心脏，被誉为人体“发动机”，是维持血液循环的核心器官。目前诊断心脏疾病的方法包括血液检测、X射线、超声和心电图等。其中，无创、无辐射的心电图技术应用最为广泛，它通过体表电极记录心脏肌肉周期性收缩前后的电活动变化。然而，根据电与磁的相互关系，心脏细胞活动产生的生物电流必然伴随着磁场的产生，即心磁图（Magnetocardiogram, MCG）。MCG同样是一种无创、无辐射的物理检查方法，其信号包含P波、QRS波群和T波等特征。特别是QRS波群中的瞬态信息和T波波形对于诊断心脏健康至关重要，分析这些信息有助于更准确地判断心脏病症，例如心肌梗死可能导致QRS波群延长或形态改变，ST段抬高通常提示急性心肌梗死，而T波倒置或形态变化也可能出现在心肌梗死之后。
尽管MCG具有重要临床价值，但其检测技术面临巨大挑战。心脏产生的磁场信号极其微弱，通常小于1纳特斯拉（nT），而环境中的磁噪声（如地磁场及其波动）远强于此，因此需要在高度屏蔽的环境中进行测量。目前临床心磁检测主要依赖超导量子干涉设备（SQUID）和光泵磁力计（OPM）等传感器。SQUID虽具有极高的灵敏度（可达10−15T量级），但需要复杂的低温冷却系统（如液氦或液氮），导致设备庞大、昂贵且难以便携，同时其空间分辨率也受到杜瓦瓶的限制。OPM虽可在室温下工作，但易受环境光和温度波动影响，需要严格的光学隔离和控制。其他磁阻传感器，如各向异性磁阻（AMR）和巨磁阻（GMR）传感器，其探测极限仅能达到纳特斯拉（nT）量级，无法满足MCG检测（通常要求低于10 pT）的需求。
隧道磁阻（Tunneling Magnetoresistance, TMR）传感器作为新一代磁阻传感器，展现出巨大潜力。其探测极限可达皮特斯拉（pT）量级（约1 pT/√Hz @1 Hz），足以满足MCG检测要求；同时，它能在室温下工作，无需低温冷却系统，且体积小巧（<10 cm2），功耗低，易于集成成高密度阵列，为实现便携式、高空间分辨率的心磁检测系统提供了可能。然而，TMR传感器自身的小磁场测量范围难以在地磁场环境中直接进行MCG检测，因此需要有效的磁屏蔽措施。
传统的磁屏蔽方法主要采用坡莫合金制成的屏蔽筒或屏蔽室，虽能有效降低环境噪声，但屏蔽筒空间有限，无法进行动态测试；屏蔽室虽空间大，但成本极其高昂。主动磁补偿技术则提供了一种更具性价比的解决方案。该技术通过磁传感器（如磁通门传感器）实时监测环境磁场，并利用补偿线圈产生反向磁场进行抵消，具有成本相对较低、可利用空间大、屏蔽系数高等优点。
为解决现有心磁检测技术对昂贵、笨重屏蔽设备的依赖，以及实现低成本、高性能的MCG检测，中国科学院空天信息创新研究院传感器技术国家重点实验室的研究团队在《Sensing and Bio-Sensing Research》上发表了研究成果，开发了一套基于TMR传感器和主动磁补偿技术的心磁测量系统。
研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：首先，构建了主动磁补偿系统，使用磁通门传感器实时采集三维环境磁场数据，通过上位机控制三轴补偿线圈（尺寸为2 m × 2 m × 2 m）进行实时补偿；其次，选用了高性能TMR传感器，该传感器集成了片上/片外磁通集中器结构，具有高灵敏度（9766 V/V/T）和良好的线性响应区间（±80 μT）；最后，应用经验模态分解（Empirical Mode Decomposition, EMD）算法对采集到的心磁原始信号进行去噪处理，提取出有效的本征模态函数（IMF）以重构心磁信号。实验数据来自在主动磁补偿系统环境下同步采集的TMR传感器MCG信号、OPM传感器MCG信号以及体表心电图（ECG）信号。
系统设计架构
本研究开发的基于主动磁屏蔽的心磁检测系统主要由三部分组成：主动磁屏蔽、心磁与心电信号采集、以及经验模态分解信号处理。系统框图清晰地展示了各组件之间的关联。主动磁屏蔽系统负责创造一个低噪声的磁检测环境；TMR传感器阵列负责拾取微弱的心磁信号，并辅以同步的ECG信号采集作为参考；最后，通过EMD算法对信号进行处理和分析，提取出有效的心磁信息。
主动磁屏蔽系统性能
主动磁屏蔽系统表现出卓越的性能。测试结果显示，系统启动后，三个轴向上的环境静磁场分别从45.56 μT、59.92 μT和34.82 μT被降至48 pT、53.9 pT和26.6 pT，静态磁屏蔽系数分别达到9.5×105、1.1×106和1.3×106量级。与五层坡莫合金磁屏蔽筒及无屏蔽环境相比，该系统的噪声功率谱密度在低频段（0.1–3 Hz）得到了有效抑制，效果与屏蔽筒相当，非常有利于心磁检测。系统的屏蔽带宽超过10 kHz，能够有效抑制高频噪声和环境白噪声。此外，在10 Hz交流噪声测试中，系统的三轴响应时间小于1 ms，表现出优异的实时性能，有利于快速抑制心磁信号中的带内噪声（<10 Hz）。
TMR传感器性能
本实验采用的TMR传感器在3 V电压下工作，其电压-磁场（V-H）曲线显示灵敏度为9766 V/V/T，线性响应区间为±80 μT，线性度为0.4%。在1 Hz频率下，传感器的电压噪声为2.78929×10−8V/√Hz，对应的磁场探测极限为1.0 pT/√Hz。这一性能完全满足心磁检测的要求，确保了微弱心磁信号的准确探测。
经验模态分解方法
EMD是一种自适应信号处理方法，适用于非线性和非平稳信号分析。其核心是将复杂信号分解为一系列具有不同频率带宽的本征模态函数（IMF）。研究团队对采集到的原始MCG数据（经差分放大和0.3–30 Hz带通滤波后）应用EMD算法，得到多组IMF。通过分析各IMF的功率谱密度，提取出主要特征频率在1–30 Hz范围内的IMF（如IMF2, IMF3, IMF4, IMF5），并据此重新组合心磁信号，有效去除了噪声，提升了信号质量。
结果与讨论
实验布置中，TMR传感器及其参考传感器分别置于胸腔中心左侧和右侧5厘米处。TMR传感器尺寸为15 mm × 10 mm × 5 mm，其敏感单元距离胸壁皮肤5 mm，相较于OPM传感器（敏感单元距离胸壁15 mm）更近。信号经过低噪声放大器（增益10000倍，带通滤波0.3–30 Hz）后，由采集卡以4 kHz采样率读取原始MCG数据，并同步采集ECG信号。对原始数据进行了64次时间窗口平均，理论上将信噪比（SNR）提高了8倍（√64）。
经过EMD处理后得到的MCG信号，与同步记录的ECG信号以及OPM采集的MCG信号进行了对比。结果显示，TMR传感器检测到的MCG信号其R-R间期与ECG信号高度一致，并且QRS波群、T波和P波清晰可辨。这表明在集成磁补偿系统中使用TMR传感器成功获取了有效的心磁信号。EMD作为一种去噪方法，有效提升了TMR传感器所测MCG信号的質量。与OPM检测到的MCG信号相比，TMR传感器检测到的信号强度更强，这得益于其小巧尺寸实现了更近距离的非接触测量，从而有望获得更多心脏活动信息。
结论
本研究成功将主动磁补偿技术与经验模态分解算法相结合，开发了一套基于TMR传感器的心磁图检测系统。该系统能够可靠地采集和处理MCG信号，所获信号的R-R间期与心电图一致，P波、QRS波群和T波清晰，验证了所提取磁场数据的准确性。主动磁补偿技术解决了屏蔽室成本高昂的问题，结合低功耗、高灵敏度、操作简便的TMR传感器，有望在临床应用中实现低成本动态长期心脏监测和诊断。
该研究证明了基于TMR传感器和主动磁补偿的MCG检测系统作为一种低成本、小型化、室温工作且具有皮特斯拉级灵敏度的替代方案的可行性。虽然TMR传感器在矢量能力和动态跟踪性能上可能目前不及SQUID系统或先进的OPM系统，但其在便携式或可穿戴实时心脏监测系统集成方面前景广阔。此外，该系统在运动心磁检测、早期心肌缺血检测等未来应用中潜力巨大，对于监测体力活动中的心脏功能、推动动态心脏诊断学发展具有重要临床价值。
