天津大学810生物医学工程基础2018年大纲

天津大学810生物医学工程基础2019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、D四个模块，考生可任选其中一个模块。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，D模块为光学与光电基础。

（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)

（四）D模块：光学与光电基础

1. 几何光学基本定律与成像概念

（1）几何光学基本定律：1）光的直线传播定律2）光的独立传播定律3）反射定律和折射定律（全反射及其应用）4）费马原理（最短光程原理）

（2）完善成像条件的概念和相关表述

（3）单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率、轴向放大率、角放大率γ、拉赫不变量等公式。

（4）球面反射镜成像公式

2. 理想光学系统

（1）无限远的轴上（外）物点的共轭像点及光线、无限远的轴上（外）像点的对应物点及光线的性质，物（像）方焦距的计算公式

（2）物方主平面与像方主平面的性质，光学系统的节点及性质

（3）图解法求像的方法

（4）解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）

（5）理想光学系统的放大率概念及公式

3. 光辐射探测器的理论基础

（1）光电发射效应(外光电效应)

（2）半导体的光电效应（内光电效应）

（3）探测器中的噪声

（4）探测器中的主要特性参数

4. 光电器件

（1）光电阴极

（2）光电管与光电倍增管的工作原理

（3）光电倍增管的主要特性参数

（4）结型光电器件原理

（5）硅光电二极管

参考材料：

[1]《工程光学》，作者：郁道银、谈恒英主编，-3版，机械工业出版社(2011-06)

[2]《光电技术》，作者：缪家鼎、徐文娟、牟同升编著，浙江大学出版社（1995－03)

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、D四个模块，考生可任选其中一个模块。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，D模块为光学与光电基础。

（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)

（四）D模块：光学与光电基础

1. 几何光学基本定律与成像概念

（1）几何光学基本定律：1）光的直线传播定律2）光的独立传播定律3）反射定律和折射定律（全反射及其应用）4）费马原理（最短光程原理）

（2）完善成像条件的概念和相关表述

（3）单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率、轴向放大率、角放大率γ、拉赫不变量等公式。

（4）球面反射镜成像公式

2. 理想光学系统

（1）无限远的轴上（外）物点的共轭像点及光线、无限远的轴上（外）像点的对应物点及光线的性质，物（像）方焦距的计算公式

（2）物方主平面与像方主平面的性质，光学系统的节点及性质

（3）图解法求像的方法

（4）解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）

（5）理想光学系统的放大率概念及公式

3. 光辐射探测器的理论基础

（1）光电发射效应(外光电效应)

（2）半导体的光电效应（内光电效应）

（3）探测器中的噪声

（4）探测器中的主要特性参数

4. 光电器件

（1）光电阴极

（2）光电管与光电倍增管的工作原理

（3）光电倍增管的主要特性参数

（4）结型光电器件原理

（5）硅光电二极管

参考材料：

[1]《工程光学》，作者：郁道银、谈恒英主编，-3版，机械工业出版社(2011-06)

[2]《光电技术》，作者：缪家鼎、徐文娟、牟同升编著，浙江大学出版社（1995－03)

变化情况：无变化