2025年(移动医疗传感器工程师)移动医疗传感器技术试题及答案

2025年(移动医疗传感器工程师)移动医疗传感器技术试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种传感器属于生物电信号检测传感器？A.光电体积描记（PPG）传感器B.温度传感器C.表面肌电（sEMG）传感器D.压力传感器2.移动医疗传感器中，用于检测人体心率的PPG传感器主要利用的光学原理是？A.拉曼散射B.光的反射与吸收C.荧光效应D.光的干涉3.生物阻抗传感器（BIS）检测人体成分时，通常采用的激励信号频率范围是？A.10Hz~1kHzB.1kHz~100kHzC.1MHz~10MHzD.10MHz~100MHz4.为降低移动医疗传感器的功耗，以下哪种技术不属于动态功耗优化策略？A.动态电压调整（DVS）B.时钟门控（ClockGating）C.采用低泄漏工艺的芯片D.传感器分时唤醒5.移动医疗设备中，蓝牙低功耗（BLE）协议的典型传输速率是？A.1MbpsB.2MbpsC.500kbpsD.250kbps6.表面心电图（ECG）传感器的前置放大器通常需要具备的关键特性是？A.高输出阻抗B.低共模抑制比（CMRR）C.高输入阻抗D.高增益带宽积7.用于连续血糖监测（CGM）的酶电极传感器，其核心生物识别元件是？A.葡萄糖氧化酶B.乳酸脱氢酶C.过氧化物酶D.胆固醇氧化酶8.移动医疗传感器的噪声抑制中，“右腿驱动（RLD）”技术主要用于抑制？A.肌电干扰B.工频（50/60Hz）干扰C.运动伪影D.基线漂移9.医疗传感器校准中，“两点校准法”通常用于修正传感器的？A.非线性误差B.温度漂移误差C.零点偏移和灵敏度误差D.噪声误差10.根据FDA（美国食品药品监督管理局）分类，可穿戴式血压监测传感器属于？A.ClassI（低风险）B.ClassII（中风险）C.ClassIII（高风险）D.豁免类别二、多项选择题（每题3分，共15分，多选、错选不得分，少选得1分）1.以下属于移动医疗传感器信号预处理步骤的有？A.模数转换（ADC）B.带通滤波C.基线校正D.特征提取2.影响可穿戴式加速度传感器（用于跌倒检测）准确性的因素包括？A.传感器佩戴位置B.采样频率C.阈值算法设计D.电池容量3.无线体域网（WBAN）中，适合移动医疗传感器的短距离通信协议有？A.ZigBee（IEEE802.15.4）B.WiFi（IEEE802.11）C.近场通信（NFC）D.超宽带（UWB）4.生物传感器的性能指标包括？A.灵敏度B.选择性（特异性）C.响应时间D.线性范围5.移动医疗传感器的低功耗设计需考虑的方面包括？A.传感器硬件选型（如低功耗MCU）B.数据压缩算法C.无线传输协议的选择（如BLEvs.WiFi）D.环境适应性（如防水等级）三、填空题（每题2分，共10分）1.表面ECG信号的典型幅度范围是________mV，主要频率成分在________Hz之间。2.PPG传感器通常采用________（波长）和________（波长）两种光源，分别用于检测动脉血和静脉血的光吸收差异。3.生物阻抗分析（BIA）中，人体阻抗可等效为________（电阻）和________（电容）的并联模型。4.移动医疗传感器的ADC分辨率通常要求至少________位，以保证生物信号的精度（如ECG的μV级信号）。5.医疗设备电磁兼容性（EMC）需符合________（国际标准）或________（中国国家标准）的要求。四、简答题（共30分）1.封闭型问题（每题5分，共10分）（1）简述光电体积描记（PPG）传感器的工作原理，并说明其检测心率和血氧饱和度（SpO2）的区别。（2）列举3种移动医疗传感器常见的干扰源，并分别说明对应的抑制方法。2.开放型问题（每题10分，共20分）（1）分析可穿戴式连续血糖监测（CGM）传感器面临的技术挑战（至少5点），并提出可能的解决方案。（2）结合低功耗设计原则，说明如何优化移动医疗传感器从信号采集到数据传输的全链路功耗（需涵盖硬件和软件层面）。五、应用题（共25分）1.计算题（8分）某移动医疗ECG传感器的输入信号幅度范围为0~5mV，噪声均方根（RMS）为10μV。若要求信噪比（SNR）≥40dB，计算该传感器所需的ADC分辨率至少为多少位（假设ADC为理想线性，无量化噪声以外的误差）。2.分析题（9分）某患者使用可穿戴式ECG设备时，检测到信号出现严重基线漂移（表现为低频波动）。请分析可能的原因（至少3点），并提出硬件和软件层面的解决方案。3.综合题（8分）设计一款用于老年人跌倒检测的移动医疗传感器系统，需包含传感器选型、数据采集与处理流程、通信方案及报警机制。要求：传感器需支持低功耗运行，报警延迟≤2秒。答案与解析一、单项选择题1.C（sEMG属于生物电信号，其他为物理量检测）2.B（PPG利用血液对光的吸收变化检测容积变化）3.B（BIS常用1kHz~100kHz激励信号穿透人体组织）4.C（低泄漏工艺属于静态功耗优化，其他为动态策略）5.A（BLE典型速率1Mbps，实际应用中通过重传优化降低有效速率）6.C（ECG前置放大器需高输入阻抗以减少信号衰减）7.A（葡萄糖氧化酶特异性催化葡萄糖反应）8.B（RLD技术通过反馈抑制工频共模干扰）9.C（两点校准修正零点和灵敏度，三点修正非线性）10.B（血压监测属中风险，需510(k)认证）二、多项选择题1.ABC（特征提取属后期处理，非预处理）2.ABC（电池容量影响续航，不直接影响检测准确性）3.ACD（WiFi功耗高，不适合WBAN）4.ABCD（均为生物传感器核心指标）5.ABC（环境适应性属可靠性设计，非低功耗）三、填空题1.0.1~5；0.05~1002.红光（660nm）；红外光（940nm）3.电阻（R）；电容（C）4.16（16位ADC分辨率约1.5μV，满足μV级信号）5.IEC6060112；GB9706.12020四、简答题1.封闭型问题（1）工作原理：PPG通过发光二极管（LED）发射光，经皮肤组织反射/透射后由光电探测器接收。当心脏收缩时，动脉血容积增加，光吸收增强，探测器信号减弱；舒张时信号增强，形成周期性波形。检测心率：直接提取PPG波形的周期（频率）；检测SpO2：利用红光（Hb吸收为主）和红外光（HbO2吸收为主）的吸光度比值，通过朗伯比尔定律计算血氧浓度。（2）干扰源及抑制方法：①工频干扰（50/60Hz）：硬件采用高CMRR放大器、RLD电路；软件使用陷波滤波（如50Hz陷波）。②运动伪影：硬件使用加速度传感器辅助检测运动，软件通过自适应滤波（如LMS算法）去除运动相关噪声。③肌电干扰（EMG）：硬件增加低通滤波（截止频率<100Hz）；软件通过小波变换分离EMG和ECG信号。2.开放型问题（1）技术挑战与解决方案：挑战1：组织穿透性差（皮下组织影响信号）→优化传感器探针设计（如微针阵列减少组织损伤）。挑战2：酶稳定性（葡萄糖氧化酶易失活）→采用纳米材料包被酶层，延长使用寿命。挑战3：校准复杂性（个体差异大）→结合指尖血血糖仪定期校准，或开发无校准算法（如机器学习模型）。挑战4：生物相容性（传感器与皮肤/组织反应）→使用生物惰性材料（如聚对二甲苯涂层）。挑战5：运动干扰（汗液、摩擦影响信号）→增加湿度传感器补偿，或设计贴合性更好的穿戴结构。（2）全链路低功耗优化：硬件层面：①传感器选型：采用低功耗模数转换器（如ADS1292R，功耗<1mW）、低功耗MCU（如TIMSP430）。②电源管理：动态电压调整（DVS）根据任务负载调整供电电压；传感器分时唤醒（仅在需要时激活）。③无线传输：选择低功耗协议（BLE5.3，待机功耗<1μA），优化包长（减少重传次数）。软件层面：①数据压缩：采用有损压缩算法（如ECG的PanTompkins算法仅保留特征点），减少传输数据量。②事件触发：仅在检测到异常信号（如心率超过阈值）时唤醒无线模块，否则保持睡眠。③算法优化：使用轻量级机器学习模型（如TensorFlowLiteMicro）在本地处理数据，减少云端计算需求。五、应用题1.计算题SNR（dB）=20log10(信号RMS/噪声RMS)已知信号幅度范围0~5mV，假设信号为正弦波，其RMS=5mV/√2≈3.535mV噪声RMS=10μV=0.01mV当前SNR=20log10(3.535/0.01)≈20log10(353.5)≈20×2.55≈51dB（已满足≥40dB）。但需考虑ADC量化噪声：ADC量化噪声RMS=Vref/(√12×2ⁿ)，其中Vref为参考电压（假设Vref=5V，覆盖0~5mV需前端放大1000倍，实际Vref=5V对应输入5mV，故Vref有效范围=5mV）。有效Vref=5mV，量化噪声RMS=5mV/(√12×2ⁿ)总噪声RMS=√(传感器噪声²+量化噪声²)≈量化噪声（因传感器噪声10μV远小于量化噪声需≤10μV）要求总SNR≥40dB，即信号RMS/总噪声RMS≥10^(40/20)=100信号RMS=3.535mV，故总噪声RMS≤3.535mV/100=35.35μV传感器噪声为10μV，故量化噪声需≤√(35.35²10²)≈33.9μV5mV/(√12×2ⁿ)≤33.9μV→2ⁿ≥5mV/(33.9μV×√12)≈5000μV/(33.9μV×3.464)≈5000/117.5≈42.5n≥log2(42.5)≈5.4，取整为6位？但实际ECG信号需更高精度，可能题目假设传感器噪声为主，忽略量化噪声，则原SNR已满足。但通常ADC分辨率需至少16位（16位对应5mV/65536≈76μV，量化噪声≈76/3.464≈22μV，总噪声≈√(10²+22²)=24μV，SNR=20log(3535/24)=20×2.17≈43.4dB≥40dB）。因此答案：至少16位。2.分析题可能原因：①电极接触不良（皮肤干燥或运动导致电极与皮肤间阻抗变化）；②环境温度变化（皮肤表面温度波动引起电极皮肤界面电势漂移）；③呼吸运动（胸腔起伏导致电极位置相对移动，产生机械应力引起的电势变化）。解决方案：硬件层面：①使用凝胶电极或粘性电极提高接触稳定性；②增加温度传感器实时补偿温度引起的漂移；③采用柔性基底电极（如PDMS材料）减少机械应力影响。软件层面：①基线校正算法（如中值滤波、多项式拟合去除低频趋势）；②结合加速度传感器数据，通过运动补偿模型修正因呼吸/运动引起的漂移；③自适应滤波（如卡尔曼滤波）跟踪基线变化并实时调整。3.综合题系统设计方案：（1）传感器选型：①主传感器：三轴加速度计（如ADXL362，功耗<1μA@100Hz）+陀螺仪（如LSM6DSO，低功耗模式）；②辅助传感器：温度/湿度传感器（监测环境，避免误触发）。（2）数据采集与处理流程：①采样频率：100Hz（兼顾跌倒检测的时间分辨率和低功耗）；②预处理：去除高频噪声（低通滤波，截止频率30Hz）；③特征提取：计算加速度模值（|a|=√(a_x²+a_y²+a_z²)）、角速度变化率；④跌倒检测算法：基于阈值（如|a|>2g且持续时间>50ms，随后|a|<0.5g持续>200ms）+机器学习模型（如SVM分类正常活动与跌倒）。（3）通信方案：①无线传输：BLE5.3（低功耗，传输延迟<10ms）