科學(xué)通報(bào) | 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(duì)生物體內(nèi)部生理狀態(tài)的無(wú)創(chuàng)性監(jiān)測(cè)，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(kāi)辟了新路。北京大學(xué)郭弘教授團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)通報(bào)》“醫(yī)學(xué)物理專輯”發(fā)表評(píng)述文章，綜述了生物磁傳感技術(shù)的演進(jìn)歷程及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

生物磁傳感技術(shù)通過(guò)檢測(cè)和分析生物電活動(dòng)產(chǎn)生的弱磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體內(nèi)生理活動(dòng)的無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)和分析。這些生物磁場(chǎng)在細(xì)胞和器官層面都普遍存在，其中，由心臟和大腦的電活動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)表現(xiàn)出明顯的時(shí)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(jià)值的見(jiàn)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(diǎn)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(wèn)題。超導(dǎo)量子干涉儀具有極高的磁場(chǎng)探測(cè)靈敏度，在測(cè)量心臟和大腦磁場(chǎng)信號(hào)方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。然而，一直以來(lái)，它們的高成本和對(duì)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(diǎn)。值得注意的是，非屏蔽光泵原子磁力儀技術(shù)的最新進(jìn)展消除了對(duì)昂貴且笨重的無(wú)源磁屏蔽設(shè)備的需求，進(jìn)一步降低成本的同時(shí)，推進(jìn)了生物磁傳感技術(shù)的臨床應(yīng)用。

進(jìn)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(dòng)脈疾病、胎兒心臟功能評(píng)估、癲癇、術(shù)前功能區(qū)域定位和腦機(jī)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(lái)的干擾，為疾病早期診斷提供了更高的靈敏度。通過(guò)源定位方法，心磁圖和腦磁圖有望實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)空間分辨率和毫秒級(jí)時(shí)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(dòng)時(shí)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)。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(xì)胞尺度生物磁研究的檢測(cè)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(cè)和無(wú)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(shì)在于其兼具高時(shí)空分辨率，可以實(shí)現(xiàn)器官功能的精確定位和動(dòng)態(tài)可視化。非屏蔽光泵原子磁力儀技術(shù)的進(jìn)步將使生物磁傳感能夠經(jīng)濟(jì)有效地適應(yīng)多個(gè)領(lǐng)域，促進(jìn)準(zhǔn)確診斷的同時(shí)，也能夠進(jìn)一步推進(jìn)生理機(jī)制的分析，并促進(jìn)跨學(xué)科創(chuàng)新，具有十分重要的基礎(chǔ)研究?jī)r(jià)值以及經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于開(kāi)辟量子技術(shù)與生命科學(xué)交叉融合新賽道、發(fā)展未來(lái)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(bào), 2025, 70(33): 5624–5640

doi: 10.1360/TB-2024-1029

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