智能紡織品在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)

丁 帥，許曙亮

（1.山東省紡織科學(xué)研究院，山東青島 266032；2.山東省特種紡織品加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266032）

綜述

智能紡織品在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)

丁 帥1，2，許曙亮1

（1.山東省紡織科學(xué)研究院，山東青島 266032；2.山東省特種紡織品加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266032）

智能紡織品在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，內(nèi)容涵蓋臨床監(jiān)護(hù)和藥物管理。文章從智能紡織品的應(yīng)用、用戶需求和需要解決的技術(shù)課題方面探討了它的發(fā)展前景。

智能紡織品；醫(yī)療保??；傳導(dǎo)纖維

智能紡織品是近幾年才出現(xiàn)的紡織新品種，它的出現(xiàn)體現(xiàn)了信息科學(xué)、材料科學(xué)與工程相融合的新方法。智能紡織品是指能夠感知外部環(huán)境并對其做出反應(yīng)，同時(shí)又保持自身技術(shù)特點(diǎn)的紡織品。它們的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)主要是保護(hù)和安全，但是也不能忽略時(shí)尚和方便這一類的要求，是一種功能性紡織品。醫(yī)藥護(hù)理業(yè)要使用大量的藥物保健性紡織品，這對于紡織行業(yè)尤其是尖端高附加值的紡織品是一個(gè)重要的增長領(lǐng)域。應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)很重要的發(fā)明就是“穿在身上的計(jì)算機(jī)”［1］。

對于許多慢性疾病，早期干預(yù)是非常重要的。智能紡織品可以在不干擾正常生活的情況下長期監(jiān)控穿衣者的健康狀態(tài)，把穿衣者的各項(xiàng)生理指標(biāo)實(shí)時(shí)地發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，以便于醫(yī)務(wù)人員準(zhǔn)確掌握情況和正確用藥。

1 材料特點(diǎn)

智能紡織品尤其是給病人穿著的智能衣服在各方面都有很高的要求，它除了本身的智能功能以外還要有良好的透氣性，吸濕性、環(huán)保功能、耐摩擦性，易打理性。當(dāng)然還要兼顧舒適和美觀。所以它一定要用專門的、符合標(biāo)準(zhǔn)的原材料［2］。這些標(biāo)準(zhǔn)包括材料成分、織造方式、耐洗性、色牢度等。目前已經(jīng)應(yīng)用到原材料有記憶存儲纖維，色譜纖維和傳導(dǎo)纖維等。

2 智能紡織品需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

智能紡織品必須達(dá)到特殊的要求才能更好的服務(wù)于廣大用戶，否則它不但不會造福人類，還會惹來許多麻煩。一般來說，智能紡織品要有質(zhì)量上乘、結(jié)實(shí)耐用、收集信號裝置敏感、傳輸暢通等特點(diǎn)。

智能織物中的感應(yīng)器要在許多不同的環(huán)境下工作，穿衣者往往不了解它的工作原理，所以操作一定要簡單明了。智能紡織品應(yīng)該以我們都可以接受的方式融入到生活中。在外表上，要符合大眾的審美觀，人們才會穿它。因此，從某種意義上說，能提醒到它的智能功能的元素必須“消失”，最起碼不被人察覺。智能紡織品可感應(yīng)區(qū)域的和部位尺寸因人而異，并且需要保護(hù)用戶的隱私，這對其發(fā)展是非常重要的。

智能服裝上的傳感器或者電子測量元件能夠自動把信息發(fā)送到數(shù)據(jù)處理器上，并且能夠接收信號作為指令。電子元件能夠自我檢測并且防止數(shù)據(jù)流失是有效進(jìn)行健康監(jiān)控的必要條件，我們要保證感應(yīng)器性能不會隨著時(shí)間的流逝而逐漸退化。檢測性和準(zhǔn)確性是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的基本條件［3］。

3 智能紡織品的分類及工作流程

根據(jù)智能紡織品在臨床階段的作用，可分為“診斷”、“預(yù)防”和“治療”三個(gè)部分。

3.1 診斷

在這個(gè)階段，智能紡織品要密切測量和記錄下穿衣者的心律，血壓，動作模式。心律和血壓在醫(yī)療診斷過程中是非常基本的指標(biāo)，把它們調(diào)整到正常范圍對于避免一些疾病的發(fā)生是非常有效的。監(jiān)測運(yùn)動模式可以診斷神經(jīng)方面的疾病，并且是決定治療方案的重要因素。在不打擾穿衣者正常生活的前提下獲取這些信息可以提高人們的健康狀態(tài)以及后續(xù)生活質(zhì)量，避免了不必要的治療。

3.2 預(yù)防

預(yù)防的目標(biāo)是避免疾病在高危人群中發(fā)展。分析臨床風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)并且與醫(yī)護(hù)人員及早、及時(shí)溝通是非常重要的。在衣服中安裝用于醫(yī)護(hù)監(jiān)控方面的傳感器把智能紡織品的發(fā)展引入到一個(gè)新的的領(lǐng)域，它可以減少新生兒猝死（指一周歲以下的嬰兒不明原因的死亡），降低老年人因摔落造成的傷亡，提高患有老年癡呆等精神疾病人群的生活質(zhì)量，監(jiān)測術(shù)后恢復(fù)情況。生物反饋技術(shù)是一項(xiàng)有著重要治療意義的技術(shù)，它指人們學(xué)會有意識的控制一些下意識的生物反應(yīng)，比如說心率、腦電波和肌肉收縮。這些參數(shù)被電子元件記錄下來以后，以視覺、聽覺或者觸覺的方式告知穿衣者。常見的有“嘟嘟”的警報(bào)聲，比較直觀的圖表，或者直接顯示在電腦屏幕上，以確保穿衣者能及時(shí)知道狀況。目前經(jīng)常用到的是智能護(hù)膝，如果在運(yùn)動過程中對膝關(guān)節(jié)施加了過大的壓力可能會惡化損傷的話，護(hù)膝就會鳴笛以提醒佩帶者。這種護(hù)膝的傳感器裝在一小塊夾層里，穿的時(shí)候要把這片區(qū)域壓在膝蓋骨上。

3.3 治療

這一步主要是對癥下藥，以及根據(jù)具體的情況對病人實(shí)施整形手術(shù)。

4 智能紡織品的功能［4］

智能紡織品在醫(yī)療保健方面的作用基本上可以歸納為感應(yīng)器，執(zhí)行器和傳輸器。雖然智能紡織品應(yīng)該同時(shí)具備以上三種功能，但是當(dāng)今試驗(yàn)用或者商業(yè)用的智能紡織品主要還是被用做“感應(yīng)器”和“傳輸器”，或者是“感應(yīng)器”和“數(shù)據(jù)存儲器”。它們需要合適的材料和結(jié)構(gòu)，定期維護(hù)，耐穿和舒適。鑲嵌在織物中具有特殊性質(zhì)的智能元件能夠?qū)Σ煌纳眢w信號做出反應(yīng)。事實(shí)上，它們已經(jīng)被應(yīng)用到很多領(lǐng)域監(jiān)測生理指標(biāo)或存儲數(shù)據(jù)以便分析。

4.1 感應(yīng)器

感應(yīng)器可以用神經(jīng)元系統(tǒng)感知信號，根據(jù)所采集的信號不同，可以分為生理信號感應(yīng)器和生物機(jī)能信號感應(yīng)器。生理信號主要是給醫(yī)護(hù)人員提供提供病人的信息，包括心率、呼吸頻率、體溫、皮膚表面電流反應(yīng)和皮膚PH值。心率是是否健康的一個(gè)基本信號，目前已經(jīng)發(fā)明了幾種方法把心率感應(yīng)器安裝到紡織品中。例如，智能襯衫可以根據(jù)已經(jīng)掌握的病情，有針對性地、持續(xù)地監(jiān)測病人的生理指標(biāo)。這種襯衣含有特殊的感應(yīng)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不僅監(jiān)測重要的生命體征，而且為系統(tǒng)的控制它們提供了依據(jù)和方法。這對于掌握病人在康復(fù)中和康復(fù)后的情況非常重要。

生理機(jī)能信號有許多種，包括關(guān)節(jié)運(yùn)動、身體和腳的壓力等等。身體運(yùn)動方面的信息對于監(jiān)測摔倒、確定運(yùn)動類型、康復(fù)情況及運(yùn)動功效性等情況非常重要。一些具有良好彈性、舒適性和高電敏系數(shù)的傳導(dǎo)性高分子織物經(jīng)常被用來制作這種智能紡織品。

壓力檢測對于防止褥瘡和疤痕形成非常重要。具體方法就是在床墊上鋪上一層“智能褥子”，它的兩邊都各編織一排壓力傳導(dǎo)電子元件，每一對相對的傳導(dǎo)器構(gòu)成一個(gè)電極，當(dāng)“褥子”上的壓力變化時(shí)，產(chǎn)生的電流也隨之發(fā)生變化。隨著技術(shù)產(chǎn)品越來越便宜，制作這種智能織物的可能性也越來越大。在這個(gè)過程中還會用到一種“量子通道復(fù)合物”（也叫QTC Quantum Tunneling Composite），在正常狀態(tài)下，它是絕緣體，當(dāng)有壓力作用時(shí)，它就變成了象金屬一樣的導(dǎo)體，這種對壓力的敏感的材料可以被應(yīng)用到很多紡織品加工制造過程中。

4.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行器在數(shù)據(jù)被處理之后，對感應(yīng)器的脈沖信號做出反應(yīng)，它可以釋放一些物質(zhì)、鳴笛、加熱、降溫或者有其他功能。機(jī)械執(zhí)行器可以讓纖維在織物中移動，改變性質(zhì)，比如絕熱性、滲透性等［5］。一種更大膽的設(shè)想就是制造出一種具有肌肉性質(zhì)的纖維，當(dāng)這種纖維織造進(jìn)衣服的時(shí)候，就好像是第二層皮膚，可以對人們的行動提供幫助甚至可以代替進(jìn)行某些動作。這種纖維能夠預(yù)制許多程序，所以幾乎任何動作都可以完成，并且可以在極低的電壓下工作。目前主要用到的是有記憶功能的材料，它可以把熱能轉(zhuǎn)換為動作，當(dāng)傳輸給它一個(gè)溫度值時(shí)，它就可以根據(jù)預(yù)設(shè)程序作出相應(yīng)的動作。目前已經(jīng)有的機(jī)械執(zhí)行器，不但可以對熱能做出反應(yīng)，還可以對化學(xué)物質(zhì)，身體脈沖做出反應(yīng)。所謂的“反應(yīng)”有三種表現(xiàn)方式，即作用力、電流刺激和提供藥品。

例如，現(xiàn)在有一種用電敏材料制成的執(zhí)行器接到指令后就可以產(chǎn)生很大的力量，有時(shí)候比肌肉產(chǎn)生的力量都大。如果把這種執(zhí)行器置入到前面提到的根據(jù)壓力產(chǎn)生電流的“智能褥子”中，就可以“推”一下病人，很好的預(yù)防褥瘡。碳納米管有著卓越的機(jī)械和電子性能，如果能把它應(yīng)用到制作執(zhí)行器的領(lǐng)域，相信前景更加廣闊［6］。

從藥理角度來看，如果能將合適的藥量通過通過皮膚滲透讓病人慢慢吸收將會大大減少副作用和病人的痛苦。所以，一種能夠編織進(jìn)衣物，適時(shí)適量的釋放物質(zhì)的智能纖維被廣泛應(yīng)用。這個(gè)過程比較復(fù)雜，一般會用到一種微型膠囊。例如甘油酸酯微型膠囊和絲綢蛋白霧化劑就可以被放置到繃帶和襪子中。由于這種紡織材料直接與皮膚接觸，所以不但要有醫(yī)療功效，而且要舒適，最好有一種皮膚的感覺。這種智能紡織品還可以釋放一定的化學(xué)物質(zhì)來治療肌肉疼痛和嚴(yán)重的損傷。

4.3 傳輸器

根據(jù)發(fā)射器和接收器的不同，傳輸器可以分為以下幾種：電子元件之間的信息傳輸，這種情況發(fā)生在紡織品內(nèi)部；紡織品和使用者之間的信息傳輸；紡織品和遠(yuǎn)程信息存儲中心之間的信息聯(lián)系，這種情況需要使用發(fā)射器［7］。

信息交流主要是通過光纖、傳導(dǎo)纖維和超細(xì)電線得以實(shí)現(xiàn)。它們都具有紡織品的性質(zhì)，并且可以被無縫織入到紡織品中，起到在穿衣者和智能衣服之間的傳遞信息的作用。搜集的信息經(jīng)中央監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理，將生理信號“翻譯”成簡單的圖文格式，顯示在一種“光纖可彎曲屏幕”上。這種屏幕可以完全織入紡織品，提供詳盡的信息，制作材料和可彎曲鍵盤比較類似。

智能衣物與外界的信息傳輸也非常重要。因?yàn)樵S多穿衣者都是疾病高危人群，需要快速的緊急救助，所以無線傳輸也是很有必要的，這需要在紡織材料中安裝可以雙向傳輸數(shù)據(jù)小天線，這是一塊需要大力研發(fā)的新興領(lǐng)域［8］。

下面簡要描述一下智能襯衣工作流程：通過傳導(dǎo)纖維感應(yīng)器收集生理信號和人體動作信息等模擬信號，再通過編織進(jìn)紡織品的傳導(dǎo)纖維網(wǎng)傳送到放在口袋里的處理器，處理器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過接收器傳送到信息中心，在這里，信息被收集，顯示，分析和存儲。

5 結(jié)論

本文介紹了智能紡織品的特點(diǎn)，材料以及它的工作流程。從具體應(yīng)用的角度，初步揭開了它神秘的面紗。智能紡織品在醫(yī)療保健領(lǐng)域?yàn)樘岣呷藗兊纳钯|(zhì)量起到了非常重要的作用。它可以降低醫(yī)療成本，象一個(gè)“貼身護(hù)工”一樣給予病人持久、細(xì)致、精確地關(guān)注，并且及時(shí)與醫(yī)生溝通甚至像“醫(yī)生”一樣適當(dāng)?shù)挠盟?。如果它能夠廣泛正確的使用，將會大大造福人類。從長遠(yuǎn)看，它蘊(yùn)藏著無限可能，發(fā)展前景將大大超出我們的想象。當(dāng)然，除了醫(yī)療保健領(lǐng)域以外，智能紡織品還可以應(yīng)用到其他很多方面。以高科技為紐帶，各大領(lǐng)域協(xié)同合作，將會把我們的生活帶入到一個(gè)新的紀(jì)元。

［1］侯翠芳.智能調(diào)溫立體結(jié)構(gòu)機(jī)織物設(shè)計(jì)［J］.棉紡織技術(shù)，2010，（9）：36—38.

［2］邵強(qiáng)，齊魯.智能纖維及其紡織品的開發(fā)現(xiàn)狀與展望［J］.棉紡織技術(shù)，2007，（10）：61—64.

［3］黃鶴，嚴(yán)灝景.智能紡織品［J］.上海毛麻科技，2005，（4）：8—11.

［4］陶肖明.交互式織物和智能紡織品［C］／／2006，中國科協(xié)年會：111—123.

［5］黨桂花，祝迅，李青山，等.智能纖維織物的研究和發(fā)展［J］.黑龍江紡織，2003，（3）：9—11.

［6］萬震，王煒，謝均.光敏變色材料及其在紡織品上的應(yīng)用［J］.針織工業(yè)，2003，（6）：87—89.

［7］李春暖.變色纖維的開發(fā)與應(yīng)用［J］.四川絲綢，2006，（2）：25—27.

［8］王運(yùn)利，劉奪奎，張瑩.智能紡織品及其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.染整技術(shù)，2008，（1）：10—14.

Intelligent Textlies for Medical Field Design

DingShuai1，2，XuShuliang1
（1.Shandong Textile Science＆Research Institute，Qingdao 266032，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Special Textiles Processing Technology，Qingdao 266032，China）

Intelligent textiles have been widely applied in the medical field of clinical monitoring and drug－administering treatments.The development prospects of intelligent textiles were discussed form the aspects of applicability in the medical field，user requirements and technological solutions.

intelligent textiles，medical and healthcare，conductive fibers

TS 106.6＋7

A

1009－3029（2012）02－0040－04

2012－01－08

丁 帥（1978—），女，山東青島人，工程師。