適用于散熱不良病人的夏季輔助降溫衣的研制及應用

李曼玲

(鄭州工業(yè)應用技術學院，河南 鄭州 451100)

人體是一個極其復雜的機體，它與外界環(huán)境存在錯綜復雜的關系。在外界條件變化或進行不同強度水平活動時,人體通過自身的體溫調(diào)節(jié)機制維持體熱平衡,這是維持正常生命活動的必要條件。人體正常活動時,總散熱量的97%是通過皮膚以輻射、傳導、對流和蒸發(fā)方式散失,其余3%隨著呼吸等生理過程散失。[1]對普通人而言，正常的工作、生活以及運動亦可導致機體出現(xiàn)一些發(fā)熱性疾病，如生理性的心臟水腫、肌肉痙攣、直立性低血壓、心跳驟停以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂等。發(fā)熱是臨床中最常見的癥狀之一。世界衛(wèi)生組織指出，發(fā)熱首選物理降溫[2]，主要利用熱傳遞原理進行降溫[3]。在夏季，對于正常機體而言，主要通過出汗降低體溫，當然也需要在空氣流動性較好、空氣濕度不高的情況下。但是對于一些病人而言，如硬皮病、廣泛皮膚燒傷后瘢痕形成或少汗型外胚層發(fā)育不良癥等患者，他們無法流汗，所以其體溫無法正常調(diào)節(jié)。

硬皮病，是以皮膚炎性、變性、增厚和纖維化進而硬化和萎縮為特征的結締組織病，為一種慢性多系統(tǒng)疾病。初發(fā)癥狀往往為非特異性，包括雷諾現(xiàn)象、乏力、肌肉骨骼痛，隨后可出現(xiàn)多種多樣的表現(xiàn)，主要在皮膚、肺、消化道、心臟、或腎臟。[4]

少汗型外胚層發(fā)育不良癥(HED)是一種罕見的先天性遺傳性疾病，出生發(fā)病率約為1/100000～1/10000。[5]HED患者通常具有以下臨床特征：毛發(fā)稀少、汗腺發(fā)育不全、顱面異常、前額突出、鼻梁塌陷、皮膚光滑干燥、手指過度角化；口腔表征可為缺牙癥、多數(shù)牙先天缺失以及錐形牙等。[6]環(huán)境溫度超過25℃、暴露于日光照射以及劇烈運動可引起HED患者機體嚴重高熱，影響工作和生活。[7]

對于散熱不良的患者來說，在其活動環(huán)境如家中、學校或工作的地點必須裝有空調(diào)系統(tǒng)，這樣限制了少汗患者的活動，而且常規(guī)的輕薄的、透氣的服裝對他們而言就非常不適合。降溫裝置在醫(yī)學方面得到了廣泛的使用，但是并沒有得到普及，一些醫(yī)院對于高燒病人降溫仍然采用傳統(tǒng)的降溫方法，如冰袋、冰塊冷敷等。這種降溫方式雖然在一定程度上起到作用，但是降溫范圍有限、溫度也不能調(diào)整使整體的降溫效果并不理想。[8]。為進一步解決無法自主進行正常體溫調(diào)節(jié)的問題，我們研制了一種適用于高溫環(huán)境下的散熱不良病人的降溫衣(已申請發(fā)明專利CN201810025058.X)，幫助不能通過排汗來降低體溫的散熱不良患者在高溫環(huán)境中降溫，以保障正常的生活活動，效果良好。

1 夏季輔助降溫衣的結構和功能

1.1 夏季輔助降溫衣的結構

夏季輔助降溫衣由外向內(nèi)依次為輻射散熱薄膜層、相變材料層和親膚層，相變材料層與親膚層之間通過導熱膠連接[9]。輻射散熱薄膜層與親膚層之間為氣囊層，氣囊層上靠近相變材料層一側的內(nèi)表面設有半導體制冷片，半導體制冷片與微型電源連接，氣囊層上靠近相變材料層一側的外表面通過導熱膠與相變材料層粘接，氣囊層上設有氣孔及相應的氣孔塞。親膚層上與人體貼合的一側設有溫度傳感器一，輻射散熱薄膜層內(nèi)側設置溫度傳感器二，夏季輔助降溫衣上還設有單片機、控制面板和提示裝置，控制面板設置在輻射散熱薄膜外側，溫度傳感器一和溫度傳感器二分別與單片機的輸入端相連，單片機的輸出端與半導體制冷片和提示裝置相連，單片機與微型電源和控制面板相連。輻射散熱薄膜層外表面上設有單向進氣閥，單向進氣閥與氣囊層相連通。單向進氣閥設置在夏季輔助降溫衣的正面，單向進氣閥可設置多個，并在單向進氣閥上設置相應的密封閥蓋。輻射散熱薄膜層采用約50微米厚的TPX塑料薄膜制成，TPX塑料薄膜的一面鍍有銀，另一面隨機鑲嵌有直徑8微米左右的小玻璃珠。相變材料層內(nèi)填充相變溫度為25-30℃的相變材料(見圖1)。

1輻射散熱薄膜層，1-1溫度傳感器二，2相變材料層，3親膚層，3-1溫度傳感器一，4氣囊層，4-1半導體制冷片，4-2氣孔，4-3單向進氣閥圖1 夏季輔助降溫衣的結構分解示意圖

1.2 夏季輔助降溫衣的功能

該夏季輔助降溫衣的最外層采用輻射散熱薄膜材料制成，有利于反射太陽光，減少熱輻射造成的溫度升高；相變材料層的設置可起到通過吸收相變潛熱來實現(xiàn)對使用者進行降溫的目的；親膚層的設置使得該夏季輔助降溫衣穿著時更舒適；氣囊層可以在使用者所處環(huán)境的溫度高于親膚層與人體之間的溫度時，向氣囊層內(nèi)充氣，由于空氣的導熱系數(shù)小，可以起到防止外界高溫經(jīng)熱傳導的方式傳遞給人體；半導體制冷片可在必要時對人體進行更好的降溫，半導體制冷片設置在氣囊層靠近相變材料層一側的內(nèi)表面，氣囊層與相變材料層之間通過導熱膠粘結，可以對相變材料層降溫，進而對人體進行降溫，氣囊層中的空氣也可起到防止半導體制冷片所產(chǎn)生的冷量散失的作用，降低能耗；溫度傳感器一、溫度傳感器二、單片機和語音提示裝置的設置使得降溫衣使用起來更加方便、智能；單向進氣閥的設置使得當使用者運動時，可自動向氣囊層充氣，也可配備充氣裝置以便于向氣囊充氣，充氣結束后蓋上密封閥蓋即可，也可通過氣囊層上的氣孔和氣孔塞調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)的空氣的量。

1.3 夏季輔助降溫衣的使用

使用時，使用者可先通過衣服外表面的控制面板設定參數(shù)，當溫度傳感器一所檢測到的親膚層與人體之間的溫度大于設定值時，單片機控制半導體制冷片工作。溫度傳感器二可對外界環(huán)境的溫度進行檢測，當單片機接收到的溫度傳感器二所檢測到的溫度大于溫度傳感器一所檢測到的溫度時，單片機會控制提示裝置發(fā)出提示信息，提示使用者打開氣囊層上的單向進氣閥，向氣囊層充氣，以減少外界環(huán)境與人體之間的熱傳導(空氣的傳熱系數(shù)小)，以最大限度的保障使用者對溫度的要求，減少半導體制冷片工作所造成的電能的消耗。

2 臨床驗證及應用

2.1 將夏季輔助降溫衣與常規(guī)服裝放置在相同溫度和光照的環(huán)境中，觀察兩種服裝溫度變化的情況

試驗組：將夏季輔助降溫衣的材料制成正方體狀，并在正方體內(nèi)放置溫濕度傳感器探頭；對照組：將常規(guī)服裝(與試驗組等厚度)制成與試驗組相同大小的正方體狀，并在正方體內(nèi)放置溫濕度傳感器探頭。

實驗開始前，將試驗組和對照組放入環(huán)境1(25℃恒溫恒濕)中，并用光線傳感器(光線傳感器分別設置在試驗組和對照組的頂端的相同位置)檢測光照強度并記錄數(shù)據(jù)備用。

實驗過程：待試驗組的溫濕度傳感器的示數(shù)與對照組的溫濕度傳感器的示數(shù)相同且均保持恒定后，將試驗組(氣囊內(nèi)無空氣，半導體制冷片不工作)和對照組取出，放入環(huán)境2(35℃恒溫恒濕)中，并用光線傳感器檢測光照強度并記錄；每隔5min觀察一次對照組和試驗組的溫濕度傳感器的示數(shù)，直至對照組或試驗組內(nèi)部的溫度達到35℃，停止實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)。實驗重復三次。

實驗結果：經(jīng)檢測，環(huán)境1和環(huán)境2中的濕度和光線強度差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05),對照組內(nèi)部的溫度平均在開始實驗后的18.27min內(nèi)從25℃升溫至35℃；在對照組內(nèi)部達到35℃時，試驗組的內(nèi)部溫度平均為32.67℃。 組間比較時 ，計量資料采用t檢驗 ，P<0.05具有統(tǒng)計學意義。

實驗結論：試驗組內(nèi)部的升溫速率明顯小于對照組，試驗組服裝有助于阻止外界熱量向人體傳遞，外界環(huán)境對衣服內(nèi)環(huán)境溫度的影響更小。

2.2 夏季輔助降溫衣耗電量檢測

對照組：實驗1結束后，將對照組迅速轉(zhuǎn)移入環(huán)境1中(記錄時間點)，將空調(diào)與電表連接(用于計算所消耗的電量)，待對照組內(nèi)部的溫度達到25℃時，記錄時間點，記錄電表數(shù)據(jù)，計算空調(diào)的耗電量。

試驗組：在轉(zhuǎn)移對照組的同時，打開試驗組的電源，使試驗組的半導體制冷片工作，并打開氣囊層上的進氣閥，向氣囊層中充氣。當試驗組內(nèi)部的溫度到達25℃時，關閉電源，記錄打開和關閉電源的時間，計算所耗費的電能(通過電表計算)。重復3次，計算平均耗電量。

實驗結果：經(jīng)計算，對照組內(nèi)部平均經(jīng)17.7min達到25℃，平均耗電量為：325W；試驗組內(nèi)部平均經(jīng)11.5min達到25℃，平均耗電量為：186W。

實驗結論：試驗組服裝所消耗的電能小于對照組，且可在更短時間內(nèi)降溫至25℃，更有利于保障無汗癥患者的舒適度，也便于無汗癥患者進行自由的活動，在未安裝空調(diào)的室內(nèi)或戶外也可自由活動。

2.3 驗證本設計的服裝能否保障使用者的正常活動

研究對象：選取無汗癥患者39人(所有患者及其家屬均簽署知情同意書。排除標準：有發(fā)熱性疾病，急慢性心臟病，高血壓，胃腸道疾病，體內(nèi)植入起搏器者，近期內(nèi)行MRI檢查者，出現(xiàn)脫水癥狀者)，并分別隨機分配進入試驗組和對照組，對照組19人，試驗組20人。試驗組穿著夏季輔助降溫衣，對照組穿著普通材質(zhì)的衣物。實驗環(huán)境：T=30℃，RH=40%恒溫恒濕。通過詢問的方式了解實驗過程中各成員舒適度的評分(人體舒適度評分標準：4分-舒適，3分-略有不適，2分-不適，1分-不能耐受)，并記錄數(shù)據(jù)。

干預方法：試驗組成員在試驗開始時，通過控制面板進行參數(shù)設置：當溫度傳感器一所檢測到的溫度大于26℃時，單片機控制半導體制冷片開始工作；當溫度傳感器二所檢測到的溫度大于溫度傳感器一所檢測的溫度時發(fā)出提示音，提示試驗組成員打開氣囊層上的進氣閥門。

實驗過程：使試驗組和對照組成員分別以5km/h的速度在跑步機上運動，記錄實驗開始前各成員的體溫和室內(nèi)溫度、對照組成員的耐受時間、耐受體溫，每隔5min記錄一次各試驗組和對照組成員的體溫，試驗組成員的實驗時間持續(xù)30min，對照組成員至不能耐受或體溫超過40℃時立即停止實驗，并及時采取相應救助措施。本實驗中體溫的測量以腋窩溫度為準，組間比較時 ，計量資料采用t檢驗 ，P<0.05具有統(tǒng)計學意義。具體實驗數(shù)據(jù)見下表1所示。

表1 溫度30℃，相對濕度40%恒溫恒濕的環(huán)境中兩組成員體溫和人體舒適度比較

實驗結論：無汗癥患者在T=30℃，RH=40%的環(huán)境中，以5km/h的速度在跑步機上運動可基本保持體溫恒定在正常范圍內(nèi)，故本設計的服裝可幫助無汗癥患者在夏季、未安裝空調(diào)的室內(nèi)或戶外進行基本的活動，減少無汗癥患者對于空調(diào)的依賴。

3 小結

本研究設計的夏季輔助降溫衣有降溫快、效果好的特點?？蓽p少夏季高溫環(huán)境通過熱輻射和熱傳導的方式向衣物和人體傳遞熱量，幫助散熱不良患者在高溫環(huán)境中散熱，且可幫助散熱不良病人擺脫對空調(diào)的依賴，促進其運動和社交活動，保障散熱不良患者的健康及恢復對生活的自信。此外，該夏季輔助降溫衣相對于空調(diào)來說更節(jié)能環(huán)保。我們將在隨后的研究中，不斷地完善該設計，希望在不久的將來讓其進入大眾視野，為更多需要的患者解決降溫問題。