2025年大学生物医学工程(生物医学仪器)期末测试卷及答案

2025年大学生物医学工程(生物医学仪器)期末测试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.人体心电图（ECG）信号的主要频率范围是A.0.05100HzB.1500HzC.0.530HzD.1001000Hz2.压阻式生物传感器的工作原理基于A.压电效应B.电阻应变效应C.热电效应D.光电效应3.生物医学仪器前置放大器设计时，优先考虑的特性是A.高输出阻抗B.低输入阻抗C.高共模抑制比（CMRR）D.低开环增益4.依据奈奎斯特采样定理，对最高频率为50Hz的生物电信号进行采样时，最小采样频率应为A.50HzB.100HzC.150HzD.200Hz5.心电电极与皮肤接触时产生的极化噪声主要来源于A.电极材料的电阻B.电极皮肤界面的离子扩散C.环境电磁干扰D.放大器内部热噪声6.医用超声诊断仪中，B超成像的关键信号处理环节是A.回波信号的幅度调制B.回波时间差转换为深度信息C.连续波多普勒频移检测D.超声信号的频率编码7.数字X射线成像（DR）中，平板探测器（FPD）的核心材料通常是A.碘化铯+非晶硅B.钆氧硫化物C.硒化镉D.硅光电二极管8.植入式心脏起搏器的供电电池最常用的类型是A.铅酸电池B.锂离子电池C.锂碘电池D.镍氢电池9.生物医学信号滤波时，若需抑制50Hz工频干扰，最适宜的滤波器类型是A.低通滤波器（LPF）B.高通滤波器（HPF）C.带通滤波器（BPF）D.陷波滤波器（NotchFilter）10.医用电子仪器的安全标准（如IEC606011）中，“防除颤”标识主要针对A.设备的电气绝缘等级B.设备在除颤操作后的耐受性C.设备对患者漏电流的限制D.设备的电磁兼容性（EMC）二、多项选择题（每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）1.影响脑电（EEG）信号采集质量的因素包括A.头皮油脂分泌B.电极接触阻抗C.患者眼球运动D.环境电磁场干扰2.超声成像中，提高分辨率的方法有A.增加超声频率B.降低超声频率C.采用聚焦探头D.增大发射功率3.磁共振成像（MRI）系统的核心组成部分包括A.主磁体B.梯度线圈C.射频线圈D.X射线球管4.生物医学仪器的电气安全设计需考虑A.患者漏电流限制（<10μA）B.设备对地漏电流限制（<500μA）C.除颤防护（DF型设备）D.电磁屏蔽5.数字式生理信号记录仪中，模数转换器（ADC）的关键参数包括A.分辨率（位数）B.采样速率C.输入电压范围D.输出阻抗三、填空题（每空1分，共15分）1.人体心电导联中，标准十二导联包括6个肢体导联和______个胸导联。2.光电式血氧饱和度（SpO₂）监测仪利用______和______两种波长的光吸收差异计算血氧浓度。3.医用压力传感器中，常用的弹性敏感元件有______（如血压计）和______（如心内压监测）。4.心电图机的共模抑制比（CMRR）通常要求不低于______dB（典型值）。5.超声换能器的核心材料是______（如PZT5），其工作原理基于______效应。6.医学影像设备中，CT的全称是______，其成像原理基于______。7.植入式医疗设备的无线供电技术主要包括______和______（列举两种）。8.生物医学信号的噪声抑制技术中，右腿驱动电路的作用是______。四、简答题（共30分）1.（6分）简述差分放大器抑制共模干扰的原理，并说明共模抑制比（CMRR）的定义（公式表示）。2.（6分）解释光电血氧计中“双波长法”的选择依据，并说明为何通常选择660nm（红光）和940nm（红外光）。3.（6分）手术中监测到的心电图（ECG）出现基线漂移，可能的原因有哪些？请提出至少3种解决措施。4.（6分）比较超声B超与彩色多普勒超声（CDFI）的成像原理及临床应用差异。5.（6分）设计便携式血糖仪时，需考虑哪些关键技术点？（从传感器、信号处理、校准、用户交互等方面回答）五、应用分析题（共20分）1.（8分）某生物医学仪器需采集幅值范围为05mV、频率0.5100Hz的生物电信号，现需设计前端信号调理电路。已知：信号源内阻约100kΩ；环境存在50Hz工频干扰；后续ADC输入范围为05V，分辨率12位。要求：（1）画出信号调理电路的功能模块流程图（标注各模块名称）；（2）计算ADC的最小分辨率（单位：μV）；（3）说明如何抑制50Hz干扰（至少2种方法）。2.（12分）某医院超声科发现一台B超仪图像出现“声影”伪影，且伪影位置与患者体内金属植入物位置一致。（1）解释“声影”伪影的产生机制；（2）分析金属植入物导致声影的原因；（3）提出减少此类伪影的技术措施（至少3种）。答案及解析一、单项选择题1.A（ECG主要频率0.05100Hz，幅值0.15mV）2.B（压阻式传感器利用电阻随压力变化的应变效应）3.C（前置放大器需高CMRR以抑制共模干扰，如工频噪声）4.B（奈奎斯特采样率≥2倍最高频率，50Hz×2=100Hz）5.B（电极皮肤界面离子扩散导致极化电位波动，产生低频噪声）6.B（B超通过回波时间差（Δt）计算深度（d=c·Δt/2））7.A（DR平板探测器多为碘化铯（scintillator）+非晶硅（光电转换））8.C（锂碘电池能量密度高、自放电率低，适合植入设备）9.D（陷波滤波器可针对性抑制50Hz窄带干扰）10.B（防除颤设备需耐受除颤脉冲（>200J），避免损坏）二、多项选择题1.ABCD（头皮油脂增加接触阻抗，电极阻抗不均引入噪声，眼球运动产生肌电干扰，环境电磁场直接耦合）2.AC（高频超声波长更短，聚焦探头可减小波束宽度，均提高分辨率）3.ABC（MRI无X射线球管，X射线属于CT/Mammography）4.ABCD（漏电流、除颤防护、电磁屏蔽均为电气安全核心）5.ABC（ADC关键参数：分辨率（位数）决定精度，采样速率决定频率响应，输入范围匹配信号幅值）三、填空题1.6（标准十二导联：3个标准肢体导联+3个加压肢体导联+6个胸导联）2.红光（660nm）、红外光（940nm）（Hb与HbO₂在这两个波长的吸光度差异最大）3.弹性膜片、应变梁（或波纹管）（血压计常用膜片，心内压监测用微型应变梁）4.80（临床心电图机CMRR≥80dB，高端设备可达100dB以上）5.压电陶瓷（或PZT）、压电（逆压电效应发射超声，正压电效应接收回波）6.电子计算机断层扫描、X射线衰减系数的断层成像（CT利用X射线穿透人体，探测器采集衰减信号，经计算机重建断层图像）7.电磁感应耦合、磁共振耦合（或射频感应、超声耦合）（植入设备常用短距电磁感应或长距磁共振）8.降低人体与地之间的共模电压（通过反馈电路驱动右腿电极，减小共模干扰）四、简答题1.差分放大器抑制共模干扰的原理：差分放大器对两个输入信号的差值（差模信号）进行放大，对两个输入信号的平均值（共模信号）进行抑制。共模抑制比（CMRR）定义为差模电压增益（Ad）与共模电压增益（Ac）的比值，通常用分贝表示：CMRR=20lg(Ad/Ac)（dB）。CMRR越大，抑制共模干扰的能力越强。2.双波长法选择依据：血氧饱和度（SpO₂）计算基于血红蛋白（Hb）与氧合血红蛋白（HbO₂）对不同波长光的吸光度差异。选择660nm（红光）和940nm（红外光）的原因：Hb在660nm处吸光度高，HbO₂在940nm处吸光度高，两者吸光度差异显著；这两个波长处于“光学窗口”，皮肤、组织对其吸收较少，信号穿透性好；避免其他生物成分（如水、黑色素）的干扰。3.基线漂移的可能原因及解决措施：原因：①电极与皮肤接触不良（出汗、移动导致接触阻抗变化）；②患者呼吸运动引起胸壁起伏，电极位置相对移动；③电源线干扰（50Hz共模干扰未完全抑制）；④放大器直流漂移（温度变化导致偏置电压波动）。解决措施：①清洁皮肤并使用导电膏，固定电极；②增加呼吸门控或软件滤波（如低通滤波）；③优化接地，使用右腿驱动电路降低共模电压；④采用温度补偿电路或软件基线校正算法。4.超声B超与CDFI的差异：成像原理：B超（亮度调制）通过接收超声回波的幅度调制像素亮度，反映组织界面的声学特性（如密度差异）；CDFI（彩色多普勒）利用多普勒效应，检测血流引起的回波频移，通过伪彩色编码显示血流方向与速度。临床应用：B超用于观察解剖结构（如器官形态、肿瘤）；CDFI用于评估血流动力学（如血管狭窄、心脏瓣膜反流）。5.便携式血糖仪设计关键技术点：传感器：采用酶电极（葡萄糖氧化酶或脱氢酶），需高特异性（避免其他糖干扰）、快速响应（<5秒）；信号处理：微小电流信号放大（pA级）、抗干扰（环境电磁噪声）、温度补偿（酶活性受温度影响）；校准：内置校准曲线（考虑批间差异）、用户样本对照校准（定期用标准液验证）；用户交互：小体积（便携）、低功耗（电池寿命>1年）、操作简便（一键采血）、结果显示清晰（误差≤5%）。五、应用分析题1.（1）信号调理电路模块流程：信号源→前置放大器（高输入阻抗、高CMRR）→带通滤波器（0.5100Hz）→50Hz陷波滤波器→主放大器（增益1000倍，将05mV放大至05V）→ADC（12位，采样率≥200Hz）。（2）ADC分辨率计算：ADC输入范围05V，12位分辨率对应2¹²=4096个量化级。最小分辨率=5V/4096≈1.22mV=1220μV。（注：生物电信号幅值05mV，经放大1000倍后为05V，与ADC输入范围匹配，故实际信号的最小分辨率为1220μV/1000=1.22μV）（3）抑制50Hz干扰的方法：①设计50Hz陷波滤波器（Q值≥30），衰减50Hz信号；②采用右腿驱动电路，降低人体与地之间的共模电压；③屏蔽电缆（如同轴电缆）传输信号，减少空间电磁耦合；④软件数字滤波（如FFT陷波或IIR陷波）。2.（1）声影伪影机制：当超声遇到声衰减极高的介质（如骨骼、金属）时，其后方区域因超声能量被大量吸收或反射，导致回波信号极弱，图像上表现为低回声或无回声区域（声影）。（2）金属植入物导致声影的原因：金属的声阻抗远高于软组织（如钢的声阻抗约45×10⁶Rayl，软组织约1.5×10⁶Rayl），超声在金属界面发生强烈反射（反射系数≈99%），且金属对超声的吸收衰减极大（远