生物医学工程学概论考试重点.docx

生物医学工程(Biomedical Engineering，BME)，是用自然科学和工程技术的理论方法，研究解决医学防病治病，增进人民健康的一门理、工、医相结合的边缘科学。它综合运用工程学的理论和方法，深入研究、解释、定义和解决医学上的有关问题。
生物传感器应有以下几个条件：①高可靠；②少损伤或无损伤；③微型化；④重复性好；⑤数字信号输出；⑥组织相容性好；⑦寿命长；⑧容易制造。
生物工程(bioengineering)亦称生物技术(biotechnology) , 它是通过工程技术手段，利用生物有机体或生物过程，生产有经济价值的产品的技术科学。它的实际应用包括对生物有机体及其亚细胞组分在制造业、服务性工业以及环境管理等方面的应用。 细胞工程(cell engineering)是应用细胞生物学和分子生物学技术，按照预定的设计改变或创造细胞遗传物质，使之获得新的遗传性状，通过体外培养，提供细胞产品，或培育出新的品种，甚至新的物种。
细胞工程的三个发展阶段：
第一阶段：～70年代中期，确立了细胞培养技术、核型分析技术、细胞融合技术及其应用
第二阶段：70年代后期～80年代后期，基因工程与细胞工程结合，应用DNA导入技术分析了人体基因的微细结构。
第三阶段：80年代后期～，基因打靶为基础，胚胎发生工程与基因工程结合作为新的研究发展趋势。即在培养细胞水平上同源基因重组的“基因打靶”
“基因打靶”是指利用基因转移方法，将外源DNA序列导入靶细胞后通过外源DNA序列与靶细胞内染色体上同源DNA序列间的重组，将外源基因定点整合入靶细胞基因组上某一确定的点，或对某一预先确定的靶位点进行定点突变的技术
细胞融合(cell fusion)是指用自然或人工方法，使两个或更多个不同的细胞融合成一个细胞的过程。它包括质膜的连接与融合，胞质合并，细胞核、细胞器和酶等互成混合体系。
应用：淋巴细胞杂交瘤技术，其产物为单克隆抗体单克隆抗体(monoclonal antibody, McAb)是由单一克隆(clone)的B淋巴细胞产生的抗单一抗原的高度特异性抗体。
细胞拆合就是把细胞质与细胞核分离开来，然后把不同来源的细胞质和细胞核相互配合，形成核质杂交细胞
基因工程(genetic engineering)概念：
用分离纯化或人工合成的DNA在体外与载体DNA连接成重组体，并以重组体转化入宿主细胞，进而筛选出能表达重组DNA的活宿主细胞，再使之繁殖和扩增，直至表达出目的基因所编码的多肽（polypeptide）等一系列过程称为基因工程(genetic engineering)，或者称为基因克隆(gene cloning)，分子克隆(molecular cloning)。
基因工程主要步骤：一是构建DNA重组体，二是DNA重组体的扩增和表达
基因工程的主要目的：
◆按意图生产基因产物◆制取某些DNA片段和DNA探针(DNA probes)
◆改造基因，探讨基因的结构和功能
人工合成基因的不足之处：
◆不能合成太长的基因；◆人工合成基因时，遗传密码的兼并现象会为选择密码带来很大困难；◆费用较高。
载体要求：①一个较小的，能进行复制的分子；②具有较少的限制酶的切点；③外源DNA片段插入载体后，载体的复制功能不会丧失；④具有某种明显的标志；⑤携带外源DNA的幅度较宽；⑥生物防护是安全的
DNA分子的体外重组
重组体或重组DNA分子(重组子)就是把外源性DNA(目的基因)插入载体，使两种DNA分子连接起来。
(1)粘性末端连接法；(2)钝性末端连接法
次级代谢特点：(1) 生长后期形成；(2) 代谢酶合成期短；(3) 代谢酶系往往是一种复合体，(4) 代谢酶系对底物要求的专一性不强，(5) 代谢酶在细胞中有特定的位置
微生物代谢的调控方式：(1) 营养代谢阻遏，(2) 诱导，(3) 反馈调节，(4) 细胞通透性的调节，(5) 前体或抑制剂的调节
酶(enzyme)是生物体内活细胞产生的一种起催化剂作用的蛋白质。又称为生物催化剂(biological catalyst)。
酶催化的特点：
① 反应条件温和；② 选择性特别高；③ 催化效率特别高；④ 酶的活性可受调节控制
酶工程：把酶从细胞中分离出来，在体外以游离状态催化特定的化学转化反应的应用技术称为酶工程(enzyme engineering)或酶技术(enzyme technology)
用微生物生产酶的优点：① 微生物种类多 ；② 微生物容易培养 ；③ 可进行菌株选育、突变、诱导及选择生长条件亦可大幅度提高酶的产率和改变酶的类型 ；④ 微生物中酶的特性有较宽的幅度可供使用时选择；⑤ 利用微生物生产酶，原料不受限制
酶的化学修饰的目的：
■使其更稳定■适应不同的温度及pH■抵抗蛋白酶及抑制剂的影响■改变天然酶的动力学常数■减少或消除在体内的抗原性■使酶分子具有对某些组织或细胞的亲合力或穿透性等。
酶的固定化是指将酶用物理或化学方法进行处理，使之从水溶性和可移动状态变成仍具有酶活性的非水溶性固定状态的过程。
固定化酶(immobilized enzyme) 特点 ：
A. ◆耐热性、工作稳定性和贮存稳定提高
B. ◆具有一定的机械强度
C. ◆避免酶蛋白和其它杂质混入产品
D. ◆可以回收
（一）酶的固定化方法 ：
1. 载体结合法：(1)离子结合法： (2)共价结合法： (3)物理吸附法：
2. 交联法
3. 包埋法：(1)网格法(凝胶包埋法)： (2)微囊法(酶胶囊法)：
人工肝，原理：肝脏部分功能的暂时性辅助替代装置。
使用：肝衰竭、等待肝细胞再生、等待肝移植
材料：活性炭、树脂、聚丙烯腈
基本功能：(1)血灌流吸附解毒（2）血透析及超滤（3）血浆及氨基酸的平衡补充
人工肾是利用高分子材料进行透析、过滤和吸附作用，使代谢物进入外界配置好的透析液中，经透析、过滤处理后完成肾脏的功能
人工肾进行血液净化方法：
▼血液透析法原理：血液和透析液中物质的浓度差，电解质及化学毒物渗透到透析液中。
▼血液过滤法原理：类似于人体中肾小球的过滤作用 。
▼血浆交换法原理：换掉血液中的有毒血浆。
▼血液毒素吸附法原理：吸附剂与血液直接接触，吸附有毒物质
血液的粘弹性(viscoelasticity)是指血液兼有液体的粘性和固体的弹性。血液是一种非牛顿流体。但在一定的高切变率下，又表现为牛顿流体。血液是具有应力松弛(stress relaxation)、蠕变(creep)、滞后(hysteresis)等现象的复杂流体。
两个推论：
(1)心脏的异常扩大和压力的上升将使心壁应力增大，并可能导致心脏肥大。
(2)心肌收缩产生壁应力。应力又决定收缩压Pi。最大张应力发生于心肌等容收缩相，且随肌纤维长度而改变。当肌节伸长时，心肌最大张力亦随之增大，收缩压Pi增大。如果心室半径增大，则肌肉张力将增大，收缩压亦将升高。
构成血管壁的主要成分是内皮、弹性纤维、胶原纤维和平滑肌
红细胞变形能力(deformability of red cell)：人体红细胞平均直径约为8μm，而毛细血管的平均直径约为5μm。红细胞要通过比自己直径还要小的毛细血管时，就必须改变自己的形态，这就是红细胞的变形性。
红细胞的变形性：
变形性使红细胞能够通过毛细血管。 变形性使血液粘度降低，血液流动阻力减小，生物组织就能得到充足的营养供给，进行顺利的新陈代谢。
红细胞沉降的过程：
◆聚集相；◆红细胞稳定沉降相；◆红细胞的充塞相
红细胞的变形性的影响因素：
A.内部因素：表面积与体积之比
B.外部因素：▲血浆中高分子量蛋白 ▲温度▲生理渗透压 ▲细胞膜受体状态▲pH值 ▲电解质浓度 ▲氧分压 ▲二氧化碳 肺总量(TLC)：在最大吸气之末，支气管和肺内的气体总量
功能残气量(FRC)：自然呼吸之末，支气管、肺内所存留的气体量
残气量(RC)：最大呼气之末肺内残留的气体量
潮气量(VT)：每呼吸周期内所吸人或排出的气体量
肺活量(VC)：为肺总量与残气量之差
A．静息膜电位(resting potential)
生理学上把膜外电位定为零，房、室心肌细胞在静息期膜内电位为-90mV，称为“静息电位” ，也叫“膜电位”，此时心肌细胞所处的状态叫“极化状态” 。
B．动作膜电位(action potential)
普通心肌细胞受到窦房结发来的电脉冲刺激时(阈刺激)，受刺激部位的膜电位将发生一系列短暂的电位变动，生理学上称为“动作电位”。
去极化(depo1arization) ：Na+通过快钠通道向膜内快速扩散。
复极化(repolarization) :
一期，快速复极初期。Na+向内扩散趋慢，K+向外扩散趋升，动态平衡。C1—向内扩散1期占时约10ms。
二期，缓慢复极期或平台期。Ca2+向内扩散。少量Na+进入膜内，少量K+外流。2期占时约100ms。
三期，快速复极末期。K+外流使膜电位下降。此期历时约100～l50ms。
四期，舒张期或静息期。钾—钠泵的作用将K+和Na+驱回膜内和膜外，恢复到静息期的极化状态。
■α波：■θ波：■β波：■δ波 ：
■α波：频率为8~13Hz，振幅为20~100μV。清醒安静闭目时出现。
■θ波：频率为4~7Hz，振幅为100~150μV，困倦时出现。
■β波： 频率为14～30Hz，振幅为5~20μV。睁眼视物、听到音响或进行思考时出现。
■δ波 ：频率为1～35Hz，振幅为20～200μV，在睡眠时出现。在深度麻醉、缺氧或大脑有器质性病变时也可出现。
生物磁信号的来源 :
A．生物电产生的磁场：心磁场、脑磁场、神经磁场、肌磁场等
B．生物材料产生的感应场：肝、脾等所呈现出来的磁 场
C．体内铁磁性微粒产生的剩余磁场：肺磁场、腹磁场

磁场的医学应用
磁诊断术：A.心磁图 B.脑磁图 C.肺磁图
磁治断术：E. 静磁场疗法 B.动磁场疗法 C.磁处理水疗法 D.磁流体疗法
数字成像的一般过程 ：
■对模拟信号进行采样■转变为数字信号■数字信号处理－构成数字图像(digital picture)■贮存■后置处理■数字图像－－模拟图像。
后置图像处理 ：■内插 ■局部放大 ■平滑滤波■边缘增强 ■密度测量 ■直方图设计 ■再建立体图像 ■显示范围调节■再建多方位图像 ■多幅图像的时域相减。
DSA技术原理：
两类方法：■时域相减法■能量相减法■ 混合相减法
时域相减法：△基本原理：首先将未使用造影剂(即对比剂，contrast medium)的图像变成数字图像贮存；然后，将造影剂到达受检区后的图像贮存。将代表造影像和原像的对应数字相减，得到数字减影像，从而消除了与造影部位不相干的背景，保留了有造影剂的部位的数字图像。最后将血管的数字减影图像转换为模拟视频信号后，用监视器显示出视频图像。
能量相减法：△不同能量的x射线摄取的两幅血管图像相减，来消除某一物质的像。△低能x射线为60—80kVp，较高能量的x射线为120～140kVp。
时域能量混合相减法：在造影剂到达受检部位前后都做高能像和低能像，先分别求得无造影剂和有造影剂的能量减影像。在这两种能量减影像中软组织的像已被消除。然后再用时域相减法消除骨骼等背景。
DSA（数字减影造影技术）的优缺点：
优点：①对比分辨率高；②少创或无创性技术；③所需造影剂的量少，浓度低，更具安全性；④方法简便，患者无需住院；⑤实时显示，可方便地进行控制；⑥诊断的准确性较高；⑦便于贮存与检索，便于用计算机网络传输。
缺点：①空间分辨力不如常规动脉造影，不利于细小动脉造影；②产生运动伪影，影响图像质量；③视野较小；④影像重叠。
超声波的吸收与衰减
(1)扩散衰减： (2)散射衰减： (3)吸收衰减
超声多普勒效应 (Dopp1er effect)
◆由于声源和接收体之间的相对运动而引起声波频率发生改变的现象 。
◆探查心脏、血管，横膈的活动以及血流速度和胎儿的呼吸等。
核医学成像仪器
基本原理：将放射性制剂引入体内，经过一定时间后，放射性制剂便浓集于待测器官中。利用放射性核素的示踪作用，在体外用探测器探测体内放出的γ射线。将测量数据经适当方法进行处理后，就可得到待测器官的放射性核素密度分布图像，即核医学影像
核磁共振：若一交变磁场的电磁辐射的能量如果刚好等于核磁矩中量子化的能级间的能量差，将会和核磁矩发生作用，使核磁矩发生能量跃迁，出现能量的吸收或释放，这种现象称为核磁共振。
内窥镜 (内视镜) 是一种可插入人体体腔和脏器内腔直接观察, 诊断或治疗病变的医用光学仪器
内镜外科(endoscopic surgery)：通过内窥镜治疗一些外科疾病的医学分支学科，属于内镜治疗学。
■早期单纯诊断■中期小型外科手术■现在大体积器官切除阶段
同步辐射： 由相对论带电粒子，即速度接近光速的带电粒子(通常为电子)，在磁场中作曲线运动时所产生的电磁辐射，称为同步辐射(synchrotron radiation, SR)。
同步辐射的特点：(1) 同步辐射具有宽广的连续谱结构。(2)同步辐射光源具有极高的亮度。(3)同步辐射具有脉冲时间结构。(4)同步辐射具有高度准直性。(5)同步辐射是偏振光。(6)同步辐射光谱纯净
同步辐射的应用：(1)同步辐射微晶X射线衍射技术；(2)同步辐射EXAFS光谱分析；(3) 同步辐射X射线荧光分折；（4)同步辐射软X射线显微术；(5)同步辐射X射线二色性摄影术。
高压氧治疗：呼吸超过1个绝对压的纯氧称为高压氧，呼吸高压氧治疗疾病的方法叫做高压氧治疗(high pressure oxygen therapy)。
光动力学疗法是指利用恶性肿瘤选择性地摄入并潴留光敏剂，在特定波长的光激发下，引起一系列光化学反应，从而杀死肿瘤组织，产生治疗作用。用激光器发出的光波作激发光的光动力学疗法称为激光光动力学疗法。
磁场生物效应宏观特点：（1）与磁场条件有关，需要临界磁场条件，矢量效应；（2）有滞后、积累、放大等特性。