特殊生物反应的材料，这种反应导致组织与材料

之间形成键合。

特征：可降解，可诱导成骨，组织与材料之间形成键合。

生物活性陶瓷的组成中含有能够通过人体正常新陈代谢途径进行置换的钙、磷等元素，或含

有能与人体组织发生键合的羟基（OH-）等基团

9、什么是人工器官？它的主要作用是什么？试比较天然器官移植与人工器官的优缺点。（13，）

人工器官：广义：不论体内或体外、短期或长期、局部或全部的补偿、替代或修复人体天然

器官或其功能的人造装置，都可认为是人工器官。人工器官作为一种医疗方法或装置，是对

人体器官的某种模拟。狭义：只有那些替代了原自然器官的位置，并能发挥其余全部功能的

和具有生物活性的人造装置才是人工器官。

主要功能：功能和置换俩方面

人工器官和天然器官的对比：

自然器官一般都具有多种功能，而人工器官仅能代替天然器官的部分功能。天然器官都具有

生命活性，而人工器官很难有。同种天然器官的生物相容性好，而人造材料与机体相容性不

好。天然器官无需加以控制，而人工器官需加以控制。天然器官可生长与自我修复，而人工

器官不生长与自我修复，但天然器官供体有限，而人工器官可大量生产。

试举一例说明一种工器官的分类、基本组成、应用和组成的基本问题。（以工心瓣为例）（10，）

分类：机械瓣：笼球瓣、笼碟瓣、斜碟瓣、双叶瓣

生物瓣：同种生物瓣、异种生物瓣

基本组成：瓣环、瓣架、阻塞体

应用：置于心脏的相应位置（不一定是天然心瓣的原位置），替代天然心瓣开放或阻断功能

（止逆阀）的人造装置。

基本问题：（机械瓣）：血液相容性问题始终存在，导致凝血和血栓。更换机械瓣的病人需终

生抗凝。此外在流体力学和机械性能上也存在欠缺。

（生物瓣）：瓣开口面积小，跨瓣压差大，有类射流效应，类脂质沉积，钙化衰变。

10、人工肺有哪些（各种临床应用）？什么是血液透析？它的主要作用是什么？

人工肺的作用：①CPB心肺旁路

②ECMO体外膜式氧合器

③ECCOR体外CO2排除法

@CPCR心肺脑复苏

⑤IVOX静脉血管内氧合器（植入式人工肺）

⑥重要器官保存

⑦人造子宫

⑧人工肺辅助

血液透析：将血液用人造的装置来加以过滤。

作用：对血液进行过滤，滤除血液中有毒的含氮化合物，调节PH值，维持正常的血浆电解

质平衡。

人工肾叫血液透析器，广义地说，体内或体外的部分或全部地短时或长期的替代人体肾及其

功能的装置可称为人工肾，主要用于治疗急慢性肾衰和尿毒症，目前的人工肾主要用于治疗

和作为天然异体肾的移植的过渡或桥梁。用于排泄和调节。

生物医学材料的生物安全性--采用生物学方法检测材料对复合体的毒副作用,从而预

测该材料在医学实际应用中的安全性。

包括,材料对受体局部组织、血液和整体的反应,对受体的遗传效应等。

11＞简述人工机械心瓣与人工生物心瓣的优缺点。（79

机械生物

优点：使用寿命长，终生使用与机械心瓣相比，人工生物心瓣：

1、中心流型，血流状态接近天然心瓣状态。

2、瓣叶有柔性，挠性，对血液损伤小。

3、表面相容性好，血栓生成少。

4、不用终身抗凝

5、无噪音。

缺点：1、阻塞体（瓣叶等）多为非中心流型；1、瓣开口面积较小。

阻碍正常的血流状态，即使是最好2、跨瓣压差较大。

的双叶瓣，也仅是近中心流型。3、有类射流效应。

2、人工材料与人体组织相容性差，易4、类脂质沉积。

产生血栓。5、钙化衰变。

3、必须终生抗凝，因此易导致大出血。

4、有时会发生机械结构失灵，会直接

威胁生命。

5、机械瓣多是刚性材料，关闭不是

十分柔和。

一、填空题(2005)

1、人工器官的作用主要是功能与置换两个方面。

2、器官移植可分为同种异体器官移植与异种器官移植。

3、按应用部位分类，可以将人工器官分为体内与体外两大类。

4、心肺旁路是人工肺最早最基本的应用，体外循环是它实现的前提，它是由重合

器、、插管与管道、血液回收器、过滤器、热交换系统等组成。

5、以工作原理进行分类，人工肺可分为直接接触式与间接接触式-

6、膜式人工肾可以分为平板式与中空纤维式。

7、人工输尿管的关键是抗返瓣的设计。

8、心血管系统人工器官主要是人工心瓣、人工心脏辅助、全人工心脏o

9、人工心瓣按材料分为机械瓣和生物瓣0

10、人工机械心瓣由瓣环、瓣架和阻塞体三基本部分组成。

11、全人工心脏由血泵、功能系统、驱动系统、自动检测控制系统四部分

组成。

12、人工肝分为非生理人工肝辅助、生理人工肝辅助和杂化式人工肝三类。

13、在运动系统的人工器官中，最普及用量最大的事人工肝和人工关节-

14、克隆器官的关键是克隆技术与定向分化培育。

15、克隆器官有技也、社会和伦理等问题。

二、简述生物医学工程的一般定义；说明生物医学工程研究的目标是什么？(10)

一般定义：综合运用现代自然科学和工程技术的原理、方法，从工程学的角度在

多种程度研究生物体，特别是人体的结构、功能和其他生命现象，揭示和论证生命运动

的规律，深化对生命系统的认识，提供防病、治病、卫生保健、康复、安全防护的新理

论和新方法，设计和研制用于防病治病等的新材料、人工器官装置与系统的新兴交叉学

科。

应用物理学和工程学的技术来解决生命系统中的问题,突出强调人类疾病的诊断、

治疗和预防。

研究的基本任务：

运用工程技术手段研究和解决生物学和医学中的有关问题。

三、六十年代将生物医学材料的定义为“植入活体内或与活体结合而设计的生活体系

统不起药物反应的惰性物质”；80年代则将生物医学材料定义为“用于取代、修复活

体组织的人造的或天然的材料”。请从生物医学材料定义的演变分析生物医学材料的

发展。(10,)

60年代对生物医学材料的定义特征为：人造、非生命、应用、生物相容、无药物

反应一生物材料与药物的区别。

惰性一化学稳定，生物稳定。

随着生物材料的发展，该定义已明显不适应生物材料的功能与范畴的飞速发展一

一载药生物材料，生物活性材料。

80年代的定义

不限制：人造/天然，体内/体外，活性/惰性，长期/短期。

范围：医用、生物相容。

生物医学材料的应用特征：通常结合在医学装置中替代发生病变成失去功能的生

命体器官。

最早的应用追溯至公元前3500年（棉花纤维、木片修补颅骨缺损等）

20世纪，高分子材料的应用带来了生物医学材料的巨大发展。

20世纪50年代，各种复杂人工器官的出现，使生物医学材料学科与其他相关技术

的交叉与渗透更趋深入，进入新阶段。

骨修复材料的基本功能特性：（特征：可降解，可诱导成骨）硬度，强度，弹性模量。

四、什么是组织工程材料？组织工程材料有什么优点？骨组织工程支架材料有什么性

能要求？（15'）

组织工程材料：为解决器官或组织损伤的修复，利用组织工程将活体某一器官的细

胞在体外进行分离培养，种植到三维支架上植入体内，使细胞借助支架和营养物慢慢生

长出新的细胞和器官。从材料学与工程观点看，这种具有生命的活体组织科视为细胞的

复合生物材料，即为组织工程材料。

优点：无抗原性，来源不受限制，可按预先设计塑性，具有生命力和功能比较。

学术：（1）高的孔隙率，大的表面积，以培养更多的细胞，为再生器官提供足够的

细胞。

（2）高的结构强度，这对修复硬组织尤为重要。

（3）特殊的三维构型。

（4）加工的技术先须使其制备的支架构型不引起不利于生物相容性的效应。

（5）待成熟后自行降解，降解的碎片不引起炎症和毒性（骨组织工程化材料常用

课降解的磷酸钙陶瓷，如0-磷酸钙陶瓷作支架材料）

四'、简述组织工程的概念及其在人工器官中的应用（8,）

组织工程：应用生命科学和工程学的原理和方法，去认识动物的正常和病态的结构

——功能的关系，建造一种生物装置来维护、增进人体细胞核组织成长，已恢复或重建受

损组织或器官的结构和功能，维持或改善组织器官的一门新兴边缘学科

组织工程在人工器官中的应用：利用组织工程的概念与方法，产生具有生物活性的

组织，可成为器官的部分替代物。人工器官的关键是材料。为了发展人工器官，人工材料

的研究必须先行。在活性生物材料的基础上开发具有生物活性的人工器官，这就是仿生人

工器官。目前主要的途径就是组织工程器官。

组织工程材料用于制备组织工程化人工器官和组织（仿生人工器官和组织），如人

造血管,骨和软骨,人工胰脏,肾上腺,人工皮肤,神经再生等。

五、尽你所能论述生物力学与组织工程的关系（25，）

无论是广义而言还是狭义而言；无论从科学基础层面还是从工程技术层面来看，生

物力学都是组织工程的不可或缺的基础。大体而言，主要包括：

1、组织、器官在体力学环境（应力分布等）的分析和在体力等环境外模拟（调控）。

2、应力一细胞发育、增殖、分化的关系。

3、细胞---材料表面之间的mechano-chemicaleffects.

4、细胞粘附，变形，运动的力度规律及生物学图式形成和变化的动力学规律。

5、离体培养组织植入体内后和机体组织的相互作用。

6、细胞/组织三维培养系统的流动和传质规律。

7、离体培养组织的力学性能及其和自然组织性能的比较等等。

生物力学和生命科学的真正结合，是组织工程未来发展中至关重要的一点。

六、描述有创/无创测量方法的分类和定义，并举出实际的例子(30，)

‘无创测量

按测量条件分有创测量

、微创测量

无创测量：又称非侵入式测量，其测量系统的探测部分不侵入生物体组织，不造成

机体创伤，是生物医学测量技术的发展方向。如大量高速发展的医学成像技术(X-CT、

MRLUS等)。举X—CT

有创测量：又称侵入式测量，其测量系统的探测部分需侵入生物体内，会造成机体不同

程度的创伤。慎用，一般用于危重病人监测、动物监测。如心内或大血管内的血压或血流形，

因难以从体表有效传递生物信息，故采用心导管手术等有创方法进行测量。

「植入式测量

微创测量J

L内窥检查

植入式测量：将测量系统的部分或全部经手术埋植于体内，多用于长期连续测量生物

体的功能状态和控制心脏起搏器等人工器官装置及某些自动输药系统。安全性和可接受性均

优于有创测量。

内窥镜检查：如胃镜、直肠镜、膀胱镜等，它们基本不损伤皮肤，不侵入机体的组织，

只会引起轻微的组织擦伤和不适，信息失真小，信号强，测量准确。

七、CT成像的原理可用以下三个公式来描述，请说明每个公式的含义及其在X—CT中的

实现方法。

(1)Po(t)=/爹f(x,y)8(xcos0+ysin0—t)dxdy

(2)S0((o)=F(w,0)=F((ocos0,a)sin0)其中3,。为极坐标中的变量，

且u=(ocos0,v=(osin0；

S0((o)=虞Po(t)e-j2n3tdt;f(x,y)=「口虞F(3,6)42ngxcose+ysin。)3d3d&

(3)F(x,y)=.[J：；se(3)|3|ej2n3td3]g

(1)表示函数f(X,y)沿直线xcos0+yCOS0=t线积分，此投影称为函数f(x,

y)的Radon变换。

即假设要重建的图象性质用一个密度函数f(x,y)表示。设某一投影方向，对每一条

投影线计算密度函数的线积分，可得该投影线上的投影值。计算出该投影方向上所有的

投影值，可得该方向的投影函数。

(2)Fourier中心切片定理

函数f(x,y)在e方向上投影函数的一维Fourier变换，等于极坐标下该函数二

维Fourier变换中沿同一方向且过原点的直线上的值。

取无穷多个角度，F(u,v)在u-v平面上的每一个值都可得到对F(u,v)作Fourier

变换，就可恢复函数f(x,y)

(3)滤波一反投影图像重建法

将f(x,y)转变为极坐标(w,0)形式，得到需要重建的图像的公式。

八、MRI成像系统中存在三种主要的磁场，即静磁场，射频场和梯度磁场。请分别说明这三

种磁场的作用。(10)

静磁场的作用：在静磁场B0的作用下，磁轴原为任意取向的自旋质子，将依外磁场的方向

重新取向，并依拉摩尔方程(LarmourEquation)的规律，以新的角速度(自旋频率)自旋，

产生自旋质子的“进动”运动。

因此，静磁场的作用是使自旋质子进动。

射频场的作用：具有一定进动频率的自旋质子，当受到相同频率(拉摩尔频率)的脉冲电磁

波(射频脉冲)B1呈一定的方向进行“激励”时，部分低能态的自旋质子，则可吸收脉冲

电磁波的能量，“逆转”为高能态质子。一旦射频脉冲处于暂停的瞬时，由低能态逆转为高

能态的自旋质子，将会回复为低能态质子，并将它们所吸收的能量，以电磁波的形式，重新

释放到质子的周围环境。这时，在质子周围(受检人体周围)如果置有探测器，便可检测到

电磁波信号、即磁共振信号。上述过程，也就是自旋质子的磁共振现象。

因此，射频电磁场的作用是产生磁共振。

梯度磁场的作用：为了检测3D空间中每一点的T1和T2,施加梯度磁场定位空间点，并使

B0沿z轴方向。在z方向施加线性梯度场Gz(与B0相比很小)，Z方向的不同点受到不同

的磁场(B0+Gz)作用，受激后不同的射频信号，从而定位来自不同空间点(Z方向)的信号。

同理，在X、Y方向也施加线性梯度场，以全面实现信号源的空间定位。

因此，梯度场的作用是实现磁共振信号源的空间定位。

九、试述图像变换在医学图像压缩和医学图像分割中的作用(10)。

(1)在医学图像增强中，点处理实际上是一种图像灰度变换，而图像增强的频域处理中，

图像经过滤波器对信号频率成分的滤波可在变换域实现，即把原始图像进行正变换，设计一

个滤波器用点操作的方法加上频谱数据，然后进行变换。

(2)图像压缩：在医学图像压缩中，有一类“变换编码”是利用余弦变换(DCT)、沃尔什

—哈达玛变换WHT等图像变换方式对信息进行压缩的，压缩效果很好。

(3)医学图像分割的算法中，有基于小波变换的方法。用小波进行医学图像阈值分割的思

想是利用二进制小波变换将图像直方图分解为不同层次的小波系数，依照给定的分割准则和

小波系数选择阈值门限，整个过程由粗到细，由尺度来控制。

十、简述膜式人工肺原理，比较膜肺与鼓泡式人工肺。(10')o(为什么鼓泡式人工肺最终

被膜肺所取代？)

模式人工肺根据天然肺的原理设计，血液与气体不直接接触，而由一层人造薄膜相互隔开,

即气液两相各走自己的通道。气体通过膜的传质是通过膜内点阵、孔穴或微孔进行的。

由于膜孔的尺寸较小，同时选用疏水性的人造膜材料，这层膜允许氧气和二氧化碳气体自由

通透，而不允许血球和血浆通过。由于血液和氧气不直接接触，避免了血细胞的破坏和蛋白

质的变性，减少了气栓和微栓的形成，可用于长期体外循环，适用于呼吸辅助支持(ECMO)

和人工肺的其他多种用途。

2、试述口腔正畸、修复、种植医学领域存在哪些生物力学问题？（20,）

根据口腔的结构和临床治疗，简述2-3个口腔医学中的力学问题及其研究方法手段和研究

现状等。（20'）

在口腔正畸领域，生物力学角度所涉及的问题是探讨矫治力传递所致应力分布和规律，以探

索矫治机制。C1'口腔正畸中的多层次（宏观、细胞等层次）的生物力学机制研究

2,口腔正畸的系统建模与仿真及其应用研究；

生物力学问题I3，“无托槽正牙新技术”的生物力学基础及应用性研究

]4,口腔正畸微植体支抗、舌侧矫治器的生物力学研究

5,颗下颌关节（TMJ）改建的生物力学研究；

、6,与口腔正畸中的应用软件和仪器开发

修复：口腔修复体的材料力学特性、结构的的应力分析、构型优化设计、疲劳与破坏等均与

生物力学有密切的关系。

r固定修复和可摘局部义齿修复基牙及牙周组织的生物力学特性研究，

2,与颍下颌关节的生物力学研究，牙颌面畸形矫治的生物力学研究；

3,机械应力下成骨细胞、软骨细胞在骨改建中的细胞、分子机制生物力学研究；

4,口腔修复体，如桩冠修复、桥、精密附着体的生物力学研究等。

种植：口腔种植体构型设计、骨整合、口腔种植体材料的力学特性评测等与生物力学关系密

切。生物力学问题：种植牙作为一个生物仿生器官，其行使咀嚼功能时所应具有的生物力学

特性以及种植牙与颌骨间的牢固骨整合成为本领或最为关注用｝研究焦点、。

3、试从宿主反应和材料反应两个方面说明生物医学材料生物相容性的意义。（20，）

生物相容性（不引起急性或慢性炎症，对周围组织不呈现异物感特征）是指生命体组织

与非生命材料产生合乎要求的反应（生物学行为）的一种性能，即生物相容性表征生物医学材

料的生物学性能，它决定于材料与活体间的相互作用。

（1）宿主反应：包括局部和全身反应，如：炎症、细胞毒性、凝血、溶血、刺激性、

致敏、致癌、致诱变、致畸、免疫反应等。其结果可导致对机体的毒副作用和机体对材料的

排斥。

（2）材料反应：主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可能使材料性质腐蚀变化，

甚至破坏。因此,对生物医学材料必须进行生物相容性评价,要求生物医学材料植入人体后，

其宿主反应和材料反应必须保持在可接受的水平。

材料的生物相容性与其使用目的和条件密切相关，如血液相容性、组织相容性等。

4、简述复合生物医学材料的定义及其复合体系与复合方式的种类；试举一典型复合生物医

学材料，分析其复合的目的和意义。（16，）

定义：广义的讲，由两种或多种有机高分子、无机非金属、金属或天然生物等几类不同材

料通过物理、化学或生物不同工艺组合而成的具有生物相容性的材料。

复合体系：有机/有机复合；有机/无机复合；无机/无机复合；金属/无机复合。

复合方式：表面复合；整体复合；多层复合。

复合目的：增强、改进、功能化

如：HA加入到聚乳酸中，（1）粉体加入，强度上升；

（2）调节聚乳酸降解速率（增大表面积）；

（3）降解的乳酸呈酸性，产生无菌炎症，抑制成骨细胞生长增殖，用HA中和乳酸的酸性。

列举三种金属生物医学材料并说明其在临床中的用途

（1）不锈钢：人工骨、人工关节、接骨板、销钉等；

（2）钻基合金：人工关节及关节修复体；

（3）钛及钛合金：人工骨替代材料，人工心瓣等人工器官的基本材料。

10、（1）医学图像处理中的图像增强的目的是什么？（2）空域和频域增强的方法主要有哪

些？试分别举例说明。

（1）目的：采用某种技术手段，改善图像的视觉效果，或将图像转换成更适合人眼观察和

机器分析识别的行式，以便从图像中获取更有用的信息。

（2）空域处理：点处理（图像灰度变换、直方图均衡、伪彩色处理等）；

邻域处理（线性、非线性平滑和锐化等）。

频域处理：高、低通滤波，同态滤波等。

一、填空题（2006年）

3.人工机械心瓣是指用人工制造或合成的无机或有机的材料,制成与天然心瓣相识的

形状，置于心脏的相应位置，替代天然心瓣开放或阻断功能的人造装置。

4.钙化是人工生物瓣的最大缺点。它不仅限制了病人的适用范围，还限制了瓣的寿命。

7.人工胰的主要功能和作用是替代天然胰脏内上心细胞的功能，输送供给或分泌胰

岛素以治疗糖尿病。

9.导致膝关节置换的嘴主要原因是骨关节炎。

11.人工器官研究与开发中的问题主要是材料、价格和社会伦理道德等问题。

四、简述生物功能材料的定义；试举一典型生物功能材料，简述其制备方法并分析其在植

入人体后的行为特点。（209

定义：采用物理或化学的方法将生物活性分子如酶、抗体、抗原、多糖类、酯类、药物及细

胞等固定在材料表面或内部，构成具有生理功能的生物医学材料。是活体材料与非活体材料

杂化组成的新型复合生物医学材料，也称为杂化生物医学材料。

如：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。

五、试从诊断、治疗和基础与临床的研究三个方面说明医学图像的作用。（15，）

医学图像的作用主要表现在诊断、治疗、研究三方面。

医学图象在临床诊断中的应用：

＞提高临床诊断的水平

＞实现治疗中的监护，提高治疗中的有效性

＞外科手术的规划

＞为基础医学提供研究手段

＞图象的计算机管理

六、二维X-CT图像重建主要有哪几种方法（至少列举三种方法）？试根据图说明X-CT

中用傅里叶变换法重建图像的基本原理。

重建方法：①直接Fourier逆变换重建算法

②直接反投影重建算法

③滤波一反投影图像重建算法

④卷积一反投影重建算法

基本原理：1）对每一个角度的投影，计算其一维的Fourier变换；

2）计算所有角度的投影，形成Fourier变换域的函数F（s⑼；

3）计算F®S）在极坐标下的二维Fourier逆变换。

八、请写出一种描述血液的本构方程，并加以解释（20，）

血液的稳态方程：Casson模型

="■+n.'Y

rc为Casson屈服应力，nc为Casson粘度。

Casson方程描述血液与时间发展无关的本构方程，描述高剪切条件下血液的流变行为,

在较高的切变率范围内，人血与母牛血同Casson方程符合很好。不但红细胞悬浮液.而且

白血球悬浮液也符合Casson方程。

满足Casson方程的物质是一类较简单的非牛顿流体，其主要特点是存在屈服应力。

1、现代医学的主要任务是什么？生物医学工程的主要任务是什么？举例说明生物医学工程

在现代医学中的作用。（15，）

现代医学的主要任务：诊断一一治疗一一康复一一预防

（1）预防疾病和损伤，促进和维持健康；

（2）解除由疾病引起的疼痛和痛苦；

（3）治疗和照料那些无法治愈者；

（4）避免早死，追求安详死亡。

生物医学工程学的基本任务：运用工程技术手段,研究和解决生物学和医学中的有关问题。

作用:生物医学工程学在保障人类的健康和为疾病的预防、诊断、治疗、康复服务等方面发

挥着巨大作用。另外，又由于它的高技术含量大，正在创造巨大的经济效益。如人工肺的应

用……

2、分析生物材料表面对血浆蛋白的吸附程度及选痒性对其血液相容性的主要影响。

蛋白质的吸附对生物材料的生物相容性影响巨大。

1）血液与材料表面接触，首先发生的是血浆蛋白在表面上的吸附。表面吸附的蛋白包括白

蛋白、丫球蛋白和纤维蛋白原。

2）材料表面对蛋白的吸附速度与蛋白的种类、材料表面性质、吸附条件等有关，其吸附曲

线都属于Langmuir型。

3）这三种蛋白在材料表面的吸附对其血液相容性的影响非常大。白蛋白的吸附使表面变得

更相容，而了球蛋白和纤维蛋白原的吸附则加速了凝血。

4）材料表面性质对蛋白的吸附量有明显影响，亲水性表面比疏水性表面吸附蛋白量少。

选择性:蛋白质在材料表面的另一特征是吸附相的选择，从而导致其蛋白质相对其他蛋白质

的富集。

4、人工心瓣的概念、分类、基本组成和存在的基本问题。（15，）

人工心瓣：心瓣是一种单向止逆阀，它开放允许血液流向下游，而关闭时却阻止血液反向流

动，人工心瓣是人工制成的阀门，代替出故障的天然心瓣的功能。

分类：按材料分机械瓣（人造的材料制成）：笼球瓣、笼碟瓣、斜碟瓣、双叶瓣

生物瓣：（动物或人体的组织材料加工制成）同种生物瓣、异种生物瓣

基本组成：瓣环、瓣架、阻塞体

基本问题：人工机械瓣：1、阻塞体（瓣叶等）多为非中心流型；阻碍正常的血流状态。

2、人工材料与人体组织相容性差，易产生血栓。

3、必须终生抗凝，因此易导致大出血。

4、有时会发生机械结构失灵，会直接威胁生命。

5、机械瓣多是刚性材料，关闭不是十分柔和。

生物瓣：1、瓣开口面积较小。2、跨瓣压差较大。

3、有类射流效应。4、类脂质沉积。5、钙化衰变。

5、简述人工肝的分类及改进。（15，）

分类：非生理人工肝辅助：在体外血液灌流一过滤、吸附解毒、血浆换解毒；

生理人工肝辅助：用动物肝脏替代人的肝功能（即交叉式灌流）；

杂化式（混合式）人工肝：用细胞材料与细胞杂化混合解毒（组织工程人工肝）。

改进：（1）分离正常的人类肝细胞，以便将人肝而不是动物的肝细胞用于人工肝的支持系统。

（2）采用新的支持物、生长因子、与其他类型的细胞共同培养，或将肝细胞聚集或球

形或成串。

（3）确定人工肝支持系统的最佳肝细胞用量。

（4）改进技术，探索便于使用的人工肝辅助装置，从而更普遍的应用之。

（5）开发更为相容的体系。

（6）改进血浆分离的方法以使之更长时间使用。

（7）发展新技术手段，如组织工程人工肝。

7、试列举出3个生物医学测量的特点，并对其中一个举实例加以说明。（15，）

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。

“生物体内的噪声对测量有重要影响”中

例如在人体表电极提取人体信号时，同时可以提取到肌电信号，两者叠加在一起，因此，

在测量中必须采取措施抑制肌电信号（肌电噪声）。

在生物医学测量中，不仅要抑制仪器系统的噪声，更重要的是要充分认识人体噪声的性

质和特点，采取有效办法（如滤波、相关或自适应处理，改进信号耦合方法等），从人体噪

声中提取出有用信号。

9、什么是辐射？什么是电离辐射？什么是射频辐射？射频辐射对机体是否有不良影响，影

响大小与哪些因素有关，有哪些表现？MRI的辐射属于电离辐射还是射频辐射？降低MRI

中被检者所受电磁损伤的核心是什么？（10，）

电离辐射：在辐射防护领域，能在生物物质中产生离子对的辐射。

射频辐射：是非电离附设的一种，主要是高频，微波。

射频辐射对机体会产生不同程度的不良影响，其影响的大小主要与辐射频率、电磁场

强度、波的性质、弛豫时间、机体与辐射源的距离和方位、暴露部位的的大小、组织含水量、

有无脂肪层、散热能力以及有无防护措施等因素有关，其中频率是个主要因素；高频辐射对

机体影响较小，主要表现在引起神经衰弱综合征和心血管系统的植物神经功能失调；微波辐

射对人体影响较大，主要为热作用和非热作用两方面。

MRI的辐射属于射频辐射。

核心是铁磁性物质的投射效应；体内置入物。

10、什么是反投影重建？反投影重建的缺点是什么？CT重建中为什么采用滤波反投影法?

已知一个四像素图像（2*2）,分别获得六个投影数据，包括两个水平方向，两个垂直方向

和两个对角线方向，分别是11、9、7、13、12和8,如图所示，解出这四个像素各像素值。

（10分）

迭代开始，先令所有的重建单元的值为0,第一步

计算出垂直方向的投影值，分别都是0,如右下图。

把这个计算值与实测值11和9相比较后，将其差

值除以2以后分别加到相应的单元上去,就可得到

垂直方向的迭代结果，如右下图。

/⑴=力⑴=0+号=5.5

力⑴=/『=0+一=45

1~5-1|1~5~|

在此基础上可以再做水平方向的迭代，-E3

此时有计算值10、10,实测值为12、8,

将它们比较后求出差值，分别加到有关咽

的象素上去，结果是：固血

/；(2)=5.5+12-10=6.5

8-10

力⑵=5.5+=4.5

2

12-10

”4.5+8；°=3.5舟为=4.5+=5.5

最后再作对角线方向的迭代，就得到了所要求的真实数据。

力⑶=6.5+7；。=5公—3”"

力⑶=4.5+】3；0=6力⑶=3.5+7；。=2

反投影重建:把每次测得的投影数据原路反投影到射线经过的各个象素上。也就是说，指定

投影线上所有各象素点的值等于所测得的投影值。

缺点:反投影重建的图像会出现图像的边缘失锐(即为一种伪像)现象。

CT重建中为什么采用滤波反投影法：经滤波处理后,每个投影波形不仅包含了代表X线强

度的正向脉冲，同时其相邻一边又加上了反向的修正脉冲-将这些滤波函数与投影波形相加,

云晕状阴影就抵消了。抵消得越彻底，反投影重建图像就越接近原来物体。

11、医学图像的研究包括哪三个方面的内容？试分别加以说明。(10，)

A.医学成像系统：图像形成的过程；成像机理、成像设备、成像系统分析

B.医学图像处理与分析：对已获得的图像，采用各种算法进一步处理；

增强、特征提取、分类、分割、识别等。

C.医学图像应用研究：临床；基础医学。

1、生物医学工程的目标是什么？举例说明生物医学工程在现代医学的疾病预防、诊断、治

疗及康复中的作用？(15，)(一般定义、基本任务、研究目标、特点、内容)

目标：几乎所有工程学和物理学都可与生物医学相互结合，探索人类正常生理学;表征组织

与器官的病变机理；给出研究和技术开发的最佳手段;提供治疗与预防的有效方法。

举例：

(1)、疾病预防中的生物医学工程：病毒与细菌的隔离；

病毒与细菌的杀灭；

有毒、有害物质的清除。

(2)、医学诊断中的生物医学工程：医学图像：超声图像、CT、X-光片……

生物信号：心电、脑电...

医学检验：核磁共振、内窥检验……

(3)、医学治疗中的生物医学工程：激光手术、上刀

超声碎石

癌症的放射治疗与化学治疗

靶向药物与生物导弹

器官修复中的组织工程

人工胰一一血糖测定与胰岛素注射

(4)、医学康复中的生物医学工程：畸形矫正

人工义肢

可视义眼

人工耳膜

特点：A、迅速发展的新兴学科

B、大跨度、多学科的综合性应用学科

C、生物医学工程是医学和生物学发展的重要动力

D、生物医学工程是社会效益与经济效益的综合

5、简述主动脉气囊反搏（IABP）的基本原理和操作原理。（10，）

基本原理：假定病人尚有血压维持，用机械的方法将外界能量引入循环系统，以支持病

人的血液循环，挽救病人的生命。

利用“反搏”原理与心脏的心动周期同步运行，使冠状动脉的血流量增加，和心脏的后

负荷下降的装置。

操作原理：用一根带有气囊的导管插入降主动脉得近心端，在心脏收缩期气囊内气体迅速

放空，造成主动脉压力瞬间下降，心脏射血阻力降低，心脏后负荷下降，心脏排血量增加,

心肌耗氧量减少。舒张期主动脉瓣关闭同时气囊迅速充盈向主动脉远近两侧驱血，使主动脉

根部舒张压增高，增加了冠状动脉血流和心肌供氧，全身灌流增加。

7、什么是在体测量和离体测量？并举出对应的生物医学仪器。（15，）

（1）在体测量：指在生物体活体上对组织结构和功能状态所进行的测量。特点是测量过程

中保持生物体的自然生理状态，能实时反应生物体的各种被测参数。主要用于生理检查、病

人监护等中。

其对应的生物医学仪器：脉搏测量仪、心音测量仪器、听力计、眼压计等。

（2）离体测量：指对离体的血、尿、活体组织或病理标本之类生物样本所进行的测量。主

要用于病理检查和生化分析中。

仪器：临床生化分析仪、医用分光光度计、血气分析仪、电泳仪等。

8、列举生物医学测量仪器的主要技术指标（6个以上），并对其中一个加以详细说明。（15，）

（1）灵敏度（2）频率特性（3）精密度（4）非线性度（5）准确度

（6）漂移（7）分辨率（8）输入阻抗和输出阻抗（9）漏电流

如灵敏度：灵敏度是指仪器在稳态下输出量变化与输入量之比。可表示为：S=詈。

AA1

对于线性仪器，灵敏度为常数，并可用满量程的输出量与相应输入量之比来计。灵敏度是将

仪器的输出量校正为输入量的依据，也是仪器测量弱信号能力的反应。仪器灵敏度愈高，愈

有利于小信号的测量；但对于干扰信号也愈敏感，仪器的稳定性愈差。

9、某人重75kg,手握重5kg的球，而手肘呈90°。

1.二头肌（bicep）须出力多少以维持前曾于衡工

2.前臂施加多少力于肱骨（humerus）?j?|

radius

1

ulna

解：根据静力平衡和静力矩平衡

前臂的重量为体重的0.022,

故m=0.022*75=1.65kg,

16一I7Z

臂重心位于POP=0.31m处。2

O.682L

0.38tn

对于肘之支点O,其力矩之和

EM=-rOEX(-FA)+rOBX(-5*9.8j)+ropX(-1.65*9.8j)=0

=>0.05FAk-18.62k-5.01k=0

.♦•手肘的垂直力为FA=472.6N

而根据力平衡式，

SF=Fci-Fj+FB(-cos75°i+sin75°j)-49j-16.17j=0

=>FC-0.259FB=0and-537.77+0.966FB=0

二头肌施力为FB=556.7N

•••手肘的水平力为Fc=144.1N

故前臂的施力为F=Fci-FJ=144.1i-472.6j(N)

10、医学图像研究包括哪三方面的内容？简述它们的研究内容和任务。

(I)医学成像系统

研究内容：研究图像形成的过程和设备。包括成像机理、成像原理与算法、成像设备、

成像系统的分析等。

任务：把人体中医生感兴趣的信息提取出来，并以图像的形式表现出来。

(2)医学图像处理

研究内容：针对已获得的图像作进一步的处理，使之更有利于医生视觉观察，或进行计

算机分析，从而获得从图像中无法直接获得的信息。

任务：在获得医学图像以后，对其进行处理、分析、识别、采样、分类等，以把某些

部分增强，或提取某些特征。

(3)医学应用研究

应用医学成像所提取的信息，进行生理或病理学研究，从而认识人体生理活动的规律，

探索疾病的机理。

11、X-CT图像重建的目的是什么？X-CT机上普遍采用的是滤波反投影重建法，简述其优

点和重建步骤。(10')

目的：根据所得到的某种形式的投影数据，解算出成像平面上各体素点上的CT数的具

体数值，并以不同的图像灰度或颜色直观反映不同组织之间这些性质的差别。

优点：经滤波处理后，每个投影波形不仅包含了代表X线强度的正向脉冲，同时其相

邻一边又加上了反向的修正脉冲。将这些滤波函数与投影波形相加，云晕状阴影就抵消了。

抵消得越彻底，反投影重建图像就越接近原来物体。

重建步骤：书P214

12、什么是图像增强，其目的是什么？图像增强主要包括哪四个方面的作用？图像增强方

法往往分为两大类，分别是什么，其中包括哪些基本方法？图像增强中往往