2025年生物医学工程技术与应用试题及答案解析

2025年生物医学工程技术与应用试题及答案解析一、单项选择题（共15题，每题2分，共30分）1.以下哪种生物材料属于天然生物材料？A.聚乳酸（PLA）B.胶原C.钛合金D.聚二甲基硅氧烷（PDMS）2.医学影像设备中，CT的空间分辨率主要由以下哪项决定？A.X射线管电压B.探测器单元尺寸C.重建算法D.扫描时间3.生物传感器中，将生物识别元件的响应转换为电信号的关键部件是？A.分子识别层B.换能器C.信号放大器D.微处理器4.心脏起搏器的核心功能是替代以下哪种生理结构的功能？A.房室结B.窦房结C.浦肯野纤维D.心肌细胞5.骨组织工程中，支架材料的孔隙率通常要求达到多少才能有效支持细胞生长？A.10%20%B.30%40%C.60%80%D.90%以上6.超声成像中，提高帧频的主要方法是？A.增加扫描线密度B.减少扫描深度C.提高探头频率D.使用谐波成像7.以下哪种技术属于分子影像范畴？A.X射线摄影B.正电子发射断层扫描（PET）C.超声B超D.核磁共振成像（MRI）8.可穿戴式生理信号监测设备中，常用的光电体积描记（PPG）技术主要检测的是？A.皮肤表面温度B.血液容积变化C.肌肉电活动D.骨密度9.生物力学中，描述材料在弹性变形阶段应力与应变关系的常数是？A.泊松比B.杨氏模量C.剪切模量D.断裂韧性10.人工耳蜗的工作原理是通过电极刺激以下哪个结构？A.听小骨B.耳蜗毛细胞C.听神经D.鼓膜11.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、分化诱导剂C.成纤维细胞、水凝胶、营养介质D.免疫细胞、金属支架、药物缓释系统12.医学电子仪器中，共模抑制比（CMRR）主要用于衡量设备对以下哪种干扰的抑制能力？A.高频电磁干扰B.50Hz工频干扰C.随机噪声D.信号衰减13.光学相干断层扫描（OCT）的成像分辨率通常为？A.毫米级B.微米级C.纳米级D.厘米级14.基因治疗中，腺相关病毒（AAV）作为载体的主要优势是？A.感染效率高B.免疫原性低C.可整合到宿主基因组D.容量大15.康复工程中，智能假肢的关键技术不包括？A.肌电信号识别B.力反馈控制C.材料轻量化D.核素示踪二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分，多选、少选、错选均不得分）1.生物医学信号的特点包括？A.非平稳性B.强噪声背景C.多尺度耦合D.严格周期性2.MRI设备的主要组成部分包括？A.主磁体系统B.梯度线圈C.射频发射/接收线圈D.X射线球管3.可降解生物材料的降解机制包括？A.水解B.酶解C.氧化D.光解4.医疗机器人的典型应用场景有？A.手术辅助（如达芬奇系统）B.康复训练C.药物配送D.病理切片自动分析5.生物力学中的接触力学常用于分析？A.人工关节磨损B.心脏瓣膜开闭C.骨应力分布D.神经信号传导三、填空题（共10空，每空1分，共10分）1.医学影像存档与通信系统的英文缩写是______。2.心电图（ECG）中，QRS波群反映的是______的去极化过程。3.生物传感器的性能指标包括灵敏度、特异性、______和______（任填两个）。4.人工血管的关键要求是______和______（抗凝血性、生物相容性）。5.超声成像中，脉冲重复频率（PRF）与______成反比。6.组织工程支架的表面修饰常用方法有______和______（等离子体处理、化学接枝等）。7.医疗电子设备的安全标准中，“除颤防护”属于______类安全要求。四、简答题（共4题，每题7分，共28分）1.（封闭型）简述DICOM标准的核心作用及其在医学影像系统中的应用意义。2.（开放型）比较光学相干断层扫描（OCT）与超声成像的优缺点（从分辨率、穿透深度、适用场景等方面分析）。3.（封闭型）解释“生物相容性”的定义，并说明血液相容性与组织相容性的主要区别。4.（开放型）设计一款用于糖尿病患者的连续血糖监测（CGM）系统，需考虑哪些关键技术？（至少列出5项）五、计算题（共1题，10分）某生物医学信号采集系统中，原始信号的功率为0.5μW，噪声功率为0.02μW；经放大器放大后，信号功率变为500μW，噪声功率变为2μW。计算放大前后的信噪比（SNR，单位dB），并分析放大器对SNR的影响。（注：SNR(dB)=10lg(S/N)）六、综合分析题（共1题，17分）随着老龄化社会加剧，可穿戴式跌倒检测与预警系统成为研究热点。请基于生物医学工程技术，设计一套完整的可穿戴式跌倒检测系统，要求：（1）明确系统的核心组成模块；（2）说明各模块的技术方案（如传感器选择、信号处理算法、通信方式等）；（3）分析可能的误差来源及优化措施。答案及解析一、单项选择题1.答案：B解析：天然生物材料来源于生物体，如胶原、壳聚糖；聚乳酸、PDMS为合成高分子材料，钛合金为金属材料。2.答案：B解析：CT的空间分辨率由探测器单元尺寸决定，单元越小，分辨率越高；重建算法影响噪声和伪影，扫描时间影响时间分辨率。3.答案：B解析：生物传感器由分子识别元件（如酶、抗体）和换能器（如电化学、光学换能器）组成，换能器负责信号转换。4.答案：B解析：窦房结是心脏的正常起搏点，起搏器通过电刺激模拟其功能，维持心率。5.答案：C解析：骨组织工程支架需60%80%的孔隙率以支持细胞迁移、营养交换和血管长入。6.答案：B解析：帧频=PRF/扫描线数，减少扫描深度可提高PRF，从而提高帧频；增加扫描线密度会降低帧频。7.答案：B解析：分子影像通过标记分子探针（如18FFDG）显示细胞水平的代谢活动，PET属于此类；X线、超声、MRI为解剖结构成像。8.答案：B解析：PPG利用光的吸收特性检测血液容积变化，用于心率、血氧等参数测量。9.答案：B解析：杨氏模量（E=应力/应变）描述材料弹性变形能力；泊松比为横向应变与纵向应变之比。10.答案：C解析：人工耳蜗绕过受损的毛细胞，直接刺激听神经纤维，将声音信号转换为电信号。11.答案：A解析：组织工程三要素为种子细胞（如干细胞）、支架材料（提供结构支持）、生长因子（调控细胞行为）。12.答案：B解析：共模抑制比衡量设备抑制共模干扰（如50Hz工频噪声）的能力，CMRR越高，抗干扰性越强。13.答案：B解析：OCT基于低相干干涉，分辨率可达110μm，适用于视网膜、皮肤等浅表组织成像。14.答案：B解析：AAV载体免疫原性低、安全性高，不整合到宿主基因组（避免插入突变），但容量较小（≤4.7kb）。15.答案：D解析：智能假肢需肌电信号识别（控制）、力反馈（感知）、轻量化材料（佩戴舒适）；核素示踪用于影像诊断，非假肢关键。二、多项选择题1.答案：ABC解析：生物医学信号（如ECG、EEG）多为非平稳、噪声强、多尺度（如心搏的时间尺度差异），无严格周期性。2.答案：ABC解析：MRI由主磁体（提供静磁场）、梯度线圈（空间定位）、射频线圈（激发与接收信号）组成；X射线球管是CT的核心。3.答案：AB解析：可降解材料（如PLA、胶原）主要通过水解（酯键断裂）或酶解（蛋白酶作用）降解；氧化、光解非主要机制。4.答案：ABCD解析：医疗机器人包括手术机器人（达芬奇）、康复机器人（外骨骼）、物流机器人（药物配送）、病理分析机器人（自动切片）。5.答案：ABC解析：接触力学研究两个物体接触时的应力分布，用于人工关节磨损、瓣膜开闭、骨应力分析；神经信号传导属电生理范畴。三、填空题1.PACS（PictureArchivingandCommunicationSystem）2.心室肌3.响应时间、稳定性（或线性范围、检测限）4.抗凝血性、生物相容性5.扫描深度（或最大探测深度）6.等离子体处理、化学接枝（或表面涂层、生物分子修饰）7.B（或“B型”，指身体接触设备的安全分类）四、简答题1.答案：DICOM（数字成像和通信医学）标准是医学影像及相关信息的国际通用通信协议。核心作用：统一不同设备（如CT、MRI）的影像数据格式与传输规则，实现影像在不同厂商设备、医院信息系统（HIS）间的互通共享。应用意义：简化影像存储与管理，支持远程诊断、影像归档与调阅，是数字化医疗的基础技术。2.答案：OCT与超声成像的比较：分辨率：OCT分辨率更高（110μm），超声为0.11mm；穿透深度：OCT穿透深度浅（13mm），超声可达数厘米；成像原理：OCT基于光学低相干干涉，超声基于声波反射；适用场景：OCT用于视网膜、皮肤等浅表组织的高分辨率成像（如眼科疾病诊断）；超声用于深部组织（如腹部、胎儿）的实时动态观察；优缺点：OCT分辨率高但穿透浅，需光学透明介质；超声穿透深、无辐射，但分辨率较低，受骨/气体干扰。3.答案：生物相容性指材料在宿主环境中与生物系统相互作用，不引起有害反应（如炎症、毒性）的能力。血液相容性：材料与血液接触时，不引发凝血、溶血或血小板激活的特性（关键指标：凝血时间、血小板粘附率）；组织相容性：材料与组织接触时，不引发慢性炎症、异物反应或组织坏死的特性（关键指标：炎症细胞浸润程度、纤维包裹厚度）。4.答案：CGM系统设计的关键技术：（1）生物传感器：采用酶电极（如葡萄糖氧化酶）或无创光学传感器（近红外光谱）；（2）信号采集：皮下组织液葡萄糖浓度与血液浓度的实时同步检测（需校正算法）；（3）抗干扰设计：避免其他糖（如果糖）、药物（如对乙酰氨基酚）的交叉反应；（4）无线通信：低功耗蓝牙或NFC传输数据至手机/胰岛素泵；（5）能量管理：微型电池或能量harvesting（如体温差发电）；（6）校准算法：定期与指尖血测糖值比对，修正传感器漂移；（7）生物相容性：传感器涂层需避免组织炎症（如水凝胶修饰）。五、计算题解答：放大前：S₁=0.5μW，N₁=0.02μWSNR₁(dB)=10lg(0.5/0.02)=10lg(25)=13.98dB放大后：S₂=500μW，N₂=2μWSNR₂(dB)=10lg(500/2)=10lg(250)=23.98dB分析：放大器对信号和噪声同时放大，但信号放大倍数（500/0.5=1000倍）与噪声放大倍数（2/0.02=100倍）不同，导致SNR提高了10dB。这是因为理想放大器应仅放大信号，但实际中噪声也被放大，若放大器自身引入的噪声较小（本题中噪声仅放大100倍，而信号放大1000倍），则SNR提升。六、综合分析题设计方案：（1）核心组成模块：传感器模块、信号处理模块、通信模块、预警模块、电源模块。（2）各模块技术方案：传感器模块：选择三轴加速度计（检测加速度变化）+陀螺仪（检测角速度）+磁力计（辅助姿态识别），组合成惯性测量单元（IMU），采样率≥100Hz以捕捉跌倒瞬间的快速动作；信号处理模块：预处理：去噪（滑动平均滤波或小波变换）；特征提取：加速度幅值（>2g）、角速度阈值（>100°/s）、姿态角（如躯干与垂直方向夹角>60°）；分类算法：机器学习模型（如支持向量机SVM或卷积神经网络CNN），训练集包括日常活动（行走、坐下）与跌倒动作（前向、侧向跌倒）的传感器数据；通信模块：低功耗蓝牙（BLE）或NBIoT，将检测结果传输至手机APP或云端，紧急情况下自动拨打预设联系人；预警模块：当算法判断为跌倒时，触发蜂鸣器+振动报警，同时APP推送通知；若用户未在30秒内取消报警，自动启动定位（GPS）并发送救援信息；电源模块：微型锂电池（容量