2025年大學《化學測量學與技術》專業(yè)題庫——光纖傳感技術在生物醫(yī)學領域的發(fā)展考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分）1.光纖傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)抗電磁干擾的主要原因是其傳輸介質(zhì)為（）。A.金屬導線B.光纖C.空氣D.絕緣材料2.基于光纖彎曲損耗原理的傳感器，其測量通常對應于（）。A.溫度變化B.應力/應變變化C.光功率變化D.氣體濃度變化3.在生物醫(yī)學領域，用于測量血氧飽和度（SpO2）的光纖傳感器，其核心傳感機制通常依賴于（）。A.法布里-珀羅干涉（FBG）B.光纖布拉格光柵（FOS）C.色散調(diào)制D.拉曼散射4.能夠?qū)崿F(xiàn)分布式測量的光纖傳感技術是（）。A.光纖光柵（FBG）B.基于布里淵散射的傳感C.基于法布里-珀羅干涉的傳感D.陣列式光纖傳感器5.對于需要植入人體進行長期生理參數(shù)監(jiān)測的應用，光纖傳感器需要具備的關鍵特性是（）。A.高靈敏度和快速響應B.良好的生物相容性和長期穩(wěn)定性C.高抗腐蝕性D.小型化和低功耗6.光纖溫度傳感器中，利用光纖材料熱伸縮導致其光學參數(shù)（如折射率）變化的原理屬于（）。A.相位調(diào)制型B.色散調(diào)制型C.振幅調(diào)制型D.光纖布拉格光柵（FBG）型7.在光纖壓力傳感器中，通常將光纖敏感部分與被測對象接觸，利用壓力引起的（）變化來測量壓力。A.光纖長度B.光纖直徑C.光纖折射率D.以上都是8.以下哪種技術通常不直接歸類于光纖傳感技術？（）。A.光纖布拉格光柵（FBG）B.拉曼光譜C.光時域反射計（OTDR）D.厘米定義光纖傳感器9.將光纖傳感器探頭直接與生物體組織接觸進行測量，通常稱為（）。A.無損檢測B.微創(chuàng)檢測C.無損/微創(chuàng)檢測D.植入式檢測10.光纖傳感技術在生物醫(yī)學領域的廣泛應用，從測量維度看，主要涉及對（）等參數(shù)的測量。A.生理參數(shù)、力學參數(shù)B.化學參數(shù)、生物參數(shù)C.溫度、壓力D.電生理信號、磁信號二、填空題（每空2分，共20分）1.光纖傳感器的核心是利用光纖傳輸過程中的__________變化來感知外界被測量變化。2.常用的光纖傳感器解調(diào)方法包括光功率計法、__________法、波長掃描法等。3.光纖傳感器在生物醫(yī)學領域的應用中，對其材料的__________要求極高，以確保與生物體組織的長期安全共存。4.利用光纖的__________效應（如彎曲、拉伸、擠壓）改變光纖的傳輸特性或相位，從而實現(xiàn)傳感的原理稱為光纖傳感。5.測量血氧飽和度SpO2的光纖傳感器通?；谘簩_________和__________光吸收率不同的原理工作。6.光纖傳感器相比傳統(tǒng)電學傳感器，其主要優(yōu)點之一是具有優(yōu)異的抗__________能力。7.光纖光柵（FBG）是一種基于光纖__________原理的波長選擇性光學元件，在傳感應用中表現(xiàn)出色。8.在分布式光纖傳感中，通過測量光纖沿線的__________變化來獲取被測參數(shù)沿光纖分布的信息。9.光纖傳感器在醫(yī)療設備中的應用，例如用于監(jiān)測植入式人工關節(jié)或心臟瓣膜的__________。10.隨著微納加工和__________技術的發(fā)展，光纖生物醫(yī)學傳感器的微型化和智能化水平不斷提升。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.生物相容性2.分布式光纖傳感3.光纖布拉格光柵（FBG）4.脈搏波5.無損/微創(chuàng)檢測四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述光纖傳感器相比傳統(tǒng)電學傳感器在生物醫(yī)學應用中具有哪些主要優(yōu)勢。2.簡述光纖傳感器在測量生物組織溫度時可能面臨的主要挑戰(zhàn)。3.簡述基于光纖的pH值傳感器在生物醫(yī)學領域可能的應用場景。4.簡述光纖傳感器在植入式醫(yī)療器械中發(fā)揮作用的意義。五、論述題（每小題10分，共20分）1.試論述光纖傳感技術在無創(chuàng)或微創(chuàng)監(jiān)測人體生理參數(shù)方面具有哪些潛力，并舉例說明。2.試分析當前光纖傳感器在生物醫(yī)學領域推廣應用面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案或發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.D4.B5.B6.B7.D8.B9.B10.A二、填空題1.光學特性（或：相位、偏振態(tài)等）2.頻率（或：相位、波長）3.生物相容性4.損耗（或：彎曲損耗、拉伸損耗、擠壓損耗等相關的物理效應）5.紅外（或：紅外）、紅光（或：可見光）6.電磁干擾7.法布里-珀羅（或：FBG）8.光學特性（或：相位、光強、偏振態(tài)等）9.應變（或：變形）10.人工智能（或：AI、物聯(lián)網(wǎng)等）三、名詞解釋1.生物相容性：指材料植入或接觸生物體時，能夠被生物體組織所接受，不引起嚴重的排斥反應、毒性反應或長期植入后的性能衰減，能夠與生物體環(huán)境和諧共處。2.分布式光纖傳感：利用單根光纖作為傳感介質(zhì)，通過測量光纖上不同點的光學特性變化，實現(xiàn)對沿光纖分布的被測量（如溫度、應變）的連續(xù)、多點測量。3.光纖布拉格光柵（FBG）：一種利用光纖材料折射率沿軸向周期性變化（如通過紫外光寫入）而形成的高效光學濾波器，其中心反射波長僅取決于光纖的折射率和柵距，對溫度和應變敏感。4.脈搏波：由心臟每次收縮泵血引起的動脈壓力波動所形成的波動，通常表現(xiàn)為動脈管壁的周期性擴張和回縮，可以通過觸摸手腕、頸部等處的動脈感受到。5.無損/微創(chuàng)檢測：指在不對被測對象造成顯著損傷或僅需微小介入即可進行測量的檢測方法。在生物醫(yī)學中，強調(diào)非侵入性或最小侵入性操作。四、簡答題1.解析思路：對比光纖傳感器與傳統(tǒng)的電學傳感器（如電阻、電容、電感傳感器）在生物醫(yī)學環(huán)境下的特點。光纖傳感器主要優(yōu)勢在于抗電磁干擾（生物醫(yī)學環(huán)境中有大量電磁設備）、耐腐蝕、體積小、可彎曲（適合復雜生理結(jié)構(gòu)）、本質(zhì)安全（非導電，避免電擊風險）、可植入/微創(chuàng)、分布式測量潛力等。結(jié)合生物醫(yī)學應用場景（如體內(nèi)監(jiān)測、靠近電磁干擾源、腐蝕性體液環(huán)境）進行分析。2.解析思路：分析光纖溫度傳感器在生物組織這一特殊環(huán)境下的測量難點。主要挑戰(zhàn)包括：生物組織的強散射和吸收對光纖信號傳輸?shù)挠绊懀ㄐ盘査p大、信噪比低）；組織的熱傳導特性與光纖的熱傳導特性差異導致傳感信號失真；生物組織環(huán)境復雜多變（濕度、化學成分、生物活性），可能影響傳感器的穩(wěn)定性和長期可靠性；高精度測量對傳感器和信號處理的要求高；探頭與組織接觸界面的熱阻和熱傳導不均勻性等。3.解析思路：思考pH值在生物醫(yī)學中的重要性及光纖如何實現(xiàn)pH測量。pH值是反映體液酸堿平衡的關鍵生理指標。光纖pH傳感器通常利用對pH值敏感的指示劑（如離子選擇性電極材料）與光纖探頭結(jié)合，該指示劑的光學特性（如吸收光譜、熒光強度）隨溶液pH值變化而改變，通過測量這種光學變化來推算pH值。應用場景可包括：實時監(jiān)測血液、尿液、細胞培養(yǎng)液等體液的pH值；監(jiān)測組織間的液體積聚（水腫）時的pH變化；評估細胞或組織的代謝狀態(tài)等。4.解析思路：闡述光纖傳感器植入或用于醫(yī)療器械內(nèi)部/表面，如何為醫(yī)療診斷、治療或監(jiān)測提供功能支持。意義在于：實現(xiàn)體內(nèi)生理參數(shù)（如溫度、壓力、血流、化學物質(zhì)濃度）的直接、長期、高精度監(jiān)測，為疾病診斷和療效評估提供新手段；通過實時監(jiān)測植入物（如支架、關節(jié)、瓣膜）的應變、應力、生物相容性等狀態(tài)，提高手術成功率和安全性；用于精確控制醫(yī)療設備（如藥物輸注泵、靶向治療裝置）的工作狀態(tài)；開發(fā)新型智能化的微創(chuàng)或植入式醫(yī)療設備等。五、論述題1.解析思路：論述部分內(nèi)容應包含光纖傳感技術的特點（非侵入/微創(chuàng)、抗干擾、高靈敏度、安全性、柔性、分布式等）如何使其適用于無創(chuàng)或微創(chuàng)生理參數(shù)監(jiān)測，并給出具體例子。例如，分布式光纖溫度傳感器可以貼附在皮膚表面或體表血管附近，無創(chuàng)地監(jiān)測體溫分布和血流灌注情況；基于光纖的氣體傳感器（如測量呼出氣體中的CO2、乙烷等）可以通過口腔或鼻孔采集氣體樣本進行無創(chuàng)呼吸功能或代謝監(jiān)測；光纖壓力傳感器可以用于測量眼壓、顱內(nèi)壓（通過微創(chuàng)置管）等；光纖微傳感器陣列可以用于無損檢測組織彈性或代謝活性等。重點突出其相對于傳統(tǒng)侵入式方法的優(yōu)勢。2.解析思路：分析當前挑戰(zhàn)需從技術、成本、標準化、生物相容性、臨床驗證等多個維度入手。技術挑戰(zhàn)如：提高傳感器的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和長期可靠性；解決信號解調(diào)復雜度和成本問題；實現(xiàn)更小尺寸和智能化（集成化、自校準）；開發(fā)適用于復雜生物環(huán)境的新材料和新結(jié)構(gòu)。成本挑戰(zhàn)：高性能光纖傳感器成本較高，限制了其大規(guī)模應用。標準化挑戰(zhàn)：缺乏統(tǒng)一的接口、性能和測試標準，影響