智能纺织品在医学领域的设计

丁 帅，许曙亮

（1.山东省纺织科学研究院，山东青岛 266032；2.山东省特种纺织品加工技术重点实验室，山东青岛 266032）

综述

智能纺织品在医学领域的设计

丁 帅1，2，许曙亮1

（1.山东省纺织科学研究院，山东青岛 266032；2.山东省特种纺织品加工技术重点实验室，山东青岛 266032）

智能纺织品在医学领域应用非常广泛，内容涵盖临床监护和药物管理。文章从智能纺织品的应用、用户需求和需要解决的技术课题方面探讨了它的发展前景。

智能纺织品；医疗保健；传导纤维

智能纺织品是近几年才出现的纺织新品种，它的出现体现了信息科学、材料科学与工程相融合的新方法。智能纺织品是指能够感知外部环境并对其做出反应，同时又保持自身技术特点的纺织品。它们的设计出发点主要是保护和安全，但是也不能忽略时尚和方便这一类的要求，是一种功能性纺织品。医药护理业要使用大量的药物保健性纺织品，这对于纺织行业尤其是尖端高附加值的纺织品是一个重要的增长领域。应用到医学领域的一个很重要的发明就是“穿在身上的计算机”［1］。

对于许多慢性疾病，早期干预是非常重要的。智能纺织品可以在不干扰正常生活的情况下长期监控穿衣者的健康状态，把穿衣者的各项生理指标实时地发送给远程监控中心，以便于医务人员准确掌握情况和正确用药。

1 材料特点

智能纺织品尤其是给病人穿着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还要有良好的透气性，吸湿性、环保功能、耐摩擦性，易打理性。当然还要兼顾舒适和美观。所以它一定要用专门的、符合标准的原材料［2］。这些标准包括材料成分、织造方式、耐洗性、色牢度等。目前已经应用到原材料有记忆存储纤维，色谱纤维和传导纤维等。

2 智能纺织品需要达到的技术指标

智能纺织品必须达到特殊的要求才能更好的服务于广大用户，否则它不但不会造福人类，还会惹来许多麻烦。一般来说，智能纺织品要有质量上乘、结实耐用、收集信号装置敏感、传输畅通等特点。

智能织物中的感应器要在许多不同的环境下工作，穿衣者往往不了解它的工作原理，所以操作一定要简单明了。智能纺织品应该以我们都可以接受的方式融入到生活中。在外表上，要符合大众的审美观，人们才会穿它。因此，从某种意义上说，能提醒到它的智能功能的元素必须“消失”，最起码不被人察觉。智能纺织品可感应区域的和部位尺寸因人而异，并且需要保护用户的隐私，这对其发展是非常重要的。

智能服装上的传感器或者电子测量元件能够自动把信息发送到数据处理器上，并且能够接收信号作为指令。电子元件能够自我检测并且防止数据流失是有效进行健康监控的必要条件，我们要保证感应器性能不会随着时间的流逝而逐渐退化。检测性和准确性是实现监控的基本条件［3］。

3 智能纺织品的分类及工作流程

根据智能纺织品在临床阶段的作用，可分为“诊断”、“预防”和“治疗”三个部分。

3.1 诊断

在这个阶段，智能纺织品要密切测量和记录下穿衣者的心律，血压，动作模式。心律和血压在医疗诊断过程中是非常基本的指标，把它们调整到正常范围对于避免一些疾病的发生是非常有效的。监测运动模式可以诊断神经方面的疾病，并且是决定治疗方案的重要因素。在不打扰穿衣者正常生活的前提下获取这些信息可以提高人们的健康状态以及后续生活质量，避免了不必要的治疗。

3.2 预防

预防的目标是避免疾病在高危人群中发展。分析临床风险指数并且与医护人员及早、及时沟通是非常重要的。在衣服中安装用于医护监控方面的传感器把智能纺织品的发展引入到一个新的的领域，它可以减少新生儿猝死（指一周岁以下的婴儿不明原因的死亡），降低老年人因摔落造成的伤亡，提高患有老年痴呆等精神疾病人群的生活质量，监测术后恢复情况。生物反馈技术是一项有着重要治疗意义的技术，它指人们学会有意识的控制一些下意识的生物反应，比如说心率、脑电波和肌肉收缩。这些参数被电子元件记录下来以后，以视觉、听觉或者触觉的方式告知穿衣者。常见的有“嘟嘟”的警报声，比较直观的图表，或者直接显示在电脑屏幕上，以确保穿衣者能及时知道状况。目前经常用到的是智能护膝，如果在运动过程中对膝关节施加了过大的压力可能会恶化损伤的话，护膝就会鸣笛以提醒佩带者。这种护膝的传感器装在一小块夹层里，穿的时候要把这片区域压在膝盖骨上。

3.3 治疗

这一步主要是对症下药，以及根据具体的情况对病人实施整形手术。

4 智能纺织品的功能［4］

智能纺织品在医疗保健方面的作用基本上可以归纳为感应器，执行器和传输器。虽然智能纺织品应该同时具备以上三种功能，但是当今试验用或者商业用的智能纺织品主要还是被用做“感应器”和“传输器”，或者是“感应器”和“数据存储器”。它们需要合适的材料和结构，定期维护，耐穿和舒适。镶嵌在织物中具有特殊性质的智能元件能够对不同的身体信号做出反应。事实上，它们已经被应用到很多领域监测生理指标或存储数据以便分析。

4.1 感应器

感应器可以用神经元系统感知信号，根据所采集的信号不同，可以分为生理信号感应器和生物机能信号感应器。生理信号主要是给医护人员提供提供病人的信息，包括心率、呼吸频率、体温、皮肤表面电流反应和皮肤PH值。心率是是否健康的一个基本信号，目前已经发明了几种方法把心率感应器安装到纺织品中。例如，智能衬衫可以根据已经掌握的病情，有针对性地、持续地监测病人的生理指标。这种衬衣含有特殊的感应器和内部数据传输系统，不仅监测重要的生命体征，而且为系统的控制它们提供了依据和方法。这对于掌握病人在康复中和康复后的情况非常重要。

生理机能信号有许多种，包括关节运动、身体和脚的压力等等。身体运动方面的信息对于监测摔倒、确定运动类型、康复情况及运动功效性等情况非常重要。一些具有良好弹性、舒适性和高电敏系数的传导性高分子织物经常被用来制作这种智能纺织品。

压力检测对于防止褥疮和疤痕形成非常重要。具体方法就是在床垫上铺上一层“智能褥子”，它的两边都各编织一排压力传导电子元件，每一对相对的传导器构成一个电极，当“褥子”上的压力变化时，产生的电流也随之发生变化。随着技术产品越来越便宜，制作这种智能织物的可能性也越来越大。在这个过程中还会用到一种“量子通道复合物”（也叫QTC Quantum Tunneling Composite），在正常状态下，它是绝缘体，当有压力作用时，它就变成了象金属一样的导体，这种对压力的敏感的材料可以被应用到很多纺织品加工制造过程中。

4.2 执行机构

执行器在数据被处理之后，对感应器的脉冲信号做出反应，它可以释放一些物质、鸣笛、加热、降温或者有其他功能。机械执行器可以让纤维在织物中移动，改变性质，比如绝热性、渗透性等［5］。一种更大胆的设想就是制造出一种具有肌肉性质的纤维，当这种纤维织造进衣服的时候，就好像是第二层皮肤，可以对人们的行动提供帮助甚至可以代替进行某些动作。这种纤维能够预制许多程序，所以几乎任何动作都可以完成，并且可以在极低的电压下工作。目前主要用到的是有记忆功能的材料，它可以把热能转换为动作，当传输给它一个温度值时，它就可以根据预设程序作出相应的动作。目前已经有的机械执行器，不但可以对热能做出反应，还可以对化学物质，身体脉冲做出反应。所谓的“反应”有三种表现方式，即作用力、电流刺激和提供药品。

例如，现在有一种用电敏材料制成的执行器接到指令后就可以产生很大的力量，有时候比肌肉产生的力量都大。如果把这种执行器置入到前面提到的根据压力产生电流的“智能褥子”中，就可以“推”一下病人，很好的预防褥疮。碳纳米管有着卓越的机械和电子性能，如果能把它应用到制作执行器的领域，相信前景更加广阔［6］。

从药理角度来看，如果能将合适的药量通过通过皮肤渗透让病人慢慢吸收将会大大减少副作用和病人的痛苦。所以，一种能够编织进衣物，适时适量的释放物质的智能纤维被广泛应用。这个过程比较复杂，一般会用到一种微型胶囊。例如甘油酸酯微型胶囊和丝绸蛋白雾化剂就可以被放置到绷带和袜子中。由于这种纺织材料直接与皮肤接触，所以不但要有医疗功效，而且要舒适，最好有一种皮肤的感觉。这种智能纺织品还可以释放一定的化学物质来治疗肌肉疼痛和严重的损伤。

4.3 传输器

根据发射器和接收器的不同，传输器可以分为以下几种：电子元件之间的信息传输，这种情况发生在纺织品内部；纺织品和使用者之间的信息传输；纺织品和远程信息存储中心之间的信息联系，这种情况需要使用发射器［7］。

信息交流主要是通过光纤、传导纤维和超细电线得以实现。它们都具有纺织品的性质，并且可以被无缝织入到纺织品中，起到在穿衣者和智能衣服之间的传递信息的作用。搜集的信息经中央监控系统数据处理，将生理信号“翻译”成简单的图文格式，显示在一种“光纤可弯曲屏幕”上。这种屏幕可以完全织入纺织品，提供详尽的信息，制作材料和可弯曲键盘比较类似。

智能衣物与外界的信息传输也非常重要。因为许多穿衣者都是疾病高危人群，需要快速的紧急救助，所以无线传输也是很有必要的，这需要在纺织材料中安装可以双向传输数据小天线，这是一块需要大力研发的新兴领域［8］。

下面简要描述一下智能衬衣工作流程：通过传导纤维感应器收集生理信号和人体动作信息等模拟信号，再通过编织进纺织品的传导纤维网传送到放在口袋里的处理器，处理器把模拟信号转换成数字信号，通过接收器传送到信息中心，在这里，信息被收集，显示，分析和存储。

5 结论

本文介绍了智能纺织品的特点，材料以及它的工作流程。从具体应用的角度，初步揭开了它神秘的面纱。智能纺织品在医疗保健领域为提高人们的生活质量起到了非常重要的作用。它可以降低医疗成本，象一个“贴身护工”一样给予病人持久、细致、精确地关注，并且及时与医生沟通甚至像“医生”一样适当的用药。如果它能够广泛正确的使用，将会大大造福人类。从长远看，它蕴藏着无限可能，发展前景将大大超出我们的想象。当然，除了医疗保健领域以外，智能纺织品还可以应用到其他很多方面。以高科技为纽带，各大领域协同合作，将会把我们的生活带入到一个新的纪元。

［1］侯翠芳.智能调温立体结构机织物设计［J］.棉纺织技术，2010，（9）：36—38.

［2］邵强，齐鲁.智能纤维及其纺织品的开发现状与展望［J］.棉纺织技术，2007，（10）：61—64.

［3］黄鹤，严灏景.智能纺织品［J］.上海毛麻科技，2005，（4）：8—11.

［4］陶肖明.交互式织物和智能纺织品［C］／／2006，中国科协年会：111—123.

［5］党桂花，祝迅，李青山，等.智能纤维织物的研究和发展［J］.黑龙江纺织，2003，（3）：9—11.

［6］万震，王炜，谢均.光敏变色材料及其在纺织品上的应用［J］.针织工业，2003，（6）：87—89.

［7］李春暖.变色纤维的开发与应用［J］.四川丝绸，2006，（2）：25—27.

［8］王运利，刘夺奎，张莹.智能纺织品及其在不同领域中的应用［J］.染整技术，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 帅（1978—），女，山东青岛人，工程师。