天津大学810生物医学工程基础2022年大纲

天津大学810生物医学工程基础2023年大纲

一、考试的总体要求

掌握生物医学工程的基础知识和基本理论，并能合理运用解决实际问题。

二、考试的内容及比例

考试内容分为 A、B、C 三个模块，每个模块满分均为 150 分，考生可任选其中一个模块作答。A 模块为医学成像基础，B 模块为医用传感基础，C 模块为生物医学信号处理基础。

（一）A 模块：医学成像基础

1. 传统 X 射线成像

（1）X 射线物理基础（X 线产生条件及性质；韧致辐射、特征辐射与其对应射线谱； X射线管的技术参数；X 线与物质的相互作用；X 线强度与硬度；X 线的硬化；X 线透射与 衰减）

（2）X 射线透视成像（传统 X 射线成像原理、系统及方式；影响 X 射线成像质量的主 要因素；典型 H-D 曲线形态，其横纵坐标及各参数含义；原发/客观/主观对比度概念，定义公式，相关性推导；传统 X 射线成像缺点）

（3）X 线影像质量评价（像素、分辨率、对比度的概念）

（4）经典 X 射线断层成像（X 线断层成像的基本原理）

（5）数字减影（数字剪影原理及方法；时序减影、能量减影、混和剪影原理；K 吸收 带及 K 吸收边缘法概念）

（6）数字化 X 线摄影（CR 成像原理、 DR 成像原理、二者区别与成像优点）

2. 计算机断层成像

（1）X-CT 定义、成像参数和扫描方式（CT 成像概念；像素与体元概念；衰减系数与 CT值定义；CT 与胶片分辨率差异及原因；窗口技术与窗宽、窗位定义；第一代到第五代 CT 特点）

（2）CT 图像重建原理和方法（投影概念与实质；正弦图概念及公式；CT 图象重建方法分类及典型代表算法比较；直接反投影重建法原理、计算及“灰雾”成因）

（3）CT 图像显示和质量评价方法（CT 图像重建显示的代表性图像处理技术；CT 图 像特点，与 X 射线透视影像的区别；CT 图像质量参数、三种评价参数公式及表征）

（4）CT 装置结构（CT 装置组成；CT 机房要求）

3. 放射性核素成像

（1）放射性同位素及射线检测物理基础（放射性同位素概念、性质、衰变规律、在医学中的应用；粒子探测器各部分组成、定义、分类、特性等；放射线检测前置放大器的作用）

（2）放射性同位素扫描与 γ 照相机（放射性核素成像概念；放射性同位素扫描原理、结构；γ 照相机结构、工作原理）

（3）ECT 成像（ECT 成像原理与分类；SPECT 分类、原理、组成、特点；PET 原理， 符合湮灭测量与飞行时间差作用、探测器类型、成像过程；PET 成像优缺点及主要应用）

4. 超声波成像

（1）超声波物理性质（超声波产生及各种物理参数定义、公式；超声波传播和衰减特性；超声辐射声场特性；超声对生物媒质作用）

（2）医用超声换能器（超声辐射声场指向性、近场与远场特性；超声换能器的压电效应原理；超声换能器结构）

（3）超声诊断仪原理（超声波成像基本原理及优势；超声脉冲反射法/脉冲回波法原理；脉冲工作频率（波长）选取考虑因素，与脉冲重复频率间的区别；超声相控阵扫描原理；超声成像基本类型；超声成像回波信号 e(t)公式及 TGC 原理；A 超、B 超、M 超在显示方面的区别）

（4）超声 Doppler 诊断技术（Doppler 效应原理及公式；超声 Doppler 血流速度测量主要方法；连续波 Doppler 速度测量基本原理；脉冲波 Doppler 速度测量基本原理及特点；超声 Doppler 测量取得血流方向信息；彩色血流映射主要技术思路；运动目标显示技术和相位检测基本知识）

5. 磁共振成像

（1）核磁共振现象（NMR）及其物理基础（原子核磁矩、核磁子、自旋量子数定义； 核磁矩与自旋角动量关系；拉莫尔进动概念与进动频率公式；力学动量矩原理；核磁矩的能级分布与核磁共振现象原理）

（2）核磁共振（NMR）信号产生与检测（宏观磁化原理；引入射频 RF 场原因；自由感应衰减信号 FID 概念；驰豫时间检测方法）

（3）NMR 成像方法（磁共振成像的基本原理；MRI 图象重建方法）

（4）MRI 装置（磁体系统；NMR 波谱仪；图像重建和显示系统）

（5）MRI 应用（临床诊断应用范围；MRI 与其它成像方法比较）

参考材料：

[1] 高上凯著, 医学成像技术, 清华大学出版社, 2001 年 2 月

（二）B 模块：医用传感基础

1. 医用传感器基本概念

（1）医用传感器的定义

（2）医用传感器的分类与组成

（3）人体信息检测的特殊性

（4）医用传感器的发展方向

2. 医用传感器的基本特性

（1）传感器信息模型的建立

（2）传感器的静态特性

（3）传感器的动态特性

3. 常用医用传感器工作原理

（1）电阻应变式传感器

（2）电容式传感器（电容式压力传感器、直流极化型电容传感器、测量电路及分布电容消除方法）

（3）变磁阻式传感器（电杆传感器差动变压器式传感器、变磁阻式传感器的应用）

（4）电动式传感器（附有力学系统的电动式传感器、电磁血流量传感器）

（5）压电式传感器和超声换能器（换能器的结构与超声场、压电式传感器、医用压电超声换能器、医学超声仪器）

（6）热敏式传感器(金属热电偶传感器、热敏电阻温度传感器、PN 结二极管和集成电路温度传感器、热释电传感器)

（7）光敏式传感器（光电倍增管、光电导元件、光生伏特元件、光敏管、各种光敏传感器的性能比较）

（8）电化学与生物传感器测量基础（参比电极、离子选择性电极及其应用、气敏电极和气体扩散电极）

4. 检测生物电及电刺激生物体用电极

（1）极化现象及对生物电检测的影响、不极化电极、电极的阻抗

（2）电极的运动伪差及市电干扰

（3）生物电检测类宏电极的类型

（4）微电极

5. 生物传感器及在医学中的应用

（1）生物传感器原理及典型应用

（2）酶电极原理及典型应用

（3）微生物传感器原理及典型应用

（4）免疫传感器原理及典型应用

（5）细胞器及组织传感器典型应用

（6）多功能及微型生物片传感器典型应用

参考材料：

[1] 《医用传感器与人体信息检测》，作者：王明时，天津科学技术出版社

（三）C 模块：生物医学信号处理基础

1. 生物医学信号概论

（1）生物医学信号处理目的

（2）典型的生物医学信号及其特点

（3）生物医学信号的数学表达（信号概率描述、数字特征以及信号平稳性与遍历性） （4）生物医学信号通过线性系统

2. 数字信号处理的基本概念

（1）离散时间信号（典型离散信号、离散信号的运算）

（2）离散时间系统（离散时间系统的基本概念、输入输出关系

（3）Z 变换(Z 变换定义、Z 变换收敛域、Z 变换的性质

（4）离散时间系统的转移函数、频率响应、零极点分析

3. 生物医学信号的数字滤波方法

（1）奈奎斯特采样定律（掌握理想采样、频谱混叠、频谱泄露、栅栏效应等概念以及数字频率、归一化频率、频谱分辨率的计算）

（2）线性卷积与循环卷积（图表法、公式法计算卷积）

（3）IIR 数字滤波器（掌握基本概念以及给定特性的滤波器设计）

（4）FIR 数字滤波器（掌握基本概念以及给定特性的滤波器设计）

（5）匹配滤波器（基本原理和构成、神经传导速度测量用信号模型、非白噪声背景下的匹配滤波器、信号波形未知时的匹配滤波器构造方法）

4. 生物医学信号的现代滤波方法

（1）信号功率谱（定义、非参数估计以及基于 DFT 的功率谱计算）

（2）维纳滤波(原理及公式推倒、滤波器优化、时间离散的维纳滤波器设计)

（3）参数模型（信号的成形滤波器、AR 模型阶次估计、ARMA 模型参数估计）

（4）自适应滤波及其应用（自适应的概念和原理、LMS 自适应滤波器、自适应消噪声、自适应谱线增强和窄带信号分离、自适应系统辨识）

参考材料：

[1] 《数字信号处理导论》，作者：胡广书，清华大学出版社 (2006-07)

[2] 《生物医学信号处理》，作者：杨福生 高上凯编著，高等教育出版社（1998－05)

一、考试的总体要求

掌握生物医学工程的基础知识和基本理论，并能合理运用解决实际问题。

二、考试的内容及比例

考试内容分为 A、B、C 三个模块，每个模块满分均为 150 分，考生可任选其中一个模块作答。A 模块为医学成像基础，B 模块为医用传感基础，C 模块为生物医学信号处理基础。

（一）A 模块：医学成像基础

1. 传统 X 射线成像

（1）X 射线物理基础（X 线产生条件及性质；韧致辐射、特征辐射与其对应射线谱； X射线管的技术参数；X 线与物质的相互作用；X 线强度与硬度；X 线的硬化；X 线透射与 衰减）

（2）X 射线透视成像（传统 X 射线成像原理、系统及方式；影响 X 射线成像质量的主 要因素；典型 H-D 曲线形态，其横纵坐标及各参数含义；原发/客观/主观对比度概念，定义公式，相关性推导；传统 X 射线成像缺点）

（3）X 线影像质量评价（像素、分辨率、对比度的概念）

（4）经典 X 射线断层成像（X 线断层成像的基本原理）

（5）数字减影（数字剪影原理及方法；时序减影、能量减影、混和剪影原理；K 吸收 带及 K 吸收边缘法概念）

（6）数字化 X 线摄影（CR 成像原理、 DR 成像原理、二者区别与成像优点）

2. 计算机断层成像

（1）X-CT 定义、成像参数和扫描方式（CT 成像概念；像素与体元概念；衰减系数与 CT值定义；CT 与胶片分辨率差异及原因；窗口技术与窗宽、窗位定义；第一代到第五代 CT 特点）

（2）CT 图像重建原理和方法（投影概念与实质；正弦图概念及公式；CT 图象重建方法分类及典型代表算法比较；直接反投影重建法原理、计算及“灰雾”成因）

（3）CT 图像显示和质量评价方法（CT 图像重建显示的代表性图像处理技术；CT 图 像特点，与 X 射线透视影像的区别；CT 图像质量参数、三种评价参数公式及表征）

（4）CT 装置结构（CT 装置组成；CT 机房要求）

3. 放射性核素成像

（1）放射性同位素及射线检测物理基础（放射性同位素概念、性质、衰变规律、在医学中的应用；粒子探测器各部分组成、定义、分类、特性等；放射线检测前置放大器的作用）

（2）放射性同位素扫描与γ照相机（放射性核素成像概念；放射性同位素扫描原理、

结构；γ照相机结构、工作原理）

（3）ECT 成像（ECT 成像原理与分类；SPECT 分类、原理、组成、特点；PET 原理， 符

合湮灭测量与飞行时间差作用、探测器类型、成像过程；PET 成像优缺点及主要应用）

4. 超声波成像

（1）超声波物理性质（超声波产生及各种物理参数定义、公式；超声波传播和衰减特

性；超声辐射声场特性；超声对生物媒质作用）

（2）医用超声换能器（超声辐射声场指向性、近场与远场特性；超声换能器的压电效应原理；超声换能器结构）

（3）超声诊断仪原理（超声波成像基本原理及优势；超声脉冲反射法/脉冲回波法原理；脉冲工作频率（波长）选取考虑因素，与脉冲重复频率间的区别；超声相控阵扫描原理；超声成像基本类型；超声成像回波信号 e(t)公式及 TGC 原理；A 超、B 超、M 超在显示方面的区别）

（4）超声 Doppler 诊断技术（Doppler 效应原理及公式；超声 Doppler 血流速度测量主要方法；连续波 Doppler 速度测量基本原理；脉冲波 Doppler 速度测量基本原理及特点；超声 Doppler 测量取得血流方向信息；彩色血流映射主要技术思路；运动目标显示技术和相位检测基本知识）

5. 磁共振成像

（1）核磁共振现象（NMR）及其物理基础（原子核磁矩、核磁子、自旋量子数定义； 核磁矩与自旋角动量关系；拉莫尔进动概念与进动频率公式；力学动量矩原理；核磁矩的能级分布与核磁共振现象原理）

（2）核磁共振（NMR）信号产生与检测（宏观磁化原理；引入射频 RF 场原因；自由感应衰减信号 FID 概念；驰豫时间检测方法）

（3）NMR 成像方法（磁共振成像的基本原理；MRI 图象重建方法）

（4）MRI 装置（磁体系统；NMR 波谱仪；图像重建和显示系统）

（5）MRI 应用（临床诊断应用范围；MRI 与其它成像方法比较）

参考材料：

[1] 高上凯著, 医学成像技术, 清华大学出版社, 2001 年 2 月

（二）B 模块：医用传感基础

1. 医用传感器基本概念

（1）医用传感器的定义

（2）医用传感器的分类与组成

（3）人体信息检测的特殊性

（4）医用传感器的发展方向

2. 医用传感器的基本特性

（1）传感器信息模型的建立

（2）传感器的静态特性

（3）传感器的动态特性

3. 常用医用传感器工作原理

（1）电阻应变式传感器

（2）电容式传感器（电容式压力传感器、直流极化型电容传感器、测量电路及分布电容消除方法）

（3）变磁阻式传感器（电杆传感器差动变压器式传感器、变磁阻式传感器的应用）

（4）电动式传感器（附有力学系统的电动式传感器、电磁血流量传感器）

（5）压电式传感器和超声换能器（换能器的结构与超声场、压电式传感器、医用压电超声换能器、医学超声仪器）

（6）热敏式传感器(金属热电偶传感器、热敏电阻温度传感器、PN 结二极管和集成电路温度传感器、热释电传感器)

（7）光敏式传感器（光电倍增管、光电导元件、光生伏特元件、光敏管、各种光敏传感器的性能比较）

（8）电化学与生物传感器测量基础（参比电极、离子选择性电极及其应用、气敏电极和气体扩散电极）

4. 检测生物电及电刺激生物体用电极

（1）极化现象及对生物电检测的影响、不极化电极、电极的阻抗

（2）电极的运动伪差及市电干扰

（3）生物电检测类宏电极的类型

（4）微电极

5. 生物传感器及在医学中的应用

（1）生物传感器原理及典型应用

（2）酶电极原理及典型应用

（3）微生物传感器原理及典型应用

（4）免疫传感器原理及典型应用

（5）细胞器及组织传感器典型应用

（6）多功能及微型生物片传感器典型应用

参考材料：

[1] 《医用传感器与人体信息检测》，作者：王明时，天津科学技术出版社

（三）C 模块：生物医学信号处理基础

1. 生物医学信号概论

（1）生物医学信号处理目的

（2）典型的生物医学信号及其特点

（3）生物医学信号的数学表达（信号概率描述、数字特征以及信号平稳性与遍历性）（4）

生物医学信号通过线性系统

2. 数字信号处理的基本概念

（1）离散时间信号（典型离散信号、离散信号的运算）

（2）离散时间系统（离散时间系统的基本概念、输入输出关系

（3）Z 变换(Z 变换定义、Z 变换收敛域、Z 变换的性质

（4）离散时间系统的转移函数、频率响应、零极点分析

3. 生物医学信号的数字滤波方法

（1）奈奎斯特采样定律（掌握理想采样、频谱混叠、频谱泄露、栅栏效应等概念以及

数字频率、归一化频率、频谱分辨率的计算）

（2）线性卷积与循环卷积（图表法、公式法计算卷积）

（3）IIR 数字滤波器（掌握基本概念以及给定特性的滤波器设计）

（4）FIR 数字滤波器（掌握基本概念以及给定特性的滤波器设计）

（5）匹配滤波器（基本原理和构成、神经传导速度测量用信号模型、非白噪声背景下的匹配滤波器、信号波形未知时的匹配滤波器构造方法）

4. 生物医学信号的现代滤波方法

（1）信号功率谱（定义、非参数估计以及基于 DFT 的功率谱计算）

（2）维纳滤波(原理及公式推倒、滤波器优化、时间离散的维纳滤波器设计)

（3）参数模型（信号的成形滤波器、AR 模型阶次估计、ARMA 模型参数估计）

（4）自适应滤波及其应用（自适应的概念和原理、LMS 自适应滤波器、自适应消噪声、自适应谱线增强和窄带信号分离、自适应系统辨识）

参考材料：

 [1] 《数字信号处理导论》，作者：胡广书，清华大学出版社 (2006-07)

[2] 《生物医学信号处理》，作者：杨福生 高上凯编著，高等教育出版社（1998－05)

变化情况：无变化