中科院生物医学工程陈靖容期末考试总结

第一章

1.生物医学工程（Biomedical Engineering，简称BME）是结合物理、化学、数学和计算机与工程学原理，从事生物学、医学、行为学或卫生学的研究；提出基本概念，产生从分子水平到器官水平的知识，开发创新的生物学制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息学方法，用与疾病预防、诊断和治疗，病人康复，改善卫生状况等目的新兴的边缘学科，它综合工程学、生物学和医学的理论和方法，在各层次上研究人体系统的状态变化，并运用工程技术手段去控制这类变化，其目的是解决医学中的有关问题，保障人类健康，为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务。

2.生物医学工程学的研究以应用基础性研究为主，其领域十分广泛，并在不断扩展。现阶段它所涉及的研究领域主要有生物力学、生物材料、人工器官、生物系统的建模与控制、物理因子的生物效应、生物系统的质量与能量传递、生物医学信号的检测与传感器原理、生物医学信号处理方法、医学成像和图象处理方法、治疗与康复的工程方法等而微创伤手术、老年医学、家庭健康监护和远程医疗等正在成长为新的研究领域。

第二章

1. 为什么神经细胞的动作电位为时约1毫秒？

答：细胞膜上有多种离子通道。而动作电位的产生，则与钠和钾离子通道有关。这些离子通道的开关状态与膜电位有关，即是所谓的电压门控通道。

例如钠离子通道，在静息时它是关闭并且是可激活的。当去极化到一特定值时就会引起其构象的改变，成为打开状态。但是离子通道却不会持续停留在开放状态，它会在几毫秒内关闭。这是通过膜上一蛋白质的失活域的活动实现的，这个失活域会像塞子一样堵住离子通道。离子通道这种状态被称为关闭并失活的。过渡状态关闭但可激活的只有在完全复极化后才可能出现，而开放可激活的状态是在简单模型中不可能实现的。（文献中也写道，一个关闭并失活的通道在复极过程中首先短时间内还是开放状态，然后才改变构象直接成为关闭但可激活的。再次激活只能发生在完全复极之后，在去极化的细胞膜中不可能存在着过渡状态开放并失活的）。

当然，并不是所有的通道在电位到达一定值之时全部打开。更可能的是，通道的处于某种状态的概率是与电压相关的。而当阈电位出现时，大部分的通道便会开放，上述的模型便能很好的描述这种状态。

而状态之间过渡所需的时间也是因通道而异的。钠通道从关到开发生在1毫秒之内，而钾通道则要10毫秒。当细胞受到刺激时，膜上的钠离子通道和钾离子通道都会打开，但由于钠离子通道的开启比钾离子通道更迅速，所以在受到刺激后的短时间内（以毫秒计），细胞内外的离子运动表现为钠离子大量进入细胞。钠离子也是带正电的。它会迅速倒转钾离子外流造成的外正内负状态——动作电位的标志——外负内正，来了。

（除了电压外，还有其他开关通道的机制。对动作电位来说，有两种值得一提。一种是与内向整流性钾通道Kir有关，这种通道是不可调控的。但却有一些带正电的小分子如精素，能够在去极化到一定程度时堵塞通道孔。另一种机制与钾通道有关，当细胞间的钙离子与它结合后会开放。）

2. 神经细胞的沟通手段——动作电位

动作电位的图像非常神奇，它竟然和人的情绪波动有着惊人的相似之处——起伏不定，喜怒无常。人的思维其实就是神经细胞们经过彼此对话达成的共识。神经细胞之间的对话靠的是神经冲动，可能是兴奋也可能是抑制——就像阴阳或是电脑的0、1一样，只有两个符号。神经冲动是一股生物电，流经之处会引起神经细胞的电位变化,即产生动作电位。

现在就聊聊动作电位，这是它的一张全身照。

横轴表示的是时间，单位是毫秒（ms，1s=1000ms）。纵轴表示的是电位，单位是毫伏（mV）。神经细胞不忙活的时候称为静息电位，如图中1号线所示。为什么静息电位是-70mV，而不是0呢？因为那才是神经细胞的习惯。以0为标准是我们人类的习惯（也就是大多数神经细胞的共识），可这个习惯未必适合其他事物。以人为本是人与人相处的规矩，和谐共进才是大自然的法则。

神经细胞为了迎接下一个信息（兴奋或者抑制）的到来，时刻准备着把电位调低，信息一来就迅疾地发生极性转换以产生局部电流，把这个信息迅速的向下传递。日子久了，神经细胞就只剩这两个状态了：静息电位（工作前的状态），动作电位（工作中的状态）。图中的1号线和6号线是静息电位，2、3、4、5号线共同组成动作电位。

多看动作电位的照片几眼，你就会发现它并不是对称的一个波峰。2、3号线的上升速率并不一样，2号线似乎是为快速上升做准备；3、4号线的零上部分比较尖锐，被称为锋电位；4号线好像下降的过猛了，导致5号线都超过了静息电位的水平；所幸，6号线时终于又平静了……

其实这些曲线随着时间的上升、下降，代表的是神经细胞内外电位差的变动。电位差的变动是由神经细胞内外的带电成分的变动造成的，起主要作用的是钠离子和钾离子（有料才有功能，印证了“巧妇难为无米之炊”的正确性）。

钠离子主要分布在细胞外，钾离子主要分布在细胞内。神经细胞的膜上存在着专门供钠离子和钾离子分别通行的钠离子通道和钾离子通道。静息状态下，钾离子通道打开，钾离子外流。细胞内因带正电的钾离子减少而显负性，而细胞外因钾离子的增多而显正性。当电位差积累到-70mV时，电位梯度与浓度梯度持平，钾离子在细胞内外的分布达到动态平衡。静息电位表现为外正内负。

当细胞受到刺激时，膜上的钠离子通道和钾离子通道都会打开，但由于钠离子通道的开启比钾离子通道更迅速，所以在受到刺激后的短时间内（以毫秒计），细胞内外的离子运动表现为钠离子大量进入细胞。钠离子也是带正电的。它会迅速倒转钾离子外流造成的外正内负状态——动作电位的标志——外负内正，来了。

钠离子通道的打开，存在一个阈值。在电位差达到-50mV前，钠离子通道打开的相对慢些，一旦过了-50mV这个界限，钠离子进入细胞就真是一泻千里般了。照片里2号线和3号线就是因为这个原因存在一个拐点。

也许你也注意到了：钠离子和钾离子虽然都是有进有出，但我们更关注的是钠离子的内流和钾离子的外流。钠离子内流造成了细胞膜内外电性的改变，成全了动作电位的巅峰。钾离子的外流是静息电位的主要成因，时刻为动作电位的产生保持着一个电位差。

就在钠离子通道全面开放的时候，钾离子通道开启的数量也在悄悄的增加。钠离子内流带来的效果正在逐渐被逆转。而这逆转的趋势更因为钠-钾泵活动的增强而变得更加激进。

钠-钾泵，其实是一种ATP酶，消耗一分子ATP，泵入细胞2个钾离子，泵出细胞3个钠离子。在它的作用下，静息电位逐渐被重新构建。5号线超过了静息电位的正常水平，可能是由于钾离子通道和钠-钾泵的生理惯性，虽然超过了正常水平，但由于静息电位时钾离子的电位梯度和浓度梯度的平衡状态是一定的，所以5号线最终会在钠-钾泵的微调下变为6号线。

除钠离子、钾离子外，其他离子如钙离子、氯离子也与静息电位和动作电位有关。静息电位的维持除钾离子的外流外，钠离子、氯离子的内流也起了一定的作用。发生动作电位时，除了钠离子、钾离子外流外，至少还有钙离子内流。钙离子内流虽然不多，但它对神经末梢和肌纤维的激活是必不可少的。

3.跨膜运输比较

第三章

1.MEMS传感器在电子设备和日常生活中的重要性越来越大，它使人类能够感知到自己所处的环境，如位置、方向、速度、高度、角度、温度等。MEMS传感器非常可靠，它把物理环境如温度、加速度、压力、全球定位系统翻译成机器语言，具有功耗低、速度快、性价比高等优点。

　　应用无孔不入

　　除了传统的传感器外，还有手势传感器、GPS传感器、Wi-Fi传感器等范围更广的传感器，Wii和 iPhone的热销使得MEMS的功效得以显现,MEMS使得电子产品更娱乐化、智能化。不光是智能终端,MEMS产品还广泛地应用于喷墨打印头、投影机、游戏机、麦克风等产品中。

　　金字塔发展层次：

　　飞思卡尔是极少数能够提供移动和便携式应用传感器全部组合的公司之一。

　　一个传感系统需要三个元素：智能传感器、能处理传感器输入信息的复杂的传感器算法、以及一个高性能的应用处理器，它将与传感器互动并从互联网上收集更多的数据。传感器必须密切与应用处理器互动，而飞思卡尔在开发此类系统方面独有建树。

　　“MEMS发展趋势是小型化、更低的功耗、更高的性能、价格更便宜。”未来2 年内MEMS传感器在移动设备中的使用量将增加5倍。其实，单从飞思卡尔MEMS元器件的销售量就能以管窥豹。MEMS传感器在我们的日常生活中无处不在，比如汽车、智能终端、远程医疗。

　　而需求也并不是一成不变的，MEMS传感器让各种应用更加智能，而传感器本身智能化的趋势也越来越明显，武装到芯片的“智慧”才能为智能系统提供更坚定的平台。

2.生物传感器

第四章

1.心肌的电生理基础与电偶学说

（心肌细胞除极与复极过程在临床心电图上通常用电偶学说来说明。由两个电量相等，距离很近的正负电荷所组成的一个总体，称为电偶。正电荷称做电偶的电源，负电荷称为电偶的电穴，其连线称为电偶轴，电偶轴的方向是由电穴指向电源，两极间连线的中点称为电偶中心。当一个心肌细胞的甲端受刺激而首先除极，由于Na+的内流使此处膜内变为正电位，膜外变为负电位，乙端仍保持膜外为正电位、膜内负电位的极化状态，使同一个细胞膜外的甲乙两端出现了电位的差别。甲端为负电荷（电穴），乙端为正电荷（电源），二者形成电偶，产生电流。电流的方向由电源流向电穴。若在乙端（面对电源）置一探查电极，即可描记出向上的波，反之，在甲端则描记出向下的波。随着除极波的扩展，整个心肌细胞全部除极，细胞膜内外分别均匀地聚集正、负电荷，细胞膜外的电位差消失，无电流存在，则记录为一平线。心肌细胞复极时，先除极的甲端首先复极，恢复到极化水平，其膜外聚集正电荷，未复极的乙端膜外仍聚集负电荷，复极端为电极，恢复到极化水平，其膜外聚集正电荷，未复极的乙端膜外仍聚集负电荷，复极端为电源，未复极端为电穴，二者再次形成电偶，产生电流，电流方向仍为电源流向电穴，与除极时方向相反，甲端电极描记为正波，乙端描记为负波。整个心肌细胞恢复极化状态后，电偶消失，无电流产生，再次描记为一平线。）

　心肌细胞在除极与复极的过程中，形成电偶，产生电流，在每一瞬间都将传播到整个体液内。这种现象和一束肌纤维放在巨盆盐水内，不断产生电偶作用于周围的情况完全相似，这种导电的方式称为容积导电。人体亦可看作是容积导体，心脏处于这一导体之中。

　　在容积导体中各处都有强弱不同的电流在流动着，因而导体中各点存在着不同的电位差，通过电偶中心可作一垂直平面，因面上各点与正负两极距离相等，故在此平面上各点的电位均等于零，称为电偶电场的零电位面，零电位面把电偶的电场分为正、负两个半区。

　　容积导体中任一点的电位与以下三个因素有关。

　　1.某点的电位和电偶的动势成正比。电偶的电动势越大，该点的电位越高。

　　2.某点的电位和该点与电偶中心距离的平方成反比。距离越远，电位的绝对值越低。

3.某点的电位与该点方位角θ的余弦成正比。角度越大，电位越低，角度越小，电位越高。

2.心电图的基本原理

第五章

1. 应用力学原理和方法研究生物体的外在机械运动的生物力学分支。狭义的运动生物力学研究体育运动中人体的运动规律。按照力学观点，人体或一般生物体的运动是神经系统、肌肉系统和骨骼系统协同工作的结果。神经系统控制肌肉系统，产生对骨骼系统的作用力以完成各种机械动作。运动生物力学的任务是研究人体或一般生物体在外界力和内部受控的肌力作用下的机械运动规律，它不讨论神经、肌肉和骨骼系统的内部机制，后者属于神经生理学、软组织力学和骨力学的研究范畴（生物固体力学）。在运动生物力学中，神经系统的控制和反馈过程以简明的控制规律代替，肌肉活动简化为受控的力矩发生器，作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响，简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。相邻环节之间以关节相连接，在受控的肌力作用下产生围绕关节的相对转动，并影响系统的整体运动。

2.运动生理力学的任务是：1，研究人体结构和技能的生物力学特征；2，揭示技术动作原理，建立合理技术动作模式；3，进行运动生物力学诊断，制定最佳动作技术方案；4，为防治运动创伤和制定康复手段提供力学依据。

3.运动生物力学原理对技术训练的指导作用：1，运动技术训练必须符合动作技术的生物力学原理；2，技术动作训练中各要素的总体最佳化；3，通过技术诊断调控技术训练过程，4，技术训练中的区别对待。

第六章

1.几种成像方式比较

2.断层扫描原理

3.3代（1-3）CT比较

第一代CT：采用旋转/平移的方式扫描，X线管产生的射线速和相对的检测器环绕人体的中心作同步平移移动，其扫描速度慢，采集的数据少，现被淘汰。

第二代CT：与第一代CT机没有本质差别，由单一X线速改为扇形X线束，缩短了扫描时间。

第三代CT：将300枚～800枚探测器作扇形排列，扇形角包括整个扫描视场，扫描时间缩短至2～5秒内，它广泛应用于头部及全身检查。

第四代CT：探测器可达数千枚，以环形排列且固定不动，X线管可作360°旋转，扫描时间缩短至2～5秒。

第五代CT：X线源用电子枪，使用扫描时间缩短到50毫秒，图像分辨率高，可检查心脏，但价格昂贵，所以受到限制。

近十年来我国大都使用的是单层螺旋CT，它是在第三代CT扫描方式和滑环技术的基础上发展起来的，是CT技术的重要进步，不同之处就是通过连续扫描获得容积数据，然后经过螺旋插值计算得到重建层面的图像。在扫描期间，床沿纵轴连续平直移动。管球旋转和连续动床同时进行，使X线扫描的轨迹呈螺旋状，因而得名螺旋扫描。它的扫描是连续的，没有时间间隔，突出特点快速容积扫描，在短时间内对身体的较长范围进行不间断的数据采集，为提高CT的成像功能创造了良好的条件。但由于技术的限制，尤其在需要快速扫描的检查部位，就牺牲了空间的分辨率，因此，对于单层螺旋CT较大容积的扫描，难以实现各向同性分辨率。

第七章

1. 成像原理