2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——生物物理學(xué)研究與醫(yī)學(xué)進(jìn)展考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）的基本原理及其與常規(guī)X射線成像的主要區(qū)別。二、解釋MRI成像中質(zhì)子自旋回波（SE）序列的原理，包括90°射頻脈沖、180°射頻脈沖和梯度磁場的作用。三、生物力學(xué)研究表明，許多軟組織表現(xiàn)出粘彈性。請簡述粘彈性模型（如Maxwell模型或Voigt模型）如何用于描述這類組織的力學(xué)行為？并說明這兩個模型的區(qū)別。四、離子通道在細(xì)胞膜上周期性開放和關(guān)閉，導(dǎo)致跨膜離子流動，產(chǎn)生生物電信號。請簡述用電極技術(shù)測量細(xì)胞膜電位的基本原理。五、激光照射生物組織時，組織會吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能。簡述影響激光熱效應(yīng)的主要因素，并說明熱效應(yīng)在激光手術(shù)（如激光切割）中的應(yīng)用原理。六、在放射治療中，需要精確計(jì)算放射源發(fā)出的射線給予患者的劑量。請簡述吸收劑量的定義及其國際單位制單位。影響放射治療劑量的主要物理因素有哪些？七、超聲成像利用了超聲波在不同組織界面的反射和散射特性。請解釋什么是多普勒超聲，并說明其在醫(yī)學(xué)診斷（如監(jiān)測血流速度）中的基本原理。八、DNA是一種具有規(guī)則雙螺旋結(jié)構(gòu)的生物大分子。請描述原子力顯微鏡（AFM）如何能夠成像DNA的表面結(jié)構(gòu)，并簡述其工作原理。九、簡述光聲成像的基本原理，并說明其在生物醫(yī)學(xué)成像中的優(yōu)勢（例如，與光學(xué)相干斷層掃描OCT相比）。試卷答案一、X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）利用X射線束圍繞病人旋轉(zhuǎn)，并從多個角度采集探測到的X射線強(qiáng)度信息。通過計(jì)算機(jī)處理這些數(shù)據(jù)，可以重建出病人身體內(nèi)部某一斷層的密度分布圖像。與常規(guī)X射線成像不同，常規(guī)X射線成像只能得到一個方向上的投影信息，通常需要多個投影才能間接推斷內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且對重疊組織分辨率較低；而CT可以直接獲得斷層的橫截面圖像，能夠有效區(qū)分密度差異較小的組織，空間分辨率更高，并能實(shí)現(xiàn)各向同性成像。二、MRI中質(zhì)子自旋回波（SE）序列的原理如下：首先施加一個90°射頻（RF）脈沖，使靜息狀態(tài)下主要呈縱向弛豫的氫質(zhì)子群發(fā)生90°相移，全部翻轉(zhuǎn)到橫向平面，產(chǎn)生一個最大幅度的橫向磁化矢量Mx。經(jīng)過一個特定時間（TE/2）的等待后，施加一個180°RF脈沖，用以反轉(zhuǎn)因自旋-自旋相互作用（化學(xué)位移、自旋鎖定）而在相位上發(fā)生不同偏轉(zhuǎn)的質(zhì)子群，使其相位趨于一致。再次經(jīng)過TE/2時間后，這些質(zhì)子群在相位上重新聚集，產(chǎn)生一個反向的橫向磁化矢量，形成一個回波信號。這個回波信號的幅度隨時間衰減（T2弛豫），其峰值幅度反映了組織中的T2弛豫時間。梯度磁場用于選層和相位編碼。三、粘彈性模型用于描述軟組織同時具有粘性（如液體）和彈性（如固體）特性的力學(xué)行為。*Maxwell模型：由一個彈簧（彈性元件）和一個阻尼器（粘性元件）串聯(lián)而成。其特點(diǎn)是應(yīng)力一旦施加，變形立即發(fā)生（彈簧形變），且應(yīng)力會隨時間指數(shù)衰減（阻尼器形變），不會發(fā)生應(yīng)力松弛，只會發(fā)生蠕變。*Voigt模型：由一個彈簧（彈性元件）和一個阻尼器（粘性元件）并聯(lián)而成。其特點(diǎn)是應(yīng)變一旦發(fā)生，應(yīng)力立即達(dá)到最大值（彈簧貢獻(xiàn)），且應(yīng)力會隨時間指數(shù)衰減（阻尼器貢獻(xiàn)），會發(fā)生應(yīng)力松弛，但不會發(fā)生蠕變。這兩個模型都是簡化模型，用于理解和量化不同組織的力學(xué)響應(yīng)特性，其中Maxwell模型更側(cè)重于描述蠕變行為，Voigt模型更側(cè)重于描述應(yīng)力松弛行為。四、測量細(xì)胞膜電位的基本原理是利用電化學(xué)梯度。將一個對細(xì)胞內(nèi)環(huán)境敏感的電極（如玻璃微電極或離子選擇性電極）插入細(xì)胞內(nèi)部，另一個參比電極保持在細(xì)胞外。由于細(xì)胞膜對不同離子的選擇性通透性以及離子濃度梯度的存在，細(xì)胞內(nèi)外會產(chǎn)生電位差（膜電位）。電極通過測量細(xì)胞內(nèi)外的電位差來確定該電位值。通常使用高阻抗的放大器來放大微弱的膜電位信號。五、影響激光熱效應(yīng)的主要因素包括：激光能量密度（與功率和照射時間有關(guān)）、激光波長（不同組織對光的吸收率不同）、組織的熱導(dǎo)率、比熱容、密度以及組織血運(yùn)情況（影響熱量散失）。激光熱效應(yīng)在激光手術(shù)中的應(yīng)用原理是利用激光照射使目標(biāo)組織達(dá)到其汽化、炭化或凝固所需的溫度，從而實(shí)現(xiàn)切割、凝固或消融等目的。例如，在激光切割中，高能量密度的激光使組織快速汽化形成等離子體，等離子體的膨脹推動周圍組織分離，實(shí)現(xiàn)切割。六、吸收劑量（AbsorbedDose）是指單位質(zhì)量的受照物質(zhì)吸收的電離輻射的平均能量。其國際單位制（SI）單位是戈瑞（Gy），1Gy=1J/kg。影響放射治療劑量的主要物理因素包括：放射源的強(qiáng)度和能量（決定輻射通量）、治療距離（影響輻射強(qiáng)度衰減）、照射時間、照射野大小和形狀、以及患者體位和組織的吸收特性等。七、多普勒超聲利用了多普勒效應(yīng)。當(dāng)超聲波束從運(yùn)動的紅細(xì)胞反射回探頭時，反射波的頻率會發(fā)生相對于發(fā)射頻率的變化（頻移）。這個頻移的大小與紅細(xì)胞的運(yùn)動速度成正比。通過測量這個頻移量，可以計(jì)算出血流的流速、方向等信息。多普勒超聲可以實(shí)時顯示血流動力學(xué)狀態(tài)，廣泛應(yīng)用于心臟、血管等部位的血流監(jiān)測。八、原子力顯微鏡（AFM）能夠成像DNA的表面結(jié)構(gòu)，其基本原理是利用原子間相互作用力（主要是范德華力和靜電力）隨探頭針尖與樣品表面距離變化的特性。AFM通過一個微懸臂，其末端連接一個非常尖銳的探針（針尖）。當(dāng)針尖靠近DNA分子表面時，懸臂會因相互作用力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。通過檢測懸臂偏轉(zhuǎn)（使用激光束反射或電容變化等方法）來精確測量針尖-樣品間距離，并掃描整個區(qū)域，從而獲得樣品表面的高分辨率圖像。由于DNA分子具有較高的表面特征和與周圍環(huán)境不同的相互作用力，AFM可以獲得其精細(xì)結(jié)構(gòu)圖像。九、光聲成像的基本原理是利用“光聲效應(yīng)”，即激光脈沖照射生物組織時，組織吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致局部溫度瞬間升高并產(chǎn)生熱彈性應(yīng)力波（聲波），該聲波隨后被置于組織表面的超聲換能器檢測到。光聲信號的大小與組織對光的吸收系數(shù)成正比，而與組織對超聲波的散射能力