打印,生物医学工程

1、生理系统的建模与仿真的定义生理系统的建模与仿真方法：即是为了研究、分析生理系统而建立的一个与真实系统具有某种相似性的模型，然后利用这一模型对生理系统进行一系列实验，这种在模型上进行实验的过程就称为系统仿真。医学仪器的定义国际标准化组织ISO的定义(一) 为下列目的，用于人体的，不论是单独使用还是组合使用的，包括使用所需软件在内的任何仪器、设备、器具、材料、或者其他物品，这些目的是：(1) 疾病的诊断、预防、监护、治疗或缓解；(2) 损伤或残疾的诊断、监护、治疗、缓解或者补偿；(3) 解剖或生理学过程的研究替代或者调节。(4) 妊娠控制。(二) 其对于人体体表及体内的主要预防作用不是用药理学、免

2、疫学或代谢的手段获得，但可能有这些手段参与并起一定辅助作用。生理系统的模型有哪几种，各自具有的特点；系统仿真的分类及各自的特点(一) 模型可分为物理模型和数学模型：物理模型是指实体的模型，物理模型的特点：形象，接近于实际情况。缺点：花费大，周期长；灵活性较差，且受到材料、加工等条件的限制。 数学模型：用数学表达式来描述研究对象的生理特性，要求较好地刻划生理系统内在的数量关系，从而可探求客观实体的变化规律。特点：凡是具有数学表达式的事物，都可编成计算机程序，而且使数学模型更加直观和动态化，从而动态的模拟整个生理过程的活动。 根据所建立模型的不同，系统仿真相应的分成两大类：物理仿真、数学仿真（计算

3、机仿真）计算机仿真优越性：（1）可实现时空的伸缩：可在几小时内仿真实验出数百年中的事件（2）可实现极端条件下的实验：高温（高寒）下人体器官的耐受性实验；（3）可作为一种预研的手段，为真实系统运行奠定基础。生物医学材料的定义；生物医学材料必须满足什么样的要求；ISO定义，生物医学材料是指“以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命的材料”。另有定义是：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。 临床医学对生物医学材料有以下基本要求：无毒性、不致癌、不致畸、不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；化学性质稳定，抗体液、酶的作用；具

4、有与天然组织相适应的物理机械特性；针对不同的使用目的具有特定的功能。 高压发生器的作用；一方面提供x线球管所需要的高压电场。另一方面供给x线球管电流使灯丝加热。把变压器输入的交流电压升高数百倍，再经整流，为X线管提供产生X线所 需的直流高压。2、把X线管灯丝初级电路输入的交流电压降低，为X线管提供加热电压。3、如配有两只以上X线管，还要完成管电压和灯丝加热电压的切换。X线产生的过程X线的产生是能量转换的结果：电能转换为阴极电子的动能；在阳极的阻止下，阴极电子的动能99%以上转换为热能，不到1%的动能转换为X线。X线产生必须具备的3个条件：（1）电子源：通过X线管灯丝通电加热而获得在灯丝周围形成

5、的空间电荷。（2）电子高速运动：必须使电子高速运动具有动能。通过球管两端施以定向直流高压和维持X线管内高真空来满足。（3）高速电子骤然减速：是阳极阻止的结果；阳极的作用：一是阻止高速电子产生X线，二是形成高压电路的回路。阳极上接受电子撞击的范围称为靶面；阳极靶一般用高原子序数、高熔点的钨制成。生物信号的定义、特点生物医学信号包括生物体各层次的生理和生物化学信号，如：生物电信号：心电、脑电、肌电、眼电等生物磁信号：心磁、脑磁、眼磁等非电磁生理信号：血压、体温、呼吸、血流、脉搏等，生物化学量信号：血液、尿液、血气中各种酶、抗体、抗原、受体、激素、神经递质等特点：频带在低频和超低频范围内； 生物电信

6、号幅度较低，只有mV级甚至V级； 工频干扰：主要是市电50Hz的干扰； 信噪比低，噪声掩盖了有用信号。 生物医学信号的一般特点是信号微弱，随机性很强，噪声和干扰背景强（是指其他信号对所研究对象信号的干扰），动态变化和个体差异大，因此要求检测传感器和系统的灵敏度高，噪声小，抗干扰能力强，分辨力强，动态特性好。由于以人体为对象，故应有良好的对人体内环境的适应性，对人体生理状态扰动小，尤其对传感器系统的可靠性和安全性有特别严格的要求。（一般处理方法：想干平均算法、相关技术、频域分析技术、信号额滤波、参数模型） 均匀物质对X线的衰减形式是什么？滤过器的作用X线管发射的x线是由不同波长组成的连续光谱，所

7、以从球管发出x线必须进行过滤，滤过器的作用：1、吸收软射线；2、使X射线变为能量分布均 匀的硬射线。影像增强器的工作原理；由X线管发出的X线，透过被照体在影像增强器输入屏形成X线影像，经过与输入屏相接的光电面（光电阴极），转换为电子信号（光电子）。带有影信息的光电子在集束电极（电子透镜）作用下，聚集加速后，在输出屏形成了缩小的电子影像，电子影像再由输出屏的荧光体转换成可见影像，输出屏的亮度与影响缩小率的平方及阳极电压成正比，产生密度增益和电子能量增益，输出屏的光学影像由光学系统进行分配，传到CRT或其他观察器上。CT断层成像的基本原理；CT：是探测穿过人体组织前后的X线强度，然后利用计算机数学

8、算法进行运算，显示组织断层结构的医用诊断设备。主要包括图像扫描阶段、图像重建阶段、图像显示阶段。原理：CT是用X线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字，输入计算机处理。图像形成的处理有如对选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素。扫描所得信息经计算而获得每个体素的X线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵，数字矩阵可存贮于磁盘或光盘中。经数字/模拟转换器把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即像素，并按矩阵排列，即构成CT图像。所以，CT图像是重建图像。每个体素的X线吸收系

9、数可以通过不同的数学方法算出。PET成像原理；首先向患者注射经过标记了的正电子放射性核素的药物，它在衰变时产生的正电子在人体组织中运动很短距离之后和电子相遇发生湮灭，产生两个能量相等（511keV）的伽马光子，根据人体不同部位吸收标记化合物能力的不同，同位素在人体内各部位的浓聚程度不同，湮灭反应产生光子的强度也不同，测量两个伽马光子就可以确定电子对湮灭的位置、时间和能量信息为了抑制星形伪影，CT重建采用了什么重建方法？该方法的步骤有哪些？产生星状伪迹的原因在于：反投影重建的本质是把取自有限物体空间的射线投影均匀地回抹(反投影)到射线所及的无限空间的各点之上，包括原先像素值为零的点滤波反投影算法

10、：两种方法：反投影重建 输出图像（同原图像）二维滤波器反投影重建 输出图像（同原图像）二维滤波器 取投影 输入图像（原图像） （a） 输出图像（同原图像）取投影 输出图像（同原图像）取投影反投影重建 输入图像（原图像）一维滤波器一维滤波器 （b）第一种方法中的二维滤波器较难实现。 第二种方法交换了滤波与反投影的顺序，此时投影数据是一维的，易于实现。此方法的理论基础就是中心切片定理。窗口技术（窗宽和窗位）的定义以及对CT图像显示有哪些影响？窗体技术是CT检查中用以观察不同密度组织的一种显示技术，包括窗宽和窗位。窗宽：表示所显示的CT值的范围。影响图像对比度：窗宽越大，对比对越小； 窗宽越小，对比

11、度 越大。窗位：是指对应于灰度级中心位置的某一CT值。窗位的高低影响图像的亮度： 窗位低，图像亮度高成白色；窗位高，图像亮度低成黑色。放射治疗的定义、基本原理、所使用的射线种类有哪些，各具备什么特点放射治疗是利用放射线 (X、和中子流等) 对恶性肿瘤进行照射使其生长受到抑制而致死的一种疗法。放射治疗的基本原理：当射线达到一定剂量时，射线照射对病变细胞有抑制和杀伤作用。使用的射线种类:(1)放射性同位素发射出的、射线 (2)X射线治疗机和各类加速器产生的不同能量的X射线 (3)各类加速器产生的电子束、质子束、中子束、负介子和重 离子束等放射治疗计划设计的步骤放射治疗计划系统(TPS)是由计算机软

12、、硬件组成的对 肿瘤放疗进行最优化设计的系统。是实现临床剂量学四原则 的先进措施之一。在先进国家，要求对每个放疗病人都要做治 疗计划。在病人多、医疗费困难的发展中国家，至少也应对疑 难及复杂、特殊放疗病人做治疗计划的设计。治疗计划设计步骤是：体模阶段：方法是做CT或拍X线片，或用石膏绷带 脱出患者病灶断面身体 的外轮廓。目的是确定射线经过处的 体轮廓，肿瘤、重要器官和组织的准确 位置、大小和密度等。治疗计划设计阶段：利用先进的计算机软、硬件，输 入、计算、比较、优化 得到最理想的治疗用数据。如：最合适的 射线种类(X线或电子线)、能量大 小、机架角度i照射野大小、 每个射野分别照多少量、是否需

13、要加楔形板、 挡块和大小等。计划的证实和确认阶段：这要用模拟定位机来完成。 这种机器除射线能量低、 可起透视、照相作用外，其它尺寸条 件可与加速器、钴一60治疗机等完全相 同，所以可在透视条件 下证实治疗计划是否最优。若不理想还需修改计划， 直到证实 确认满意为止。执行阶段：即正式实施治疗阶段。这时的主要根据 是治疗单，而治疗单上的 数据是前3个阶段的努力最后确定 下来的最满意的治疗条件。在放疗期间， 还需定期检查患者的 治疗效果、放射反应等，必要时要及时调整治疗方案， 直至较好地完成治疗。放疗计划执行过程中测量体内剂量需要用到的剂量仪的种类点剂量验证：空腔电离室、半导体剂量仪、热释光剂量仪二

14、维剂量验证：胶片剂量仪、电子射野影像系统（EPID）立体定向放射外科治疗装置有哪些？立体定向放射治疗：1949年瑞典神经科学家Leksell先提出放射外科学理论：利用立体定向技术，使用大剂量的高能量射线束(X、质子、中子等)定向照射，一次性摧毁靶点的病变组织。立体定向放射外科治疗装置：(1)-刀 (Gamma-knife)、X-刀(X-knife) (2) 质子刀 (3)中子立体定向放疗装置 传感器的定义（国家标准）传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。生物电电极的分类；生物电检测电极的分类；刺激电极的作用生物电电极有两类：刺

15、激电极和检测电极生物电检测电极的分类：宏电极：体表电极和体内电极 微电极：金属微电极和充填电解液的玻璃微电极刺激电极的作用：临床医学根据生物体的电生理活动原理，对生物体导入各种不 同的电信号，以调节和治疗疾病，使肌体获得康复。各类温度传感器的测温原理热电偶温度传感器：将当两种不同材质的导体，接成闭合电路，然后对某个连接点加热，那么加热点与不加热点之间就会出现电位差。这个电位差的数值大小与：不加热部位测量点的温度以及这两种导体的材质有关。这种现象被称为热电效应，也称Seeback（赛贝克）效应。热电偶效应可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知

16、道加热点的温度。热敏电阻温度传感器：是一种对温度反应较敏感、阻值会随着温度的变化而变化的非线性电阻器。PN结温度传感器：PN结温度传感器是利用半导体PN结上正向电压降的温度效应设计而成。红外热辐射式温度传感器：普朗克辐射定律：当物体的温度高于热力学温度零度（-273.16）时，都要以电磁波的形式向周围辐射能量，其辐射频率和能量随物体的温度而定。红外辐射测温装置就是通过检测人体表面辐射的红外线能量而确定体温科氏音法间接测量血压的原理利用袖带在体外对动脉血管加以变化的压力，通过体表检测出脉管内血流与外部压力之间相对应的关系，进而测出脉管内的血压值。超声的分辨力有哪些？超声成像的分辨力有横向分辨力和

17、纵向分辨力之分。前者是指垂直于超声脉冲束方向上的分辨力，后者是沿波束轴方向上的分辨力。这两种分辨力的大小差别很大，纵向分辨力总是优于横向分辨力。而且，垂直于波束轴的两个维上的横向分辨力也往往不同。超声换能器产生和接受超声波的原理超声探头又称超声换能器，完成电-声和声-电转换，制造原理来自于压电效应。工作原理：探头向被检人体组织发射超声波，并接收反射回的回波；信息处理系统检测出回波中物理量的变化（幅度、频率等），再通过某种方式（A型、B型、D型等）在显示器上显示。应用了什么效应：压电效应超声成像的基础基本原理：探头发射超声声束进入人体内，在传播过程中，遇到介质的不均匀界面时发生反射与折射现象，人

18、体组织和脏器具有不同的声速和声阻抗，因而界面会反射声波称为回波，将回波收集，并检出其所携带的有关目标的信息，用以确定目标的方位和距离，由于界面两边的声学差异通常不是很大，故大部分超声能量穿过界面继续向前传播到达第二界面时又产生回波并仍有大部分超声能量透过该界面继续行进。将每次回波信号接收放大，加到监示器的Z轴上进行辉度调制，再配以声束的扫描，使横轴表示声扫描方向，纵轴表示深度，从而得到超声体层影像，根据扫描方式的不同可将影像分为线形扫描断层影像和扇形扫描断层影像。线形扫描断层影像：超声探头发射的声束在水平方向上，以快速电子扫描的方法(相当于快速等间隔改变A超探头在人体上的位置)，逐次获得不同位

19、置的深度方向所有界面的反射回波，当一帧扫描完成，便可得到一幅由超声声束扫描方向决定的垂直平面二维超声断层影像，称之为线形扫描断层影像。扇形扫描断层影像：通过改变探头的角度(机械的或者电子的方法)，使超声波束指向方位快速变化，使每隔一定小角度，被探测方向不同深度所有界面的反射回波，都以亮点的形式显示在对应的扫描线上，便可形成一幅由探头摆动方向决定的垂直扇面二维超声断影像，称之为扇形扫描断层影像。人工器官的定义、分类、用途人工器官:以人工材料和电子技术制成，用于模拟人体器官的结构和功能，部分或全部替代人体自然器官功能的机械、电子装置。人工心脏瓣膜：人工心脏瓣膜是可植入心脏内代替心脏瓣膜(主动脉瓣、

20、肺动脉瓣、三尖瓣、 二尖瓣)，能使血液单向流动，具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。人工肾：又称血液透析机，是用人工方法模仿人体肾小球的过滤作用，在体外循环的情况下， 去除人体血液内过剩的含氮化合物、新陈代谢产物或逾量药物等，调节水和电解质 平衡，以使血液净化的一种高技术医疗仪器。人工肝：作为肝移植前的暂时维持手段、移植后的肝脏最初无功能状态时的暂时替代、用于 急慢性肝功能衰竭的支持治疗。人工心脏：利用机械的方法把血液输送到全身各器官以代替心脏功能的装置。人工耳蜗：一种植入式电子装置，能将声能转换成电能，通过植人鼓阶、圆窗或耳囊内的电 极，直接刺激耳蜗内残余的听神经纤维，使聋人产生听觉。人工胰腺：

21、人工胰是用人工方法取代正常胰腺内分泌功能的一种机械装置，是糖尿病患者的 胰岛素分泌不足时的一种补充。人工皮肤：人工皮肤是在受创伤皮肤治疗过程中使用的一种暂时性的创面保护性覆盖材料。人工肺：人工肺系指用血气交换，调节血内O2和CO2含量，取代人体肺功能的装置，又 称氧合器。心脏起搏器：心脏起搏器能替代或补充正常激发和控制心脏收缩的生理电子系统。它通过周 期性发放的电脉冲刺激心脏，引起心搏，并实现生物机能控制。生物力学研究的内容及其在医学中的应用？生物力学：研究力与生物体运动、生理、病理之间关系的科学，也就是研究生物与力学有关的问题，或者说从力学的观点研究生物学的问题。范畴：心肺系统、量化生理学（

22、骨力学、软组织力学、血液动力学、血液流变学等）。研究内容：利用力学基本原理，结合生理学、医学和生物学来研究生物体，特别是人体功能、生长、消亡及运动的规律。骨力学：研究骨和骨骼系统在运动过程中和受外界作用时的变化规律，主要研究骨的生长、 吸收与应变的关系；软组织力学：研究肌肉、血管、皮肤、腱和各种内脏等软组织的应力和应变的关系，研究其 生长、吸收与应力的关系；血液动力学：研究血流在心脏、动脉、微血管和静脉中的流动规律，研究血液与血管壁的相 互作用；血液流变学：研究血液的流动与变形规律；生物力学在医学中的应用：a. 外科：外伤生物力学、伤口复原分析b. 植入学：义肢材料、生物相容性c. 骨科、牙科

23、：骨及韧带之力学、关节磨损、人工关节、骨科植入物d. 人造义肢：人工义肢设计e. 人造器官：人工肾、人工肝、人工心脏f. 轮椅及病床：瘫痪病人用轮椅g. 职业安全与卫生：肺之生物力学、黑肺病诊断、运动生物力学h. 高速公路安全：头颅伤研究、安全带气囊、撞击分析、汽车设计i. 飞行安全：人体振动及撞击分析补充：生物医学工程的经典的研究领域生物力学、生物材料学、人工器官、生物系统建模和仿真、生物医学信号与传感器、生物医学信息处理、医学图像技术、物理因子在治疗中的应用与生物学效应、放射医学。2. X线成像基本原理：X线之所以能使人体组织在荧屏上或胶片上形成影像，一方面是基于X线的穿透性、荧光效应和感

24、光效应；另一方面是基于人体组织之间有密度和厚度的差别。当X线透过人体不同组织结构时，被吸收的程度不同，所以到达荧屏或胶片上的X线量即有差异。这样，在荧屏或X线片上就形成明暗或黑白对比不同的影像。设备：电源、控制台、高压发生器、高压电缆、X线球管、机械装置及辅助设备X线成像基本原理（简答）（数字X线成像的原理）根据成像原理的不同可分为：CR（computed radiography）：计算X线摄影。CR是用存储屏IP板记录X线影像，通过激光扫描使存储信号转换成光信号，再用光电倍增管转换成电信号，然后经A/D转换后，输入计算机处理，成为高质量的数字图像。DR（digital radiography

25、）：数字X线摄影。分为直接数字X线摄影DDR，和间 接数字X线摄影IDR。DDR指采用一维或二维X线探测器直接将X线转换为电信号再形成数字信号的方法。IDR指X线影像经X线胶片或影像增强器电视（II-TV）成像链先获得X线信息的模拟影像，再转换为数字信号的方法。 X线球管的作用：产生X线的装置，包括固定阳极、阴极和真空玻璃管。灯丝加热电子从阴极射出电子加速到达阳极与靶电子相互作用，分为电离、激发、弹性散射和韧致辐射四个物理过程有一部分能量转变成x线光子发射出来，为一束波长不等的连续光谱。4. PET成像的基本过程正电子发射型计算机断层显像。正电子放射性核素在衰变时会发射正电子，原子核中的质子释

26、放正电子和中微子，并衰变为中子，正电子在人体内移动大约1-3mm后与人体内的负电子结合发生湮灭现象。过程：需在病人身上注射放射性药物，放射性药物在病人体内释出讯号，而被体外的PET扫瞄仪所接收，重建，形成断层影像。具体过程：引入体内的示踪剂放射出正电子，迅速转变为r光子对，被一对探测器捕捉，并由符合电路判定其直线位置。因为探测器的空间位置固定，经计算便可直接按其空间位置将这一对光子的信息以直线形式反投影入假想空间，逐条反投影线累计叠加便产生出体层图像。应该注意，正电子核素的寿命很短，故PET的数据采集过程中应加以衰变修正。5. 大型医疗应用成像设备有哪些和工作原理甲类：X线正电子发射型电子计算

27、机断层扫描仪（PET-CT，包括PET） 伽玛射线立体定位治疗系统（刀） 医用电子回旋加速治疗系统（MM50） 质子治疗系统乙类：X线电子计算机断层扫描装置（CT） 医用核磁共振成像设备（MRI） 数字减影血管造影X线机（DSA） 医用电子直线加速器（LA） 单光子发射型电子计算机断层扫描装置（SPECT）彩超不属于乙类大型医疗设备。6. 调强放疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）为达到剂量分布的三维适形，必须满足下述的必要条件:(1)在照射方向上，照射野的形状必须与病变(靶区)的投影的形状一致;(2)要使靶区内及表面的剂量处处相等，必须要求每个射野内诸点的输出剂量率能按要求的方式进行调整。同时满足上述两个必要条件的三维适形放疗称之为调强适形放射治疗(Intensity Modulation Radiation Therapy，IMRT)。7. 正压电效应、逆压电效应正压电效应：在某些晶体的一定方向上，受到应力（拉力或压力）而形变时，在晶体的两个受力界面上，引起内部介质正负电荷中心相对位移，从而产生符号相反的束缚电荷，其电荷密度与所施加的外力成正比例，这种由于机械力的作用而激起电介质晶体表面电荷的效应，称为正压电效应（Direct Piezoelectric Effe