科学通报 | 生物磁传感: 技术与应用

生物磁传感技术能够实现对生物体内部生理状态的无创性监测，为疾病的诊断、治疗的监控以及生命科学及基础医学研究开辟了新路。北京大学郭弘教授团队在《科学通报》“医学物理专辑”发表评述文章，综述了生物磁传感技术的演进历程及未来发展趋势。

生物磁传感技术通过检测和分析生物电活动产生的弱磁场，实现对人体内生理活动的无创监测和分析。这些生物磁场在细胞和器官层面都普遍存在，其中，由心脏和大脑的电活动产生的磁场信号表现出明显的时空分布模式。这些模式可以为临床诊断和生理学研究提供有价值的见解。

在本综述中，我们首先回顾并梳理了生物磁传感技术的发展脉络，重点介绍了从感应线圈和超导量子干涉仪到光泵原子磁力仪的发展。作为第一代生物磁传感器，感应线圈技术存在灵敏度低的问题。超导量子干涉仪具有极高的磁场探测灵敏度，在测量心脏和大脑磁场信号方面已经取得了重大进展。然而，一直以来，它们的高成本和对液氦的依赖限制了它们的技术推广及广泛临床应用。光泵原子磁力仪是第三代生物磁传感技术的核心基础，它不需要液氦或液氮，具有高灵敏度，已成为生物磁传感领域的研究热点。值得注意的是，非屏蔽光泵原子磁力仪技术的最新进展消除了对昂贵且笨重的无源磁屏蔽设备的需求，进一步降低成本的同时，推进了生物磁传感技术的临床应用。

进一步，我们讨论了心磁图和脑磁图的应用，涵盖了心律失常、冠状动脉疾病、胎儿心脏功能评估、癫痫、术前功能区域定位和脑机接口等领域。与心电图、脑电图等传统技术相比，心磁图和脑磁图减少了组织电导率变化带来的干扰，为疾病早期诊断提供了更高的灵敏度。通过源定位方法，心磁图和脑磁图有望实现亚毫米级空间分辨率和毫秒级时间分辨率，提供比功能核磁共振和正电子扫描层析等传统成像技术更精确的心脏和脑电活动时空映射，可以为生命科学研究和临床诊断提供更全面的电生理数据。

我们还从技术和应用的角度讨论了生物磁传感领域的未来发展趋势。在技术上，生物磁传感系统的核心—— 磁传感器正沿着两条主要路线发展：一条是优化性能，即提高亚细胞尺度生物磁研究的检测灵敏度；另一条是优化临床应用，即旨在使该技术更适合医疗监测和无创诊断，并具有成本效益。在应用方面，生物磁传感技术的主要优势在于其兼具高时空分辨率，可以实现器官功能的精确定位和动态可视化。非屏蔽光泵原子磁力仪技术的进步将使生物磁传感能够经济有效地适应多个领域，促进准确诊断的同时，也能够进一步推进生理机制的分析，并促进跨学科创新，具有十分重要的基础研究价值以及经济效益，对于开辟量子技术与生命科学交叉融合新赛道、发展未来产业，具有重要意义。

文章信息

郭弘, 吴腾, 孙晨曦, 等. 生物磁传感: 技术与应用. 科学通报, 2025, 70(33): 5624–5640

doi: 10.1360/TB-2024-1029

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