2025年神经传感测试题及答案

2025年神经传感测试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列关于神经传感技术的描述中，错误的是（）A.可实时采集中枢或外周神经系统的电生理/化学信号B.头皮脑电（EEG）的时间分辨率可达毫秒级C.皮层内电极（Utah阵列）的空间分辨率通常低于皮层外电极（ECoG）D.近红外光谱（fNIRS）通过检测氧合血红蛋白浓度变化反映脑活动答案：C（皮层内电极因直接接触神经组织，空间分辨率可达微米级，高于ECoG的毫米级）2.2025年新型柔性神经电极常用的基底材料是（）A.硅晶圆B.聚酰亚胺C.不锈钢D.钛合金答案：B（柔性电极需具备生物相容性和机械柔顺性，聚酰亚胺因低模量、可拉伸性成为主流基底材料）3.神经传感信号预处理流程的正确顺序是（）①特征提取②去噪③滤波④基线校正A.③→④→②→①B.②→③→④→①C.④→③→①→②D.①→②→③→④答案：A（先通过带通滤波去除高频噪声，再校正基线漂移，接着使用独立成分分析（ICA）等方法去伪迹，最后提取时频特征或空间特征）4.用于情绪识别的神经传感系统中，最常监测的生理指标组合是（）A.肌电（EMG）+皮电（EDA）B.脑电（EEG）的γ波+呼吸频率C.近红外光谱（fNIRS）的脱氧血红蛋白+心率变异性（HRV）D.皮层诱发电位（EP）+眼动追踪（EOG）答案：C（情绪状态与前额叶皮层氧代谢（fNIRS）及自主神经活动（HRV）高度相关）5.下列关于神经-机器接口（NMI）闭环控制的描述，正确的是（）A.仅需单向传输神经信号至外部设备B.反馈信号不会影响原始神经活动C.需结合实时解码算法与刺激模块D.临床应用中无需考虑神经可塑性影响答案：C（闭环控制需将设备输出反馈至神经系统，例如脑控假肢通过触觉反馈调整运动意图编码）6.2025年某实验室开发的植入式神经传感器，其生物相容性测试需重点关注（）A.电极阻抗随时间的变化B.材料降解产物的神经毒性C.信号采集的信噪比D.设备的无线充电效率答案：B（长期植入时，材料降解产生的小分子（如聚对二甲苯的氧化产物）可能引发炎症反应，需通过细胞毒性实验和动物长期植入验证）7.神经传感数据的“共模噪声”主要来源于（）A.电极与皮肤接触不良B.50Hz电源干扰C.受试者眼球运动D.肌肉收缩产生的肌电答案：B（共模噪声指同时出现在所有导联的干扰，最典型的是工频（50/60Hz）干扰，可通过差分放大电路抑制）8.用于运动意图解码的脑电特征中，最具特异性的是（）A.α波（8-12Hz）的事件相关去同步（ERD）B.β波（13-30Hz）的事件相关同步（ERS）C.μ波（8-13Hz）的节律抑制D.θ波（4-7Hz）的功率增强答案：C（μ波节律抑制（μ-ERD）是运动皮层准备动作时的特征性表现，特异性高于其他频段）9.下列关于光遗传神经传感的描述，错误的是（）A.需通过病毒转染表达光敏感通道蛋白（如ChR2）B.可实现单细胞水平的神经活动调控与记录C.近红外光穿透深度优于蓝光，更适合深层脑区检测D.主要应用于基础神经科学研究而非临床答案：C（ChR2等通道蛋白对470nm蓝光敏感，近红外光（650-900nm）穿透更深但无法激活常规光遗传蛋白，需使用红移变体如ChrimsonR）10.神经传感技术在AD（阿尔茨海默病）早期诊断中的核心指标是（）A.海马区局部场电位（LFP）的θ波功率降低B.前额叶皮层α波同步性增强C.颞叶皮层β波频率升高D.全脑γ波（30-80Hz）同步性下降答案：A（AD早期海马神经回路受损，导致θ波（4-7Hz）节律异常，是目前最被关注的生物标志物）二、简答题（每题8分，共40分）1.简述柔性神经电极相比传统刚性电极的三大优势，并说明其在长期植入中的关键挑战。答案：优势：①机械柔顺性匹配脑组织（杨氏模量约1kPavs硅的160GPa），减少慢性炎症反应；②可设计超薄（<10μm）结构，降低植入创伤；③多通道集成能力更强（如1024通道柔性阵列）。挑战：柔性材料的长期稳定性（如聚酰亚胺在脑脊液中水解）、电极-组织界面阻抗随时间升高（因胶质瘢痕包裹）、无线供能与信号传输的小型化（柔性基底难以集成高功耗芯片）。2.解释“神经传感多模态融合”的必要性，并列举三种常用融合策略。答案：必要性：单一模态存在局限性（如EEG时间分辨率高但空间分辨率低，fMRI空间分辨率高但时间分辨率低），融合后可互补信息。融合策略：①数据层融合（同步采集EEG+fNIRS，通过联合盲源分离提取共同成分）；②特征层融合（提取EEG的时频特征与fNIRS的氧合血红蛋白趋势，输入共享分类器）；③决策层融合（分别用EEG和fNIRS训练分类模型，通过D-S证据理论合并结果）。3.说明神经传感数据中“眼动伪迹”的产生机制及两种常用去除方法。答案：产生机制：眼外肌收缩产生的电信号通过容积导体传播至头皮EEG电极，表现为额区导联的低频（<5Hz）大幅波动（如眨眼时的尖峰信号）。去除方法：①独立成分分析（ICA）：通过分解EEG信号得到独立成分，人工识别并剔除与眼动相关的成分（通常具有额区高权重、低频特征）；②眼电（EOG）导联辅助：同步记录EOG信号，使用回归方法（如主成分回归）从EEG中减去眼动相关的线性成分。4.分析2025年神经传感技术在“渐冻症（ALS）患者交流辅助”中的应用场景及技术瓶颈。答案：应用场景：晚期ALS患者失去语言和运动能力，通过脑机接口（BCI）直接读取神经信号实现文字/图像输入（如P300诱发电位拼写器）或环境控制（如脑控轮椅）。技术瓶颈：①信号稳定性：患者可能因肌肉萎缩导致头皮电极接触不良，需开发植入式微电极；②解码效率：现有BCI输入速率约10-20字符/分钟，需提升算法实时性（如基于Transformer的序列解码模型）；③适应性：神经活动随疾病进展发生变化（如运动皮层萎缩），需在线学习算法动态调整模型参数。5.简述神经传感设备中“生物相容性涂层”的作用及2025年主流涂层材料的特性。答案：作用：降低电极-组织界面的免疫反应，减少胶质瘢痕形成，提高长期信号质量。主流材料：①聚对二甲苯（Parylene-C）：厚度1-5μm，绝缘性好（介电常数3.1），水蒸气渗透率低（0.05g·mm/m²·day），但需表面改性（如等离子体处理）增强细胞黏附；②水凝胶（如聚乙二醇，PEG）：亲水性高（接触角<30°），可负载神经营养因子（如BDNF）促进神经元生长；③石墨烯氧化物（GO）：导电性好（电导率~10³S/m），表面含氧基团可减少炎症因子分泌（如TNF-α降低40%）。三、案例分析题（每题15分，共30分）案例1：某团队开发了一款可穿戴式神经传感头环，用于青少年注意力缺陷多动障碍（ADHD）的实时监测。设备集成了EEG（32导）、fNIRS（8源8探）和加速度传感器（3轴），需完成以下任务：（1）设计信号同步采集与预处理流程；（2）提出注意力水平评估的特征组合及分类模型选择；（3）列举需重点考虑的伦理风险及应对措施。答案：（1）同步采集：使用统一时钟源（如GPS同步），EEG采样率1000Hz，fNIRS采样率50Hz，加速度传感器采样率200Hz，通过时间戳对齐数据。预处理：EEG：50Hz陷波滤波→0.5-70Hz带通滤波→ICA去眼动/肌电伪迹；fNIRS：校正运动伪迹（基于加速度信号的回归方法）→计算氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）的浓度变化；加速度数据：计算运动幅度（均方根）和频率（FFT分析）。（2）特征组合：EEG：额区θ/β功率比（ADHD患者通常θ波增强、β波减弱）；中央区α波同步性（注意力集中时α波抑制）；fNIRS：前额叶背外侧皮层（DLPFC）HbO浓度（注意力集中时该区域氧代谢增加）；加速度：运动幅度（ADHD患者活动度更高）。分类模型：选择LightGBM（处理多模态异质数据效率高）或Transformer（捕捉时序特征），使用5折交叉验证优化超参数，以准确率、F1分数和AUC为评价指标。（3）伦理风险及应对：①隐私泄露：神经数据包含敏感心理信息，需采用端到端加密（AES-256），仅存储去标识化数据；②标签化风险：误判可能导致青少年被贴上“ADHD”标签，需明确设备为辅助工具，诊断权归专业医生；③数据滥用：禁止商业公司获取原始神经数据，签订数据使用协议（DUA）限制用途；④心理负担：实时反馈可能引发焦虑，需设计正向激励界面（如游戏化注意力积分）而非负面警告。案例2：2025年，某医院开展“植入式迷走神经传感-刺激系统”治疗药物难治性癫痫的临床试验。系统通过颈段迷走神经电极实时采集神经信号，检测到癫痫发作前的异常放电（如θ波爆发）时，自动触发电刺激（1-3mA，20-50Hz）。需分析：（1）迷走神经信号的主要特征及癫痫前兆的识别方法；（2）刺激参数的设计依据及可能的副作用；（3）临床试验中需验证的核心指标。答案：（1）迷走神经信号特征：主要为自主神经活动相关的低频（0.04-0.15Hz）慢波（对应呼吸性窦性心律不齐）和中高频（0.15-0.4Hz）快波（对应血压调节）。癫痫前兆识别：通过长期记录（≥1个月）建立患者个体化基线，当检测到迷走神经信号出现以下变化时预警：①低频段功率突然降低（副交感神经活动抑制）；②中高频段出现同步化θ波（4-7Hz）爆发（与海马癫痫样放电同步）；③信号熵值下降（复杂度降低）。识别方法：使用LSTM网络学习时序模式，结合支持向量机（SVM）分类。（2）刺激参数依据：临床前研究表明，20-50Hz电刺激可激活迷走神经中的Aδ和C纤维，通过孤束核-蓝斑通路抑制癫痫灶扩散；1-3mA电流强度既能有效激活神经纤维（阈值约0.5mA）又不引发疼痛（痛阈约5mA）。可能副作用：声音嘶哑（喉返神经受刺激）、咳嗽（气管黏膜敏感）、局部疼痛（电极移位），通过调整刺激脉宽（200-500μs）和占空比（1:5）可减轻。（3）临床试验核心指标：①有效性：癫痫发作频率降低≥50%的患者比例（主要终点）；②安全性：严重不良事件（如电极移位、感染）发生率；③信号检测性能：预警灵敏度（≥85%）、特异度（≥90%）、提前时间（≥30秒）；④生活质量：使用癫痫生活质量量表（QOLIE-31）评估社会功能改善；⑤长期稳定性：6个月后电极阻抗变化（≤2倍初始值）、刺激参数调整频率。四、判断题（每题2分，共10分）1.神经传感仅能采集电信号，无法检测化学信号（如神经递质）。（）答案：×（微电极阵列可结合酶修饰（如葡萄糖氧化酶）检测神经递质，或通过微透析技术采样脑脊液中的化学物质）2.经颅磁刺激（TMS）属于主动式神经传感技术。（）答案：×（TMS是神经调控技术，主动式神经传感指通过施加刺激并记录响应（如诱发电位），被动式则直接记录自发信号）3.柔性神经电极的阻抗越高，信号采集质量越好。（）答案：×（阻抗过高（>1MΩ）会增加热噪声（Vrms=√(4kTRΔf)），理想阻抗为100kΩ-1MΩ（1kHz时））4.神经传感数据的“可解释性”是指模型能明确关联神经特征与具体认知功能。（）答案：√（如确定前额叶β波增强对应工作记忆负荷增加）5.植入式神经传感器的无线供能技术中，电磁感应耦合的传输距离优于射频（RF）传输。（）答案：×（电磁感应耦合有效距离<10cm，射频传输（如2.4GHz）可实现米级传输，但能量效率较低）五、计算题（10分）某实验室采集了一段持续10秒的EEG信号，其中有效神经信号的均方根（RMS）为50μV，噪声（主要为肌电伪迹）的RMS为10μV。（1）计算该信号的信噪比（SNR，单位dB）；（2）若需将SNR提升至30dB，需将噪声RM