2025年生物医学工程师专业能力认证试卷及答案

2025年生物医学工程师专业能力认证试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种生物材料属于天然高分子材料？A.聚乳酸（PLA）B.胶原蛋白C.钛合金D.羟基磷灰石2.超声成像中，提高探头频率会导致：A.穿透深度增加，分辨率降低B.穿透深度降低，分辨率提高C.穿透深度和分辨率均增加D.穿透深度和分辨率均降低3.生物力学中，胡克定律适用的材料是：A.粘弹性材料B.塑性材料C.线弹性材料D.超弹性材料4.心电图（ECG）中QRS波群反映的是：A.心房去极化B.心室去极化C.心房复极化D.心室复极化5.用于骨组织工程的支架材料需具备的关键特性不包括：A.生物降解性B.高孔隙率（>90%）C.导电性D.与骨组织匹配的弹性模量6.计算机断层扫描（CT）的成像原理基于：A.X射线的吸收差异B.核磁共振信号C.超声波的反射D.放射性核素衰变7.生物信号处理中，去除ECG基线漂移通常选用：A.低通滤波器B.高通滤波器C.带通滤波器D.陷波滤波器（50Hz）8.人工心脏瓣膜的主要失效模式是：A.材料疲劳断裂B.血栓形成C.感染D.以上均是9.组织工程的三要素是：A.种子细胞、支架材料、生长因子B.干细胞、生物反应器、培养基C.支架材料、生物力学、免疫排斥D.生长因子、基因编辑、3D打印10.医疗器械注册时，需提交的生物相容性评价项目不包括：A.细胞毒性试验B.急性全身毒性试验C.热原试验D.血液相容性试验（如溶血试验）二、多项选择题（每题3分，共30分，少选得1分，错选不得分）1.以下属于生物陶瓷材料的有：A.氧化铝（Al₂O₃）B.聚醚醚酮（PEEK）C.磷酸钙陶瓷D.钛镍形状记忆合金2.MRI成像中，影响图像对比度的因素包括：A.质子密度B.T1弛豫时间C.T2弛豫时间D.扫描层厚3.生物力学中，描述粘弹性材料的模型包括：A.麦克斯韦模型（弹簧与阻尼器串联）B.开尔文模型（弹簧与阻尼器并联）C.标准线性固体模型（麦克斯韦与开尔文模型组合）D.胡克模型（仅弹簧）4.可穿戴式生理监测设备的关键技术包括：A.柔性生物传感器B.低功耗无线通信C.生物信号实时处理算法D.长效供能系统（如柔性电池）5.基因治疗载体中，腺相关病毒（AAV）的优点是：A.免疫原性低B.可整合至宿主基因组C.感染分裂与非分裂细胞D.包装容量大（>10kb）6.人工关节置换术失败的常见原因有：A.假体松动（骨溶解）B.感染（如金黄色葡萄球菌）C.磨损颗粒引发的炎症反应D.假体材料弹性模量远高于骨组织（应力遮挡）7.医学影像后处理技术包括：A.三维重建（如MIP、VR）B.图像配准（多模态融合）C.计算机辅助诊断（CAD）D.像素值归一化（如窗宽窗位调整）8.生物材料表面改性的目的包括：A.提高生物相容性B.增强抗菌性能C.调控细胞黏附与增殖D.降低材料成本9.体外诊断（IVD）试剂的性能评价指标包括：A.准确度（正确度+精密度）B.检测限（LOD）C.特异性（避免交叉反应）D.稳定性（保质期）10.医疗器械设计验证与确认的区别在于：A.验证是“是否满足规定要求”B.确认是“是否满足预期使用要求”C.验证在设计过程中进行，确认在最终产品完成后进行D.验证需第三方机构参与，确认由企业自行完成三、填空题（每空1分，共15分）1.生物材料的生物相容性分为______相容性（与血液接触）和______相容性（与组织接触）。2.超声探头的基本工作原理是利用______效应（电信号转声信号）和______效应（声信号转电信号）。3.骨的弹性模量约为______GPa（范围），而钛合金的弹性模量约为______GPa，这种差异可能导致______现象。4.PCR技术的三个基本步骤是______、______和______。5.人工神经网络在医学影像分析中的典型应用包括______（如肺结节检测）和______（如图像分割）。6.医疗器械的风险等级分为______类（从低到高），其中植入式器械通常属于______类。四、简答题（共25分）1.（5分，封闭型）简述生物力学中“应力应变曲线”的四个主要阶段（以骨组织为例）。2.（5分，封闭型）列举5种常见的医学影像模态及其成像原理（如X射线、CT、MRI、超声、核医学）。3.（5分，开放型）分析可降解生物材料在骨修复中的应用优势与挑战。4.（5分，封闭型）说明生物信号采集时“共模抑制比（CMRR）”的定义及其对ECG信号采集的意义。5.（5分，开放型）智能假肢的核心技术需求包括哪些？请结合生物力学与传感器技术说明。五、应用题（共30分）1.（计算类，8分）某毛细血管内径为8μm，长度为0.5mm，血液平均流速为0.05cm/s，血液粘度η=3.5mPa·s。根据泊肃叶定律（Q=πr⁴ΔP/(8ηL)），计算毛细血管两端的压力差ΔP（单位：Pa）。（注：Q=流速×截面积）2.（分析类，8分）某患者心电图（ECG）显示ST段抬高（>1mm），T波高尖。结合生物医学工程知识，推测可能的病理原因，并说明可采用哪些检测技术辅助诊断（如动态ECG、心肌酶谱检测、心脏超声等）。3.（综合类，14分）设计一款用于糖尿病患者的连续血糖监测（CGM）系统，需考虑以下关键技术：（1）生物传感器的工作原理（如酶电极法）；（2）传感器的生物相容性设计（避免组织反应）；（3）信号传输与数据处理（如抗干扰算法、校准方法）；（4）法规要求（如FDA510(k)或NMPA三类器械注册）。答案及解析一、单项选择题1.B（胶原蛋白是天然高分子，PLA为合成高分子，钛合金为金属，羟基磷灰石为陶瓷）2.B（频率↑→波长↓→分辨率↑，但穿透深度↓）3.C（胡克定律适用于线弹性材料）4.B（QRS波反映心室去极化）5.C（骨支架无需导电性）6.A（CT基于X射线吸收差异）7.B（基线漂移为低频噪声，用高通滤波器去除）8.D（机械瓣易疲劳、血栓；生物瓣易钙化，均可能感染）9.A（种子细胞、支架、生长因子是组织工程三要素）10.C（热原试验属于药品检测项目，医疗器械生物相容性不包括）二、多项选择题1.AC（PEEK为高分子，钛镍合金为金属）2.ABC（层厚影响空间分辨率，不直接影响对比度）3.ABC（胡克模型仅描述线弹性，非粘弹性）4.ABCD（均为可穿戴设备核心技术）5.AC（AAV不整合基因组，包装容量约4.7kb）6.ABCD（均为常见失败原因）7.ABCD（均为后处理技术）8.ABC（表面改性不降低成本）9.ABCD（均为IVD性能指标）10.ABC（确认也可由第三方参与）三、填空题1.血液；组织2.逆压电；正压电3.1030；110120；应力遮挡4.变性（高温解链）；退火（引物结合）；延伸（DNA聚合酶合成）5.目标检测；图像分割6.一、二、三；三四、简答题1.骨的应力应变曲线四阶段：①线弹性阶段（应力与应变呈正比，胡克定律适用）；②屈服阶段（超过弹性极限，出现塑性变形）；③强化阶段（材料硬化，需更大应力继续变形）；④破坏阶段（应力达到极限强度后断裂）。2.五种医学影像模态：X射线：基于不同组织对X射线的吸收差异（骨>软组织>空气）；CT：X射线断层扫描+计算机重建断层图像；MRI：利用氢质子在静磁场中受射频激发后的弛豫信号；超声：高频超声波在组织界面的反射/散射回波成像；核医学（如PET）：放射性核素标记的示踪剂在体内分布的γ射线检测。3.优势：①降解速率可调控，与骨再生速率匹配；②避免二次手术取出；③可负载生长因子促进骨修复。挑战：①降解产物可能引发炎症（如PLA降解产酸）；②降解过程中机械强度下降过快，无法支撑载荷；③降解速率受个体差异（如局部pH、血供）影响大，难以标准化。4.CMRR定义为差模增益与共模增益的比值（通常用dB表示）。ECG信号为微伏级差模信号，而环境中的50Hz干扰（如电源噪声）为共模信号。高CMRR可有效抑制共模干扰，提高ECG信号的信噪比，确保QRS波、ST段等特征的准确提取。5.核心技术需求：①生物力学匹配：假肢关节的转动惯量、阻尼需与健侧肢体一致，避免长期使用导致的代偿性损伤；②多轴力传感器：实时检测足底压力分布（如前掌、后跟受力），反馈控制假肢关节角度；③肌电信号（sEMG）采集：通过残肢肌肉电信号识别用户运动意图（如行走、上下楼梯）；④低功耗控制算法：融合力反馈与肌电信号，实现假肢的实时响应（延迟<50ms）。五、应用题1.计算步骤：毛细血管半径r=8μm/2=4μm=4×10⁻⁶m；截面积A=πr²=π×(4×10⁻⁶)²≈5.027×10⁻¹¹m²；流速v=0.05cm/s=5×10⁻⁴m/s；流量Q=A×v=5.027×10⁻¹¹×5×10⁻⁴≈2.513×10⁻¹⁴m³/s；长度L=0.5mm=5×10⁻⁴m，η=3.5mPa·s=3.5×10⁻³Pa·s；由Q=πr⁴ΔP/(8ηL)，得ΔP=8ηLQ/(πr⁴)；代入数值：ΔP=8×3.5×10⁻³×5×10⁻⁴×2.513×10⁻¹⁴/(π×(4×10⁻⁶)⁴)≈1.75Pa。2.病理原因：ST段抬高+T波高尖常见于急性心肌梗死（早期）或高钾血症。急性心梗时，心肌细胞缺血导致复极异常；高钾血症会影响心肌细胞静息电位，缩短动作电位时程。辅助检测技术：①心肌肌钙蛋白（cTnI/cTnT）检测（IVD试剂，特异性诊断心梗）；②动态ECG（Holter）持续监测ST段变化；③心脏超声（观察局部心肌运动异常）；④冠状动脉造影（金标准，明确血管狭窄部位）。3.CGM系统设计要点：（1）生物传感器：采用葡萄糖氧化酶（GOD）电极法，酶催化葡萄糖与O₂反应生成H₂O₂，通过微电极检测H₂O₂氧化产生的电流，电流与葡萄糖浓度成正比。（2）生物相容性：传感器表面涂覆亲水性材料（如聚乙二醇，PEG）减少蛋白吸附；采用微创植入方式（如14G针插入皮下组织）；添加抗菌涂层（如银离子）预防感染。（3