科學(xué)通報 | 生物磁傳感: 技術(shù)與應(yīng)用

生物磁傳感技術(shù)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(xué)及基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究開辟了新路。北京大學(xué)郭弘教授團隊在《科學(xué)通報》“醫(yī)學(xué)物理專輯”發(fā)表評述文章，綜述了生物磁傳感技術(shù)的演進歷程及未來發(fā)展趨勢。

生物磁傳感技術(shù)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(xué)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(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，重點介紹了從感應(yīng)線圈和超導(dǎo)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(yīng)線圈技術(shù)存在靈敏度低的問題。超導(dǎo)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(shù)推廣及廣泛臨床應(yīng)用。光泵原子磁力儀是第三代生物磁傳感技術(shù)的核心基礎(chǔ)，它不需要液氦或液氮，具有高靈敏度，已成為生物磁傳感領(lǐng)域的研究熱點。值得注意的是，非屏蔽光泵原子磁力儀技術(shù)的最新進展消除了對昂貴且笨重的無源磁屏蔽設(shè)備的需求，進一步降低成本的同時，推進了生物磁傳感技術(shù)的臨床應(yīng)用。

進一步，我們討論了心磁圖和腦磁圖的應(yīng)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(shù)前功能區(qū)域定位和腦機接口等領(lǐng)域。與心電圖、腦電圖等傳統(tǒng)技術(shù)相比，心磁圖和腦磁圖減少了組織電導(dǎo)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(shù)更精確的心臟和腦電活動時空映射，可以為生命科學(xué)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(shù)和應(yīng)用的角度討論了生物磁傳感領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。在技術(shù)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(yīng)用，即旨在使該技術(shù)更適合醫(yī)療監(jiān)測和無創(chuàng)診斷，并具有成本效益。在應(yīng)用方面，生物磁傳感技術(shù)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(shù)的進步將使生物磁傳感能夠經(jīng)濟有效地適應(yīng)多個領(lǐng)域，促進準(zhǔn)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(xué)科創(chuàng)新，具有十分重要的基礎(chǔ)研究價值以及經(jīng)濟效益，對于開辟量子技術(shù)與生命科學(xué)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(shù)與應(yīng)用. 科學(xué)通報, 2025, 70(33): 5624–5640

doi: 10.1360/TB-2024-1029

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