2026年生物医学工程综合能力考核试题及答案

2026年生物医学工程综合能力考核试题及答案一、单项选择题（每题2分，共30分）1.在MRI成像中，决定图像对比度的主要参数是：A.射频脉冲频率B.梯度场强度C.TR与TED.磁场均匀性答案：C解析：TR（重复时间）与TE（回波时间）直接影响T1与T2加权成像的对比度，是MRI序列设计的核心参数。2.下列哪项不是生物材料表面改性的目的：A.提高细胞黏附性B.降低免疫原性C.增加材料密度D.改善血液相容性答案：C解析：表面改性不改变材料本体密度，而是通过化学或物理手段优化表面性能。3.在脑机接口（BCI）系统中，SSVEP信号的最佳采集频段为：A.0.5–4HzB.8–13HzC.30–40HzD.60–90Hz答案：C解析：稳态视觉诱发电位（SSVEP）在30–40Hz频段信噪比高，且不易受低频眼电干扰。4.用于心肌细胞动作电位测量的微电极阵列（MEA）主要材料为：A.银/氯化银B.氧化铟锡（ITO）C.铂黑D.钛合金答案：B解析：ITO兼具导电性与光学透明性，适合同步荧光成像与电生理记录。5.在超声弹性成像中，剪切波速度（Vs）与组织弹性模量（E）的关系近似为：A.E≈ρVsB.E≈3ρVs²C.E≈ρVs³D.E≈ρ/Vs答案：B解析：假设组织为不可压缩线性弹性体，E≈3ρVs²，ρ为密度。6.下列哪种算法最适合实时去除fNIRS信号中的头皮血流干扰：A.主成分分析（PCA）B.独立成分分析（ICA）C.自适应滤波（LMS）D.小波软阈值答案：C解析：LMS自适应滤波可利用同步采集的头皮血流参考信号实时抵消干扰，延迟低。7.在人工肾血液透析模型中，尿素清除率（K）与透析液流量（Qd）的关系曲线呈：A.线性递增B.指数饱和C.对数递减D.S型sigmoid答案：B解析：当Qd增至200mL/min以上，尿素清除率趋于饱和，符合指数饱和模型。8.用于基因递送的聚乙烯亚胺（PEI）载体，其转染效率主要取决于：A.分子量与质子海绵效应B.玻璃化转变温度C.接触角D.结晶度答案：A解析：高分子量PEI通过“质子海绵”效应促进内体逃逸，提高转染效率。9.在经颅磁刺激（TMS）中，线圈方向与脑沟回平行时，感应电场强度：A.最大B.最小C.为零D.与频率无关答案：A解析：感应电场与线圈平面垂直，当线圈与脑沟回平行时，电场耦合效率最高。10.下列哪项不是可穿戴血糖监测微针贴片的核心挑战：A.酶活性衰减B.组织液葡萄糖滞后C.电池续航D.射频穿透深度答案：D解析：微针贴片采用反向离子导入或酶电极，无需射频穿透，故D非核心挑战。11.在心脏起搏器封装中，用于降低钛壳微缝隙腐蚀的元素是：A.钼B.钯C.铝D.铁答案：B解析：微量钯（0.1–0.2%）可提升钛合金在Cl⁻环境中的点蚀电位。12.基于深度学习的CT超分辨率重建，其损失函数中加入感知损失（perceptualloss）的主要目的是：A.抑制金属伪影B.保留纹理细节C.降低计算量D.提高对比度答案：B解析：感知损失通过VGG特征空间约束，使重建图像在语义层面更接近高分辨率真值。13.在光遗传学刺激中，达到Channelrhodopsin-2激活阈值所需的光功率密度约为：A.0.1mW/mm²B.1mW/mm²C.10mW/mm²D.100mW/mm²答案：B解析：ChR2在470nm蓝光下，1mW/mm²可在毫秒级触发动作电位，过高易致热损伤。14.用于生物打印的明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶，其交联度与下列哪项参数直接相关：A.甲基取代度（DS）B.溶胀比C.临界剪切速率D.接触角答案：A解析：DS决定光交联位点密度，进而控制凝胶刚度与降解速率。15.在单细胞RNA测序中，去除液滴间空泡（emptydroplet）最常用的统计指标是：A.UMI饱和度B.线粒体RNA占比C.barcoderankknee点D.基因中位值答案：C解析：CellRanger通过barcodecount曲线“knee”点区分真实细胞与空泡。二、多项选择题（每题3分，共30分）16.关于功能性电刺激（FES）治疗偏瘫，下列说法正确的是：A.表面电极比植入电极更易引起疼痛B.双向电荷平衡脉冲可降低电极腐蚀C.刺激频率高于100Hz易诱发肌肉疲劳D.闭环EMG控制可提高运动协调性答案：B、C、D解析：表面电极疼痛较小，A错误；双向脉冲减少电解，高频易疲劳，闭环可实时调节。17.下列哪些技术可用于无创监测颅内压（ICP）：A.超声视神经鞘直径（ONSD）B.近红外光谱（NIRS）C.鼓膜位移（TMD）D.经颅多普勒（TCD）搏动指数答案：A、C、D解析：NIRS主要反映脑氧合，与ICP相关性差，其余三项已临床验证。18.在人工肝生物反应器设计中，可延缓肝细胞功能丧失的策略包括：A.共培养肝星状细胞提供3D微环境B.微流控脉冲灌流减少剪切C.低温（4°C）长期培养D.补充HGF与EGF生长因子答案：A、B、D解析：低温导致肝细胞代谢停滞，C错误；其余均可维持表型。19.关于心电图（ECG）信号去噪，下列算法属于自适应滤波的是：A.卡尔曼滤波B.小波阈值C.NLMSD.RLS答案：A、C、D解析：小波阈值为非自适应，其余均可根据统计特性实时调整。20.下列哪些材料已通过FDA认证，可用于可吸收心血管支架：A.PLLAB.镁合金WE43C.聚酐（polyanhydride）D.锌-锂合金答案：A、B解析：PLLA（Igaki-Tamai支架）与WE43（Magmaris）已获CE/FDA，聚酐降解过快，锌合金尚在临床前。21.在经导管主动脉瓣置换（TAVR）仿真中，需耦合的多物理场包括：A.流固耦合（FSI）B.接触非线性C.疲劳裂纹扩展D.血小板黏附答案：A、B、D解析：疲劳裂纹为长期效应，术中仿真可忽略。22.下列哪些指标可用于评估睡眠脑电（EEG）的慢波活动（SWA）强度：A.0.5–4Hz频段功率谱密度B.睡眠纺锤波密度C.慢波斜率（slope）D.K-complex密度答案：A、C解析：纺锤波与K-complex属不同频段事件，非SWA直接指标。23.关于生物电阻抗断层成像（EIT），下列说法正确的是：A.时间差成像对电极位置误差鲁棒B.绝对成像需精确边界形状C.电极阻抗不匹配会导致共模干扰D.激励频率越高，细胞外液贡献越大答案：A、B、C解析：高频电流穿透细胞膜，细胞内液贡献增大，D错误。24.在可穿戴超声贴片设计中，可提高声耦合稳定性的方案有：A.水凝胶封装层B.真空微吸盘阵列C.柔性PCB背衬D.硅油连续微流控答案：A、B、D解析：柔性PCB背衬影响声阻抗匹配，C非直接耦合方案。25.下列哪些算法可用于PET图像衰减校正，无需CT辅助：A.MLAA（maximumlikelihoodreconstructionofattenuationandactivity）B.深度学习方法（U-net）C.同位素透射扫描D.飞行时间（TOF）信息联合估计答案：A、B、D解析：透射扫描需额外放射源，C非“无需CT”方案。三、计算与建模题（共40分）26.（10分）设计一款用于下肢康复的肌电（EMG）控制FES系统。已知：表面EMG信噪比20dB，带宽20–450Hz；刺激脉冲为双向矩形，脉宽200µs，频率25Hz；目标踝背屈力矩4N·m，关节力臂0.08m；腓骨肌激活–力矩增益为0.05N·m/mA。求：(1)所需刺激电流幅值；(2)若采用PWM恒压源（±30V），负载阻抗1kΩ，计算平均功耗；(3)设计一个二阶巴特沃斯带通滤波器（fc1=20Hz，fc2=450Hz），给出传递函数与电路参数（R、C）。答案与解析：(1)所需力矩4N·m，增益0.05N·m/mA，故电流I=4/0.05=80mA。(2)每周期脉冲能量E_pulse=I²Rt=0.08²×1000×200e-6=1.28mJ；频率25Hz，平均功率P=1.28e-3×25=32mW。(3)归一化传递函数：H(s)=ωc²s²/(s²+ωcs+ωc²)，其中ωc=2π√(20×450)=2π×94.87rad/s。采用Sallen-Key拓扑，设C1=C2=33nF，则R=1/(2πfcC)=1/(2π×94.87×33e-9)≈50.7kΩ，取51kΩ±1%。27.（10分）构建一个基于Compartment的脑脊液（CSF）循环lumped-parameter模型。已知：脑室产液速率Qin=0.35mL/min；矢状窦压Psag=5mmHg；蛛网膜颗粒阻力Rag=2.5mmHg/(mL/min)；脊髓外周顺应性C=0.2mL/mmHg。求：(1)稳态CSF压力Pcsf；(2)若Rag升高至5mmHg/(mL/min)，计算新的Pcsf与颅内压（ICP）增幅百分比；(3)设计PID控制器，通过外引流阀调节Qout，使ICP在100s内从15mmHg降至10mmHg，给出控制方程与参数整定（Kp、Ki、Kd）。答案与解析：(1)稳态时Qin=Qout=(Pcsf-Psag)/Rag⇒Pcsf=5+0.35×2.5=5.875mmHg。(2)新Pcsf=5+0.35×5=6.75mmHg，增幅(6.75-5.875)/5.875≈14.9%。(3)设误差e(t)=ICP(t)-10，控制阀流量Qout(t)=Qin+Kpe+Ki∫edt+Kdde/dt。采用Ziegler-Nichols法：先令Ki=Kd=0，增大Kp至Ku=0.8，振荡周期Tu=40s，则Kp=0.45Ku=0.36，Ki=0.54Ku/Tu=0.0108，Kd=0.075KuTu=2.4。28.（10分）设计一款可吸收镁合金支架，要求径向支撑力≥0.3N/mm，初始外径3mm，壁厚120µm，长度12mm。材料为WE43（屈服强度σy=180MPa，弹性模量E=45GPa，均匀腐蚀速率0.25mm/年）。求：(1)采用正弦波网丝单元，给出丝宽b与波幅A的关系式，使径向刚度满足要求；(2)计算6个月后剩余壁厚与支撑力衰减百分比；(3)若表面涂覆8µm聚乳酸（PLA）缓蚀层，腐蚀速率降至0.08mm/年，重新评估支撑力保持率。答案与解析：(1)径向刚度kr≈πEb³/(12L³)，其中L为单元波长。设kr≥0.3N/mm，代入E=45GPa，解得b≥85µm，取b=90µm，波幅A=0.4mm，满足折叠后外径<1.2mm。(2)6个月腐蚀深度=0.25/2=0.125mm，剩余壁厚=0.12-0.125→负值，已完全丧失支撑。(3)新腐蚀深度=0.08/2=0.04mm，剩余壁厚=0.12-0.04=0.08mm，支撑力与b³成正比，衰减比=(90³-80³)/90³≈30%，保持率70%。29.（10分）基于有限元软件（COMSOL）建立经颅直流电刺激（tDCS）模型。头模包含头皮、颅骨、脑脊液、灰质、白质五层，电导率分别为0.45、0.008、1.75、0.23、0.15S/m。电极直径5cm，阳极置于C3，阴极置于右眶上缘，电流强度2mA。求：(1)给出控制方程与边界条件；(2)计算灰质最大电场强度Emax；(3)若采用4×1高分辨率电极（中心阳极1mA，四周阴极各0.25mA），重新计算Emax并比较聚焦性（定义半高全宽FWHM）。答案与解析：(1)控制方程：∇·(σ∇V)=0，边界条件：阳极∂V/∂n=I/(σA)，阴极V=0，其余∂V/∂n=0。(2)仿真结果：Emax≈0.42V/m，位于灰质表面距阳极中心15mm处。(3)4×1配置：Emax≈0.55V/m，FWHM从单电极的45mm降至22mm，聚焦性提升约50%。四、综合设计题（共50分）30.（25分）开发一款面向高原驻军的可穿戴血氧与血压多参数监测系统。要求：连续监测SpO₂、收缩压（SBP）、舒张压（DBP），误差≤±3%与±5mmHg；抗运动伪迹，可在5km海拔、-20°C环境工作8h；数据通过LoRa上传至5km外基站；总重量<150g，成本<150USD。任务：(1)给出系统架构图（传感器、电源、通信、算法）；(2)选择光电二极管与LED波长组合，说明抗低灌注策略；(3)设计血压估计模型（基于PTT+机器学习），给出训练数据集规模与特征；(4)低温电池方案与功耗预算；(5)符合YY9706.111-2021低温试验的可靠性验证流程。答案与解析：(1)架构：双波长反射式PPG（660/940nm）+ECG单导+三轴加速度计→nRF52840主控→LoRaSX1262→基站。电源：2×21700Li-ion并联，加热膜PID控温。(2)选用低暗电流APD（HamamatsuS2386），LED驱动200Hz方波，占空比25%，结合自适应滤波（NLMS）与信号质量指数（SQI）动态加权，提高低灌注SNR。(3)PTT=ECGR峰至PPG谷点时间差，融合特征：PTT、心率、脉搏面积、温度、海拔。数据集：采集300名受试者，静息+运动+高原低氧，共1.2×10⁶样本，采用XGBoost回归，十折交叉验证，SBPMAE=3.8mmHg，DBPMAE=2.1mmHg。(4)电池：低温电解液（LiPF6+EC/DMC+1%VC）保持-20°C下70%容量；系统平均功耗：LED12mW，模拟前端4mW，MCU8mW，LoRa22mW（占空比10%），总计46mW，续航>10h。(5)按YY9706.111-2021，-20°C下贮存4h后开机，功能测试通过；热循环-20°C↔+25°C，50次，PPG幅度衰减<5%；高空低气压70kPa，8h，外壳无变形，气密IP68。31.（25分）设计一款可植入式闭环胰岛素微泵系统。要求：血糖传感器基于荧光葡萄糖结合蛋白（GBP），测量范围40–500mg/dL，漂移<2mg/dL/h；微泵采用压电薄膜（PZT）驱动，每次输注0.5µL，精度±3%；闭环算法：模型预测控制（MPC），目标区间80–120mg/dL；生物相容性封装，体内寿命≥1年；体外无线充电，效率≥30%，定位容差±5mm。任务：(1)给出传感器荧光淬灭机制与校准方程；(2)计算PZT泵腔尺寸与驱动电压（腔高200µm，硅膜厚20µm，杨氏模量170GPa）；(3)MPC模型状态空间方程与观测器设计；(4)封装材料选择（钛合金vsPEEK）与腐蚀评估；(5)无线充电线圈对（体内：φ20mm，体外：φ60mm），给出耦合系数k与SAR仿真值。答案与解析：(1)GBP与葡萄糖结合后构象变化，荧光团（mCerulean3）淬灭效率F/F0=1/(1+K[G])，K=0.8mM⁻¹，漂移校正采用两点校准（100mg/dL、300mg/dL），温度补偿系数-0.3%/°C。(2)泵腔半径r=1.5mm，硅膜最大挠度wm=pr⁴/(64D)，D=Eh³/(12(1-ν²))=170e9×(20e-6)³/(12×0.75)=1.51e-6N·m。为达到0.5µL排量，wm=ΔV/(πr²)=0.5e-9/(π×(1.5e-3)²)