生物醫(yī)學工程相關試題

像深度，推動成像技術的發(fā)展和新方法的產(chǎn)生。前景：

1、應用骨組織使得骨組織變得光透明，得皮層神經(jīng)亞細胞結構與微血管信息；2、解決皮膚角質(zhì)層的天然阻擋作用，促進透皮給藥系統(tǒng)的研究和應用；3、皮膚光透明劑的發(fā)展推動光學相干斷層成像技術的發(fā)展；4、光透明劑使得光輻射能在生物組織達到一定損光學成像技術在臨床上的發(fā)展。

先需要利用光激活

/光切換的熒光探針標記感興原本空間上密集的熒光分子在時間上進行充分光中心位置；最后，利用這些分子位置信息，結光分子的位置。以分辨兩個相距

20nm

7,當兩個點光源相距

20nm

個理想點物經(jīng)光學系統(tǒng)成像，由于衍射的限制，近后就不好區(qū)分，這樣就限制了系統(tǒng)的分辨率，這個斑越大，分辨率越低）的限制，使得每一個簡化起見，假定光斑為一個半徑

300nm

的圓斑方程(1)的像為圖

7（a）所示。在這個時候，兩個點光源

r1，r2

由于半徑都在

300nm

300nm果第一時刻，只有

r1

光源發(fā)光，如圖

7（b）所示，這時，r1

是可以分辨的，我們可以對

r1

r1

實際的位置如圖7（C到了點光源

r1

的較精確的位置，如圖

7（d）。這時，設法使

r1

得

r2

光源發(fā)光，其發(fā)光所成的像為一個圓斑（與圖

7（b）形狀相同，位置偏移了約

20nm），這時點光源

r2

法可以得到點光源

r2

兩個點的位置，如圖

7（f分辨出來。組織工程基本原理和方法：是將體外培養(yǎng)擴增的正常組織細胞吸附于一種具有優(yōu)良細胞相容性并可被機體降解吸收的生細胞生長支架的生物材料逐漸被機體降解吸收的同時，細胞不斷增殖、分化，形成新的并且其形態(tài)、功能方面與相應組織、器官一致的組織，從而達到修復創(chuàng)傷和重建功能的目的。組織工程主要包括兩方面內(nèi)容：（1）構建具有良好組織相容性的生物學支架，以提供移植細胞定向生長和器官修復的微環(huán)境。（2）將細胞在體外擴增并使其在新生組織中進行定向分化與生長。例如快速原型（RP）技術：與傳統(tǒng)工藝相比，快的修復體的形態(tài)，節(jié)省了時間，提高了效率。另外，工程師利用

CAD

軟件可以很快設計一個產(chǎn)品，而

RP

設備的快速性允許設計師在很短時間

RP

技術，設計師可以根據(jù)特定病人的

CT

或

MRI

數(shù)據(jù)而非標準的解剖學幾何數(shù)據(jù)來設計并制作種植體，減少出錯空間的同保證?？偟膩碚f

RP

技術提高了診斷和手術水平，提高了效率，節(jié)省了金錢和時間。組織工程中運用數(shù)字化技術的優(yōu)勢包括：快速、高效、高通量、更精密、低成本、可以為不同患者定制專屬治療等。點,特別是近紅外線

(near

infrared,

NIR)

熒光成像分辨率

1~2

mm,可以穿透厚

8

cm的組織,熒光成像信號強,

可直接發(fā)出明亮的信號。此外

,光學對比劑發(fā)展迅速

,特別是隨著納米技術的深入,基于納米顆粒、納米殼和量子點研發(fā)出各種學在生物學、醫(yī)學和藥學領域中有廣泛的應用?；铙w小動物體內(nèi)光學成像主要采用生物發(fā)光與熒光兩種技術。生物發(fā)光是用熒光素酶(luciferase)

基因標記細胞或

DNA，而熒光技術則采用熒光報告基團(GFP、RFP、Cyt

及

dyes

等)檢測活體生物體內(nèi)的細胞活動和基因行為。分子影像技術主要有磁共振成像 (magneticresonance

imaging,

MRI)、核醫(yī)學成像和光學成像三種成像方法。近年來,光學分子影像學被用來研究在體情況下胚胎發(fā)育過程中的細胞和分子變化,

通過揭示這些變化

,

可以直觀地看到胚胎在經(jīng)歷細胞遷移和細胞分化過程中的細胞光蛋白家族可以被激發(fā)發(fā)射出各種不同波長的可利用分子成像技術開發(fā)合適的新探針,對轉基因動物體內(nèi)的轉基因表達或內(nèi)源性基因的活性和功能進行檢測

,可以對啟動子或增強子的組織特異性及可誘導性進行評價

納米光學探針中的如隨著小動物成像技術的發(fā)展，成像探針種類越來越多，功能越來越強大。其中的量子點熒光標記是納米技術和體內(nèi)熒光成像技術結合的一種新技術，將直徑只有

15

納米的熒光粒子附著到

DNA

究中常用的傳統(tǒng)熒光標簽更易檢測到。NIST

的研究小組證明量子點釋放的信號強度比另外兩種傳統(tǒng)熒光標簽強

2

到

11

倍，暴露于光下時穩(wěn)度、應用范圍等方面都有重要突破。

熒光蛋白的出現(xiàn)使得進行非侵入性的活體細胞用經(jīng)過遺傳修飾的小分子有機熒光標志物構建究，如果再結合電鏡技術和快速光淬滅技術（rapid photoinactivation

的定位情況進行研究。熒光蛋白標記如GFPGFP

是源于水母的生物發(fā)光蛋白，其野生型

GFP基因由

3

個外顯子組成。GFP

在紫外光或藍光激發(fā)下發(fā)出綠色熒光的最大吸收峰在

395

一小的吸收峰為

470nm

509nm。利用

DNA

GFP

GFP

有

GFP

病毒增殖，GFP

基因隨之到達感染神經(jīng)元的胞體和突起，并表達出附著于細胞膜的

GFP，再經(jīng)固鏡下觀察，從而顯示神經(jīng)元完整輪廓的目的。

三維超聲成像分為靜態(tài)三維成像和動態(tài)三維成成法是將人體臟器假設為多個不同形態(tài)的幾何像和實時超聲束跟蹤技術。方法，成像處理過程包括：獲取三維掃查數(shù)據(jù)；像重建。胎兒哈欠樣張口動作等。像和實時超聲束跟蹤技術。方法，成像處理過程包括：獲取三維掃查數(shù)據(jù)；像重建。胎兒哈欠樣張口動作等。得到結構的所有組織信息。

一

散焦鏡方法也稱厚層三維圖像，方法簡一個散焦鏡。用此方法可以對胎兒進行實時觀圖像辨別困難。

二

計算機輔助成像是目前首選的三維成像

三

實時超聲束跟蹤技術是三維超聲的最新基本原理三維超聲成像分為靜態(tài)三維成像(staticthree2

dimensionalimaging)和動態(tài)三維成像(dynamicthree2dimensionalimaging),動態(tài)三維成像由于參考時間因素(心動周期

),用整體顯像法重建感興趣區(qū)域準實時活動的三維圖像,則又稱之為四維超聲心動圖。靜態(tài)與動態(tài)三維超聲成像重建的原理基本相同。111

立體幾何構成法該法將人體臟器假設為多個不同形態(tài)的幾何體組合,需要大量的幾何原型

,因而對于描述人體復雜結構的三維形態(tài)并不完全適合,現(xiàn)已很少應用。112

表面輪廓提取法是將三維超聲空間中一系列坐標點相互連接

,形成若干簡單直線來描述臟器的輪廓的方法

,曾用于心臟表面的三維重建。該技術所需計算機內(nèi)存少,運動速度較快。缺點是:(1)需人工對臟器的組織結構勾邊,既費時又受操作者主觀因素的影響

;(2)

只能重建比較大的心臟結構

(如左、右心腔

),不能對心瓣膜和腱索等細小結構進行三維重建;(3)不具灰階特征

,難以顯示解剖細節(jié),故未被臨床采用。113

體元模型法

(votelmode)

是目前最為理想的動態(tài)三維超聲成像技術,可對結構的所有組織信息進行重建。在體元模型法中,三維物體被劃分成依次排列的小立方體,一個小立方體就是一(v)可用中心坐標(x,y,z)確定,這里

x,y,z

像中最小單元為像素

,三維圖像中則為體素或體元,體元素可以認為是像素在三維空間的延伸。與平面概念不同

,體元素空間模型表示的是容積概念,與每個體元相對應的數(shù)V(v)或“體元容積”

,一定數(shù)目的體元按相應的空間的人體結構所需體元數(shù)目很大,而體元數(shù)目的多少(即體元素空間分辨率)決定模型的復雜程度。生物材料與組織工程是學校重點建設的新型交發(fā)人才。學科組特別重視在物理、化學、材料、程支架、高分子水凝膠、生物纖維，以及具有特補材料、高透氧隱型眼鏡材料。

PET

像儀（

positron

emission

tomography

，簡稱PET）由探頭、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、圖像顯示及檢查床組成。PET

中正電子從原子核內(nèi)放出后很快與自由電子碰撞湮滅,

轉化成一對方向相反、能量為

511

keV的

γ

光子。在這光子飛行方向上對置一對探測360°排列的多組配對探頭，得到探頭對連線上代謝率高的組織或病變，在

PET

上呈明確的高PET

上呈低代謝暗信號。見

13

題如何去除散射事件和隨機事件。

神經(jīng)成像(Neuroimaging)

泛指能夠直接或間接對神經(jīng)系統(tǒng)（主要是腦）的功能，結構，和藥經(jīng)成像可以分為結構成像，用來展現(xiàn)腦的結構，從而輔助對一些腦疾?。ɡ缒X腫瘤或腦外傷）近來正逐步成為醫(yī)學神經(jīng)科診斷的新途徑。計算機斷面成像

:計算機斷面成像（

CT）的基本原理是利用不同方向上的

X

X

射線的通透率。CT

技術主要用來對腦進行快速成像，來觀察外傷引起的組織水腫和腦室擴張。擴散光學成像

:擴散光學成像（

DiffusionOptical

Imaging,

DOI）是一種利用近紅外光的為事件相關光學信號（Event-related

OpticalSignal，EROS）。EROS

的長處在于它較高的空間（毫米量級）和時間（毫秒量級）分辨率，缺點在于它無法觀測深部腦組織的活動。核磁共振成像:MRI理是對原子核自旋的射頻激發(fā)以及對隨后弛豫過程中的射頻信號的采集和處理。MRI

設備有一個大磁體產(chǎn)生的較大靜磁場，使得樣本原子核（主要是

[[氫]原子核）磁矩排列一致。設備的射頻線圈在

Larmor

頻率激發(fā)這些原子核，使它算機可重建樣本的圖像。MRI

圖像中的數(shù)值的含

MRI

激發(fā)和采集模式的不同

T1

對比度，T2

對比度，T2*對比度等。不同對比度的圖像有不同的生理學或解剖學含義。MRI

可以產(chǎn)生腦的高清晰度結構或功能圖像。MRI

結構圖像可用于神經(jīng)科對于腦腫瘤，腦血管疾病（例如中風）等的診斷。功能核磁共振成像（Functional

Magnetic

Resonance

Imaging,fMRI白在磁性質(zhì)上的差別以及伴隨腦神經(jīng)活動的腦血流變化。fMRI

可以用來展現(xiàn)各種感覺，運動，和認知活動過程中的激活腦區(qū)。目前

fMRI

的空間分辨率多在

2-3

毫米左右。腦磁圖

:腦磁圖（

Magnetoencephalography

，MEG）的基本原理是腦的神經(jīng)活動時產(chǎn)生的電信SQUID)

fMRI

不同，MEG

直接測量神經(jīng)活動。fMRI

測量的是伴隨神經(jīng)的影響。正電子發(fā)射成像

:正電子發(fā)射成像（

PositionEmission

Tomography,

PET）使用人工引入的放管。PET

設備檢測改物質(zhì)在腦內(nèi)衰變時產(chǎn)生的正質(zhì)包括含氧-15

的水和含氟-18

的氯代脫氧葡萄糖。單光子發(fā)射計算機斷面成像:單光子發(fā)射計算Single

photon

emission

computertomography,

SPECT

）的基本原理與

PET

相似，但是改技術檢測的是放射性物質(zhì)衰變時產(chǎn)生的伽瑪射線。與MRI

相比，PET

和

SPECT

的共同缺質(zhì)的靈活性。

代。生物材料能執(zhí)行、增進或替換因疾病、損傷等失去的某種功能，而不能恢復缺陷部位。生物醫(yī)用材料最基本的要求是它必須與生物系統(tǒng)直接結合

,生物醫(yī)用材料都必須具備生物學性能

,

即生物相容性,

盡量將受體對植入器械的不會因與生物系統(tǒng)直接結合而降低其效能與使用壽命。巨大創(chuàng)傷的機體組織或器官獲得自己再生能力織工程、組織器官代用品、異種器官移植。新的果。干細胞具有很強的分化能力，再生性強；同胞、組織和器官的能力。再生醫(yī)學，利用機體細細胞移植于體內(nèi)損傷部位從而達到組織器官重材料與可降解材料這兩個獨立的概念結合起來，的相互作用，誘導細胞的增殖、分化，以及細胞外基質(zhì)的合成與組裝，從而啟動機體的再生系統(tǒng)，屬于再生醫(yī)學的范疇。組織工程是應用生命科學與工程的原理和方法構建一個生物裝置

,來維護、增進人體細胞和組織的生長

,以恢復受損組織或器官的功能。組織工程的核心就是建立細胞與生物材料的三維病損組織進行形態(tài)結構和功能的重建并達到永培養(yǎng)擴增的正常組織細胞吸附于一種具有優(yōu)良細胞相容性并可以被機體降解吸收的生物材料上面形成復合物，然后將細胞(生物材料復合物長支架的生物材料逐漸被機體降解吸收的同時細胞不斷增殖、分化，形成新的并且其形態(tài)、功修復創(chuàng)傷和重建功能的目的。

素時間衰變校正，死時間校正，隨機符合校正，等。常短（如

18F

為

110

強度為

A0、衰變系數(shù)為

λ 的藥物經(jīng)過時間

t1采集到某一幀的時候，放射性強度下降到A(t)=A0e-λ

t1，據(jù)此，不難通過采集時刻的計

eλt1

作為刻歸一到注射時刻的情況。至于每一幀之間的差可以忽略在每幀采集過程中放射性強度的變化。小將計數(shù)率校正到藥物注射時刻。死時間校正：系統(tǒng)的死時間（dead

time

）是指事件就會丟失，這就是死時間損失。PET

出廠前數(shù)率——藥物強度曲線。在強度低的時候，計數(shù)率隨藥物強度正比增加，線逐漸彎曲，它與直線的距離就是丟失的計數(shù)線隨藥物強度呈下降趨勢時，無法再進行校正。事實上有效評估

PET

計數(shù)特性的是噪聲等效計數(shù)（NEC）。NEC

定義為在無散射和偶然符合計數(shù)

NEC

先于計數(shù)率而飽和，因此要注意死時間校正的有效范圍。符合（

random

coincidence

能保證該符合電路輸出中沒有真的湮滅符合事件而只有偶然符合計數(shù)，然后再從總計數(shù)中減去。該方法簡明有效、實時在線、速度快，易于實現(xiàn)，商用

PET

多采用這種方法。的兩個光子在到達探測器之前其中之一或全部

4

量窗法，三能量窗法、卷積扣除法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、MONTE

CARLO.

模擬法等。卷積扣除法假設投影空間的散射符合分布可以kernel

T

表示真實符合，S

表示散射符合，R

表示實際測量的符合分布，則在投影空間

S=T*h，因此真實符合就可以通過下式近似求?。篢=R-S≈R-R*h

h

的求取一對不同距離上的散射分布采取非線性最小二乘對散射做進一步校正。事例都收集在高窗（

380

～

850

keV

）中，低窗（200～