生物醫(yī)學工程學概論考試重點

1、生物醫(yī)學工程,(Biomedical Engineering,BME是用自然科學和工程技術的理論方法,研究解決醫(yī)學防病治病,增進人民健康的一門理、工、醫(yī)相結合的邊緣科學。它綜合運用工程學的理論和方法,深入研究、解釋、定義和解決醫(yī)學上的有關問題。生物傳感器應有以下幾個條件:高可靠;少損傷或無損傷;微型化;重復性好;數(shù)字信號輸出;組織相容性好;壽命長;容易制造。生物工程(bioengineering亦稱生物技術(biotechnology , 它是通過工程技術手段,利用生物有機體或生物過程,生產有經(jīng)濟價值的產品的技術科學。它的實際應用包括對生物有機體及其亞細胞組分在制造業(yè)、服務性工業(yè)以及環(huán)境管理等

2、方面的應用。細胞工程(cell engineering是應用細胞生物學和分子生物學技術,按照預定的設計改變或創(chuàng)造細胞遺傳物質,使之獲得新的遺傳性狀,通過體外培養(yǎng),提供細胞產品,或培育出新的品種,甚至新的物種。細胞工程的三個發(fā)展階段:第一階段:70年代中期確立了細胞培養(yǎng)技術、核型分析技術、細胞融合技術及其應用第二階段:70年代后期80年代后期基因工程與細胞工程結合,應用DNA導入技術分析了人體基因的微細結構。第三階段:80年代后期基因打靶為基礎,胚胎發(fā)生工程與基因工程結合作為新的研究發(fā)展趨勢。即在培養(yǎng)細胞水平上同源基因重組的“基因打靶”“基因打靶”是指利用基因轉移方法,將外源DNA序列導入靶細胞

3、后通過外源DNA序列與靶細胞內染色體上同源DNA序列間的重組,將外源基因定點整合入靶細胞基因組上某一確定的點,或對某一預先確定的靶位點進行定點突變的技術細胞融合(cell fusion是指用自然或人工方法,使兩個或更多個不同的細胞融合成一個細胞的過程。它包括質膜的連接與融合,胞質合并,細胞核、細胞器和酶等互成混合體系。應用:淋巴細胞雜交瘤技術其產物為單克隆抗體單克隆抗體(monoclonal antibody, McAb是由單一克隆(clone的B淋巴細胞產生的抗單一抗原的高度特異性抗體。細胞拆合就是把細胞質與細胞核分離開來,然后把不同來源的細胞質和細胞核相互配合,形成核質雜交細胞基因工程(g

4、enetic engineering概念:用分離純化或人工合成的DNA在體外與載體DNA連接成重組體,并以重組體轉化入宿主細胞,進而篩選出能表達重組DNA的活宿主細胞,再使之繁殖和擴增,直至表達出目的基因所編碼的多肽(polypeptide等一系列過程稱為基因工程(genetic engineering,或者稱為基因克隆(gene cloning,分子克隆(molecular cloning。B.基因工程主要步驟:一是構建DNA重組體二是DNA重組體的擴增和表達基因工程的主要目的:按意圖生產基因產物制取某些DNA片段和DNA探針(DNA probes改造基因,探討基因的結構和功能人工合成基因的

5、不足之處:不能合成太長的基因;人工合成基因時,遺傳密碼的兼并現(xiàn)象會為選擇密碼帶來很大困難;費用較高。載體要求:一個較小的,能進行復制的分子具有較少的限制酶的切點外源DNA片段插入載體后,載體的復制功能不會喪失具有某種明顯的標志攜帶外源DNA的幅度較寬生物防護是安全的DNA分子的體外重組重組體或重組DNA分子(重組子就是把外源性DNA(目的基因插入載體,使兩種DNA分子連接起來。(1粘性末端連接法:(2鈍性末端連接法次級代謝特點:(1 生長后期形成(2 代謝酶合成期短(3 代謝酶系往往是一種復合體(4 代謝酶系對底物要求的專一性不強(5 代謝酶在細胞中有特定的位置微生物代謝的調控方式:(1 營養(yǎng)

6、代謝阻遏:(2 誘導:(3 反饋調節(jié):(4 細胞通透性的調節(jié):(5 前體或抑制劑的調節(jié)酶(enzyme是生物體內活細胞產生的一種起催化劑作用的蛋白質。又稱為生物催化劑(biological catalyst。酶催化的特點:反應條件溫和選擇性特別高催化效率特別高酶的活性可受調節(jié)控制酶工程把酶從細胞中分離出來,在體外以游離狀態(tài)催化特定的化學轉化反應的應用技術稱為酶工程(enzyme engineering或酶技術(enzyme technology用微生物生產酶的優(yōu)點:微生物種類多;微生物容易培養(yǎng);可進行菌株選育、突變、誘導及選擇生長條件亦可大幅度提高酶的產率和改變酶的類型;微生物中酶的特性有較寬

7、的幅度可供使用時選擇;利用微生物生產酶,原料不受限制酶的化學修飾的目的:使其更穩(wěn)定適應不同的溫度及pH抵抗蛋白酶及抑制劑的影響改變天然酶的動力學常數(shù)減少或消除在體內的抗原性使酶分子具有對某些組織或細胞的親合力或穿透性等。酶的固定化是指將酶用物理或化學方法進行處理,使之從水溶性和可移動狀態(tài)變成仍具有酶活性的非水溶性固定狀態(tài)的過程。固定化酶(immobilized enzyme 特點:A.耐熱性、工作穩(wěn)定性和貯存穩(wěn)定提高B.具有一定的機械強度C.避免酶蛋白和其它雜質混入產品D.可以回收(一酶的固定化方法:1. 載體結合法(1離子結合法:(2共價結合法:(3物理吸附法:2. 交聯(lián)法3. 包埋法(1網(wǎng)

8、格法(凝膠包埋法:(2微囊法(酶膠囊法:人工腎是利用高分子材料進行透析、過濾和吸附作用,使代謝物進入外界配置好的透析液中,經(jīng)透析、過濾處理后完成腎臟的功能人工腎進行血液凈化方法:血液透析法原理:血液和透析液中物質的濃度差,電解質及化學毒物滲透到透析液中。血液過濾法原理:類似于人體中腎小球的過濾作用。血漿交換法原理:換掉血液中的有毒血漿。血液毒素吸附法原理:吸附劑與血液直接接觸,吸附有毒物質血液的粘彈性(viscoelasticity是指血液兼有液體的粘性和固體的彈性。血液是一種非牛頓流體。但在一定的高切變率下,又表現(xiàn)為牛頓流體。血液是具有應力松弛(stress relaxation、蠕變(cr

9、eep、滯后(hysteresis等現(xiàn)象的復雜流體。兩個推論:(1心臟的異常擴大和壓力的上升將使心壁應力增大,并可能導致心臟肥大。(2心肌收縮產生壁應力。應力又決定收縮壓P i。最大張應力發(fā)生于心肌等容收縮相,且隨肌纖維長度而改變。當肌節(jié)伸長時,心肌最大張力亦隨之增大,收縮厭P i增大。如果心室半徑增大,則肌肉張力將增大,收縮壓亦將升高。構成血管壁的主要成分是內皮、彈性纖維、膠原纖維和平滑肌紅細胞變形能力(deformability of red cell:人體紅細胞平均直徑約為8m,而毛細血管的平均直徑約為5m。紅細胞要通過比自己直徑還要小的毛細血管時,就必須改變自己的形態(tài),這就是紅細胞的變

10、形性。紅細胞的變形性:變形性使紅細胞能夠通過毛細血管。變形性使血液粘度降低,血液流動阻力減小,生物組織就能得到充足的營養(yǎng)供給,進行順利的新陳代謝。紅細胞沉降的過程:聚集相;紅細胞穩(wěn)定沉降相;紅細胞的充塞相紅細胞的變形性的影響因素:A.內部因素:表面積與體積之比B.外部因素:血漿中高分子量蛋白溫度生理滲透壓細胞膜受體狀態(tài)pH值電解質濃度氧分壓二氧化碳肺總量(TLC:在最大吸氣之末,支氣管和肺內的氣體總量功能殘氣量(FRC:自然呼吸之末,支氣管、肺內所存留的氣體量殘氣量(RC:最大呼氣之末肺內殘留的氣體量潮氣量(V T:每呼吸周期內所吸人或排出的氣體量肺活量(V C:為肺總量與殘氣量之差 A.靜息

11、膜電位(resting potential生理學上把膜外電位定為零,房、室心肌細胞在靜息期膜內電位為-90mV,稱為“靜息電位” ,也叫“膜電位”,此時心肌細胞所處的狀態(tài)叫“極化狀態(tài)” 。B.動作膜電位(action potential普通心肌細胞受到竇房結發(fā)來的電脈沖刺激時(閾刺激,受刺激部位的膜電位將發(fā)生一系列短暫的電位變動,生理學上稱為“動作電位” 。去極化(depo1arization :復極化(repolarization :一期,快速復極初期。Na+向內擴散趨慢,K+向外擴散趨升,動態(tài)平衡。C1向內擴散1期占時約10ms。二期,緩慢復極期或平臺期。Ca2+向內擴散。少量Na+進入膜

12、內,少量K+外流。2期占時約100ms。三期,快速復極末期。K+外流使膜電位下降。此期歷時約100l50ms。四期,舒張期或靜息期。鉀鈉泵的作用將K+和Na+驅回膜內和膜外,恢復到靜息期的極化狀態(tài)。 波:波:波:波:波:頻率為813Hz,振幅為20100V。清醒安靜閉目時出現(xiàn)。波:頻率為47Hz,振幅為100150V,困倦時出現(xiàn)。波:頻率為1430Hz,振幅為520V。睜眼視物、聽到音響或進行思考時出現(xiàn)。波:頻率為135Hz,振幅為20200V,在睡眠時出現(xiàn)。在深度麻醉、缺氧或大腦有器質性病變時也可出現(xiàn)。生物磁信號的來源:A.生物電產生的磁場心磁場、腦磁場、神經(jīng)磁場、肌磁場等B.生物材料產生的

13、感應場肝、脾等所呈現(xiàn)出來的磁場C.體內鐵磁性微粒產生的剩余磁場肺磁場、腹磁場磁場的醫(yī)學應用磁診斷術A.心磁圖B.腦磁圖C.肺磁圖磁治斷術數(shù)字成像的一般過程:對模擬信號進行采樣轉變?yōu)閿?shù)字信號數(shù)字信號處理-構成數(shù)字圖像(digital picture貯存后置處理數(shù)字圖像-模擬圖像后置圖像處理:內插局部放大平滑濾波邊緣增強密度測量直方圖設計再建立體圖像顯示范圍調節(jié)再建多方位圖像多幅圖像的時域相減DSA技術原理:兩類方法:時域相減法能量相減法混合相減法時域相減法基本原理:首先將未使用造影劑(即對比劑,contrast medium的圖像變成數(shù)字圖像貯存;然后,將造影劑到達受檢區(qū)后的圖像貯存。將代表造影

14、像和原像的對應數(shù)字相減,得到數(shù)字減影像,從而消除了與造影部位不相干的背景,保留了有造影劑的部位的數(shù)字圖像。最后將血管的數(shù)字減影圖像轉換為模擬視頻信號后,用監(jiān)視器顯示出視頻圖像。能量相減法不同能量的x射線攝取的兩幅血管圖像相減,來消除某一物質的像。低能x射線為6080kVp,較高能量的x射線為120140kVp。時域能量混合相減法在造影劑到達受檢部位前后都做高能像和低能像,先分別求得無造影劑和有造影劑的能量減影像。在這兩種能量減影像中軟組織的像已被消除。然后再用時域相減法消除骨骼等背景。DSA(數(shù)字減影造影技術的優(yōu)缺點:優(yōu)點:對比分辨率高;少創(chuàng)或無創(chuàng)性技術;所需造影劑的量少,濃度低,更具安全性;

15、方法簡便,患者無需住院;實時顯示,可方便地進行控制;診斷的準確性較高;便于貯存與檢索,便于用計算機網(wǎng)絡傳輸。缺點:空間分辨力不如常規(guī)動脈造影,不利于細小動脈造影;產生運動偽影,影響圖像質量;視野較小;影像重疊。超聲波的吸收與衰減(1擴散衰減: (2散射衰減: (3吸收衰減超聲多普勒效應(Dopp1er effect由于聲源和接收體之間的相對運動而引起聲波頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。探查心臟、血管,橫膈的活動以及血流速度和胎兒的呼吸等。核醫(yī)學成像儀器基本原理:將放射性制劑引入體內,經(jīng)過一定時間后,放射性制劑便濃集于待測器官中。利用放射性核素的示蹤作用,在體外用探測器探測體內放出的射線。將測量數(shù)據(jù)經(jīng)適當方

16、法進行處理后,就可得到待測器官的放射性核素密度分布圖像,即核醫(yī)學影像核磁共振:若一交變磁場的電磁輻射的能量如果剛好等于核磁矩中量子化的能級間的能量差,將會和核磁矩發(fā)生作用,使核磁矩發(fā)生能量躍遷,出現(xiàn)能量的吸收或釋放,這種現(xiàn)象稱為核磁共振。內窺鏡(內視鏡 是一種可插入人體體腔和臟器內腔直接觀察, 診斷或治療病變的醫(yī)用光學儀器內鏡外科(endoscopic surgery通過內窺鏡治療一些外科疾病的醫(yī)學分支學科,屬于內鏡治療學。早期單純診斷中期小型外科手術現(xiàn)在大體積器官切除階段同步輻射:由相對論帶電粒子,即速度接近光速的帶電粒子(通常為電子,在磁場中作曲線運動時所產生的電磁輻射,稱為同步輻射(synchrotron radiation, SR。同步輻射的特點(1 同步輻射具有寬廣的連續(xù)譜結構。(2同步輻射光源具有極高的亮度。(3同步輻射具有脈沖時間結構。(4同步輻射具有高度準直性。(5同步輻射是偏振