基于曲折线天线便携式鸟笼线圈的创新设计：降低阿尔茨海默病β-淀粉样蛋白的新策略

《IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine》：A Novel Design of a Portable Birdcage via Meander Line Antenna (MLA) to Lower Beta Amyloid (Aβ) in Alzheimer’s Disease

本研究针对阿尔茨海默病(AD)中β-淀粉样蛋白(Aβ)沉积这一关键病理特征，开发了一种基于曲折线天线(MLA)的便携式鸟笼线圈设备。研究团队通过电磁场仿真和人体头部模型验证，成功设计出能够均匀发射64MHz射频信号、产生0.4-0.9W/kg比吸收率(SAR)的穿戴式设备。该设备可实现13.5cm的理想穿透深度，覆盖所有大脑记忆区域，且一小时暴露期间温升小于0.5°C，为AD的非侵入式治疗提供了安全有效的技术方案。

　　

在当今老龄化社会，阿尔茨海默病(Alzheimer's Disease, AD)已成为全球公共卫生的重大挑战。这种神经退行性疾病不仅剥夺了患者的记忆和认知能力，还给家庭和社会带来了沉重的经济负担。据统计，2022年AD给美国造成了3210亿美元的经济损失，而到2050年，这一数字预计将飙升至近1万亿美元。更令人担忧的是，目前尚无能够有效阻止疾病进展的治疗方法。

AD的主要病理特征包括大脑中β-淀粉样蛋白(beta-amyloid, Aβ)的异常沉积和tau蛋白的过度磷酸化。这些毒性蛋白的积累导致神经元死亡和突触功能受损，进而引发认知功能障碍。现有的标准治疗方案包括胆碱酯酶抑制剂、NMDA受体拮抗剂和单克隆抗体等，但这些方法都存在明显的局限性：它们无法显著改善认知功能，不能改变疾病进程，且常伴随严重的副作用，如脑水肿和微出血等。特别是单克隆抗体治疗，虽然能够降低Aβ水平，但其风险-获益比仍不明确。

面对这一治疗困境，研究人员将目光投向了非侵入性的物理治疗方法。重复电磁场刺激(repeated electromagnetic field stimulation, REMFS)作为一种新兴的治疗策略，在临床前研究中显示出巨大潜力。研究表明，特定参数的电磁场暴露能够激活细胞自噬过程，促进Aβ的降解清除，从而改善AD病理特征和认知功能。然而，将这一发现转化为临床应用面临重大挑战：现有的电磁场设备往往穿透深度不足，无法有效到达深部记忆区域，且能量分布不均匀，影响了治疗效果。

为了突破这一技术瓶颈，来自印第安纳大学医学院和普渡大学的研究团队开展了一项跨学科合作研究。他们基于前期在原发性人脑(primary human brain, PHB)培养物中的重要发现——64MHz频率、0.4-0.9W/kg比吸收率(specific absorption rate, SAR)的电磁场暴露能够显著降低Aβ水平且无细胞毒性——着手设计一种适合人类使用的便携式射频设备。该研究的目标是开发一种能够均匀分布射频能量、安全有效地覆盖所有大脑记忆区域的穿戴式设备，为AD治疗提供全新的技术解决方案。

研究团队采用了多学科交叉的研究方法，主要包括电磁场仿真技术和生物医学验证相结合的策略。通过ANSYS HFSS(高频仿真系统)进行设备建模和优化，利用Q3D Extractor进行电感矩阵计算，结合Circuit和IcePak模块进行电路分析和热效应评估。研究采用了NEVA人体模型作为仿真基础，该模型包含26种不同组织和233个独立组织部分，能够精确模拟电磁波在人体组织中的传播和吸收特性。在生物验证方面，团队使用了原发性人脑培养物进行电磁场暴露实验，评估不同SAR值对Aβ水平的影响。

电磁场暴露和人类神经元培养物的处理条件

研究团队使用垂直安装的IFI TEM细胞(横向电磁细胞)进行电磁场暴露实验。该设备是一种扩展的同轴传输线，工作在TEM模式，能够提供377欧姆的自由空间本征阻抗，模拟平面波辐照条件。射频信号通过HP 8656B/57A/57B合成信号发生器产生，确保了实验条件的精确控制和可重复性。

原发性人脑细胞培养的方法

研究获得了印第安纳大学医学院机构审查委员会的批准，使用妊娠80-110天流产胎儿的脑实质组织制备混合型人类胎儿脑细胞培养物。通过酶解和机械分散的方法获得单细胞悬液，以2.2×10⁵个细胞/cm²的密度接种于多聚赖氨酸包被的24孔板中。培养物中包含约60-70%的神经元和30-40%的混合胶质细胞，为研究提供了接近体内环境的实验模型。

神经元暴露于REMFS的结果

研究结果显示，在64MHz频率、0.6W/kg SAR条件下，每天暴露一小时，连续14天，能够使培养介质中的Aβ-40水平降低46%，Aβ-42水平降低36%。更重要的是，研究发现较短的暴露时间(4或8天)也能产生显著的Aβ水平降低效果，这为优化治疗方案提供了重要依据。研究还确定了0.4W/kg是产生生物学效应所需的最低SAR值，这一发现为设备的安全设计提供了关键参数。

提出的鸟笼线圈模型

研究团队创新性地设计了一种结合曲折线天线的鸟笼线圈结构。该线圈采用高通配置，包含16个曲折线天线腿和32个调谐电容器，配备八个端口，以45°间隔分布。

线圈的直线长度为13cm，包括顶部和底部的端环。通过ANSYS Q3D Extractor计算得到的电感矩阵为调谐电容值的确定提供了重要依据，确保了线圈在64MHz频率下的精确谐振。

人体和脑模型

研究采用NEVA人体模型进行仿真验证，该模型包含气管窦、动脉和上静脉、皮肤、皮质骨、脑白质、脑灰质、小脑、脑脊液、眼玻璃体液和体脂等主要组织成分。各组织在64MHz频率下的介电特性基于Gabriel分散关系确定，为仿真实验提供了真实的生物电磁环境。

结果与讨论

仿真结果表明，提出的八端口天线设计能够在模拟脑组织中实现0.4-0.9W/kg的SAR分布，且具有良好的均匀性。

局部SAR分布在脑组织的不同截面均显示出良好的一致性，证明了设备能够有效覆盖各个脑区。为了实现最均匀的SAR分布，研究比较了两种激励方式：两端口90°相位差和八端口45°相位差。结果显示，八端口设计在脑灰质、脑白质、小脑和脑脊液等关键区域均表现出更好的SAR均匀性，值维持在0.6-0.9W/kg范围内。

基于提出的MRI线圈的温度估计

安全考虑是设备设计的核心要素之一。热仿真结果表明，在0.4-0.9W/kg SAR条件下暴露一小时，脑组织最大温升仅为0.01摄氏度，远低于监管机构规定的0.5摄氏度安全阈值。

这一发现为设备的临床应用提供了重要的安全性保证。

提出的天线与两端口和八端口设计的比较

通过系统比较不同端口配置的性能，研究证实八端口设计在SAR分布均匀性方面具有明显优势。这种设计能够确保大脑各区域获得更加一致的电磁能量分布，减少了治疗盲区的可能性，为提高治疗效果奠定了技术基础。

局限性和未来工作

研究团队清楚地认识到，将实验室成果转化为临床应用仍面临诸多挑战。未来工作将集中在设备原型的制造和实验验证上，包括在特定人体模型模体上的测试、电磁剂量测定评估系统的应用以及温度监控系统的集成。此外，研究还计划探索人工智能技术在个性化治疗中的应用，通过深度学习算法优化治疗参数，实现精准医疗。

该研究的临床实施策略包括确定适合的治疗人群、建立标准的治疗流程以及开发有效的疗效评估体系。利用新兴的生物标志物如磷酸化tau蛋白217(p-tau217)和Aβ₄₂:Aβ₄₀比值，将为治疗效果的实时监测提供有力工具。

与传统的经颅磁刺激和经颅光生物调节等技术相比，REMFS具有穿透深度大、能量分布均匀、安全性高等优势。特别是选择的64MHz频率，在脑组织中的趋肤深度约为13.5cm，能够有效到达海马体等关键记忆区域。此外，SAR水平可以实时调节，为治疗提供了可调谐的安全保障。

研究结论部分强调，这种基于曲折线天线的便携式鸟笼线圈设计为实现AD的非侵入性治疗提供了创新性的技术平台。设备能够在保证安全性的前提下，有效降低Aβ水平，且具有良好的患者耐受性和使用便利性。值得注意的是，由于REMFS的作用机制是通过激活蛋白质降解系统来降低Aβ水平，这一技术还有望应用于其他蛋白质相关疾病，如路易体痴呆和额叶痴呆的治疗。

这项研究的真正意义在于它架起了基础研究发现与临床应用之间的桥梁。通过跨学科合作，研究团队成功地将生物学机制研究转化为工程技术解决方案，为AD患者带来了新的治疗希望。随着后续临床研究的推进，这种非侵入性、多靶点、安全性高的治疗策略有望成为AD治疗领域的重要突破，为全球数百万患者提供新的治疗选择。