生物医学工程相关试题

生物医学工程相关试题

像深度，推动成像技术的发展和新方法的产生。前景：

1、应用骨组织使得骨组织变得光透明，得皮层神经亚细胞结构与微血管信息；2、解决皮肤角质层的天然阻挡作用，促进透皮给药系统的研究和应用；3、皮肤光透明剂的发展推动光学相干断层成像技术的发展；4、光透明剂使得光辐射能在生物组织达到一定损光学成像技术在临床上的发展。

先需要利用光激活

/光切换的荧光探针标记感兴原本空间上密集的荧光分子在时间上进行充分光中心位置；最后，利用这些分子位置信息，结光分子的位置。以分辨两个相距

20nm

7,当两个点光源相距

20nm

个理想点物经光学系统成像，由于衍射的限制，近后就不好区分，这样就限制了系统的分辨率，这个斑越大，分辨率越低）的限制，使得每一个简化起见，假定光斑为一个半径

300nm

的圆斑方程(1)的像为图

7（a）所示。在这个时候，两个点光源

r1，r2

由于半径都在

300nm

300nm果第一时刻，只有

r1

光源发光，如图

7（b）所示，这时，r1

是可以分辨的，我们可以对

r1

r1

实际的位置如图7（C到了点光源

r1

的较精确的位置，如图

7（d）。这时，设法使

r1

得

r2

光源发光，其发光所成的像为一个圆斑（与图

7（b）形状相同，位置偏移了约

20nm），这时点光源

r2

法可以得到点光源

r2

两个点的位置，如图

7（f分辨出来。组织工程基本原理和方法：是将体外培养扩增的正常组织细胞吸附于一种具有优良细胞相容性并可被机体降解吸收的生细胞生长支架的生物材料逐渐被机体降解吸收的同时，细胞不断增殖、分化，形成新的并且其形态、功能方面与相应组织、器官一致的组织，从而达到修复创伤和重建功能的目的。组织工程主要包括两方面内容：（1）构建具有良好组织相容性的生物学支架，以提供移植细胞定向生长和器官修复的微环境。（2）将细胞在体外扩增并使其在新生组织中进行定向分化与生长。例如快速原型（RP）技术：与传统工艺相比，快的修复体的形态，节省了时间，提高了效率。另外，工程师利用

CAD

软件可以很快设计一个产品，而

RP

设备的快速性允许设计师在很短时间

RP

技术，设计师可以根据特定病人的

CT

或

MRI

数据而非标准的解剖学几何数据来设计并制作种植体，减少出错空间的同保证。总的来说

RP

技术提高了诊断和手术水平，提高了效率，节省了金钱和时间。组织工程中运用数字化技术的优势包括：快速、高效、高通量、更精密、低成本、可以为不同患者定制专属治疗等。点,特别是近红外线

(near

infrared,

NIR)

荧光成像分辨率

1~2

mm,可以穿透厚

8

cm的组织,荧光成像信号强,

可直接发出明亮的信号。此外

,光学对比剂发展迅速

,特别是随着纳米技术的深入,基于纳米颗粒、纳米壳和量子点研发出各种学在生物学、医学和药学领域中有广泛的应用。活体小动物体内光学成像主要采用生物发光与荧光两种技术。生物发光是用荧光素酶(luciferase)

基因标记细胞或

DNA，而荧光技术则采用荧光报告基团(GFP、RFP、Cyt

及

dyes

等)检测活体生物体内的细胞活动和基因行为。分子影像技术主要有磁共振成像 (magneticresonance

imaging,

MRI)、核医学成像和光学成像三种成像方法。近年来,光学分子影像学被用来研究在体情况下胚胎发育过程中的细胞和分子变化,

通过揭示这些变化

,

可以直观地看到胚胎在经历细胞迁移和细胞分化过程中的细胞光蛋白家族可以被激发发射出各种不同波长的可利用分子成像技术开发合适的新探针,对转基因动物体内的转基因表达或内源性基因的活性和功能进行检测

,可以对启动子或增强子的组织特异性及可诱导性进行评价

纳米光学探针中的如随着小动物成像技术的发展，成像探针种类越来越多，功能越来越强大。其中的量子点荧光标记是纳米技术和体内荧光成像技术结合的一种新技术，将直径只有

15

纳米的荧光粒子附着到

DNA

究中常用的传统荧光标签更易检测到。NIST

的研究小组证明量子点释放的信号强度比另外两种传统荧光标签强

2

到

11

倍，暴露于光下时稳度、应用范围等方面都有重要突破。

荧光蛋白的出现使得进行非侵入性的活体细胞用经过遗传修饰的小分子有机荧光标志物构建究，如果再结合电镜技术和快速光淬灭技术（rapid photoinactivation

的定位情况进行研究。荧光蛋白标记如GFPGFP

是源于水母的生物发光蛋白，其野生型

GFP基因由

3

个外显子组成。GFP

在紫外光或蓝光激发下发出绿色荧光的最大吸收峰在

395

一小的吸收峰为

470nm

509nm。利用

DNA

GFP

GFP

有

GFP

病毒增殖，GFP

基因随之到达感染神经元的胞体和突起，并表达出附着于细胞膜的

GFP，再经固镜下观察，从而显示神经元完整轮廓的目的。

三维超声成像分为静态三维成像和动态三维成成法是将人体脏器假设为多个不同形态的几何像和实时超声束跟踪技术。方法，成像处理过程包括：获取三维扫查数据；像重建。胎儿哈欠样张口动作等。像和实时超声束跟踪技术。方法，成像处理过程包括：获取三维扫查数据；像重建。胎儿哈欠样张口动作等。得到结构的所有组织信息。

一

散焦镜方法也称厚层三维图像，方法简一个散焦镜。用此方法可以对胎儿进行实时观图像辨别困难。

二

计算机辅助成像是目前首选的三维成像

三

实时超声束跟踪技术是三维超声的最新基本原理三维超声成像分为静态三维成像(staticthree2

dimensionalimaging)和动态三维成像(dynamicthree2dimensionalimaging),动态三维成像由于参考时间因素(心动周期

),用整体显像法重建感兴趣区域准实时活动的三维图像,则又称之为四维超声心动图。静态与动态三维超声成像重建的原理基本相同。111

立体几何构成法该法将人体脏器假设为多个不同形态的几何体组合,需要大量的几何原型

,因而对于描述人体复杂结构的三维形态并不完全适合,现已很少应用。112

表面轮廓提取法是将三维超声空间中一系列坐标点相互连接

,形成若干简单直线来描述脏器的轮廓的方法

,曾用于心脏表面的三维重建。该技术所需计算机内存少,运动速度较快。缺点是:(1)需人工对脏器的组织结构勾边,既费时又受操作者主观因素的影响

;(2)

只能重建比较大的心脏结构

(如左、右心腔

),不能对心瓣膜和腱索等细小结构进行三维重建;(3)不具灰阶特征

,难以显示解剖细节,故未被临床采用。113

体元模型法

(votelmode)

是目前最为理想的动态三维超声成像技术,可对结构的所有组织信息进行重建。在体元模型法中,三维物体被划分成依次排列的小立方体,一个小立方体就是一(v)可用中心坐标(x,y,z)确定,这里

x,y,z

像中最小单元为像素

,三维图像中则为体素或体元,体元素可以认为是像素在三维空间的延伸。与平面概念不同

,体元素空间模型表示的是容积概念,与每个体元相对应的数V(v)或“体元容积”

,一定数目的体元按相应的空间的人体结构所需体元数目很大,而体元数目的多少(即体元素空间分辨率)决定模型的复杂程度。生物材料与组织工程是学校重点建设的新型交发人才。学科组特别重视在物理、化学、材料、程支架、高分子水凝胶、生物纤维，以及具有特补材料、高透氧隐型眼镜材料。

PET

像仪（

positron

emission

tomography

，简称PET）由探头、数据处理系统、图像显示及检查床组成。PET

中正电子从原子核内放出后很快与自由电子碰撞湮灭,

转化成一对方向相反、能量为

511

keV的

γ

光子。在这光子飞行方向上对置一对探测360°排列的多组配对探头，得到探头对连线上代谢率高的组织或病变，在

PET

上呈明确的高PET

上呈低代谢暗信号。见

13

题如何去除散射事件和随机事件。

神经成像(Neuroimaging)

泛指能够直接或间接对神经系统（主要是脑）的功能，结构，和药经成像可以分为结构成像，用来展现脑的结构，从而辅助对一些脑疾病（例如脑肿瘤或脑外伤）近来正逐步成为医学神经科诊断的新途径。计算机断面成像

:计算机断面成像（

CT）的基本原理是利用不同方向上的

X

X

射线的通透率。CT

技术主要用来对脑进行快速成像，来观察外伤引起的组织水肿和脑室扩张。扩散光学成像

:扩散光学成像（

DiffusionOptical

Imaging,

DOI）是一种利用近红外光的为事件相关光学信号（Event-related

OpticalSignal，EROS）。EROS

的长处在于它较高的空间（毫米量级）和时间（毫秒量级）分辨率，缺点在于它无法观测深部脑组织的活动。核磁共振成像:MRI理是对原子核自旋的射频激发以及对随后弛豫过程中的射频信号的采集和处理。MRI

设备有一个大磁体产生的较大静磁场，使得样本原子核（主要是

[[氢]原子核）磁矩排列一致。设备的射频线圈在

Larmor

频率激发这些原子核，使它算机可重建样本的图像。MRI

图像中的数值的含

MRI

激发和采集模式的不同

T1

对比度，T2

对比度，T2*对比度等。不同对比度的图像有不同的生理学或解剖学含义。MRI

可以产生脑的高清晰度结构或功能图像。MRI

结构图像可用于神经科对于脑肿瘤，脑血管疾病（例如中风）等的诊断。功能核磁共振成像（Functional

Magnetic

Resonance

Imaging,fMRI白在磁性质上的差别以及伴随脑神经活动的脑血流变化。fMRI

可以用来展现各种感觉，运动，和认知活动过程中的激活脑区。目前

fMRI

的空间分辨率多在

2-3

毫米左右。脑磁图

:脑磁图（

Magnetoencephalography

，MEG）的基本原理是脑的神经活动时产生的电信SQUID)

fMRI

不同，MEG

直接测量神经活动。fMRI

测量的是伴随神经的影响。正电子发射成像

:正电子发射成像（

PositionEmission

Tomography,

PET）使用人工引入的放管。PET

设备检测改物质在脑内衰变时产生的正质包括含氧-15

的水和含氟-18

的氯代脱氧葡萄糖。单光子发射计算机断面成像:单光子发射计算Single

photon

emission

computertomography,

SPECT

）的基本原理与

PET

相似，但是改技术检测的是放射性物质衰变时产生的伽玛射线。与MRI

相比，PET

和

SPECT

的共同缺质的灵活性。

代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。生物医用材料最基本的要求是它必须与生物系统直接结合

,生物医用材料都必须具备生物学性能

,

即生物相容性,

尽量将受体对植入器械的不会因与生物系统直接结合而降低其效能与使用寿命。巨大创伤的机体组织或器官获得自己再生能力织工程、组织器官代用品、异种器官移植。新的果。干细胞具有很强的分化能力，再生性强；同胞、组织和器官的能力。再生医学，利用机体细细胞移植于体内损伤部位从而达到组织器官重材料与可降解材料这两个独立的概念结合起来，的相互作用，诱导细胞的增殖、分化，以及细胞外基质的合成与组装，从而启动机体的再生系统，属于再生医学的范畴。组织工程是应用生命科学与工程的原理和方法构建一个生物装置

,来维护、增进人体细胞和组织的生长

,以恢复受损组织或器官的功能。组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维病损组织进行形态结构和功能的重建并达到永培养扩增的正常组织细胞吸附于一种具有优良细胞相容性并可以被机体降解吸收的生物材料上面形成复合物，然后将细胞(生物材料复合物长支架的生物材料逐渐被机体降解吸收的同时细胞不断增殖、分化，形成新的并且其形态、功修复创伤和重建功能的目的。

素时间衰变校正，死时间校正，随机符合校正，等。常短（如

18F

为

110

强度为

A0、衰变系数为

λ 的药物经过时间

t1采集到某一帧的时候，放射性强度下降到A(t)=A0e-λ

t1，据此，不难通过采集时刻的计

eλt1

作为刻归一到注射时刻的情况。至于每一帧之间的差可以忽略在每帧采集过程中放射性强度的变化。小将计数率校正到药物注射时刻。死时间校正：系统的死时间（dead

time

）是指事件就会丢失，这就是死时间损失。PET

出厂前数率——药物强度曲线。在强度低的时候，计数率随药物强度正比增加，线逐渐弯曲，它与直线的距离就是丢失的计数线随药物强度呈下降趋势时，无法再进行校正。事实上有效评估

PET

计数特性的是噪声等效计数（NEC）。NEC

定义为在无散射和偶然符合计数

NEC

先于计数率而饱和，因此要注意死时间校正的有效范围。符合（

random

coincidence

能保证该符合电路输出中没有真的湮灭符合事件而只有偶然符合计数，然后再从总计数中减去。该方法简明有效、实时在线、速度快，易于实现，商用

PET

多采用这种方法。的两个光子在到达探测器之前其中之一或全部

4

量窗法，三能量窗法、卷积扣除法、人工神经网络法、MONTE

CARLO.

模拟法等。卷积扣除法假设投影空间的散射符合分布可以kernel

T

表示真实符合，S

表示散射符合，R

表示实际测量的符合分布，则在投影空间

S=T*h，因此真实符合就可以通过下式近似求取：T=R-S≈R-R*h

h

的求取一对不同距离上的散射分布采取非线性最小二乘对散射做进一步校正。事例都收集在高窗（

380

～

850

keV

）中，低窗（200～