13级硕士《生物医学工程进展》课程复习题库1. 举例简述荧光蛋白标记技术在神经生物学研究中的应用。

2. 试简答神经成像的主要仪器及其原理3. 请阐述纳米荧光标记技术在生物医学中的应用4. 生物材料区别于其它材料的一个显著特征是什么？简述生物材料与组织工程、再生医学的联系与区别。

5. 请结合图示，描述如何通过单分子定位的方法，实现超分辨光学显微成像。

6. 在PET系统中，需要对数据进行多种校正？请列举至少两种校正方法，给出他们的名称，校正的目的和实现的原理？7. 试述组织光透明技术在生物医学成像的作用及应用前景？8. 结合你所从事的专业领域，谈谈你对生物医学工程的认识与了解9. 三维超声与二维超声有何区别？列举至少一种三维超声成像方式，并简述其主要工作原理。

《Progress in Biomedical Engineering》1. Please exemplify the application of fluorescent protein labeling technology to neurobiological study.2. Please describe main neuroimaging devices and their working principle.3. Please expound the application of fluorescent labeling technology to biomedical engineering.4. What is the remarkable characteristics that differentiates biomaterials from the rest? Please describe the relationship and difference among biomaterial, tissue engineering and regenerative medicine.5. Please illustrate how to realize super-resolution optical microscopy by means of monomolecular localization.6. In the PET system, various calibration methods are needed for acquired data. Please list at least two calibration methods, provide their name, purpose of calibration and implementation principle.7. Please describe the role of tissue optical clearing technique in biomedical imaging and its application prospect.8. Please describe your understanding of biomedical engineering according to the specialty you are pursuing.9. What is the difference between 3D ultrasound and 2D ultrasound? Please list at least one kind of 3D ultrasound imaging method and describe its working principle.1. 请举例论述荧光蛋白标记技术在神经科学中应用的原理。

荧光蛋白标记如GFP，在神经标记中的运用原理。

GFP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纳米，另一小的吸收峰为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基因的病毒注入动物脑内的某一区域，使病毒增殖，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，再经固定和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的目的。

2. 试简答神经成像的主要仪器及其原理神经成像（Neuroimaging）泛指能够直接或间接对神经系统（主要是脑）的功能，结构，和药理学特性进行成像的技术。

（1）计算机断面成像（CT）的基本原理是利用不同方向上的X射线。

计算机用来对这些来自不同方向的数据进行整合，来重建断面内的图像。

这类图像内的数值反应的是物质对X射线的通透率。

（2）扩散光学成像（DOI）是一种利用近红外光的神经成像方法。

这种方法主要基于血红蛋白对近红外光的吸收。

该方法可通过测量吸收光谱来计算血液中的氧含量。

该技术可以用来测量脑组织对外部刺激或在执行某种功能时的代谢变化，称为事件相关光学信号（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。

（3）核磁共振成像（MRI）的基本原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，使它们偏离这个方向，并随后发生弛豫现象。

接受线圈可以拾取弛豫过程中产生的电磁信号。

设备的梯度磁场用来产生随空间变化的磁场强度，从而实现空间编码。

通过二维傅立叶变换等方法，计算机可重建样本的图像。

功能核磁共振成像（fMRI）的基本原理是氧化血红蛋白和去氧血红蛋白在磁性质上的差别以及伴随脑神经活动的脑血流变化。

（4）脑磁图（Magnetoencephalography，MEG）的基本原理是脑的神经活动时产生的电信号所产生的磁信号。

超导量子干涉设备（SQUID)可以用来测量这种微弱的磁信号。

与fMRI不同，MEG直接测量神经活动。

fMRI测量的是伴随神经活动的代谢变化。

而且磁信号基本不受周边组织的影响。

（5）正电子发射成像（Position Emission Tomography, PET）使用人工引入的放射性代谢物质。

这种放射性代谢物质被注射入血管。

PET设备检测改物质在脑内衰变时产生的正电子，来产生脑功能图像。

常用的放射性标注物质包括含氧-15的水和含氟-18的氯代脱氧葡萄糖。

（6）单光子发射计算机断面成像（Single photon emission computer tomography, 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。

3. 请阐述纳米荧光标记技术在生物医学中的应用作为新一代荧光纳米标记物的量子点，在生命科学中的应用是一个有极为广阔发展前景的领域。

效率高、稳定性好、一定程度上抵抗组织对可见光的吸收和散射。

（1）量子点应用于细胞成像及活细胞动态过程的实时示踪量子点应用于细胞成像方面的工作主要分为以下两大类：a固定细胞的成像（细胞和组织的成像）b离体活细胞成像（膜表面受体的显像，细胞器及胞内特定大分子的示踪）（2）量子点应用于活体动物标记成像（3）量子点在生物大分子相互作用及相互识别中的应用。

信号转导和配体- 受体相互作用（4）量子点在微生物检测中的应用4. 生物材料区别于其它材料的一个显著特征是什么？简述生物材料与组织工程、再生医学的联系与区别。

生物材料最显著特征是生物相容性，生物相容性是指生命体组织对非存活材料产生合乎要求的反应的一种性能，或者说是生物材料与宿主之间的相互反应及作用的能力，包括组织相容性和血液相容性。

再生医学是通过研究机体的正常组织特征与功能、创伤修复与再生机制及干细胞分化机理，寻找有效的生物治疗方法，促进机体自我修复与再生，或构建新的组织与器官，以改善或恢复损伤组织和器官的功能的科学。

5. 请结合图示，描述如何通过单分子定位的方法，实现超分辨光学显微成像。

例如：两个相距20nm的点光源（r1,r2），由于衍射极限,两光源所成的像（图a）几乎重叠在一起，无法分辨。

通过单分子中心定位可以分辨两光源的位置即某一时刻只让r1发光（图b），并对其做中心定位，算出r1实际位置（图c），此时相当于排除了衍射极限的限制；然后只让r2发光，同理算出r2实际位置，从而实现了超分辨光学显微光学成像。

6. 在PET系统中，需要对数据进行多种校正？请列举至少两种校正方法，给出他们的名称，校正的目的和实现的原理？1. 衰减校正目的：衰减校正是针对体内肌肉和骨骼等对光子的吸收衰减而进行的校正，从而得到真实的放射性药物分布图。

矫正原理：在PET中，某条符合线上的衰减因子τ与源点的位置无关，即只要沿同一路径传播，不论湮灭点在哪里，衰减的概率都相等。

这样就可以用一条置于人体之外并与人体轴线平行的68Ge线（棒）源，来测量过源点的各条符合路径的衰减情况。

线源绕人体一周完成透扫（transmission scan），就能取得沿所有符合线的衰减结果Ac，与没有病人时的空扫结果A0（blank scan）相比，就得到衰减校正因子τ=A0/Ac。

2 衰变校正目的：正电子类核素的寿命都非常短（如18F为110分钟），放射性衰变会使药物的强度随指数规律逐渐降低。

同位素活度降低会影响不同时刻图像的采集。

矫正原理：根据指数衰变规律，注射时放射性强度为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-λt1，把eλt1作为刻度因子乘以该帧各个像素的计数值，就能将图象归一到注射时刻的情况。

至于每一帧之间的差别，如果各帧的采集时间比药物的半衰期短，则可以忽略在每帧采集过程中放射性强度的变化。

但在计算标准摄取值（SUV，standard uptake value）时，需根据帧采集周期的大小将计数率校正到药物注射时刻。

7. 试述组织光透明技术在生物医学成像的作用及应用前景？1相对光来说，由于生物组织中的折射率的不匹配，使得生物组织是一种高散射介质，光束入射到组织时会发生严重的散射，从而制约了光束在组织中的穿透深度，使得光学显微成像系统对组织的成像深度限制在几个毫米深度范围内，这成为光学显微成像技术在医学检测、神经科学等领域应用中的制约瓶颈，2将光透明剂作用于生物组织来改善生物组织中的折射率不匹配从而降低生物组织对光的散射，进而有效地提高光在生物组织中的穿透深度，可以有效提高成像质量和深度；另一方面光热治疗方法在临床中具有重要的应用，应用组织光透明剂可以有效提高热疗的作用效果，减少作用光的输出功率，从而避免对正常组织造成热损伤。