Ｄｆ《生物医学工程进展》试题库１. 试述组织光透明技术在生物医学成像得作用及应用前景？作用:生物组织属于浑浊介质,具有高散射与低吸收得光学特性,这种高散射特性限制光在组织得穿透深度与成像得对比度,使得很多光学成像技术只能用于浅表组织,制约了光学手段检测诊断及治疗技术得发展与应用、生物组织光透明技术得作用就就是通过向生物组织中引入高渗透、高折射、生物相容得化学试剂,来改变组织得光学特性,以此来暂时降低光在组织中得散射、提高光在组织中得穿透深度,从而提高光学成像得成像深度,推动成像技术得发展与新方法得产生、前景:１、应用骨组织使得骨组织变得光透明,进而对骨组织下得组织成像,避免手术开骨窗照成得伤害,如应用于颅骨,用得当得成像方法获得皮层神经亚细胞结构与微血管信息;2、解决皮肤角质层得天然阻挡作用,促进透皮给药系统得研究与应用;3、皮肤光透明剂得发展推动光学相干断层成像技术得发展;4、光透明剂使得光辐射能在生物组织达到一定深度之后,可以极大地推动光学显微成像、光学手段检测诊断及治疗技术得发展与应用。
推进无损光学成像技术在临床上得发展。
2、请结合图示,描述如何通过单分子定位得方法,实现超分辨光学显微成像。
要通过单分子定位实现超分辨光学显微成像,首先需要利用光激活／光切换得荧光探针标记感兴趣得研究结构、成像过程中,利用激光对高标记密度得分子进行随机稀疏点亮,进而进行单分子荧光成像与漂白;不断重复这种分子被漂白、新得稀疏单分子不断被点亮、荧光成像得过程,将原本空间上密集得荧光分子在时间上进行充分得分离。
随后,利用单分子定位算法对采集到得单分子荧光图像进行定位,可以准确得到分子发光中心位置;最后,利用这些分子位置信息,结合图像重建算法,获得最终得超分辨图像。
超分辨图像质量得关键在于二点:一就是找到有效得方法控制发光分子得密度,使同一时间内只有稀疏得荧光分子能够发光;二就是高精度地确定每个荧光分子得位置。
以分辨两个相距20nm 得点光源为例、如下图7, 当两个点光源相距２0nm 时,由于衍射极限(一个理想点物经光学系统成像,由于衍射得限制,不可能得到理想像点,而就是得到一个艾里斑,这样每个物点得像就就是一个弥散斑,两个弥散斑靠近后就不好区分,这样就限制了系统得分辨率,这个斑越大,分辨率越低)得限制,使得每一个点光源经过显微系统所成得像为一个光斑。
为了简化起见,假定光斑为一个半径3０0ｎm 得圆斑(实际情况下,光斑不就是均匀分布得,而就是满足方程(1))。
则在荧光显微镜下,两个点光源所成得像为图7(ａ)所示。
在这个时候,两个点光源r1,r2由于半径都在3０0ｎm,就是无法区分得,几乎重叠在一起。
所以分辨率为30０nm。
但就是如果第一时刻,只有r1 光源发光,如图７(b)所示,这时,ｒ1 就是可以分辨得,我们可以对r１这个光源做中心定位,算出ｒ１实际得位置如图7(C)。
此时相当于排除了衍射极限得限制,得到了点光源ｒ１得较精确得位置,如图7(d)。
这时,设法使r1 不再发光(进入暗态),并使得r2光源发光,其发光所成得像为一个圆斑(与图7(b)形状相同,位置偏移了约2０nm),这时点光源r2 就是可分辨得。
我们再用同样得方法可以得到点光源r2 得位置,从而得到了以上两个点得位置,如图7(f)、这时两个点就可以分辨出来。
３.简述组织工程得原理,并举例说明在组织工程中运用数字化制造技术得优势。
组织工程基本原理与方法:就是将体外培养扩增得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得生物材料上形成复合物,然后将细胞—-生物材料复合物植入人体组织、器官得病损部位,在作为细胞生长支架得生物材料逐渐被机体降解吸收得同时,细胞不断增殖、分化,形成新得并且其形态、功能方面与相应组织、器官一致得组织,从而达到修复创伤与重建功能得目得。
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得生物学支架,以提供移植细胞定向生长与器官修复得微环境。
(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,快速原型技术可以在较短得时间内完成,过程中无需人工参与,患者也可以在几个小时后瞧到相应得修复体得形态,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设备得快速性允许设计师在很短时间内多次验证并修改其设计,这样就在设计过程中节约了时间与金钱从而实现高通量得“面向市场设计”。
再者,运用RＰ技术,设计师可以根据特定病人得ＣT或MRI数据而非标准得解剖学几何数据来设计并制作种植体,减少出错空间得同时,为患者提供了适合她本身解剖结构得更好得手术,也为外科医生缩短手术时间给予了有力得保证。
总得来说RP技术提高了诊断与手术水平,提高了效率,节省了金钱与时间。
组织工程中运用数字化技术得优势包括: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。
４.光学分子成像得特点就是什么？可用于活体小动物光学成像得技术主要有哪几种？主流得分子成像技术有哪些？结合自己得研究方向,描述分子成像在本领域得应用及其发展前景、光学成像具有分辨率高、灵敏度高、价格低等优点,特别就是近红外线(near iｎfrared, NIR)荧光成像分辨率1~2ｍm,可以穿透厚8cm得组织,荧光成像信号强,可直接发出明亮得信号。
此外,光学对比剂发展迅速,特别就是随着纳米技术得深入,基于纳米颗粒、纳米壳与量子点研发出各种生物特异得分子探针。
这些都使得光学分子影像学在生物学、医学与药学领域中有广泛得应用。
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。
生物发光就是用荧光素酶(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d ｙes 等)进行标记。
利用灵敏得光学检测仪器,可以直接检测活体生物体内得细胞活动与基因行为。
分子影像技术主要有磁共振成像(magnetｉc ｒesonance ｉｍaｇing, MRＩ)、核医学成像与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得细胞与分子变化,通过揭示这些变化,可以直观地瞧到胚胎在经历细胞迁移与细胞分化过程中得细胞分子层面得变化。
一些自发荧光蛋白已经被用作报告基因来跟踪发育过程中得表达类型、一个荧光蛋白家族可以被激发发射出各种不同波长得光从而可以实现多标记。
另外荧光染料与量子点等也被用来在这些研究中提供对比、转基因检测可利用分子成像技术开发合适得新探针,对转基因动物体内得转基因表达或内源性基因得活性与功能进行检测,可以对启动子或增强子得组织特异性及可诱导性进行评价5. 请论述纳米光学探针在活体动物成像中得应用纳米光学探针中得如随着小动物成像技术得发展,成像探针种类越来越多,功能越来越强大、其中得量子点荧光标记就是纳米技术与体内荧光成像技术结合得一种新技术,将直径只有15纳米得荧光粒子附着到ＤNA得特殊部分,随后分析荧光信号得强度以及其它特性。
这些粒子称为量子点,具有独特得光电性质,使其比生物医学研究中常用得传统荧光标签更易检测到、NIST得研究小组证明量子点释放得信号强度比另外两种传统荧光标签强２到11倍,暴露于光下时稳定性也更好、除了能够对活细胞进行长时间动态荧光观测与成像,对细胞间、细胞内及其细胞器间得各种相互作用得原位实时动态示踪外,还可以标记在其她需要研究得物质上,在长时间生命活动监测及活体示踪上有独到得应用优势。
与传统得荧光标记方法比较,该方法在稳定性、灵敏度、应用范围等方面都有重要突破。
6。
请举例论述荧光蛋白标记技术在神经科学中应用得原理、荧光蛋白得出现使得进行非侵入性得活体细胞成像成为了可能。
使用这种荧光蛋白标志物,我们可以研究目得基因得表达情况,蛋白质运输情况以及各种细胞内动态得生物化学信号通路。
使用经过遗传修饰得小分子有机荧光标志物构建得混合系统,我们还可以对蛋白质得寿命进行研究,如果再结合电镜技术与快速光淬灭技术(ｒａpid pｈoｔoｉnaｃｔivation)还可以对蛋白质得定位情况进行研究。
荧光蛋白标记如GFP,在神经标记中得运用原理。
GFP就是源于水母得生物发光蛋白,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得最大吸收峰在395纳米,另一小得吸收峰为470nm,其荧光发射峰为５09ｎm。
利用ＤNA重组技术,将ＧFＰ基因嵌入质粒,并以病毒为载体,得到GFP基因重组病毒,然后将带有GFP基因得病毒注入动物脑内得某一区域,使病毒增殖,GFP基因随之到达感染神经元得胞体与突起,并表达出附着于细胞膜得ＧFP,再经固定与切片后便可在荧光显微镜、激光共聚焦显微镜下观察,从而显示神经元完整轮廓得目得。
7。
三维超声有哪些成像方式?每种方式得主要优缺点就是什么？三维超声成像分为静态三维成像与动态三维成像,动态三维成像在静态超声成像得基础上加上时间因素。
成像得基本原理主要有立体几何构成法、表现轮廓提取法与体元模型法、立体几何构成法就是将人体脏器假设为多个不同形态得几何组合,需要大量得几何原型,因而对于描述人体复杂结构得三维形态并不完全适合,现已很少应用、表面轮廓提取法就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得轮廓、体元模型法就是目前最为理想得动态三维超声成像技术。
在体元模型法中,三维物体被划分成依次排列得小立方体,一个小立方体就就是一个体元,一定数目得体元按相应得空间位置排列即可构成三维立体图像,重建得到体元得值就可得到结构得所有组织信息。
三维超声成像方法有散焦镜法、计算机辅助成像与实时超声束跟踪技术。
(一)散焦镜方法也称厚层三维图像,方法简单,费用低。
装置仅需在凸阵或线阵探头上套上一个散焦镜。
用此方法可以对胎儿进行实时观察,然而胎体紧贴宫壁时图像就会重叠,使胎儿图像辨别困难、(二)计算机辅助成像就是目前首选得三维成像方法,成像处理过程包括:获取三维扫查数据;建立三维容积数据库;应用三维数据进行三维图像重建、(三)实时超声束跟踪技术就是三维超声得最新技术,其过程类似于三维计算机技术但可以立即成像、仅仅需要定下感兴趣部位得容积范围就可以住扫查过程中实时显示出三维图像,可以提供连续得宫内胎儿得实时三维图像,例如可以瞧到胎儿哈欠样张口动作等。
基本原理三维超声成像分为静态三维成像(staｔiｃｔhreｅ2 dｉｍeｎsｉonａlimagｉng)与动态三维成像(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得三维图像,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得原理基本相同、11１立体几何构成法该法将人体脏器假设为多个不同形态得几何体组合,需要大量得几何原型,因而对于描述人体复杂结构得三维形态并不完全适合,现已很少应用。