無線電能傳輸（WPT）是一種新型的電能傳輸方式，被廣泛應用于電動汽車等各個領域。為保證無線電能傳輸系統的安全使用，必須分析其電磁環境的安全性。本實驗搭建了小功率無線電能傳輸實驗平臺，接收功率 25 W，諧振頻率 47 kHz，開展了動物暴露實驗。小鼠在無線電能傳輸電磁環境下每天暴露 5 h，6 天為一個周期，每個周期后測試小鼠工作記憶能力，實驗連續 12 周。實驗結束后檢測各只小鼠血清中的免疫參數、性激素含量和部分器官的生理結構。實驗結果發現，小鼠的的記憶行為沒有隨著暴露時間的增加出現明顯的變化，性激素含量無明顯變化（P > 0.05），免疫因子如腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白介素-6（IL-6）、白細胞介素-1β（IL-1β）含量均明顯升高（P < 0.05），部分器官結構有一定的改變。實驗結果表明，搭建的無線電能傳輸系統環境對小鼠記憶行為無影響，而對小鼠生理特性有一定的影響。
引用本文： 趙軍, 楊婷, 王磊, 武志軍. 小功率無線電能傳輸系統對小鼠記憶行為和部分生理特性影響的研究. 生物醫學工程學雜志, 2020, 37(2): 280-287. doi: 10.7507/1001-5515.201903030 復制
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引言
電子產品在人們的生活中扮演著重要的角色，特別是小功率家電和可穿戴設備的普及，給人們的生活帶來極大的便利。然而電子產品的充電一直有電線纏繞、插座孔有限、充電期間不能靈活移動等缺點[1]。無線電能傳輸是一種新型的充電技術，其空間利用率高，使用便利，體驗性更強[2-3]，能解決傳統充電的弊端，能廣泛應用于電動汽車、醫療電子和消費電子等領域。
目前無線電能傳輸的研究主要集中在傳輸系統的高效率和穩定性，如果大規模運用于市場，將涉及到人和環境的安全性研究。無線電能傳輸系統在依靠磁場耦合進行能量傳輸的過程中，在線圈周圍空間存在電磁環境，電磁輻射對人體健康的影響和電氣設備受外部電磁干擾是否正常運行，一直是電子產品安全性與可靠性研究的重要問題[4]。因此，目前較多研究提到需要對無線電能傳輸的生物安全進行評估[5-7]。2012 年美國匹斯堡大學孫民貴教授帶領的團隊針對心臟起搏器設計了一種新型的磁耦合諧振式無線電能傳輸植入天線，根據使用情況對胸腔部位比吸收率進行了仿真計算，實驗證明設計的系統對人體的輻射遠小于國際非電離輻射防護委員會制定的安全限值，證實了該植入式天線對人體的安全性[8]。法國格勒諾布爾大學提出了一種基于磁矢量勢插值的體積積分方法，用于求解無線傳輸場量的靜磁問題[9]。日本廣島大學研究了無線膠囊內窺鏡對人的輻射問題，仿真計算了人類皮膚、脂肪等組織的比吸收率，證明了體內膠囊輻射劑量的安全性[10]。名古屋大學研究了無線供電可穿戴設備的電磁干擾問題[11]。華南理工大學總結了動物實驗、三維模型等研究方法[12]。高通公司設計出一個無線電能接收系統，頻率為 60 GHz，可以為智能電子設備提供 1 mW 的電力，同時對人體無顯著影響[13]。天津工業大學分析了設計的磁屏蔽系統對傳輸效率影響的機制，設計了自激推挽式磁耦合無線電能傳輸裝置磁屏蔽結構，還研究了電動汽車無線充電空間對大鼠血常規、血生化的影響[14-15]。河北工業大學對無線充電可穿戴電子設備電磁安全進行了仿真研究，實驗結果證明對人體沒有影響[16]。
大量研究表明機體暴露在一定的電磁環境下，電磁場會對機體產生一定的影響[17-18]。主要研究的方向包括電磁場的致癌作用、生殖毒性和對神經系統、內分泌系統的危害，同時也涉及到記憶行為的研究。無線電能傳輸的生物實驗較少，更缺乏動物行為學相關的研究，基于這一研究現狀，本文探究了小功率無線電能傳輸系統對小鼠的記憶行為和部分生理特性的影響。本實驗搭建小功率無線電能傳輸實驗平臺，接收功率為 25 W，諧振頻率為 47 kHz，發射與接收線圈相距 20 cm。此功率滿足我國現階段小型家用電器功率，符合實際情況。實驗時在無線電能傳輸充電空間放置小鼠，小鼠每天暴露 5 h，6 天為一個周期，每個周期后用 T 形迷宮行為學實驗檢測小鼠的記憶能力，12 周后檢測小鼠細胞因子、主要性激素和部分器官組織，判斷小鼠在長時間小功率無線電能傳輸系統暴露狀態下的生理特性是否受到影響。本實驗可為無線電能傳輸的電磁安全問題提供一定的分析數據。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 實驗動物
選取一月齡 20 只健康昆明小鼠，雌雄各半，體重 18～22 g，購買于北京維通利華實驗動物技術有限公司，合格證號為 SCXK9（京）2016-0006。小鼠的生命周期較短，一月齡到三月齡是輻射最敏感的時期。20 只小鼠隨機分為四組：a：對照組雌性 5 只；b：實驗組雌性 5 只；c：對照組雄性 5 只；d：實驗組雄性 5 只。小鼠分籠飼養，恒溫條件 26℃，遵循自由環境的明暗變化規則，盡量保證小鼠外部環境相同，實驗期間小鼠自由進食。本次實驗已通過河北工業大學生物醫學倫理委員會審查，倫理審查編號為 HEBUTaCUC2019003。
1.1.2 主要試劑和儀器
流式細胞儀（BD LSR2，Becton，Dickinson and Company，美國）；全自動生化分析儀（HITACH7200，日立公司，日本）；高速離心機（JIDI-4D-WS，廣州吉迪儀器有限公司，中國廣州）；免疫因子和性激素試劑盒（E-EL-M0044C 等，欣博盛生物科技有限公司，中國深圳）；光學顯微鏡（BD 900，Becton Dickinson and Company，美國）；酶標儀（JC-1181，Sigma-Aldrich Company，美國）；三維電磁輻射檢測儀（ESM 100，Maschek Elektronik，德國）。
1.2 方法
1.2.1 實驗裝置
實驗采用磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，高頻電源向發射線圈輸出高頻交變電流，在磁耦合諧振下發射線圈與接收線圈發生耦合諧振，從而實現電能從發射端到接收端的高效無線傳輸，發射端與接收端分別帶有功率表，用于檢測兩線圈的功率大小。系統工作時旋轉功率旋鈕，接收端功率為（25 ± 0.5）W，電磁諧振頻率為 47 kHz，發射線圈與接收線圈為邊長 32 cm 的正方形基板，線圈材料為定制的利茲線，線圈間距 20 cm，利用三維電磁輻射檢測儀測量電磁環境，測得小鼠活動范圍內的磁感應強度最小值為 88.3 μT，最大值為 537.3 μT，統計分析小鼠活動范圍磁感應強度平均值為 272.5 μT，實驗系統如圖 1 所示。
圖1
無線電能傳輸系統暴露實驗
Figure1.
Wireless power transfer system exposure experiment
1.2.2 實驗設計
本實驗的實驗周期為 3 個月。實驗過程分為以下幾個步驟：
（1）新環境熟悉性訓練：圖 2 為所使用的食物多選擇參數 T 形迷宮。在 T 型迷宮的三個末端擺放一個食槽，再在迷宮中段固定處擺放 3 個食槽，共 6 個食槽。實驗前小鼠禁食 24 h，將食槽編上序號，各食槽裝上少量食物，使每只食槽均殘留食物的氣味，以降低食物氣味對老鼠的誘導性。實驗時只在主臂① 號、中端③ 號和左臂④ 號食槽處放入少量食物，在主臂中部放入一只小鼠，讓其自由進食，吃完食物或 15 min 后取出，清理迷宮后再放入下一只小鼠，以此類推。本步驟每天一次，連續 7 天。該步驟是為了讓小鼠建立初始的對 T 形迷宮的空間參考記憶能力。
圖2
多選擇性 T 形迷宮
Figure2.
Multi-selective T-shaped maze
（2）暴露實驗：每天 9 點開啟無線電能傳輸裝置，調整線圈間距，調節功率旋鈕，待接收端功率達到（25 ± 0.5）W，將 b、d 實驗組小鼠放置于兩線圈間中心位置，每天定時暴露 5 h，共 6 天。由于線圈規格較小，兩個鼠箱重疊，第一天雌鼠籠放置在下方，雄鼠籠在上方，第二天兩鼠籠交換放置，第三天再次交換上下位置，以此類推，實驗期間照常給小鼠供應食物和水。對照組小鼠在正常環境中進行常規飼養。
（3）適應能力測試：將小鼠禁食 24 h，單只小鼠置于 T 形迷宮主臂中部，在其迷宮固定主臂① 號、中端③ 號和左臂④ 號食槽分別放入少量食物，讓小鼠自行尋找食物，吃完食物或 10 min 取出，記錄小鼠在各食槽尋食的先后順序，結束單只小鼠訓練，清理迷宮后放入下一只小鼠，同樣記錄其順序，以此類推。迷宮適應能力測試指標：
尋食總次數：小鼠觸嗅食槽記為一次尋食，在實驗時間內總的尋食次數；
總正確次數：小鼠觸嗅有食物的食槽記為一次尋食，在實驗時間內總的尋食次數；
進食次數：小鼠在一個食槽內進食記為一次，實驗時間內總的進食次數；
小鼠首次錯誤尋食前正確次數：小鼠第一次在沒有食物的食槽內觸嗅食物之前的次數；
小鼠二次錯誤尋食前正確次數：小鼠第二次在沒有食物的食槽內觸嗅食物之前的次數；
正確尋食率：總正確次數/尋食總次數 × 100%；
進食率：進食次數/尋食總次數 × 100%。
重復第（2）（3）步驟（即暴露 ? 測試
），連續時間為 12 周。
1.2.3 測定各免疫因子與睪酮、孕酮含量
實驗結束后對小鼠分別進行眼球靜脈叢取血，頸椎脫臼處死小鼠，血液置于抗凝管，離心機 3 500 r/min、10 min 離心后得到血清，分裝后儲存于 ? 20℃ 冰箱，實驗時將血清樣本進行不同倍數稀釋，通過預實驗，確定血清樣本的稀釋倍數，然后進行正式測量。嚴格按照 ELISA 試劑盒說明書測定血清中免疫因子［腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白介素-6（interleukin 6，IL-6）、白細胞介素-1β（interleukin-1 beta，IL-1β）］和睪酮、孕酮含量。
1.2.4 觀察各器官結構
在無菌工作室中解剖小鼠，分離心臟、肝臟等器官，剪去器官周圍結締組織，采用蘇木精-伊紅（hematoxylin-eosin，HE）染色法，經過脫水、浸蠟、包埋、切片等步驟，在光學顯微鏡下放大 10 倍觀察各器官結構。
1.3 統計學分析
數據采用 SPSS 15.0 軟件方差分析來評價相同暴露時間下不同組測量的正確尋食率、進食率、小鼠首次錯誤尋食前正確次數和小鼠二次錯誤尋食前正確次數的差異，數據采用均數 ± 標準差形式，P < 0.05 表示差異有統計學意義。
2 結果
2.1 對小鼠記憶行為的影響
在本次行為實驗中，小鼠的記憶在新環境熟悉性訓練階段開始建立，最初小鼠正確尋食率低于 30%，隨著訓練次數增加，在新環境熟悉性訓練結束后所有小鼠正確尋食率均達到 60% 以上，進食率逐步增加并達到穩定，說明實驗中已建立了小鼠的記憶能力，所有小鼠熟悉性訓練均達到實驗要求。從處理 12 周內進行適應能力測試的數據中，發現無論雌性還是雄性小鼠，與對照組相比，每個暴露周期后的正確尋食率、進食率、首次錯誤尋食前正確次數和二次錯誤尋食前正確次數均不具有統計學差異（P > 0.05）。圖 3 為各組小鼠正確尋食率和進食率情況，表 1 為對照組和實驗組小鼠的首次錯誤尋食前正確次數和小鼠二次錯誤尋食前正確次數。實驗證明小鼠的的記憶行為沒有隨著暴露時間的增加發生明顯的變化。
表1
小鼠首次、二次錯誤尋食前正確次數
Table1.
The correct numbers before the first and second error feeding of mice
圖3
暴露期間小鼠正確尋食率、進食率百分比
Figure3.
Percentage of correct seeking and eating of mice during exposure
2.2 對小鼠血清中免疫因子的影響
從圖 4 中可以看出，實驗組小鼠血清中免疫因子 TNF-α、IL-6 和 IL-1β 濃度都有顯著提高，差異具有統計學意義（P < 0.05）。說明本實驗長時間無線電能傳輸空間暴露會引起小鼠血清中 TNF-α、IL-6 和 IL-1β 含量增加。
圖4
無線電能傳輸系統對各免疫因子的影響（*P < 0.05）
Figure4.
Effect of wireless power transfer system on immune factors (*P < 0.05)
2.3 對小鼠性激素的影響
實驗結果表明，實驗組雌性小鼠血清中孕酮含量降低，與對照組相比下降了 16% 左右，實驗組雄性小鼠血清中睪酮含量降低，但差異均無統計學意義（P > 0.05），如圖 5 所示，說明小鼠性激素可能有下降的趨勢。
圖5
無線電能傳輸系統對性激素的影響
Figure5.
Effect of wireless power transfer systemon sex hormone
2.4 對小鼠器官結構的影響
如圖 6 所示，實驗組雌雄小鼠心臟組織細胞排列整齊，結構清晰，無明顯的損傷現象。如圖 7 所示，雌性小鼠無明顯的肝損傷現象，而雄性小鼠出現肝細胞水腫（4/5）。如圖 8 所示，雌性小鼠胸腺結構小體結構完整，呈現圓形或卵圓形，胸腺細胞無明顯差異，而部分實驗組雄性小鼠胸腺細胞髓質面積增大（1/5），其他的雄性小鼠胸腺均正常。如圖 9 所示，雌性實驗組小鼠脾臟少量間質增加，排列疏松（4/5），雄性實驗組小鼠則無明顯的脾臟損傷現象，說明無線電能傳輸系統可能對雌性小鼠脾臟有一定影響。如圖 10 所示，部分實驗組小鼠卵巢縮小，可能呈多囊化改變（2/5）。如圖 11 所示，實驗組小鼠睪丸生精小管界膜完整，睪丸細胞核仁清楚，胞質豐富，形狀大多無變化，但觀察到部分細胞間隙增大，出現細胞邊界模糊和細胞腺體縮小（4/5），提示無線電能傳輸系統可能對雄性小鼠睪丸有一定影響。
圖6
無線電能傳輸系統對心臟組織的影響（標尺為 100 μm）
Figure6.
Effect of wireless power transfer system on heart tissue（scalar bar with 100 μm）
圖7
無線電能傳輸系統對肝臟細胞的影響（標尺為 100 μm）
Figure7.
Effect of wireless power transfer system on hepatocytes（scalar bar with 100 μm）
圖8
無線電能傳輸系統對胸腺細胞的影響（標尺為 100 μm）
Figure8.
Effect of wireless power transfer system on thymocytes（scalar bar with 100 μm）
圖9
無線電能傳輸系統對脾臟細胞的影響（標尺為 100 μm）
Figure9.
Effect of wireless power transfer system on spleen cells（scalar bar with 100 μm）
圖10
無線電能傳輸系統對卵巢細胞的影響（標尺為 100 μm）
Figure10.
Effect of wireless power transfer system on ovarian cells（scalar bar with 100 μm）
圖11
無線電能傳輸系統對睪丸結構的影響（標尺為 100 μm）
Figure11.
Effect of wireless power transfer system on testis（scalar bar with 100 μm）
3 討論
電磁輻射對機體認知能力的影響與磁場強度和暴露時長相關[19]。早期體征常常表現為行為異常而不是神經組織結構異常，記憶行為已成為評估危害神經和大腦的敏感指標。本實驗將小鼠正確尋食率用于判斷小鼠工作記憶能力，首次錯誤尋食前正確次數與二次錯誤尋食前正確次數用于判定小鼠參考記憶能力。實驗表明，小鼠的工作記憶能力、參考記憶能力均沒有隨著暴露時間的增加而出現變化，說明小鼠的記憶沒有受到無線電能傳輸系統的影響。
低劑量電磁輻射可促進免疫細胞表達，使巨噬細胞分泌更多免疫因子 IL-1β，從而促進細胞的免疫活性，而在高劑量輻射狀態下，細胞的免疫活性受到抑制，從而降低機體的免疫能力[20]。胸腺、脾臟是多數免疫細胞生成或發育的重要場所，免疫因子 TNF-α、IL-6、IL-1β 廣泛參與了組織破壞、水腫形成等多種病理損傷過程。與對照組相比，實驗小鼠的 TNF-α、IL-6、IL-1β 含量均增加，差異具有統計學意義（P < 0.05）。臨床上體表損傷、體內感染、血液腫瘤疾病患者均有血清 IL-6 水平明顯升高的現象，發熱、休克、惡病質等也會出現 TNF-α 過量，而本實驗不能推測小鼠體內出現此類情況，只能說明電磁暴露激發了小鼠免疫應答。實驗組雌性小鼠脾臟細胞間質增加，排列疏松，雄性小鼠無明顯異常現象，可能是由于雄性小鼠的脾臟自我修復能力較好。本研究還發現，實驗組一些雄性小鼠胸腺髓質面積增大，這與文獻[21]中小鼠在連續 30 天的微波輻射暴露（功率密度 5、15 mW/cm2，每天 1 h）后胸腺結構小體增多的結果相似。總體情況上看，實驗組雌雄小鼠免疫功能均受到無線電能傳輸系統的影響。
電磁輻射對生殖器官、心臟等方面也會產生影響。睪丸和卵巢分別對雄性和雌性生殖系統的功能完整有著重要意義，其形態的改變可能引起生殖系統功能異常。秦粉菊[22]將 SD 大鼠置于 900 MHz、（0.66 ± 0.01）W/kg 電磁環境下，每天暴露 2 h，連續 50 天，發現大鼠的精子質量下降，細胞內活性氧簇含量降低，細胞凋亡加快。本實驗檢測生殖器官時，發現雄性睪酮、雌性孕酮含量下降，但與對照組的差異無統計學意義（P > 0.05）；雄性睪丸細胞間隙增大，部分細胞邊界模糊和細胞腺體縮小，部分雌性卵巢縮小，可能呈多囊化改變，推測電磁輻射對小鼠生殖系統的作用機制可能與生殖細胞氧化損傷有關。本實驗在解剖實驗小鼠的心臟、肝臟的結構中，發現雄性肝臟組織有一定的水腫，推測小鼠在長時間低磁感應強度下肝臟細胞也出現氧化損傷。
本文以小鼠作為實驗對象，研究了小功率無線電能傳輸系統對小鼠記憶行為和部分生理特性的影響，雖然相對正常小鼠來說，實驗小鼠出現一些器官結構改變，但并未發現實驗小鼠出現病態和任何異常的行為。本實驗暴露周期為 12 周，短時間內小鼠機體免疫是否能自動修復損傷，以及更長時間的暴露是否對小鼠有更大的危害，這還需進一步驗證。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
電子產品在人們的生活中扮演著重要的角色，特別是小功率家電和可穿戴設備的普及，給人們的生活帶來極大的便利。然而電子產品的充電一直有電線纏繞、插座孔有限、充電期間不能靈活移動等缺點[1]。無線電能傳輸是一種新型的充電技術，其空間利用率高，使用便利，體驗性更強[2-3]，能解決傳統充電的弊端，能廣泛應用于電動汽車、醫療電子和消費電子等領域。
目前無線電能傳輸的研究主要集中在傳輸系統的高效率和穩定性，如果大規模運用于市場，將涉及到人和環境的安全性研究。無線電能傳輸系統在依靠磁場耦合進行能量傳輸的過程中，在線圈周圍空間存在電磁環境，電磁輻射對人體健康的影響和電氣設備受外部電磁干擾是否正常運行，一直是電子產品安全性與可靠性研究的重要問題[4]。因此，目前較多研究提到需要對無線電能傳輸的生物安全進行評估[5-7]。2012 年美國匹斯堡大學孫民貴教授帶領的團隊針對心臟起搏器設計了一種新型的磁耦合諧振式無線電能傳輸植入天線，根據使用情況對胸腔部位比吸收率進行了仿真計算，實驗證明設計的系統對人體的輻射遠小于國際非電離輻射防護委員會制定的安全限值，證實了該植入式天線對人體的安全性[8]。法國格勒諾布爾大學提出了一種基于磁矢量勢插值的體積積分方法，用于求解無線傳輸場量的靜磁問題[9]。日本廣島大學研究了無線膠囊內窺鏡對人的輻射問題，仿真計算了人類皮膚、脂肪等組織的比吸收率，證明了體內膠囊輻射劑量的安全性[10]。名古屋大學研究了無線供電可穿戴設備的電磁干擾問題[11]。華南理工大學總結了動物實驗、三維模型等研究方法[12]。高通公司設計出一個無線電能接收系統，頻率為 60 GHz，可以為智能電子設備提供 1 mW 的電力，同時對人體無顯著影響[13]。天津工業大學分析了設計的磁屏蔽系統對傳輸效率影響的機制，設計了自激推挽式磁耦合無線電能傳輸裝置磁屏蔽結構，還研究了電動汽車無線充電空間對大鼠血常規、血生化的影響[14-15]。河北工業大學對無線充電可穿戴電子設備電磁安全進行了仿真研究，實驗結果證明對人體沒有影響[16]。
大量研究表明機體暴露在一定的電磁環境下，電磁場會對機體產生一定的影響[17-18]。主要研究的方向包括電磁場的致癌作用、生殖毒性和對神經系統、內分泌系統的危害，同時也涉及到記憶行為的研究。無線電能傳輸的生物實驗較少，更缺乏動物行為學相關的研究，基于這一研究現狀，本文探究了小功率無線電能傳輸系統對小鼠的記憶行為和部分生理特性的影響。本實驗搭建小功率無線電能傳輸實驗平臺，接收功率為 25 W，諧振頻率為 47 kHz，發射與接收線圈相距 20 cm。此功率滿足我國現階段小型家用電器功率，符合實際情況。實驗時在無線電能傳輸充電空間放置小鼠，小鼠每天暴露 5 h，6 天為一個周期，每個周期后用 T 形迷宮行為學實驗檢測小鼠的記憶能力，12 周后檢測小鼠細胞因子、主要性激素和部分器官組織，判斷小鼠在長時間小功率無線電能傳輸系統暴露狀態下的生理特性是否受到影響。本實驗可為無線電能傳輸的電磁安全問題提供一定的分析數據。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 實驗動物
選取一月齡 20 只健康昆明小鼠，雌雄各半，體重 18～22 g，購買于北京維通利華實驗動物技術有限公司，合格證號為 SCXK9（京）2016-0006。小鼠的生命周期較短，一月齡到三月齡是輻射最敏感的時期。20 只小鼠隨機分為四組：a：對照組雌性 5 只；b：實驗組雌性 5 只；c：對照組雄性 5 只；d：實驗組雄性 5 只。小鼠分籠飼養，恒溫條件 26℃，遵循自由環境的明暗變化規則，盡量保證小鼠外部環境相同，實驗期間小鼠自由進食。本次實驗已通過河北工業大學生物醫學倫理委員會審查，倫理審查編號為 HEBUTaCUC2019003。
1.1.2 主要試劑和儀器
流式細胞儀（BD LSR2，Becton，Dickinson and Company，美國）；全自動生化分析儀（HITACH7200，日立公司，日本）；高速離心機（JIDI-4D-WS，廣州吉迪儀器有限公司，中國廣州）；免疫因子和性激素試劑盒（E-EL-M0044C 等，欣博盛生物科技有限公司，中國深圳）；光學顯微鏡（BD 900，Becton Dickinson and Company，美國）；酶標儀（JC-1181，Sigma-Aldrich Company，美國）；三維電磁輻射檢測儀（ESM 100，Maschek Elektronik，德國）。
1.2 方法
1.2.1 實驗裝置
實驗采用磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，高頻電源向發射線圈輸出高頻交變電流，在磁耦合諧振下發射線圈與接收線圈發生耦合諧振，從而實現電能從發射端到接收端的高效無線傳輸，發射端與接收端分別帶有功率表，用于檢測兩線圈的功率大小。系統工作時旋轉功率旋鈕，接收端功率為（25 ± 0.5）W，電磁諧振頻率為 47 kHz，發射線圈與接收線圈為邊長 32 cm 的正方形基板，線圈材料為定制的利茲線，線圈間距 20 cm，利用三維電磁輻射檢測儀測量電磁環境，測得小鼠活動范圍內的磁感應強度最小值為 88.3 μT，最大值為 537.3 μT，統計分析小鼠活動范圍磁感應強度平均值為 272.5 μT，實驗系統如圖 1 所示。
圖1
無線電能傳輸系統暴露實驗
Figure1.
Wireless power transfer system exposure experiment
1.2.2 實驗設計
本實驗的實驗周期為 3 個月。實驗過程分為以下幾個步驟：
（1）新環境熟悉性訓練：圖 2 為所使用的食物多選擇參數 T 形迷宮。在 T 型迷宮的三個末端擺放一個食槽，再在迷宮中段固定處擺放 3 個食槽，共 6 個食槽。實驗前小鼠禁食 24 h，將食槽編上序號，各食槽裝上少量食物，使每只食槽均殘留食物的氣味，以降低食物氣味對老鼠的誘導性。實驗時只在主臂① 號、中端③ 號和左臂④ 號食槽處放入少量食物，在主臂中部放入一只小鼠，讓其自由進食，吃完食物或 15 min 后取出，清理迷宮后再放入下一只小鼠，以此類推。本步驟每天一次，連續 7 天。該步驟是為了讓小鼠建立初始的對 T 形迷宮的空間參考記憶能力。
圖2
多選擇性 T 形迷宮
Figure2.
Multi-selective T-shaped maze
（2）暴露實驗：每天 9 點開啟無線電能傳輸裝置，調整線圈間距，調節功率旋鈕，待接收端功率達到（25 ± 0.5）W，將 b、d 實驗組小鼠放置于兩線圈間中心位置，每天定時暴露 5 h，共 6 天。由于線圈規格較小，兩個鼠箱重疊，第一天雌鼠籠放置在下方，雄鼠籠在上方，第二天兩鼠籠交換放置，第三天再次交換上下位置，以此類推，實驗期間照常給小鼠供應食物和水。對照組小鼠在正常環境中進行常規飼養。
（3）適應能力測試：將小鼠禁食 24 h，單只小鼠置于 T 形迷宮主臂中部，在其迷宮固定主臂① 號、中端③ 號和左臂④ 號食槽分別放入少量食物，讓小鼠自行尋找食物，吃完食物或 10 min 取出，記錄小鼠在各食槽尋食的先后順序，結束單只小鼠訓練，清理迷宮后放入下一只小鼠，同樣記錄其順序，以此類推。迷宮適應能力測試指標：
尋食總次數：小鼠觸嗅食槽記為一次尋食，在實驗時間內總的尋食次數；
總正確次數：小鼠觸嗅有食物的食槽記為一次尋食，在實驗時間內總的尋食次數；
進食次數：小鼠在一個食槽內進食記為一次，實驗時間內總的進食次數；
小鼠首次錯誤尋食前正確次數：小鼠第一次在沒有食物的食槽內觸嗅食物之前的次數；
小鼠二次錯誤尋食前正確次數：小鼠第二次在沒有食物的食槽內觸嗅食物之前的次數；
正確尋食率：總正確次數/尋食總次數 × 100%；
進食率：進食次數/尋食總次數 × 100%。
重復第（2）（3）步驟（即暴露 ? 測試），連續時間為 12 周。
1.2.3 測定各免疫因子與睪酮、孕酮含量
實驗結束后對小鼠分別進行眼球靜脈叢取血，頸椎脫臼處死小鼠，血液置于抗凝管，離心機 3 500 r/min、10 min 離心后得到血清，分裝后儲存于 ? 20℃ 冰箱，實驗時將血清樣本進行不同倍數稀釋，通過預實驗，確定血清樣本的稀釋倍數，然后進行正式測量。嚴格按照 ELISA 試劑盒說明書測定血清中免疫因子［腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白介素-6（interleukin 6，IL-6）、白細胞介素-1β（interleukin-1 beta，IL-1β）］和睪酮、孕酮含量。
1.2.4 觀察各器官結構
在無菌工作室中解剖小鼠，分離心臟、肝臟等器官，剪去器官周圍結締組織，采用蘇木精-伊紅（hematoxylin-eosin，HE）染色法，經過脫水、浸蠟、包埋、切片等步驟，在光學顯微鏡下放大 10 倍觀察各器官結構。
1.3 統計學分析
數據采用 SPSS 15.0 軟件方差分析來評價相同暴露時間下不同組測量的正確尋食率、進食率、小鼠首次錯誤尋食前正確次數和小鼠二次錯誤尋食前正確次數的差異，數據采用均數 ± 標準差形式，P < 0.05 表示差異有統計學意義。
2 結果
2.1 對小鼠記憶行為的影響
在本次行為實驗中，小鼠的記憶在新環境熟悉性訓練階段開始建立，最初小鼠正確尋食率低于 30%，隨著訓練次數增加，在新環境熟悉性訓練結束后所有小鼠正確尋食率均達到 60% 以上，進食率逐步增加并達到穩定，說明實驗中已建立了小鼠的記憶能力，所有小鼠熟悉性訓練均達到實驗要求。從處理 12 周內進行適應能力測試的數據中，發現無論雌性還是雄性小鼠，與對照組相比，每個暴露周期后的正確尋食率、進食率、首次錯誤尋食前正確次數和二次錯誤尋食前正確次數均不具有統計學差異（P > 0.05）。圖 3 為各組小鼠正確尋食率和進食率情況，表 1 為對照組和實驗組小鼠的首次錯誤尋食前正確次數和小鼠二次錯誤尋食前正確次數。實驗證明小鼠的的記憶行為沒有隨著暴露時間的增加發生明顯的變化。
表1
小鼠首次、二次錯誤尋食前正確次數
Table1.
The correct numbers before the first and second error feeding of mice
圖3
暴露期間小鼠正確尋食率、進食率百分比
Figure3.
Percentage of correct seeking and eating of mice during exposure
2.2 對小鼠血清中免疫因子的影響
從圖 4 中可以看出，實驗組小鼠血清中免疫因子 TNF-α、IL-6 和 IL-1β 濃度都有顯著提高，差異具有統計學意義（P < 0.05）。說明本實驗長時間無線電能傳輸空間暴露會引起小鼠血清中 TNF-α、IL-6 和 IL-1β 含量增加。
圖4
無線電能傳輸系統對各免疫因子的影響（*P < 0.05）
Figure4.
Effect of wireless power transfer system on immune factors (*P < 0.05)
2.3 對小鼠性激素的影響
實驗結果表明，實驗組雌性小鼠血清中孕酮含量降低，與對照組相比下降了 16% 左右，實驗組雄性小鼠血清中睪酮含量降低，但差異均無統計學意義（P > 0.05），如圖 5 所示，說明小鼠性激素可能有下降的趨勢。
圖5
無線電能傳輸系統對性激素的影響
Figure5.
Effect of wireless power transfer systemon sex hormone
2.4 對小鼠器官結構的影響
如圖 6 所示，實驗組雌雄小鼠心臟組織細胞排列整齊，結構清晰，無明顯的損傷現象。如圖 7 所示，雌性小鼠無明顯的肝損傷現象，而雄性小鼠出現肝細胞水腫（4/5）。如圖 8 所示，雌性小鼠胸腺結構小體結構完整，呈現圓形或卵圓形，胸腺細胞無明顯差異，而部分實驗組雄性小鼠胸腺細胞髓質面積增大（1/5），其他的雄性小鼠胸腺均正常。如圖 9 所示，雌性實驗組小鼠脾臟少量間質增加，排列疏松（4/5），雄性實驗組小鼠則無明顯的脾臟損傷現象，說明無線電能傳輸系統可能對雌性小鼠脾臟有一定影響。如圖 10 所示，部分實驗組小鼠卵巢縮小，可能呈多囊化改變（2/5）。如圖 11 所示，實驗組小鼠睪丸生精小管界膜完整，睪丸細胞核仁清楚，胞質豐富，形狀大多無變化，但觀察到部分細胞間隙增大，出現細胞邊界模糊和細胞腺體縮小（4/5），提示無線電能傳輸系統可能對雄性小鼠睪丸有一定影響。
圖6
無線電能傳輸系統對心臟組織的影響（標尺為 100 μm）
Figure6.
Effect of wireless power transfer system on heart tissue（scalar bar with 100 μm）
圖7
無線電能傳輸系統對肝臟細胞的影響（標尺為 100 μm）
Figure7.
Effect of wireless power transfer system on hepatocytes（scalar bar with 100 μm）
圖8
無線電能傳輸系統對胸腺細胞的影響（標尺為 100 μm）
Figure8.
Effect of wireless power transfer system on thymocytes（scalar bar with 100 μm）
圖9
無線電能傳輸系統對脾臟細胞的影響（標尺為 100 μm）
Figure9.
Effect of wireless power transfer system on spleen cells（scalar bar with 100 μm）
圖10
無線電能傳輸系統對卵巢細胞的影響（標尺為 100 μm）
Figure10.
Effect of wireless power transfer system on ovarian cells（scalar bar with 100 μm）
圖11
無線電能傳輸系統對睪丸結構的影響（標尺為 100 μm）
Figure11.
Effect of wireless power transfer system on testis（scalar bar with 100 μm）
3 討論
電磁輻射對機體認知能力的影響與磁場強度和暴露時長相關[19]。早期體征常常表現為行為異常而不是神經組織結構異常，記憶行為已成為評估危害神經和大腦的敏感指標。本實驗將小鼠正確尋食率用于判斷小鼠工作記憶能力，首次錯誤尋食前正確次數與二次錯誤尋食前正確次數用于判定小鼠參考記憶能力。實驗表明，小鼠的工作記憶能力、參考記憶能力均沒有隨著暴露時間的增加而出現變化，說明小鼠的記憶沒有受到無線電能傳輸系統的影響。
低劑量電磁輻射可促進免疫細胞表達，使巨噬細胞分泌更多免疫因子 IL-1β，從而促進細胞的免疫活性，而在高劑量輻射狀態下，細胞的免疫活性受到抑制，從而降低機體的免疫能力[20]。胸腺、脾臟是多數免疫細胞生成或發育的重要場所，免疫因子 TNF-α、IL-6、IL-1β 廣泛參與了組織破壞、水腫形成等多種病理損傷過程。與對照組相比，實驗小鼠的 TNF-α、IL-6、IL-1β 含量均增加，差異具有統計學意義（P < 0.05）。臨床上體表損傷、體內感染、血液腫瘤疾病患者均有血清 IL-6 水平明顯升高的現象，發熱、休克、惡病質等也會出現 TNF-α 過量，而本實驗不能推測小鼠體內出現此類情況，只能說明電磁暴露激發了小鼠免疫應答。實驗組雌性小鼠脾臟細胞間質增加，排列疏松，雄性小鼠無明顯異常現象，可能是由于雄性小鼠的脾臟自我修復能力較好。本研究還發現，實驗組一些雄性小鼠胸腺髓質面積增大，這與文獻[21]中小鼠在連續 30 天的微波輻射暴露（功率密度 5、15 mW/cm2，每天 1 h）后胸腺結構小體增多的結果相似。總體情況上看，實驗組雌雄小鼠免疫功能均受到無線電能傳輸系統的影響。
電磁輻射對生殖器官、心臟等方面也會產生影響。睪丸和卵巢分別對雄性和雌性生殖系統的功能完整有著重要意義，其形態的改變可能引起生殖系統功能異常。秦粉菊[22]將 SD 大鼠置于 900 MHz、（0.66 ± 0.01）W/kg 電磁環境下，每天暴露 2 h，連續 50 天，發現大鼠的精子質量下降，細胞內活性氧簇含量降低，細胞凋亡加快。本實驗檢測生殖器官時，發現雄性睪酮、雌性孕酮含量下降，但與對照組的差異無統計學意義（P > 0.05）；雄性睪丸細胞間隙增大，部分細胞邊界模糊和細胞腺體縮小，部分雌性卵巢縮小，可能呈多囊化改變，推測電磁輻射對小鼠生殖系統的作用機制可能與生殖細胞氧化損傷有關。本實驗在解剖實驗小鼠的心臟、肝臟的結構中，發現雄性肝臟組織有一定的水腫，推測小鼠在長時間低磁感應強度下肝臟細胞也出現氧化損傷。
本文以小鼠作為實驗對象，研究了小功率無線電能傳輸系統對小鼠記憶行為和部分生理特性的影響，雖然相對正常小鼠來說，實驗小鼠出現一些器官結構改變，但并未發現實驗小鼠出現病態和任何異常的行為。本實驗暴露周期為 12 周，短時間內小鼠機體免疫是否能自動修復損傷，以及更長時間的暴露是否對小鼠有更大的危害，這還需進一步驗證。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
