生物醫(yī)學(xué)工程專升本2025年生物電學(xué)專項訓(xùn)練試卷（含答案）考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在括號內(nèi)）1.神經(jīng)元在靜息狀態(tài)下，膜內(nèi)外的電荷分布狀態(tài)稱為（）。A.動作電位B.靜息電位C.電緊張活動D.局部電位2.靜息電位的產(chǎn)生主要與下列哪一項因素有關(guān)？（）A.膜外Na+內(nèi)流B.膜外K+外流C.膜外Cl-內(nèi)流D.膜內(nèi)Ca2+外流3.當神經(jīng)軸突膜某處發(fā)生去極化，其膜電位變化過程大致是（）。A.膜內(nèi)由負變正，再回到負值B.膜內(nèi)由正變負，再回到正值C.膜內(nèi)電位始終為正D.膜內(nèi)電位始終為負4.動作電位的“全或無”定律指的是（）。A.小刺激不能產(chǎn)生動作電位，大刺激才能產(chǎn)生B.動作電位幅度隨刺激強度增大而增大C.只要刺激達到一定強度，就能產(chǎn)生幅度恒定的動作電位D.動作電位只能發(fā)生在神經(jīng)纖維上5.生物電信號具有的特點，下列哪一項是不正確的？（）A.本質(zhì)是膜電位的變化B.信號幅度通常很小C.頻率通常很高D.是一種化學(xué)信號6.心電圖（ECG）上代表心室去極化過程的波形是（）。A.P波B.QRS波群C.T波D.U波7.測量生物電信號時，通常使用金屬電極，其與組織接觸處會形成（）。A.雙電層B.離子交換層C.電阻層D.電容層8.生物電放大器通常具有很高的輸入阻抗，其主要目的是（）。A.穩(wěn)定輸出電壓B.減小對信號源的影響C.提高放大倍數(shù)D.降低功耗9.在生物電信號處理中，濾波器的主要作用是（）。A.放大信號B.抑制噪聲C.改變信號頻率D.增加信號幅度10.下列哪一種設(shè)備主要用于記錄腦部活動的生物電信號？（）A.心電圖機B.腦電圖機C.肌電圖機D.神經(jīng)信號記錄儀二、填空題（每空1分，共10分。請將答案填在橫線上）1.細胞膜內(nèi)外存在離子濃度差，是形成______的基礎(chǔ)。2.當神經(jīng)沖動沿著軸突傳播時，其信號形式是______。3.心電圖（ECG）上，P波代表______的去極化。4.神經(jīng)元興奮時，首先發(fā)生的是膜對______的通透性增加。5.生物電信號放大器通常采用差分輸入結(jié)構(gòu)，目的是為了______。6.將微弱的生物電信號轉(zhuǎn)換成可記錄的電壓或電流信號的過程稱為______。7.生物電信號的特點包括______、______和______。8.電極與組織接觸形成的雙電層會帶來一定的______，影響測量精度。9.生物醫(yī)學(xué)工程中常用的電極材料有______、______和______等。10.心肌細胞與神經(jīng)細胞的動作電位在______和______方面存在顯著差異。三、名詞解釋（每小題2分，共10分。請將答案寫在橫線上）1.靜息電位2.動作電位3.電緊張活動4.生物電信號5.差分放大四、簡答題（每小題5分，共20分。請將答案寫在橫線上）1.簡述靜息電位的形成機制。2.簡述神經(jīng)沖動在軸突上傳播的原理。3.簡述生物電信號記錄的基本過程。4.簡述生物電放大器的設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵問題。五、計算題（每小題10分，共20分。請將計算過程和答案寫在橫線上）1.某神經(jīng)元靜息時，膜內(nèi)電位為-70mV，膜外電位為+30mV。假設(shè)膜電容為1μF/cm2，膜面積為一平方厘米。試估算該神經(jīng)元靜息時膜兩側(cè)儲存的電荷量。（已知：K+的平衡電位為-90mV，Na+的平衡電位為+60mV，膜對K+的通透性是對Na+的10倍）2.某生物電信號處理電路的輸入阻抗為1MΩ，輸入電容為10pF。該電路的輸入信號源是一個頻率為1kHz、幅度為1μV的正弦波。試估算該信號源對電路的負載效應(yīng)（即輸出信號的衰減程度）。六、分析題（10分。請將答案寫在橫線上）分析說明生物電信號的特點對其測量和記錄提出了哪些挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的解決方案。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.A4.C5.D6.B7.A8.B9.B10.B二、填空題1.靜息電位2.信號傳導(dǎo)3.心房4.K+5.抑制共模干擾6.信號轉(zhuǎn)換7.電位變化、時間短暫、幅度微弱8.輸入阻抗9.銀絲、鉑金、不銹鋼10.形態(tài)、傳導(dǎo)速度三、名詞解釋1.靜息電位：指細胞在未受刺激時，膜內(nèi)外存在的穩(wěn)定的電位差。2.動作電位：指細胞在受到有效刺激時，膜電位迅速發(fā)生的變化，表現(xiàn)為從靜息時的內(nèi)負外正轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)正外負，然后再恢復(fù)到靜息狀態(tài)。3.電緊張活動：指刺激引起興奮的局部區(qū)域膜電位的變化，其電位變化向周圍擴布，但幅度隨距離增加而迅速衰減。4.生物電信號：指生物體內(nèi)細胞或組織在生理活動過程中產(chǎn)生的電變化，是細胞功能狀態(tài)的一種表現(xiàn)形式。5.差分放大：指放大器對兩個輸入端之間的電位差進行放大的過程，而抑制兩個輸入端共同的電位變化。四、簡答題1.靜息電位的形成機制：靜息電位主要是由膜內(nèi)外離子濃度差和膜對不同離子的通透性共同決定的。膜內(nèi)外存在離子濃度差，K+濃度高于膜外，Na+濃度低于膜外。靜息時，膜對K+的通透性遠大于Na+，K+順濃度梯度外流，同時膜對帶負電荷的大分子蛋白質(zhì)不能外流，導(dǎo)致膜內(nèi)帶負電，膜外帶正電，形成內(nèi)負外正的靜息電位。同時，膜上有少量的Na+內(nèi)流和Cl-外流，也參與靜息電位的形成，但作用較小。2.神經(jīng)沖動在軸突上傳播的原理：神經(jīng)沖動在軸突上的傳播是基于動作電位的“全或無”定律和局部電流學(xué)說。當神經(jīng)纖維某處受到刺激，如果刺激強度達到閾值，就會引發(fā)該處膜的去極化，使膜電位達到動作電位的觸發(fā)閾值，從而觸發(fā)動作電位。動作電位一旦產(chǎn)生，就會沿著軸突傳播。其傳播原理是：動作電位發(fā)生處膜內(nèi)負外正的轉(zhuǎn)變，使其相鄰未興奮區(qū)域的膜外為正，膜內(nèi)為負，形成局部電流，驅(qū)動相鄰區(qū)域的膜去極化，達到閾值后產(chǎn)生動作電位，如此依次下去，動作電位就沿軸突傳播。3.生物電信號記錄的基本過程：生物電信號記錄的基本過程包括：電極放置、信號放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)顯示等步驟。首先，將電極放置在需要記錄的生物組織表面或內(nèi)部；其次，由于生物電信號幅度非常微弱，需要經(jīng)過生物電放大器進行放大；然后，為了去除干擾信號，通常需要對放大后的信號進行濾波處理；接下來，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便進行數(shù)字處理和存儲；最后，將數(shù)字信號進行顯示或進一步處理。4.生物電放大器的設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵問題：生物電放大器的設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵問題包括：高輸入阻抗、低噪聲、高共模抑制比、寬帶寬、穩(wěn)定性、生物相容性等。高輸入阻抗是為了避免對微弱的生物電信號源造成負載效應(yīng)，保證信號的完整性；低噪聲是為了減少放大器自身產(chǎn)生的噪聲對信號的影響，提高信噪比；高共模抑制比是為了抑制來自電極與組織接觸處雙電層的共模電壓和工頻干擾等；寬帶寬是為了能夠記錄不同頻率的生物電信號；穩(wěn)定性是為了保證放大器的性能在長時間工作過程中保持穩(wěn)定；生物相容性是為了保證電極和放大器殼體等部件對生物組織沒有毒性和刺激性。五、計算題1.估算該神經(jīng)元靜息時膜兩側(cè)儲存的電荷量：膜電位ΔV=-70mV-(+30mV)=-100mV=-0.1V膜電容C=1μF/cm2膜面積A=1cm2根據(jù)公式Q=C*ΔVQ=(1μF/cm2)*(1cm2)*(-0.1V)=-0.1μC由于1μC=10??C，所以Q=-0.1*10??C=-1*10??C估算結(jié)果為-1nC(納庫侖)。（注：此計算為簡化估算，未考慮離子分布不均和膜電阻等因素的精確影響）2.估算該信號源對電路的負載效應(yīng)：輸入阻抗R=1MΩ=10?Ω輸入電容C=10pF=10?12F信號源頻率f=1kHz=103Hz信號源幅度V_s=1μV=10??V負載電阻R_load=R//(1/(2πfC))=R*1/(2πfC)（并聯(lián)電阻公式）R_load=(10?Ω)*(1/(2π*103Hz*10?12F))≈(10?Ω)*(1/(6.28*103*10?12))R_load≈(10?Ω)*(1/(6.28*10??))≈(10?Ω)*(1.59*10?)R_load≈1.59*101?Ω負載阻抗遠大于輸入阻抗（1MΩ），因此負載效應(yīng)很小。可以近似認為輸出信號幅度約等于輸入信號幅度V_out≈V_s=1μV。負載效應(yīng)導(dǎo)致輸出信號衰減極小。六、分析題生物電信號的特點對其測量和記錄提出了以下挑戰(zhàn)，以及相應(yīng)的解決方案：1.信號幅度微弱：生物電信號（如神經(jīng)元放電、心電信號）的幅度通常在微伏（μV）到毫伏（mV）級別，遠低于其他物理信號。挑戰(zhàn)：易受噪聲干擾，放大電路易飽和。解決方案：使用高增益、低噪聲的生物電放大器；采用差分放大電路抑制共模干擾；良好的屏蔽和接地技術(shù)減少環(huán)境電磁干擾。2.信號頻率范圍廣：生物電信號頻率范圍從幾赫茲（如慢波腦電）到幾千赫茲（如聽覺神經(jīng)信號），甚至更高。挑戰(zhàn)：需要寬帶寬的放大和記錄系統(tǒng)。解決方案：使用寬帶放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）；合理選擇濾波器以保留有效信號成分并抑制高頻噪聲。3.信號時間短暫且動態(tài)變化：動作電位等信號持續(xù)時間很短（毫秒級），且信號波形可能隨生理狀態(tài)變化。挑戰(zhàn)：要求測量系統(tǒng)具有高時間分辨率；需要實時處理和分析能力。解決方案：高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器；高速數(shù)據(jù)處理算法；使用合適采樣率的記錄系統(tǒng)。4.信號與噪聲并存：生物電信號被各種生物噪聲（如肌肉運動偽影、呼吸運動偽影）和環(huán)境噪聲（如工頻干擾、電磁干擾）所淹沒。挑戰(zhàn)：如何從強噪聲中提取微弱的有效信號。解決方案：合理選擇電極位置和類型；采用濾波技術(shù)（如帶通濾波、陷波濾波）