浅析高科技电子织物在医疗保健领域的作用

李娟娟，高文友

（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；3.潍坊光电创新创业服务中心，山东 潍坊261062）

众所周知，在医疗保健领域早期干预是预防疾病、挽救生命的重要手段。由于早期干预的医疗成本非常昂贵，所以“智能服装”逐渐步入人们视线。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，因此可以让很多人群受益，发展前景非常广阔。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，同时兼顾时尚和方便。这类纺织品是由新一代纤维制成，不同于普通的机织或针织产品，也叫功能性织物。医疗保健领域需使用大量的药物保健性纺织品，是纺织行业尤其是尖端高附加值的纺织品的一个重要的增长领域。

目前已经生产出一种带有传导纤维，能把感应信号发送到一个发射器的智能服装。这类“衣物”能与因特网相连，可以记录、分析、存储、发射以及显示生理数据，掌握穿衣者的健康状态，还可以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。当前“智能服装”这一概念逐步出现在服装和时尚饰品中。现代科技已经能用织物纤维制造出整个电子回路，可以传送数据和能量，又被称之为电子纤维。随着对服装、织物的功能性需求不断增加，电子纤维在智能服装中的应用随处可见，步数计、绑胸心跳带和“头上型”电脑等高科技智能织物都使用到了电子纤维。

电子纤维分成两大类，第一类纤维与传统电子元件配合使用，例如导线、集成电路、LED和镶嵌在服装中的传统电池。这类电子纤维是最常见的。第二类电子纤维是将晶体管、二极管和太阳能电池等现代电子元件直接织造到织物中，所以也叫纤维电子件。电子纤维被应用到医用织物，可以监测病人的体温、心率和血压。现在有一种有监视器功能的服装，能准确监测出穿着者的各项物理指标和位置，并把数据传输到信息中心。例如，在衣服的腋窝位置安装温度传感器，温度读数可以显示在一块带在手腕上的数字屏幕上。

1 智能纺织品的材料

1.1 传导纤维简介

当代科技已经研制出传导纤维，并广泛应用于装饰性产品、声控交流以及数据信号传输等方面。下面我们来详细看一下它们的最佳用途。我们首先来看一下欧旦纱，也叫柯根纱，多覆盖于丝绸的表面。经纱是平纹丝绸，纬纱是丝绸缠绕在细铜箔上，这种带有金属的织物就好像用胶布包裹的导线一样，传导性非常强。丝绸有很强的张力，因此这种传导纤维可以承载与机器摩擦产生的高温。纤维之间的空隙可以把织物分成一条一条的，每一条都是一根“电缆”。

1.2 传导纤维制造过程

原材料中用一卷宽50cm，厚度为0.001cm铝箔，两面涂有热塑粘合剂。铝箔加热至90～95℃后，将一片透明醋酸丁酸盐纤维素膜在13790kPa的压力下压塑到铝箔两面，压榨好的铝箔被切割成需要的尺寸。热塑粘合剂的作用很重要，能直接影响铝箔颜色。如需要金色铝箔，就可以把金黄色的染料涂到热塑粘合剂上。如果需要银色的铝箔就不需要处理了，因为铝箔本身就是银色的。如果需要黄铜色、红色和靛蓝色，只需把相应的染料涂到铝箔上即可。如果我们需要多种颜色混合在一起的铝箔，就可以将图案事先印制在纤维素膜上，然后压榨到铝箔上。切割工艺主要包括两种，粗切和精切。

金属纤维一般宽约0.2～3.2mm。它们表面光滑，可以染色，特点是传导性强，质量轻，防静电以及不易折断，图1为金属纤维示意图。

图1 金属纤维

2 智能纺织品在医疗保健方面的应用

根据穿衣者与镶嵌在纺织品中的感应器互动的程度，智能纺织品在医疗方面的应用可分为“疾病管理”和“远程监控”。

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。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。

2.1 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。生理信号即病人的信息，包括心率、呼吸频率、体温、皮肤表面电流反应和皮肤pH值。其中心率是健康方面的一个基本信号。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，而且为系统的控制提供了依据和方法。这对于掌握病人情况非常重要。类似的产品还有一款适合女性穿的智能小背心，它将感应器编织到莱卡小背心的胸部和腹部位置。它可以收集、分析和报告穿衣者的肺部、心脏和动作方面的信息，并且与血压、血液容氧率、身体内部核心温度、皮肤表面温度等其它信息相联系。还有一种智能西服，可以长期同时监测穿衣者的心跳和呼吸。其“呼吸检测带”内编织入呼吸感应器和不锈钢纤维。编织到织物中的热电偶和热敏感应器可以测量体温。装在袖子部位的感应器可以测量皮肤电流反应，也就是GSR（Galvanic Skin Response），它通过测量最大出汗量的开始、高峰和恢复时间来确定皮肤汗液蒸发损失的热量。皮肤的pH值和许多皮肤疾病有关系，可以通过pH值感应复合纤维来测量。

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。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，有时候甚至大于肌肉产生的力量。如果把这种执行器置入到根据压力产生电流的“智能褥子”中，就可以“推动”病人，很好地预防褥疮。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，这种对压力的敏感材料可以被应用到很多纺织结构中，比如针织布，织造布，非织造布等。还有一种类似的对压力比较敏感的纺织材料叫做“Elektex”。纤维变形渲染感应器也叫FBG（Fiber Brag Grafting）是一种监测变形的感应器，也经常被应用到智能纺织品的制造中。

2.2 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改变绝热性、渗透性等性质。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人进行某些动作。这种纤维能够预制许多程序，所以几乎可以完成任何动作。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，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。

电流刺激是指通过电流脉冲刺激肌肉，这是一个非常复杂的生理过程。导电纤维可以把电子脉冲信号传递到身体的任何部位。

从药理角度来说，静脉注射是效果比较明显的方法，但是对病人来说，它的缺点是具有疼痛感。如果能够按照预设程序，将合适的药量通过皮肤渗透让病人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，适时适量地释放物质的智能纤维被广泛应用。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，所以不但要求有医疗功效，而且要尽量像皮肤一样舒适。

2.3 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，这些情况就需要使用发射器。任何一种信息传输方式所用到的纺织品都必须舒适，耐穿，易于打理。

信息交流主要是通过光纤、传导纤维和超细纤维得以实现。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。在穿衣者和智能衣服之间的信息传输对于发送指令是至关重要的。更详尽的信息由中央监控系统提供，它就好像一款翻译软件，能够将从智能纺织品搜集到的生理信号转换成简单的图文格式，缺点是它不能够在智能纺织品上显示出来。法国电信（France Telecom）研发了一种“光纤可弯曲屏幕”把智能纺织品和穿衣者之间的信息交流提升到一个最高境界，这种屏幕可以完全织入纺织品，提供详尽的信息。这种屏幕的制作材料与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，一般通过无线方式传输信息。这需要在纺织材料中安装小天线，目前美国东云公司（East－miacs）和根特大学研发出一种能够进行无线传输和双向传输的智能纺织材料，它能同时以60K／s的速度双向传输数据。由超级电容纤维制成的纤维电池也被研制出来。智能衬衣工作流程为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，收集，显示，分析和存储。

3 结论

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、精确的关注，并且及时与医生沟通甚至像“医生”一样适当用药。如果它能够广泛地使用，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。

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