2025年大學《物理學》專業(yè)題庫——物理學在醫(yī)學影像學中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)。每小題2分，共20分）1.X射線在穿過生物組織時主要發(fā)生的物理過程是？A.光電效應(yīng)B.康普頓散射C.里德堡電離D.荷蘭力吸收2.在X射線計算機斷層成像（CT）中，圖像重建算法的核心思想是？A.利用超聲波的反射原理B.通過數(shù)學方法估算人體內(nèi)部每個像素的密度或原子序數(shù)C.依賴核磁共振的自旋現(xiàn)象D.測量組織間的電阻抗差異3.核磁共振成像（MRI）中，T1加權(quán)像和T2加權(quán)像的主要區(qū)別在于？A.T1加權(quán)像使用更短的射頻脈沖B.T2加權(quán)像對運動更敏感C.T1加權(quán)像主要反映質(zhì)子縱向磁化弛豫過程，T2加權(quán)像反映橫向磁化弛豫過程D.T2加權(quán)像的圖像對比度主要取決于組織的脂質(zhì)含量4.超聲波在介質(zhì)中傳播時，主要依賴哪種物理現(xiàn)象進行成像？A.電磁波的衍射B.液體的表面張力C.聲波的反射和散射D.原子的核衰變5.在正電子發(fā)射斷層掃描（PET）中，用于顯像的放射性示蹤劑通常需要具備的特性是？A.半衰期極長B.能量轉(zhuǎn)換效率高，產(chǎn)生湮滅輻射C.易于通過血腦屏障D.在體內(nèi)停留時間極短6.以下哪種醫(yī)學影像技術(shù)主要利用原子核的放射性衰變來提供信息？A.CTB.MRIC.超聲D.PET/SPECT7.限制X射線診斷劑量的關(guān)鍵物理因素之一是？A.X射線的頻率B.人體組織的吸收系數(shù)C.X射線管的功率D.成像系統(tǒng)的像素數(shù)量8.MRI成像中，"化學位移加權(quán)"效應(yīng)主要源于？A.不同化學環(huán)境下原子核自旋進動頻率的差異B.水分子的運動C.金屬離子的干擾D.順磁性物質(zhì)的局部磁場不均勻9.高分辨率超聲成像相較于普通超聲，其主要優(yōu)勢在于？A.能產(chǎn)生更強的穿透深度B.能夠分辨更細微的解剖結(jié)構(gòu)或病灶C.圖像的色彩更鮮艷D.能夠更精確地測量血流速度10.CT圖像中，窗寬窗位調(diào)節(jié)的主要目的是？A.改變X射線管輸出的光子能量B.增強X射線管的散熱能力C.改善圖像的對比度和可視化效果，突出特定范圍內(nèi)的組織密度差異D.減少圖像的噪聲水平二、填空題（請將答案填寫在橫線上。每空2分，共20分）1.X射線衍射技術(shù)是研究晶體結(jié)構(gòu)的經(jīng)典方法，其基本原理是X射線與晶體中的相互作用。2.MRI成像中，反映組織含水量變化的技術(shù)通常稱為加權(quán)成像。3.超聲波在組織中傳播時，其能量會逐漸衰減，主要原因是__________和__________。4.標記放射性核素并引入體內(nèi)，隨生理過程分布后進行顯像的技術(shù)是__________。5.限制超聲波穿透深度的主要因素是__________的吸收。6.在CT成像中，探測器接收到的信號強度主要與穿過該探測器的X射線強度和該區(qū)域組織的__________有關(guān)。7.核醫(yī)學成像與功能成像相比，更側(cè)重于顯示器官或病灶的__________信息。8.MRI成像中，能反映組織間質(zhì)子密度差異的技術(shù)是__________加權(quán)成像。9.超聲多普勒效應(yīng)利用了超聲波頻率因__________而改變的原理來測量血流速度。10.輻射防護的基本原則包括時間防護、距離防護和__________防護。三、簡答題（請簡要回答下列問題。每題5分，共20分）1.簡述X射線穿透物質(zhì)的物理基礎(chǔ)，并解釋為何不同密度的組織在X光下會產(chǎn)生不同的影像。2.MRI成像中，T1和T2弛豫過程的物理意義是什么？它們?nèi)绾斡绊憟D像的對比度？3.超聲成像有哪些主要的優(yōu)點和局限性？4.簡述PET成像的基本原理，包括使用的主要設(shè)備部件和成像過程。四、計算題（請列出必要的公式和計算步驟。每題8分，共16分）1.假設(shè)一束能量為100keV的X射線通過厚度為2mm的骨骼和1mm的軟組織。已知骨骼對100keVX射線的線性衰減系數(shù)為μ_b=0.6cm?1，軟組織為μ_t=0.2cm?1。假設(shè)入射X射線強度為I?，求通過這兩層組織后的透射強度I_b和I_t。2.在MRI成像中，某組織的T1弛豫時間約為800ms，T2弛豫時間約為120ms。簡述該組織在T1加權(quán)像和T2加權(quán)像上大致的信號表現(xiàn)（強/中/弱），并解釋原因。五、論述題（請結(jié)合所學知識，全面闡述下列問題。每題10分，共20分）1.比較X射線計算機斷層成像（CT）和核磁共振成像（MRI）在成像原理、圖像特點、主要應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)缺點方面的異同。2.探討醫(yī)學影像學中物理學原理的應(yīng)用對于提高診斷準確性和安全性所起到的關(guān)鍵作用，并舉例說明。---試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.C5.B6.D7.B8.A9.B10.C二、填空題1.散射2.T23.組織吸收；散射4.核醫(yī)學顯像5.人體組織6.線性衰減系數(shù)（或簡稱衰減系數(shù)）7.功能8.T19.多普勒頻移10.比例三、簡答題1.解析：X射線具有穿透性，當其穿過不同物質(zhì)時，會因物質(zhì)原子核和電子的作用而發(fā)生不同程度的吸收。原子序數(shù)越高、密度越大、厚度越厚的物質(zhì)，對X射線的吸收越多，穿透能力越弱。因此，骨骼（密度高）吸收的X射線多，在膠片上形成的陰影較深；軟組織（密度相對較低）吸收的X射線少，形成的陰影較淺，從而產(chǎn)生不同密度的組織在X光下呈現(xiàn)不同影像的效果。2.解析：T1弛豫（縱向弛豫）是指組織內(nèi)失相的質(zhì)子群恢復其縱向磁化矢量（Mz）到平衡狀態(tài)的過程，其時間常數(shù)即為T1。T2弛豫（橫向弛豫）是指失相的質(zhì)子在橫向平面內(nèi)相互干擾、能量交換，導致橫向磁化矢量（Mx,My）衰減的過程，其時間常數(shù)即為T2。T1和T2弛豫過程影響質(zhì)子在射頻脈沖激發(fā)后的信號衰減速度。T1加權(quán)成像通過短TR（恢復時間）和長TE（回波時間）使T1弛豫快的組織信號強（如脂肪），T1弛豫慢的組織信號弱（如水）；T2加權(quán)成像通過長TR和短TE使T2弛豫快的組織信號強（如水），T2弛豫慢的組織組織信號弱（如脂肪），從而影響圖像對比度。3.解析：優(yōu)點：無電離輻射，安全性高；無創(chuàng)性；可進行實時動態(tài)觀察；多參數(shù)成像（如多普勒）；操作相對簡便，成本相對較低。局限性：穿透深度有限，受肥胖、氣體、骨骼等遮擋；對運動敏感，易產(chǎn)生偽影；圖像分辨率相對X射線和CT可能較低；受組織聲阻抗差異影響大。4.解析：PET成像利用正電子發(fā)射斷層掃描原理。首先，將標記有放射性核素（如1?F-FDG）的示蹤劑引入患者體內(nèi)，該示蹤劑參與生理代謝過程。示蹤劑在衰變過程中會發(fā)射正電子，正電子與體內(nèi)電子相遇發(fā)生湮滅，產(chǎn)生一對能量相等、方向相反的γ光子（通常為511keV）。這兩個γ光子被放置在患者周圍環(huán)狀的探測器陣列同時探測到。通過精確記錄這兩個γ光子的到達時間差和方向，可以反向推算出放射性核素在體內(nèi)的分布情況。計算機收集大量探測到的湮滅事件信息，經(jīng)過圖像重建算法處理，最終生成顯示放射性核素分布的斷層圖像，用于疾病診斷。四、計算題1.解析：I_b=I?*e^(-μ_b*d_b)=I?*e^(-0.6cm?1*2mm)=I?*e^(-0.6*0.2cm?1)=I?*e^(-0.12)I_t=I?*e^(-μ_t*d_t)=I?*e^(-0.2cm?1*1mm)=I?*e^(-0.2*0.1cm?1)=I?*e^(-0.02)計算結(jié)果：I_b=I?*e^(-0.12),I_t=I?*e^(-0.02)2.解析：該組織在T1加權(quán)像上信號表現(xiàn)為中等強度。因為其T1弛豫時間（800ms）屬于中等范圍，在常用的短TR（如500-700ms）下，組織雖有信號恢復，但不是最快（脂肪）也不是最慢（如白質(zhì)）。在T2加權(quán)像上信號表現(xiàn)為中等偏強或中等強度。因為其T2弛豫時間（120ms）相對較長，在常用的長TR（如2000-2500ms）下，組織橫向磁化衰減較慢，能保留較多的信號，強于T2弛豫非常短的組織（如自由水），但弱于T2弛豫非常長的組織（如脂肪）。五、論述題1.解析：CT與MRI的異同：*成像原理：CT基于X射線穿透人體后因組織密度差異而產(chǎn)生的衰減信號，通過計算機處理重建斷層圖像；MRI基于原子核（主要是氫質(zhì)子）在強磁場中的自旋特性，通過射頻脈沖激發(fā)產(chǎn)生信號，并利用不同組織的弛豫時間差異及化學位移效應(yīng)等進行成像。*圖像特點：CT圖像通常為灰白階，反映組織密度差異；MRI圖像可根據(jù)不同加權(quán)（T1,T2,PD）顯示不同組織對比度，可進行多序列成像，軟組織分辨率高。CT對骨結(jié)構(gòu)和鈣化顯示好；MRI對軟組織分辨率高，無電離輻射。*主要應(yīng)用領(lǐng)域：CT廣泛用于急癥（如腦出血、腸梗阻）、骨病、胸部、腹部等密度較高組織的檢查；MRI主要用于神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉骨骼系統(tǒng)、心臟大血管、盆腔等軟組織病變檢查，以及對功能成像的需求。*優(yōu)缺點：*CT優(yōu)點：成像速度快，可動態(tài)掃描，對骨和密度差異敏感；缺點：有電離輻射，對幽閉恐懼癥患者不適用，軟組織分辨率相對較低。*MRI優(yōu)點：無電離輻射，軟組織分辨率高，多參數(shù)多序列成像能力強，對功能成像和分子影像有優(yōu)勢；缺點：成像速度相對較慢，檢查時間長，成本高，對體內(nèi)有金屬植入物者受限，患者需克服幽閉恐懼感，禁忌癥相對較多。2.解析：物理學原理在醫(yī)學影像學中應(yīng)用的關(guān)鍵作用體現(xiàn)在：*提供成像基礎(chǔ)：電磁學（X射線、MRI射頻脈沖）、原子核物理（放射性核素衰變、正電子湮滅）、波動學（超聲波傳播）、原子物理（原子序數(shù)與X射線吸收）等原理是各種影像技術(shù)得以實現(xiàn)的前提。*提高診斷準確性：通過理解不同物理參數(shù)（如X射線能量、磁場強度、頻率、超聲頻率、回波時間等）對成像的影響，可以優(yōu)化成像條件，提高組織或病灶的可辨識度，如通過窗寬窗位調(diào)節(jié)突出特定密度范圍，通過T1/T2加權(quán)選擇反映不同組織特性的序列。*實現(xiàn)功能與分子成像：物理學原理的應(yīng)用使得不僅能觀察解剖結(jié)構(gòu)，還能探測生理功能狀態(tài)和分子水平信息，如MRI的灌注成像、波譜成像，PET的代謝顯像，超聲的多普勒效應(yīng)等。