生物磁傳感技術能夠?qū)崿F(xiàn)對生物體內(nèi)部生理狀態(tài)的無創(chuàng)性監(jiān)測，為疾病的診斷、治療的監(jiān)控以及生命科學及基礎醫(yī)學研究開辟了新路。北京大學郭弘教授團隊在《科學通報》“醫(yī)學物理專輯”發(fā)表評述文章，綜述了生物磁傳感技術的演進歷程及未來發(fā)展趨勢。

生物磁傳感技術通過檢測和分析生物電活動產(chǎn)生的弱磁場，實現(xiàn)對人體內(nèi)生理活動的無創(chuàng)監(jiān)測和分析。這些生物磁場在細胞和器官層面都普遍存在，其中，由心臟和大腦的電活動產(chǎn)生的磁場信號表現(xiàn)出明顯的時空分布模式。這些模式可以為臨床診斷和生理學研究提供有價值的見解。

在本綜述中，我們首先回顧并梳理了生物磁傳感技術的發(fā)展脈絡，重點介紹了從感應線圈和超導量子干涉儀到光泵原子磁力儀的發(fā)展。作為第一代生物磁傳感器，感應線圈技術存在靈敏度低的問題。超導量子干涉儀具有極高的磁場探測靈敏度，在測量心臟和大腦磁場信號方面已經(jīng)取得了重大進展。然而，一直以來，它們的高成本和對液氦的依賴限制了它們的技術推廣及廣泛臨床應用。光泵原子磁力儀是第三代生物磁傳感技術的核心基礎，它不需要液氦或液氮，具有高靈敏度，已成為生物磁傳感領域的研究熱點。值得注意的是，非屏蔽光泵原子磁力儀技術的最新進展消除了對昂貴且笨重的無源磁屏蔽設備的需求，進一步降低成本的同時，推進了生物磁傳感技術的臨床應用。

進一步，我們討論了心磁圖和腦磁圖的應用，涵蓋了心律失常、冠狀動脈疾病、胎兒心臟功能評估、癲癇、術前功能區(qū)域定位和腦機接口等領域。與心電圖、腦電圖等傳統(tǒng)技術相比，心磁圖和腦磁圖減少了組織電導率變化帶來的干擾，為疾病早期診斷提供了更高的靈敏度。通過源定位方法，心磁圖和腦磁圖有望實現(xiàn)亞毫米級空間分辨率和毫秒級時間分辨率，提供比功能核磁共振和正電子掃描層析等傳統(tǒng)成像技術更精確的心臟和腦電活動時空映射，可以為生命科學研究和臨床診斷提供更全面的電生理數(shù)據(jù)。

我們還從技術和應用的角度討論了生物磁傳感領域的未來發(fā)展趨勢。在技術上，生物磁傳感系統(tǒng)的核心—— 磁傳感器正沿著兩條主要路線發(fā)展：一條是優(yōu)化性能，即提高亞細胞尺度生物磁研究的檢測靈敏度；另一條是優(yōu)化臨床應用，即旨在使該技術更適合醫(yī)療監(jiān)測和無創(chuàng)診斷，并具有成本效益。在應用方面，生物磁傳感技術的主要優(yōu)勢在于其兼具高時空分辨率，可以實現(xiàn)器官功能的精確定位和動態(tài)可視化。非屏蔽光泵原子磁力儀技術的進步將使生物磁傳感能夠經(jīng)濟有效地適應多個領域，促進準確診斷的同時，也能夠進一步推進生理機制的分析，并促進跨學科創(chuàng)新，具有十分重要的基礎研究價值以及經(jīng)濟效益，對于開辟量子技術與生命科學交叉融合新賽道、發(fā)展未來產(chǎn)業(yè)，具有重要意義。

文章信息

郭弘, 吳騰, 孫晨曦, 等. 生物磁傳感: 技術與應用. 科學通報, 2025, 70(33): 5624–5640

doi: 10.1360/TB-2024-1029

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