熱療紡織品熱性能測試評價及傳熱機制研究進展

錢江瑞 蔡彥 楊允出 任姍姍 陳怡充

摘 要：針對目前熱療紡織品的實際應(yīng)用、療效評價、使用安全性及熱舒適性等問題，總結(jié)了具有熱敷、熱療及其他保健作用的可穿戴產(chǎn)品的研究、應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀。首先，將熱療產(chǎn)品分為電加熱、紅外線發(fā)熱兩類，分析現(xiàn)階段熱療紡織品的熱性能測試及治療療效評估方法，分別從人體熱生理實驗、動物實驗優(yōu)缺點來闡述不同實驗方法對熱性能預測的影響。然后，通過可穿戴式熱療產(chǎn)品傳熱機制的研究，闡述了皮膚傳熱模型與紡織品傳熱模型的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了有限元模擬在人體皮膚組織及紡織品熱傳遞研究中的應(yīng)用。最后，指出在未來的研究中，應(yīng)全面準確地模擬人體生物組織與紡織品的熱傳遞系統(tǒng)，建立可穿戴熱療紡織品的熱舒適性及治療安全性測評標準。

關(guān)鍵詞：熱療紡織品;性能測評;傳熱模型;有限元

Abstract：From the perspectives of practical application， efficacy evaluation， use safety and thermal comfort of thermotherapy textiles， the research， application and development status of wearable products with functions of hot compress， thermal therapy and other health effects are overviewed. Firstly， thermal therapy products are classified into two types： electric heating and infrared heating， and analysis is made on the current methods of thermal performance test and curative effect evaluation of thermal therapy textiles， andthe impact of different experimental methods on thermal performance prediction are expounded from the advantages and disadvantages of human thermal physiological experiments and animal experiments respectively. Secondly， based on the study of the heat transfer mechanism of wearable thermotherapy textiles， the research status of skin heat transfer model and textile heat transfer model was elaborated， and the application of finite element simulation in human skin tissue and textile heat transfer research was overviewed. Finally， it is pointed out that it should be done to fully and accurately simulate the heat transfer system of human skin and textiles， and establish the evaluation criteria on thermal comfort and treatment safety of wearable thermotherapy textiles.

Key words：thermotherapy textiles; performance evaluation; heat transfer model; finite element

生活節(jié)奏的加快及不斷增大的精神壓力使很多人身體處于亞健康的狀態(tài)，市場上醫(yī)療保健設(shè)備的需求量也隨之增加，具有廣闊的發(fā)展前景。在國際上，一般認為可穿戴醫(yī)療設(shè)備具有可交互性、便攜性、可持續(xù)性、安全穩(wěn)定性、可移動性（可穿戴性）等基本特點[1]?？纱┐鳠岑熝b備是可穿戴醫(yī)療設(shè)備中的重要組成部分，是指可以直接穿戴在身上的便攜式醫(yī)療或健康電子設(shè)備，通過某種發(fā)熱技術(shù)發(fā)熱，使之在應(yīng)用程序的輔助下監(jiān)測、分析、調(diào)控、干預或維護人體健康狀態(tài)，甚至進行疾病治療。熱療技術(shù)不僅能為有生理理療復健需求的患者、有腿部或腹部保暖需求的女性提供治療，甚至可摧毀腫瘤細胞。人體的腫瘤細胞在接受30～60 min，42～43 ℃的熱作用時，細胞就會產(chǎn)生變形、壞死[2]。這樣的溫度卻對正常細胞組織傷害輕微。治療的有效性和使用的便捷性，使得可穿戴熱療裝備受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，必將成為解決人類健康的一次革命性突破。Couto等[3]設(shè)計了嵌入電發(fā)熱元件的手套，測試結(jié)果表明該手套可以有效緩解血管痙攣等癥狀。胡帆[4]設(shè)計一款集加熱和艾灸保健的便攜式護膝，能有效緩解患者的疼痛感。賈得巍[5]設(shè)計了一款基于微波輻射加熱的可穿戴式裝備用于實現(xiàn)高效全身熱療，殺死腫瘤細胞。

然而，目前市場上用于熱療保健的可穿戴產(chǎn)品性能品質(zhì)不一，傳熱效果及溫控技術(shù)均有待提高，治療效果也未能達到醫(yī)用標準，存在較大的發(fā)展及改善空間。因此，本文結(jié)合可穿戴式熱療產(chǎn)品研究及發(fā)展現(xiàn)狀，對比分析其使用功能差異性及局限性;闡述了熱療紡織品性能測試、療效評估方法、傳熱模型研究現(xiàn)狀;并總結(jié)了有限元模擬在人體皮膚組織及紡織品熱傳遞研究中的應(yīng)用。

1 熱療紡織品品類及主要功能

目前各類以熱敷、保健、甚至以消滅腫瘤細胞為治療目的可穿戴式熱療產(chǎn)品已逐漸出現(xiàn)在人們的視野及生活中。以下為近年來國內(nèi)外學者開發(fā)及研制的電發(fā)熱或遠紅外發(fā)熱產(chǎn)品案例及功能現(xiàn)狀。

遠紅外輻射發(fā)熱紡織品的測試評價主要包括：遠紅外波長、法向發(fā)射率、遠紅外發(fā)射率及遠紅外輻射溫升測試。截止目前，中國已發(fā)布的紡織品遠紅外性能測試相關(guān)標準主要有3個：GB/T 18319—2001《紡織品紅外蓄熱保暖性的試驗方法》，中國標準化協(xié)會標準CAS 115-2005《保健功能紡織品》，GB/T 30127—2013《紡織品遠紅外性能的檢測和評價》。戈強勝等[23]指出，CAS 115—2005標準中遠紅外波長項目可作為紡織品發(fā)射遠紅外被人體吸收，但不適用于區(qū)分樣品是否屬于遠紅外紡織品;GB/T 30127—2013標準中遠紅外輻射溫升測試可以合理表征遠紅外性能，但規(guī)定的判定指標過低，難以用于區(qū)分普通紡織品與遠紅外紡織品。建議對現(xiàn)行標準進行修訂，利用法向發(fā)射率表征發(fā)射性能，遠紅外輻射溫升表征吸收性能，提出更為合適的判定指標，以保障遠紅外紡織品市場健康發(fā)展。

2.3 熱療效果測試及評估

李延煒等[6]研制了便攜式溫控肩部理療儀中藥熏蒸，為評估理療儀的治療效果，對34例男性和26例中年人進行610個月的治療及隨訪，記錄患者VAS評分[24]和肩關(guān)節(jié)功能評分系統(tǒng)（Constant-murley system）CMS評分[25]。陳柏煒[26]測量并計算了體內(nèi)含有EMT6乳腺腫瘤的小鼠在超聲治療后的腫瘤體積變化、瘤重變化、腫瘤抑制率。實驗結(jié)果表明：低頻低強度超聲混合碳納米管顆粒能夠有效抑制EMT6腫瘤細胞的生長，抑制率為22.7%。賈得巍[5]將感染了黑色素瘤細胞的小鼠，隨機分為全身熱療組、化療組、對照組和聯(lián)合治療組（熱療+化療）進行16 d的治療，通過檢測腫瘤組織中PCNA、Cyclin D1及ICAM-1的含量，并利用SPSS統(tǒng)計軟件進行t檢驗、單因素方差分析、SNK檢驗等方法來評估熱療效果。結(jié)果表明，全身熱療能有效抑制小鼠黑色素肺轉(zhuǎn)移的形成和發(fā)展。此外，H&E染色表示了腫瘤在組織中的發(fā)生及發(fā)展區(qū)域，在光鏡下觀察H&E染色的肺組織切片，也可用于評估熱療對肺腫瘤細胞轉(zhuǎn)移抑制作用的療效測試及評價。

3 熱療紡織品傳熱機制研究進展

3.1 生物組織傳熱研究

3.1.1 生物傳熱模型

1948年，Pennes根據(jù)人體小臂中的溫度分布，提出了著名的Pennes生物傳熱方程[27]。由于血液的流動伴隨著熱量的傳遞，對組織傳熱存在不可忽視的影響。因此該方程在固體熱傳導方程的基礎(chǔ)上加入了血液灌注項，計算的是平均傳熱效果，是一種宏觀的生物傳熱模型，如式（1）：

式中：T、Ta分別為生物組織、動脈溫度;t為時間;ρ、k分別為生物組織的密度和導熱率;c、cb分別為生物組織與血液的比熱容;ωb為組織血液灌注率。

然而，該方程中的灌注項與實際情況中血流和周圍組織之間的熱平衡過程存在一定偏差。Wulff等[28]將人體組織看作多孔介質(zhì)，利用體積平均血流率的Dacy定律導出血流項。Wissler[29]同時考慮熱平衡、物質(zhì)平衡（血液流動的連續(xù)性和產(chǎn)熱化學反應(yīng)中的熱平衡），使得模型更加周密。張艷婷等[30]根據(jù)生物組織解剖結(jié)構(gòu)提出更貼合實際的血管傳熱模型（皮膚-肌肉復合層三層傳熱模型），簡稱W-J方程，如式（2）：

當血管直徑在50～200 μm和血流較快時，該模型比Pennes方程精確。但是W-J模型是針對數(shù)量較少且直徑相對較大的血管而建立的，模型建立時需假設(shè)組織中僅有一對主要的動靜脈，且無其他具有熱重要性的血管。人體生物組織的復雜性，使得人們并不知道身體的哪些部位滿足這一條件，在使用時存在一定的局限性。因此，在生物組織傳熱領(lǐng)域的研究與應(yīng)用中，Pennes方程依舊是迄今為止最為合適的傳熱模型，且已在腫瘤激光熱療、低溫外科、燒傷燙傷等臨床熱科學中大顯身手。

3.1.2 皮膚組織的熱傳遞模擬

人體皮膚組織熱傳遞的研究方法包括數(shù)學建模、暖體假人實驗、CFD仿真及有限元模擬等?，F(xiàn)今國內(nèi)外學者多用有限元軟件對人體生物組織或紡織品組合體進行模擬、預測、分析。有限元分析方法是通過利用每一個單元內(nèi)假設(shè)近似函數(shù)來表達未知函數(shù)。無需建立實體模型即可進行多種分析（熱學分析、力學分析、流體分析或耦合情況等），在保證分析方法高效、結(jié)果精確的同時大大降低了建模的成本。

錢盛友等[31]利用生物傳熱方程求解超聲熱療中組織內(nèi)部的溫度分布狀況，研究聲源參數(shù)（換能器半徑、超聲頻率）及生物組織特性參數(shù)（衰減系數(shù)、熱傳導系數(shù)、血流率）對治療區(qū)升溫速度的影響。趙艷哲等[32]采用Pennes生物傳熱方程，借助Fluent有限元軟件，模擬皮膚組織在液氮冷凍條件下的溫度變化，為色斑、皰疹、血管瘤等皮膚疾病的低溫液氮冷凍治療過程中的精確控溫提供參考。Fu[33]在Simth[34]的模型（三維人體模型包括大腦、腹部、肺部、骨骼、肌肉、脂肪、皮膚、血管及呼吸道）基礎(chǔ)上，建立3D人體皮膚的熱反應(yīng)模型，研究并分析了服裝層之間空氣層對熱傳遞及皮膚溫度場分布的影響。朱曉明[35]建立了皮膚組織有限元模型，模擬皮膚組織在100℃燒傷情況下的溫度場變化情況，發(fā)現(xiàn)熱源對皮膚組織的作用具有一定的延時性。

在相同的環(huán)境條件下，人體熱生理反應(yīng)和熱舒適性受人體部位差異的影響較大。因此，國內(nèi)外學者對人體熱反應(yīng)的研究不僅局限于整體，而進一步細化到各組織部位，從而為局部熱療產(chǎn)品或個體防護裝備的測試與研發(fā)提供技術(shù)指導與數(shù)據(jù)支撐。陳麗等[36]結(jié)合Pennes方程和W-J方程，基于解剖學結(jié)構(gòu)建立人體手臂的3D熱傳遞數(shù)值模型，模擬分析穩(wěn)態(tài)條件下的生物組織體內(nèi)溫度場分布特征，著重探究組織內(nèi)血液流速、代謝產(chǎn)熱量、環(huán)境溫度及對流換熱系數(shù)對生物組織熱傳遞的影響。研究結(jié)果表明，血液灌注率對保持體溫穩(wěn)定具有重要作用。朱彬[37]利用有限元方法建立了人體小腿部位的2D傳熱數(shù)值模型，研究其骨骼層、內(nèi)部肌肉層、外部肌肉層及皮膚層的傳熱量區(qū)別，認為平行逆流血管在人體組織傳熱過程起著重要作用。

3.2 紡織品熱傳遞研究

國內(nèi)外學者對紡織品熱傳遞模型的研究主要可分類為單層和多層模型。早在1996年Gibson等[38]在高溫條件下提出了單層多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)模型。Ghazy等[39]將熱傳導及比熱系數(shù)替換成經(jīng)驗公式，引入到單層織物傳熱模型中，進行了高溫條件下的熱傳遞模擬，結(jié)果顯示過程具有更高的擬合度。在單層模型的基礎(chǔ)上，Mell等[40]提出了多層面料層與層之間的傳熱模型。考慮到層與層之間的空氣層厚度對織物系統(tǒng)的熱傳遞過程有一定的影響，一些學者[41-43]研究了紡織品和空氣層的熱傳遞模型。紡織品在熱傳遞過程中往往伴隨著水傳遞，考慮到水及空氣層的影響，Lawson等[44]和Ghazy等[45]分別建立了多層織物熱濕傳遞模型和織物中含多層空氣層的多層織物熱傳遞模型。

近年來，紡織品熱傳遞的數(shù)值模擬始終是一個熱點問題。孫玉釵等[46-48]利用有限元軟件揭示了動態(tài)熱量傳遞過程中棉織物橫截面任意位置、任意時刻溫度分布情況。2011年，Couto等[3]建立幾何仿真模型來研究面料組成及發(fā)熱絲數(shù)量分布對電熱登山手套傳熱性能的影響。2015年，F(xiàn)an等[49]利用數(shù)值模擬法研究仿生織物（三層分支結(jié)構(gòu)）的穩(wěn)態(tài)熱傳遞性能，賦予織物不同的熱通量以預測其有效導熱系數(shù)。2016年，Puszkarz等[50]建立了不同織物的三維模型，包括雙層針織物，模擬出的溫度梯度變化與實驗結(jié)果吻合度較好，指出有限元法的應(yīng)用可以補充真正的材料試驗，預測新設(shè)計的紡織品的熱性能。同年，吳佳佳等[51]利用ABAQUS對織物系統(tǒng)模型的熱傳遞過程進行模擬，并提取織物外表面的溫度計算織物系統(tǒng)的總熱阻。2018年，陳揚等[52]對加熱片與織物組合體的穩(wěn)態(tài)熱傳遞進行模擬，分析不同織物、不同加熱片和不同空氣層厚度等條件下模型內(nèi)部與外表面的溫度分布特征，并與實驗測試結(jié)果有良好的吻合度。

4 結(jié) 語

目前可穿戴式熱療紡織品的熱性能及療效測試評估尚不完善，發(fā)熱功能評價標準僅限于少量特殊功能紡織品（紅外、電熱紡織品），且判定指標不一。熱療療效測試及評估尚無形成規(guī)范的評估指標及標準文件，各類測評標準層出不窮。為保障熱療紡織品市場長遠且健康的發(fā)展，建議充分考慮人體生物組織結(jié)構(gòu)及使用環(huán)境，建立完善的可穿戴熱療紡織品療效測試及評價體系;對現(xiàn)行熱性能評價標準進行修訂，制定更為合理的判定指標。

可穿戴熱療紡織品的熱傳遞機制復雜，對于傳熱機制的研究，學者更多進行的是織物傳熱過程或生物組織傳熱過程，少有將兩者結(jié)合?？椢锏膫鳠徇^程研究僅限于織物本身的組織結(jié)構(gòu)特點，并未考慮其與皮膚組織結(jié)合后對傳熱的影響因素。學者研究組織傳熱時多使用Pennes生物組織傳熱方程，然而人體皮膚組織結(jié)構(gòu)十分復雜，真皮層由結(jié)締組織組成，內(nèi)部分布著豐富的血管。理論上，一個理想的灌注組織傳熱模型應(yīng)考慮到組織內(nèi)每一根血管及其內(nèi)血液的流動情況。且在受熱以后，皮膚血管擴張，血流增加，又增加了熱量的擴散。目前的研究中并沒有考慮到這一問題。未來，可運用有限元、CFD等技術(shù)進行人體生物組織和紡織品整體的三維熱濕耦合模擬，通過耦合求解血管內(nèi)的對流換熱和熱傳導來獲得每一點的溫度，綜合考慮血管傳熱、外部環(huán)境（溫度、風速、輻射等）、紡織品基本參數(shù)的共同影響。

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