智能紡織品在醫學領域的設計

丁 帥，許曙亮

（1.山東省紡織科學研究院，山東青島 266032；2.山東省特種紡織品加工技術重點實驗室，山東青島 266032）

綜述

智能紡織品在醫學領域的設計

丁 帥1，2，許曙亮1

（1.山東省紡織科學研究院，山東青島 266032；2.山東省特種紡織品加工技術重點實驗室，山東青島 266032）

智能紡織品在醫學領域應用非常廣泛，內容涵蓋臨床監護和藥物管理。文章從智能紡織品的應用、用戶需求和需要解決的技術課題方面探討了它的發展前景。

智能紡織品；醫療保健；傳導纖維

智能紡織品是近幾年才出現的紡織新品種，它的出現體現了信息科學、材料科學與工程相融合的新方法。智能紡織品是指能夠感知外部環境并對其做出反應，同時又保持自身技術特點的紡織品。它們的設計出發點主要是保護和安全，但是也不能忽略時尚和方便這一類的要求，是一種功能性紡織品。醫藥護理業要使用大量的藥物保健性紡織品，這對于紡織行業尤其是尖端高附加值的紡織品是一個重要的增長領域。應用到醫學領域的一個很重要的發明就是“穿在身上的計算機”［1］。

對于許多慢性疾病，早期干預是非常重要的。智能紡織品可以在不干擾正常生活的情況下長期監控穿衣者的健康狀態，把穿衣者的各項生理指標實時地發送給遠程監控中心，以便于醫務人員準確掌握情況和正確用藥。

1 材料特點

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、環保功能、耐摩擦性，易打理性。當然還要兼顧舒適和美觀。所以它一定要用專門的、符合標準的原材料［2］。這些標準包括材料成分、織造方式、耐洗性、色牢度等。目前已經應用到原材料有記憶存儲纖維，色譜纖維和傳導纖維等。

2 智能紡織品需要達到的技術指標

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

智能織物中的感應器要在許多不同的環境下工作，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。智能紡織品可感應區域的和部位尺寸因人而異，并且需要保護用戶的隱私，這對其發展是非常重要的。

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送到數據處理器上，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據流失是有效進行健康監控的必要條件，我們要保證感應器性能不會隨著時間的流逝而逐漸退化。檢測性和準確性是實現監控的基本條件［3］。

3 智能紡織品的分類及工作流程

根據智能紡織品在臨床階段的作用，可分為“診斷”、“預防”和“治療”三個部分。

3.1 診斷

在這個階段，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。心律和血壓在醫療診斷過程中是非常基本的指標，把它們調整到正常范圍對于避免一些疾病的發生是非常有效的。監測運動模式可以診斷神經方面的疾病，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以及后續生活質量，避免了不必要的治療。

3.2 預防

預防的目標是避免疾病在高危人群中發展。分析臨床風險指數并且與醫護人員及早、及時溝通是非常重要的。在衣服中安裝用于醫護監控方面的傳感器把智能紡織品的發展引入到一個新的的領域，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量，監測術后恢復情況。生物反饋技術是一項有著重要治療意義的技術，它指人們學會有意識的控制一些下意識的生物反應，比如說心率、腦電波和肌肉收縮。這些參數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知道狀況。目前經常用到的是智能護膝，如果在運動過程中對膝關節施加了過大的壓力可能會惡化損傷的話，護膝就會鳴笛以提醒佩帶者。這種護膝的傳感器裝在一小塊夾層里，穿的時候要把這片區域壓在膝蓋骨上。

3.3 治療

這一步主要是對癥下藥，以及根據具體的情況對病人實施整形手術。

4 智能紡織品的功能［4］

智能紡織品在醫療保健方面的作用基本上可以歸納為感應器，執行器和傳輸器。雖然智能紡織品應該同時具備以上三種功能，但是當今試驗用或者商業用的智能紡織品主要還是被用做“感應器”和“傳輸器”，或者是“感應器”和“數據存儲器”。它們需要合適的材料和結構，定期維護，耐穿和舒適。鑲嵌在織物中具有特殊性質的智能元件能夠對不同的身體信號做出反應。事實上，它們已經被應用到很多領域監測生理指標或存儲數據以便分析。

4.1 感應器

感應器可以用神經元系統感知信號，根據所采集的信號不同，可以分為生理信號感應器和生物機能信號感應器。生理信號主要是給醫護人員提供提供病人的信息，包括心率、呼吸頻率、體溫、皮膚表面電流反應和皮膚PH值。心率是是否健康的一個基本信號，目前已經發明了幾種方法把心率感應器安裝到紡織品中。例如，智能襯衫可以根據已經掌握的病情，有針對性地、持續地監測病人的生理指標。這種襯衣含有特殊的感應器和內部數據傳輸系統，不僅監測重要的生命體征，而且為系統的控制它們提供了依據和方法。這對于掌握病人在康復中和康復后的情況非常重要。

生理機能信號有許多種，包括關節運動、身體和腳的壓力等等。身體運動方面的信息對于監測摔倒、確定運動類型、康復情況及運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的傳導性高分子織物經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電子元件，每一對相對的傳導器構成一個電極，當“褥子”上的壓力變化時，產生的電流也隨之發生變化。隨著技術產品越來越便宜，制作這種智能織物的可能性也越來越大。在這個過程中還會用到一種“量子通道復合物”（也叫QTC Quantum Tunneling Composite），在正常狀態下，它是絕緣體，當有壓力作用時，它就變成了象金屬一樣的導體，這種對壓力的敏感的材料可以被應用到很多紡織品加工制造過程中。

4.2 執行機構

執行器在數據被處理之后，對感應器的脈沖信號做出反應，它可以釋放一些物質、鳴笛、加熱、降溫或者有其他功能。機械執行器可以讓纖維在織物中移動，改變性質，比如絕熱性、滲透性等［5］。一種更大膽的設想就是制造出一種具有肌肉性質的纖維，當這種纖維織造進衣服的時候，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行某些動作。這種纖維能夠預制許多程序，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，它可以把熱能轉換為動作，當傳輸給它一個溫度值時，它就可以根據預設程序作出相應的動作。目前已經有的機械執行器，不但可以對熱能做出反應，還可以對化學物質，身體脈沖做出反應。所謂的“反應”有三種表現方式，即作用力、電流刺激和提供藥品。

例如，現在有一種用電敏材料制成的執行器接到指令后就可以產生很大的力量，有時候比肌肉產生的力量都大。如果把這種執行器置入到前面提到的根據壓力產生電流的“智能褥子”中，就可以“推”一下病人，很好的預防褥瘡。碳納米管有著卓越的機械和電子性能，如果能把它應用到制作執行器的領域，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，一種能夠編織進衣物，適時適量的釋放物質的智能纖維被廣泛應用。這個過程比較復雜，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物質來治療肌肉疼痛和嚴重的損傷。

4.3 傳輸器

根據發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，這種情況發生在紡織品內部；紡織品和使用者之間的信息傳輸；紡織品和遠程信息存儲中心之間的信息聯系，這種情況需要使用發射器［7］。

信息交流主要是通過光纖、傳導纖維和超細電線得以實現。它們都具有紡織品的性質，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。搜集的信息經中央監控系統數據處理，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。因為許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據小天線，這是一塊需要大力研發的新興領域［8］。

下面簡要描述一下智能襯衣工作流程：通過傳導纖維感應器收集生理信號和人體動作信息等模擬信號，再通過編織進紡織品的傳導纖維網傳送到放在口袋里的處理器，處理器把模擬信號轉換成數字信號，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 結論

本文介紹了智能紡織品的特點，材料以及它的工作流程。從具體應用的角度，初步揭開了它神秘的面紗。智能紡織品在醫療保健領域為提高人們的生活質量起到了非常重要的作用。它可以降低醫療成本，象一個“貼身護工”一樣給予病人持久、細致、精確地關注，并且及時與醫生溝通甚至像“醫生”一樣適當的用藥。如果它能夠廣泛正確的使用，將會大大造福人類。從長遠看，它蘊藏著無限可能，發展前景將大大超出我們的想象。當然，除了醫療保健領域以外，智能紡織品還可以應用到其他很多方面。以高科技為紐帶，各大領域協同合作，將會把我們的生活帶入到一個新的紀元。

［1］侯翠芳.智能調溫立體結構機織物設計［J］.棉紡織技術，2010，（9）：36—38.

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

［3］黃鶴，嚴灝景.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用［J］.針織工業，2003，（6）：87—89.

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

［8］王運利，劉奪奎，張瑩.智能紡織品及其在不同領域中的應用［J］.染整技術，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。