淺析高科技電子織物在醫(yī)療保健領(lǐng)域的作用

李娟娟，高文友

（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；3.濰坊光電創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，山東 濰坊261062）

眾所周知，在醫(yī)療保健領(lǐng)域早期干預(yù)是預(yù)防疾病、挽救生命的重要手段。由于早期干預(yù)的醫(yī)療成本非常昂貴，所以“智能服裝”逐漸步入人們視線。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)，因此可以讓很多人群受益，發(fā)展前景非常廣闊。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，同時(shí)兼顧時(shí)尚和方便。這類紡織品是由新一代纖維制成，不同于普通的機(jī)織或針織產(chǎn)品，也叫功能性織物。醫(yī)療保健領(lǐng)域需使用大量的藥物保健性紡織品，是紡織行業(yè)尤其是尖端高附加值的紡織品的一個(gè)重要的增長領(lǐng)域。

目前已經(jīng)生產(chǎn)出一種帶有傳導(dǎo)纖維，能把感應(yīng)信號發(fā)送到一個(gè)發(fā)射器的智能服裝。這類“衣物”能與因特網(wǎng)相連，可以記錄、分析、存儲(chǔ)、發(fā)射以及顯示生理數(shù)據(jù)，掌握穿衣者的健康狀態(tài)，還可以把穿衣者的各項(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。當(dāng)前“智能服裝”這一概念逐步出現(xiàn)在服裝和時(shí)尚飾品中。現(xiàn)代科技已經(jīng)能用織物纖維制造出整個(gè)電子回路，可以傳送數(shù)據(jù)和能量，又被稱之為電子纖維。隨著對服裝、織物的功能性需求不斷增加，電子纖維在智能服裝中的應(yīng)用隨處可見，步數(shù)計(jì)、綁胸心跳帶和“頭上型”電腦等高科技智能織物都使用到了電子纖維。

電子纖維分成兩大類，第一類纖維與傳統(tǒng)電子元件配合使用，例如導(dǎo)線、集成電路、LED和鑲嵌在服裝中的傳統(tǒng)電池。這類電子纖維是最常見的。第二類電子纖維是將晶體管、二極管和太陽能電池等現(xiàn)代電子元件直接織造到織物中，所以也叫纖維電子件。電子纖維被應(yīng)用到醫(yī)用織物，可以監(jiān)測病人的體溫、心率和血壓。現(xiàn)在有一種有監(jiān)視器功能的服裝，能準(zhǔn)確監(jiān)測出穿著者的各項(xiàng)物理指標(biāo)和位置，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒅行?。例如，在衣服的腋窩位置安裝溫度傳感器，溫度讀數(shù)可以顯示在一塊帶在手腕上的數(shù)字屏幕上。

1 智能紡織品的材料

1.1 傳導(dǎo)纖維簡介

當(dāng)代科技已經(jīng)研制出傳導(dǎo)纖維，并廣泛應(yīng)用于裝飾性產(chǎn)品、聲控交流以及數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)确矫?。下面我們來詳?xì)看一下它們的最佳用途。我們首先來看一下歐旦紗，也叫柯根紗，多覆蓋于絲綢的表面。經(jīng)紗是平紋絲綢，緯紗是絲綢纏繞在細(xì)銅箔上，這種帶有金屬的織物就好像用膠布包裹的導(dǎo)線一樣，傳導(dǎo)性非常強(qiáng)。絲綢有很強(qiáng)的張力，因此這種傳導(dǎo)纖維可以承載與機(jī)器摩擦產(chǎn)生的高溫。纖維之間的空隙可以把織物分成一條一條的，每一條都是一根“電纜”。

1.2 傳導(dǎo)纖維制造過程

原材料中用一卷寬50cm，厚度為0.001cm鋁箔，兩面涂有熱塑粘合劑。鋁箔加熱至90～95℃后，將一片透明醋酸丁酸鹽纖維素膜在13790kPa的壓力下壓塑到鋁箔兩面，壓榨好的鋁箔被切割成需要的尺寸。熱塑粘合劑的作用很重要，能直接影響鋁箔顏色。如需要金色鋁箔，就可以把金黃色的染料涂到熱塑粘合劑上。如果需要銀色的鋁箔就不需要處理了，因?yàn)殇X箔本身就是銀色的。如果需要黃銅色、紅色和靛藍(lán)色，只需把相應(yīng)的染料涂到鋁箔上即可。如果我們需要多種顏色混合在一起的鋁箔，就可以將圖案事先印制在纖維素膜上，然后壓榨到鋁箔上。切割工藝主要包括兩種，粗切和精切。

金屬纖維一般寬約0.2～3.2mm。它們表面光滑，可以染色，特點(diǎn)是傳導(dǎo)性強(qiáng)，質(zhì)量輕，防靜電以及不易折斷，圖1為金屬纖維示意圖。

圖1 金屬纖維

2 智能紡織品在醫(yī)療保健方面的應(yīng)用

根據(jù)穿衣者與鑲嵌在紡織品中的感應(yīng)器互動(dòng)的程度，智能紡織品在醫(yī)療方面的應(yīng)用可分為“疾病管理”和“遠(yuǎn)程監(jiān)控”。

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。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(chǔ)數(shù)據(jù)以便分析。

2.1 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。生理信號即病人的信息，包括心率、呼吸頻率、體溫、皮膚表面電流反應(yīng)和皮膚pH值。其中心率是健康方面的一個(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)的控制提供了依據(jù)和方法。這對于掌握病人情況非常重要。類似的產(chǎn)品還有一款適合女性穿的智能小背心，它將感應(yīng)器編織到萊卡小背心的胸部和腹部位置。它可以收集、分析和報(bào)告穿衣者的肺部、心臟和動(dòng)作方面的信息，并且與血壓、血液容氧率、身體內(nèi)部核心溫度、皮膚表面溫度等其它信息相聯(lián)系。還有一種智能西服，可以長期同時(shí)監(jiān)測穿衣者的心跳和呼吸。其“呼吸檢測帶”內(nèi)編織入呼吸感應(yīng)器和不銹鋼纖維。編織到織物中的熱電偶和熱敏感應(yīng)器可以測量體溫。裝在袖子部位的感應(yīng)器可以測量皮膚電流反應(yīng)，也就是GSR（Galvanic Skin Response），它通過測量最大出汗量的開始、高峰和恢復(fù)時(shí)間來確定皮膚汗液蒸發(fā)損失的熱量。皮膚的pH值和許多皮膚疾病有關(guān)系，可以通過pH值感應(yīng)復(fù)合纖維來測量。

生理機(jī)能信號有許多種，包括關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、身體和腳的壓力等等。身體運(yùn)動(dòng)方面的信息對于監(jiān)測摔倒、確定運(yùn)動(dòng)類型、康復(fù)情況及運(yùn)動(dòng)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。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)候甚至大于肌肉產(chǎn)生的力量。如果把這種執(zhí)行器置入到根據(jù)壓力產(chǎn)生電流的“智能褥子”中，就可以“推動(dòng)”病人，很好地預(yù)防褥瘡。在這個(gè)過程中還會(huì)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，這種對壓力的敏感材料可以被應(yīng)用到很多紡織結(jié)構(gòu)中，比如針織布，織造布，非織造布等。還有一種類似的對壓力比較敏感的紡織材料叫做“Elektex”。纖維變形渲染感應(yīng)器也叫FBG（Fiber Brag Grafting）是一種監(jiān)測變形的感應(yīng)器，也經(jīng)常被應(yīng)用到智能紡織品的制造中。

2.2 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)行器可以讓纖維改變絕熱性、滲透性等性質(zhì)。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(dòng)提供幫助甚至可以代替人進(jìn)行某些動(dòng)作。這種纖維能夠預(yù)制許多程序，所以幾乎可以完成任何動(dòng)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(dòng)作，當(dāng)傳輸給它一個(gè)溫度值時(shí)，可以根據(jù)預(yù)設(shè)程序作出相應(yīng)的動(dòng)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。

電流刺激是指通過電流脈沖刺激肌肉，這是一個(gè)非常復(fù)雜的生理過程。導(dǎo)電纖維可以把電子脈沖信號傳遞到身體的任何部位。

從藥理角度來說，靜脈注射是效果比較明顯的方法，但是對病人來說，它的缺點(diǎn)是具有疼痛感。如果能夠按照預(yù)設(shè)程序，將合適的藥量通過皮膚滲透讓病人吸收將會(huì)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)適量地釋放物質(zhì)的智能纖維被廣泛應(yīng)用。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，所以不但要求有醫(yī)療功效，而且要盡量像皮膚一樣舒適。

2.3 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(chǔ)中心之間的信息聯(lián)系，這些情況就需要使用發(fā)射器。任何一種信息傳輸方式所用到的紡織品都必須舒適，耐穿，易于打理。

信息交流主要是通過光纖、傳導(dǎo)纖維和超細(xì)纖維得以實(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。在穿衣者和智能衣服之間的信息傳輸對于發(fā)送指令是至關(guān)重要的。更詳盡的信息由中央監(jiān)控系統(tǒng)提供，它就好像一款翻譯軟件，能夠?qū)闹悄芗徔椘匪鸭降纳硇盘栟D(zhuǎn)換成簡單的圖文格式，缺點(diǎn)是它不能夠在智能紡織品上顯示出來。法國電信（France Telecom）研發(fā)了一種“光纖可彎曲屏幕”把智能紡織品和穿衣者之間的信息交流提升到一個(gè)最高境界，這種屏幕可以完全織入紡織品，提供詳盡的信息。這種屏幕的制作材料與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，一般通過無線方式傳輸信息。這需要在紡織材料中安裝小天線，目前美國東云公司（East－miacs）和根特大學(xué)研發(fā)出一種能夠進(jìn)行無線傳輸和雙向傳輸?shù)闹悄芗徔棽牧希芡瑫r(shí)以60K／s的速度雙向傳輸數(shù)據(jù)。由超級電容纖維制成的纖維電池也被研制出來。智能襯衣工作流程為通過傳導(dǎo)纖維感應(yīng)器收集生理信號和人體動(dòng)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，收集，顯示，分析和存儲(chǔ)。

3 結(jié)論

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、精確的關(guān)注，并且及時(shí)與醫(yī)生溝通甚至像“醫(yī)生”一樣適當(dāng)用藥。如果它能夠廣泛地使用，將會(huì)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(huì)把我們的生活帶入到一個(gè)新的紀(jì)元。

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