热疗纺织品热性能测试评价及传热机制研究进展

来源:用户上传      作者:钱江瑞 蔡彦 杨允出 任姗姗 陈怡充

　　摘 要：针对目前热疗纺织品的实际应用、疗效评价、使用安全性及热舒适性等问题，总结了具有热敷、热疗及其他保健作用的可穿戴产品的研究、应用及发展现状。首先，将热疗产品分为电加热、红外线发热两类，分析现阶段热疗纺织品的热性能测试及治疗疗效评估方法，分别从人体热生理实验、动物实验优缺点来阐述不同实验方法对热性能预测的影响。然后，通过可穿戴式热疗产品传热机制的研究，阐述了皮肤传热模型与纺织品传热模型的研究现状，总结了有限元模拟在人体皮肤组织及纺织品热传递研究中的应用。最后，指出在未来的研究中，应全面准确地模拟人体生物组织与纺织品的热传递系统，建立可穿戴热疗纺织品的热舒适性及治疗安全性测评标准。
　　关键词：热疗纺织品;性能测评;传热模型;有限元
　　Abstract：From the perspectives of practical application， efficacy evaluation， use safety and thermal comfort of thermotherapy textiles， the research， application and development status of wearable products with functions of hot compress， thermal therapy and other health effects are overviewed. Firstly， thermal therapy products are classified into two types： electric heating and infrared heating， and analysis is made on the current methods of thermal performance test and curative effect evaluation of thermal therapy textiles， andthe impact of different experimental methods on thermal performance prediction are expounded from the advantages and disadvantages of human thermal physiological experiments and animal experiments respectively. Secondly， based on the study of the heat transfer mechanism of wearable thermotherapy textiles， the research status of skin heat transfer model and textile heat transfer model was elaborated， and the application of finite element simulation in human skin tissue and textile heat transfer research was overviewed. Finally， it is pointed out that it should be done to fully and accurately simulate the heat transfer system of human skin and textiles， and establish the evaluation criteria on thermal comfort and treatment safety of wearable thermotherapy textiles.
　　Key words：thermotherapy textiles; performance evaluation; heat transfer model; finite element
　　生活節奏的加快及不断增大的精神压力使很多人身体处于亚健康的状态，市场上医疗保健设备的需求量也随之增加，具有广阔的发展前景。在国际上，一般认为可穿戴医疗设备具有可交互性、便携性、可持续性、安全稳定性、可移动性（可穿戴性）等基本特点[1]。可穿戴热疗装备是可穿戴医疗设备中的重要组成部分，是指可以直接穿戴在身上的便携式医疗或健康电子设备，通过某种发热技术发热，使之在应用程序的辅助下监测、分析、调控、干预或维护人体健康状态，甚至进行疾病治疗。热疗技术不仅能为有生理理疗复健需求的患者、有腿部或腹部保暖需求的女性提供治疗，甚至可摧毁肿瘤细胞。人体的肿瘤细胞在接受30～60 min，42～43 ℃的热作用时，细胞就会产生变形、坏死[2]。这样的温度却对正常细胞组织伤害轻微。治疗的有效性和使用的便捷性，使得可穿戴热疗装备受到了国内外学者的广泛关注，必将成为解决人类健康的一次革命性突破。Couto等[3]设计了嵌入电发热元件的手套，测试结果表明该手套可以有效缓解血管痉挛等症状。胡帆[4]设计一款集加热和艾灸保健的便携式护膝，能有效缓解患者的疼痛感。贾得巍[5]设计了一款基于微波辐射加热的可穿戴式装备用于实现高效全身热疗，杀死肿瘤细胞。
　　然而，目前市场上用于热疗保健的可穿戴产品性能品质不一，传热效果及温控技术均有待提高，治疗效果也未能达到医用标准，存在较大的发展及改善空间。因此，本文结合可穿戴式热疗产品研究及发展现状，对比分析其使用功能差异性及局限性;阐述了热疗纺织品性能测试、疗效评估方法、传热模型研究现状;并总结了有限元模拟在人体皮肤组织及纺织品热传递研究中的应用。
　　1 热疗纺织品品类及主要功能
　　目前各类以热敷、保健、甚至以消灭肿瘤细胞为治疗目的可穿戴式热疗产品已逐渐出现在人们的视野及生活中。以下为近年来国内外学者开发及研制的电发热或远红外发热产品案例及功能现状。 　　1.1 电发热
　　电发热纺织品由于其工艺简单、加工方便、发热效率高、温度可控易调节，近年来得到长足的发展，在医疗保健领域的用途颇多，为一些风湿、关节炎患者及血液循环不佳者提供热疗，如表1所示。目前国内市场上的电发热纺织品主要针对的治疗部位有：肩部、腰部、足部关节、手、眼部等。
　　1.2 远红外辐射发热
　　人体皮肤发射的远红外线波长约为10 μm，其中5.6～15 μm占50%以上，远红外纺织品吸收外界热量后辐射出的波长分布与人体皮肤发射的远红外线相似。因此，可以吸收人体的远红外热辐射，并部分反射到人体，以加速血液循环，达到保健、医疗的作用[10]。表2为目前市场上远红外辐射发热的主要产品，可提供腰部、腹部的热敷保健，缓解女性生理疼痛，缓解消化性溃疡及慢性胃炎所致的胃痛等。
　　1.3 其 他
　　为具有更好的疗效，可穿戴热疗纺织品多与中医药理知识相结合。陈军[14]采用艾菊药包结合护膝缠扎治疗，疗效显著，其中陈艾性温散寒止痛，野菊花性味苦寒清热解毒可缓解关节红肿，乳香、没药活血化瘀消肿止痛。戈秋平等[15]研制了医用免充电式蜡疗热敷眼罩，石蜡加热后具有温通经脉，舒经止痛，消肿散淤的功效，与热敷眼罩相结合能有效促进眼部组织血液流动，修复受损细胞以促进炎症的消退。陈罘杲[16]将热疗与磁疗相结合，研制了自发热保健拖鞋，在鞋垫上布有热敏发热材料、高能磁元，以促进血液微循环，达到减轻疲劳，预防疾病的目的，弥补了普通磁疗按摩拖鞋的不足。
　　2 热疗纺织品性能测试与评价
　　数学建模、假人实验、CFD仿真、有限元等方法均能较好地预测、评估实验对象的性能，但客观实验依然是目前测评可穿戴式热疗纺织品服用热性能、治疗有效性、使用安全性的重要手段，也是开展相关数值建模的基础。
　　2.1 热性能测试
　　电发热或远红外辐射发热的可穿戴热疗纺织品在使用前均需通过性能检测并符合行业内所规定的发热功能性评价标准。此外，热疗纺织品热性能的客观实验测试方法主要分为两个部分：人体热生理实验和动物实验。人体热生理实验是较为简单、便捷、可靠的方法，但实验结果的准确性受个人生理状态的影响较大。以动物作为客观实验的受试者能有效避免实验边界条件对人体的伤害，但动物的热生理反应始终与人类存在差異。
　　2.1.1 人体热生理实验
　　可穿戴式热疗纺织品的设计研发与测试评估均需要对人体热生理反应进行研究。人体温度场热量分布可用于医学诊断，还可用于指导人员进行热舒适及热应激评估。人体热生理实验是研究人体热反应常用的方法，测量的热生理参数包括皮肤温度、直肠温度、出汗量、代谢产量及心率等。Atanasov等[17]通过测试18～70岁的114名受试者，手指浸泡于2～14 ℃的水里2.5 min后，皮肤温度恢复到浸泡前温度的时间，分析环境温度对人体热调节的影响。Song等[18]在温度为8 ℃，风速为0.17 m/s的人工气候室中测试8名受试者头部、胸部、腹部、背部、胳膊、手、大腿、小腿等位置的皮肤温度及直肠温度，通过对比人体穿电加热和智能化学加热服时的皮肤温度与核心温度，以分析两类服装的热性能差异。Zhai等[19]将气候室内空气风速设置为7个等级（0.05～1.8 m/s），以问卷的方式获得不同风速条件下受试者的热舒适性评价指数，并结合皮肤温度、心电图和脑电图的测试结果，通过统计分析获得风速对人体热舒适度的影响因素。
　　2.1.2 动物实验
　　人体热生理实验可获得大量人体热生理参数，但存在个体差异大、实验重现性差和实验危险性大等缺点。因而，国内外学者多采用动物（小白鼠、离体猪肉等）进行实验测量。夏永莉[20]利用离体猪皮组织测量皮下约1cm深度的温度变化，得出灸时、灸距、艾灸数量与温度之间不存在简单的线性关系的结论，即艾灸对生物组织产生的热效应不可通过若干因素进行简单的相加或相乘来描述。穆志明[21]将新鲜离体猪肉作为研究对象，研究并建立其在近红外光连续刺激下的皮肤温度场分布模型，预测在体皮肤受激光照射时的温度场分布，对近红外激光器的实际痛觉刺激作用进行温度预判与损伤风险评估。夏永莉[20]利用健康大鼠和肾阳虚大鼠进行艾温和灸实验，测量在不同艾灸时间和距艾灸点距离下的大鼠皮肤组织温度变化。由于大鼠个体差异性、艾条定位误差、艾条不均匀等因素的存在，导致实验测量没有出现完全一致的结果，但总体的温度变化趋势符合理论模型的计算结果。
　　2.2 发热功能评价标准与评估
　　为确保电发热纺织品在使用过程中的用电安全性和发热性能，需从这两个方面进行测试、考核[22]。其中，电学安全性包括移动电源安全性（移动电源应符合GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》的要求）、电器安全性（产品的危险防护安全指标应符合GB 4706.1—2005《家用和类似用途电器的安全第一部分：通用要求》的规定要求）、电磁兼容性（应符合GB/T 17626—2-2006《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》和GB/T 17626.3—2006《电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验》所规定的电磁兼容性的要求）、电发热安全性（为避免温度过高导致伤人状况，最大温升建议不大于50 K）、特殊存放安全性（在发热区域加压5 kg非金属物，正常加热2 h后无异常）。发热性能包括温度控制器额定输入电压（应为DC5V）、温度控制器的输出电压（每一档电压的输入电压与额定输出功率的偏离不应大于±10%）、加热元件工作功率（正常加热状态下每一档的输入功率对额定输入功率的偏离不应大于±20%）、温度控制器短路保护性能（具有短路保护功能，短路消除后仍可正常启动）、温度控制器调温功能、最小温升（不应小于5 K）、低温工作性能（-20 ℃时仍能正常工作）、耐洗涤性能（5 A洗涤方法连续水洗30次后仍符合发热功能性的所有要求）、耐老化性能（经耐老化实验：温度85 ℃，相对湿度85%下老化72 h后恢复到室温后，发热功能正常）等功能性指标。 　　远红外辐射发热纺织品的测试评价主要包括：远红外波长、法向发射率、远红外发射率及远红外辐射温升测试。截止目前，中国已发布的纺织品远红外性能测试相关标准主要有3个：GB/T 18319—2001《纺织品红外蓄热保暖性的试验方法》，中国标准化协会标准CAS 115-2005《保健功能纺织品》，GB/T 30127—2013《纺织品远红外性能的检测和评价》。戈强胜等[23]指出，CAS 115—2005标准中远红外波长项目可作为纺织品发射远红外被人体吸收，但不适用于区分样品是否属于远红外纺织品;GB/T 30127—2013标准中远红外辐射温升测试可以合理表征远红外性能，但规定的判定指标过低，难以用于区分普通纺织品与远红外纺织品。建议对现行标准进行修订，利用法向发射率表征发射性能，远红外辐射温升表征吸收性能，提出更为合适的判定指标，以保障远红外纺织品市场健康发展。
　　2.3 热疗效果测试及评估
　　李延炜等[6]研制了便携式温控肩部理疗仪中药熏蒸，为评估理疗仪的治疗效果，对34例男性和26例中年人进行610个月的治疗及随访，记录患者VAS评分[24]和肩关节功能评分系统（Constant-murley system）CMS评分[25]。陈柏炜[26]测量并计算了体内含有EMT6乳腺肿瘤的小鼠在超声治疗后的肿瘤体积变化、瘤重变化、肿瘤抑制率。实验结果表明：低频低强度超声混合碳纳米管颗粒能够有效抑制EMT6肿瘤细胞的生长，抑制率为22.7%。贾得巍[5]将感染了黑色素瘤细胞的小鼠，随机分为全身热疗组、化疗组、对照组和联合治疗组（热疗+化疗）进行16 d的治疗，通过检测肿瘤组织中PCNA、Cyclin D1及ICAM-1的含量，并利用SPSS统计软件进行t检验、单因素方差分析、SNK检验等方法来评估热疗效果。结果表明，全身热疗能有效抑制小鼠黑色素肺转移的形成和发展。此外，H&E染色表示了肿瘤在组织中的发生及发展区域，在光镜下观察H&E染色的肺组织切片，也可用于评估热疗对肺肿瘤细胞转移抑制作用的疗效测试及评价。
　　3 热疗纺织品传热机制研究进展
　　3.1 生物组织传热研究
　　3.1.1 生物传热模型
　　1948年，Pennes根据人体小臂中的温度分布，提出了著名的Pennes生物傳热方程[27]。由于血液的流动伴随着热量的传递，对组织传热存在不可忽视的影响。因此该方程在固体热传导方程的基础上加入了血液灌注项，计算的是平均传热效果，是一种宏观的生物传热模型，如式（1）：
　　式中：T、Ta分别为生物组织、动脉温度;t为时间;ρ、k分别为生物组织的密度和导热率;c、cb分别为生物组织与血液的比热容;ωb为组织血液灌注率。
　　然而，该方程中的灌注项与实际情况中血流和周围组织之间的热平衡过程存在一定偏差。Wulff等[28]将人体组织看作多孔介质，利用体积平均血流率的Dacy定律导出血流项。Wissler[29]同时考虑热平衡、物质平衡（血液流动的连续性和产热化学反应中的热平衡），使得模型更加周密。张艳婷等[30]根据生物组织解剖结构提出更贴合实际的血管传热模型（皮肤-肌肉复合层三层传热模型），简称W-J方程，如式（2）：
　　当血管直径在50～200 μm和血流较快时，该模型比Pennes方程精确。但是W-J模型是针对数量较少且直径相对较大的血管而建立的，模型建立时需假设组织中仅有一对主要的动静脉，且无其他具有热重要性的血管。人体生物组织的复杂性，使得人们并不知道身体的哪些部位满足这一条件，在使用时存在一定的局限性。因此，在生物组织传热领域的研究与应用中，Pennes方程依旧是迄今为止最为合适的传热模型，且已在肿瘤激光热疗、低温外科、烧伤烫伤等临床热科学中大显身手。
　　3.1.2 皮肤组织的热传递模拟
　　人体皮肤组织热传递的研究方法包括数学建模、暖体假人实验、CFD仿真及有限元模拟等。现今国内外学者多用有限元软件对人体生物组织或纺织品组合体进行模拟、预测、分析。有限元分析方法是通过利用每一个单元内假设近似函数来表达未知函数。无需建立实体模型即可进行多种分析（热学分析、力学分析、流体分析或耦合情况等），在保证分析方法高效、结果精确的同时大大降低了建模的成本。
　　钱盛友等[31]利用生物传热方程求解超声热疗中组织内部的温度分布状况，研究声源参数（换能器半径、超声频率）及生物组织特性参数（衰减系数、热传导系数、血流率）对治疗区升温速度的影响。赵艳哲等[32]采用Pennes生物传热方程，借助Fluent有限元软件，模拟皮肤组织在液氮冷冻条件下的温度变化，为色斑、疱疹、血管瘤等皮肤疾病的低温液氮冷冻治疗过程中的精确控温提供参考。Fu[33]在Simth[34]的模型（三维人体模型包括大脑、腹部、肺部、骨骼、肌肉、脂肪、皮肤、血管及呼吸道）基础上，建立3D人体皮肤的热反应模型，研究并分析了服装层之间空气层对热传递及皮肤温度场分布的影响。朱晓明[35]建立了皮肤组织有限元模型，模拟皮肤组织在100℃烧伤情况下的温度场变化情况，发现热源对皮肤组织的作用具有一定的延时性。
　　在相同的环境条件下，人体热生理反应和热舒适性受人体部位差异的影响较大。因此，国内外学者对人体热反应的研究不仅局限于整体，而进一步细化到各组织部位，从而为局部热疗产品或个体防护装备的测试与研发提供技术指导与数据支撑。陈丽等[36]结合Pennes方程和W-J方程，基于解剖学结构建立人体手臂的3D热传递数值模型，模拟分析稳态条件下的生物组织体内温度场分布特征，着重探究组织内血液流速、代谢产热量、环境温度及对流换热系数对生物组织热传递的影响。研究结果表明，血液灌注率对保持体温稳定具有重要作用。朱彬[37]利用有限元方法建立了人体小腿部位的2D传热数值模型，研究其骨骼层、内部肌肉层、外部肌肉层及皮肤层的传热量区别，认为平行逆流血管在人体组织传热过程起着重要作用。 　　3.2 纺织品热传递研究
　　国内外学者对纺织品热传递模型的研究主要可分类为单层和多层模型。早在1996年Gibson等[38]在高温条件下提出了单层多孔介质传热传质模型。Ghazy等[39]将热传导及比热系数替换成经验公式，引入到单层织物传热模型中，进行了高温条件下的热传递模拟，结果显示过程具有更高的拟合度。在单层模型的基础上，Mell等[40]提出了多层面料层与层之间的传热模型。考虑到层与层之间的空气层厚度对织物系统的热传递过程有一定的影响，一些学者[41-43]研究了纺织品和空气层的热传递模型。纺织品在热传递过程中往往伴随着水传递，考虑到水及空气层的影响，Lawson等[44]和Ghazy等[45]分别建立了多层织物热湿传递模型和织物中含多层空气层的多层织物热传递模型。
　　近年来，纺织品热传递的数值模拟始终是一个热点问题。孙玉钗等[46-48]利用有限元软件揭示了动态热量传递过程中棉织物横截面任意位置、任意时刻温度分布情况。2011年，Couto等[3]建立几何仿真模型来研究面料组成及发热丝数量分布对电热登山手套传热性能的影响。2015年，Fan等[49]利用数值模拟法研究仿生织物（三层分支结构）的稳态热传递性能，赋予织物不同的热通量以预测其有效导热系数。2016年，Puszkarz等[50]建立了不同织物的三维模型，包括双层针织物，模拟出的温度梯度变化与实验结果吻合度较好，指出有限元法的应用可以补充真正的材料试验，预测新设计的纺织品的热性能。同年，吴佳佳等[51]利用ABAQUS对织物系统模型的热传递过程进行模拟，并提取织物外表面的温度计算织物系统的总热阻。2018年，陈扬等[52]对加热片与织物组合体的稳态热传递进行模拟，分析不同织物、不同加热片和不同空气层厚度等条件下模型内部与外表面的温度分布特征，并与实验测试结果有良好的吻合度。
　　4 结 语
　　目前可穿戴式热疗纺织品的热性能及疗效测试评估尚不完善，发热功能评价标准仅限于少量特殊功能纺织品（红外、电热纺织品），且判定指标不一。热疗疗效测试及评估尚无形成规范的评估指标及标准文件，各类测评标准层出不穷。为保障热疗纺织品市场长远且健康的发展，建议充分考虑人体生物组织结构及使用环境，建立完善的可穿戴热疗纺织品疗效测试及评价体系;对现行热性能评价标准进行修订，制定更为合理的判定指标。
　　可穿戴热疗纺织品的热传递机制复杂，对于传热机制的研究，学者更多进行的是织物传热过程或生物组织传热过程，少有将两者结合。织物的传热过程研究仅限于织物本身的组织结构特点，并未考虑其与皮肤组织结合后对传热的影响因素。学者研究组织传热时多使用Pennes生物组织传热方程，然而人体皮肤组织结构十分复杂，真皮层由结缔组织组成，内部分布着丰富的血管。理论上，一个理想的灌注组织传热模型应考虑到组织内每一根血管及其内血液的流动情况。且在受热以后，皮肤血管扩张，血流增加，又增加了热量的扩散。目前的研究中并没有考虑到这一问题。未来，可运用有限元、CFD等技术进行人体生物组织和纺织品整体的三维热湿耦合模拟，通过耦合求解血管内的对流换热和热传导来获得每一点的温度，综合考虑血管传热、外部环境（温度、风速、辐射等）、纺织品基本参数的共同影响。
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