Телемедицина. "Умная" одежда

Актуаторы на основе гелей

Полимерные гели во многом отличаются от твердых материалов. Полимерные цепи в геле связаны химическими  или физическими поперечными  связями и образуют 3D-сетку. Гель в определенном растворителе набухает. При этом даже при низкой концентрации полимера гидрогель «держит» форму.

При определенной критической  точке гель может выполнять роль актуатора, проявляя свойства твердого материала или как мягкая «бесформенная амеба». Кроме того, гели могут, как актуаторы, принимать различную форму, симметрично или несимметрично деформироваться в зависимости от структуры, в которой они используются.

Существует широкий круг импульсов (спусковых механизмов), вызывающих деформацию гелей.

Химические импульсы: рН (окисление, восстановление, redox), смена растворителя, изменение ионной силы.

Физические импульсы: свет, температура, механическое давление, магнитное  поле, электрическое поле, микроволновое  поле.

На практике гель инкорпорируют  в волокно или в сам текстиль, что придает текстилю свойства «открываться»  или «закрываться» под действием  импульсов, это позволяет использовать текстиль как актуаторы различного типа, например, пряжа, содержащая гель в сердцевине, с Z или S круткой ведет себя как «живой» объект, т. е. при контакте с телом происходит локальное натяжение – это напоминает поведение мускулов (искусственные мускулы).

Термические (тепловые) актуаторы . Защита от перегрева/охлаждения

Термические (тепловые) актуаторы могут иметь разный уровень активности. Регулирование баланса тепло/холод (климат-контроль) обеспечивает высокий уровень постоянной температуры в пододежном пространстве. Материал со способностью супервысокой абсорбцией тепла будет поддерживать внутри костюма комфортную температуру.

Химические актуаторы

Химические актуаторы реализуются с помощью специальных химических веществ. В определенных условиях эти химикаты заключают в специальные контейнеры или химически связывают с полимером волокна. Покрытием «контейнера» или химической связью регулируют скорость высвобождения химикатов. «Контейнеры» в виде циклодекстрина или микро- и нанокапсул вводятся в волокно, текстиль.

Текстиль, способный высвобождать химические вещества, уже освоен на коммерческом уровне: продукты ухода  за кожей, бактерициды, лекарства и  др. Однако, активный контроль за высвобождением пока до конца не достигнут.

В качестве внешнего импульса для высвобождения химиката используют температуру, рН, влажность и другие параметры.

Области использования очень  широкие: косметика, медицина (адресная доставка лекарств) и т.д.

Электрические актуаторы

Электростимуляция активирует мускулы с помощью электрического импульса (как в природе). Электропроводящий  текстиль используют для действия электрического импульса в любой части тела. Исследования фокусируются на физиологическом эффекте  стимуляции, как, например, сокращение мышц, чувствительности кожи и т.д. Активный контроль мышц – это контроль за движением человека, который определяет жизнедеятельность и выживание в критические моменты. Для больших успехов в этом направлении необходимы детальные знания (интимные механизмы) функционирования мышц: как работают разные мышцы, время сокращения, размах (вилка) сокращений, позиция, сигналы, контрольные модели и др. Все эти исследования из области когнитивных технологий пока на старте.

Полимеры, реагирующие на Рh

В 1950 г. (W.Kuhn, A.Katchelsky) получили волокна, способные сокращаться при изменении рН. Но, к сожалению, скорость сокращения была низкая (несколько минут). Дальнейшие работы позволили сократить время до нескольких секунд и даже до 1/10 секунды, что близко к возможностям «живых» мускулов.

Позже искусственные мускулы  были получены с использованием акрилового волокна Орлон, сокращающегося при подкислении (20% и более сокращения за 0,2 сек; быстрее чем мышцы человека). При этом сохраняется прочность (способны удерживать 4 кг/см², это сильнее мышц человека).

Материалы с «памятью формы»

Материалы с «памятью формы» способны реагировать на изменение  температуры. Впервые это свойство обнаружено у сплавов металлов, а  затем и у полимеров. Последние  дешевле, демонстрируют низкий уровень  деформации, хорошую прочность и  стабильность. К тому же реакцию  полимеров на температуру легко  модифицировать: с одним типом (набором) мономеров можно получать материалы  с широким интервалом температуры  «памяти формы».

Энергия

Для создания «умных» активных материалов (текстиль, одежда) не достаточно сенсоров и актуаторов, необходимо автономно генерировать, сохранять и использовать энергию, прежде всего, электрическую для работы сенсоров, актуации, работы процессора, для связи (коммуникации) с внешним миром. Источником энергии могут быть тепло тела, механика движения (деформация ткани, одежды при ходьбе, движении ног, рук), радиация и др.

Используют трансформации  разницы температуры тела и окружающей среды в электрическую энергию (термогенератор, тепловой насос). Этот принцип известнее как Seeback-эффект.

Можно также использовать солнечную энергию и создавать  гибкие солнечные панели на поверхности  текстиля.

Хранение энергии (батарейки) – важный элемент «умного» текстиля, они должны быть маленькими, легкими и долговечными.

Связь (коммуникация)

Для «умного» текстиля коммуникационность имеет много функций и может  быть использована, по крайней мере, в четырех направлениях:

• связь с одним из элементов одежды;
• связь между пользователем и одеждой для получения инструкций от внешнего устройства;
• связь между различными элементами одежды;
• связь между одеждой и пользователем или окружающей средой для передачи информации или получения инструкций.

Внутри одежды связь реализуется  с помощью оптоволокон, токопроводящей пряжи или обычной тонкой электропроволоки. В любом случае эти материалы должны быть способными монтироваться в текстиль, не изменять его внешний вид и не ухудшать его основные исходные свойства. Связь с пользователем одежды важна, когда пользователь хочет получать информацию с помощью разных технологий.

Для создания гибкой сетки  текстиля используют оптоволокна. Такая  текстильная сетка имеет свойства гибкого дисплея, изменяя цвет. Для  увеличения разрешающей способности  такого экрана используют различные  оптоволокна в одной сетке.

Текстиль чувствительный к давлению тоже может играть роль связующего, выполняя определенные команды. Этот принцип использован в коммерческих «мягких» телефонах или складной клавиатуре компьютера.

Коммуникация (связь) пользователя через «умную» одежду с внешней  средой очень важна в случае телекоммуникационной медицины. Особенно важна для хронических  больных связь в случае рисковых ситуаций. То же самое – во время  боя. Здесь требуется беспроводная связь, а для этого необходимо встроить в одежду антенну, под которую  можно использовать большую площадь  текстиля одежды.

Интерактивный текстиль был создан еще в 2002 году фирмой Phillips вместе с другими компаниями.

Активные системы климат-контроля

Электропроводящий текстиль и волокна чувствительны к  электрическому сигналу и поэтому  могут быть использованы как нагревательный элемент. Охлаждение – более сложная  проблема. «Апполо» разработало охлаждающую майку для космонавтов. Тонкие охлаждающие трубки вмонтированы в жакет. Охлаждающая жидкость через центральную охладительную систему (Peltier) циркулирует через эти трубки.

Полуактивное тепловое регулирование  может быть произведено с помощью  микрокапсул, заполненных воском, имеющим  точку плавления близкую к  необходимой (целевой) температуре (материалы  с «памятью формы»).

Адаптивная теплоизоляция

В конце 1990 г. Rns TG (Defense Clothing and Textile Agency, Colchester UK) начали исследования по использованию материалов с «памятью формы» (сплавы металлов) для защиты от перегрева (реактивная защита от перегрева и пламени). Были использованы пружины из сплава никеля и титана (Nitinol). При комнатной температуре пружинки будут сжаты, а с повышением температуры сжатые пружинки распрямляются. Система состоит из двух отдельных слоев, в которых в хлопковую ткань (полоски) в один из слоев вмонтированы пружинки. Пружинки имеют коническую форму 25 мм диаметра. Пружинки между слоями при раскрытии раздвигают слои и увеличивают объем воздуха, который является хорошим теплоизолятором. Пружинки выполняют только одну функцию: при охлаждении они не возвращаются в исходную сжатую форму, для этого требуется механическое действие. В зависимости от вида пружинки (силы) можно достигать различный уровень теплоизоляции.

Позднее эта же фирма разработала  вентиляцию пододежного пространства одежды солдат. Этот текстиль имитировал (биомиметика) поведение сосновой шишки, которая остается закрытой во влажном воздухе и раскрывается в сухой атмосфере. По этому подобию создают трикотажную структуру с полимерным покрытием, имеющим высокий коэффициент растяжения. Дырочки U-образной формы образуются в текстиле. Капилляры образуются (открываются), когда покрытие натягивается за счет повышения влажности, и закрываются снова, когда покрытие приходит к исходному состоянию (внутренняя влажность падает – человек перестал потеть).

Материалы, изменяющие фазу (PCMs)

Концепция микрокапсулирования PCMs была развита NASA в конце 70-х годов и начале 80-х ХХ века. Задача была – защитить точные приборы от действия больших колебаний температуры в космосе. NASA опубликовала к тому времени книгу «Phase change materials Hanelbook» (1971 г.), где указывалось более 500 видов таких веществ, способных изменять фазовое состояние при изменении температуры и поглощать тепло. PCMs способны изменять фазовое состояние в определенном интервале температур. Латентная скрытая тепловая энергия, выделяемая (поглощаемая) при фазовом переходе между жидким и твердым состояниями примерно в 200 раз больше, чем при нагреве/охлаждении равного по массе материала.

Вода не годится как  PCMs, так как фазовый переход при 0°С (далека от температуры тела), и молекулы воды очень маленькие и будут проникать (мигрировать) через стенки капсулы. Для защитного текстиля используют парафиновый воск (смесь разных углеводородов с различной длиной углеродной цепи: С₁₈Н₃₈, С₂₀Н₄₂, нонодекан С₁₉Н₄₀, октадекан С₁₈Н₄₄), фазовый переход которого близок к температуре тела. Капсулы с парафином инкорпорируют в текстиль, покрытием из полимера фиксируют капсулы.

Защита от ударов

Ситуация возникает в  различных случаях: попадание предмета (кирпич с крыши), пули, осколки, ударная  волна, нападение человека и т. д. В каждом случае требуются разные решения.

Защита от пуль (в общем  виде) наиболее простая задача, которую  можно решить пассивной защитой.

Реальный активный защитный костюм должен превентивно обнаруживать риск «удара», «нападения» и реагировать  на него. Детекция при падении человека должна быть простой и быстрой. При ударе предметом задача более сложная.

Защитный костюм должен предупреждать  об опасностях, защищать тело в опасных  местах (жесткость при импульсе), оказывать лечебное действие, вызывать помощь и т. д. (мотоциклисты, коники).

4. ТЕЛЕМЕДИЦИНА. УМНЫЙ ИНТЕРАКТИВНЫЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕКСТИЛЬ 

 

  

В последние 10-15 лет одним из важнейших  направлений в мировом здравоохранении, в медицине, в профилактике заболеваний  стала телемедицина, основной задачей  которой являются экспресс-методы сбора данных о состоянии организма больного, диагностика, оказание первой медицинской помощи, реабилитация. Использование телемедицины существенно уменьшает число рисков при заболевании, количество врачебных ошибок, позволяет сократить время пребывания больного в лечебном стационаре, повышает качество ухода и качество жизни хронических больных, позволяет перенести акцент с лечения на профилактику, уход, реабилитацию в домашних условиях.

Телемедицина начинает активно разрабатываться и применяться в развитых странах «золотого миллиарда» (США, Канада, Западная Европа, Япония), но, к сожалению, в зачаточном состоянии пребывает в России. Некоторые социально-экономические данные по официальной статистике в США (число смертельных случаев) показывают, что от грубых ошибок врачей страдает 1500 человек в год, а от неправильного лечения – 100 тысяч человек, что в сумме оценивается потерями в 80 миллиардов долларов США (смертельные случаи от врачебных ошибок в 8 раз превышает случаи смерти на дорогах, от рака и СПИДа).  В РФ по неофициальной статистике (Лига защиты пациентов) из-за врачебных ошибок умирает 150 тысяч наших граждан. Стоимость жизни одного гражданина РФ государством оценивается в 2 миллиона рублей. 

Мировой рынок медицинских услуг  составляет более 70 миллиардов долларов в год, из них на долю США приходится 45%, Западной Европы – 24%, Японии – 15%, других стран – 16%. Россия входит в другие страны, но персональная строка оборота  РФ в статистике отсутствует.  В США ежегодно на лечение астмы, депрессии и диабета затрачивается соответственно 5,1, 12,4 и 44 миллиарда долларов США.  ТМ как новое социально-научное практическое явление породило новую номенклатуру медицинских дисциплин, понятий и терминов: «электронное здоровье», «телездоровье», «телеуход», «теледиагностика», «телемониторинг» и другие. Все эти термины и понятия, стоящие за ними, тесно связаны с использованием современных видов телекоммуникаций и электроники.  Наиболее часто применяется термин «телемедицина», поэтому будем использовать его. [2]