Наука: Текстиль технологии - 9-10-2012, 16:23

 

 

Герман Евсеевич КРИЧЕВСКИЙ,

академик Российской инженерной академии, эксперт ЮНЕСКО по высшему образованию, президент Российского Союза химиков текстильщиков и колористов, руководитель комитета по легкой промышленности СНИО, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

 

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 (ТМ) 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.

 

 

 Одним из важнейших и обязательных элементов ТМ являются умные интерактивные многофункциональные текстиль и одежда, способные быстро и неинвазивно собирать данные об основных физиологических и физических параметрах организма, анализировать их, передавать по беспроводной связи в стационар и получать рекомендации по оказанию первичной медицинской помощи (текстиль как трансдермальная микрокапельница).

 

 

 Поскольку основными компонентами умного текстиля для ТМ являются микро- и наноэлектронные устройства (сенсоры, токопроводящие системы, актуаторы, антенны и так далее), то такой текстиль называют Е-текстиль (электронный). На равных правах в производстве Е-текстиля играют роль новые умные полимеры, и на их основе – новое поколение волокон и покрытий.  Е-текстиль и одежда на его основе появились в конце прошлого века, за это время прошли несколько фаз развития и завоевали значительный и определенный сегмент рынка, образовав обязательный, очень важный технический элемент, платформу современной ТМ. Параллельно с внедрением умного Е-текстиля в медицину (широко) и в ТМ, он получил распространение для изготовления защитной одежды (боевая экипировка) солдат США иНАТО, силовых структур, пожарников, космонавтов, а также тренировочных костюмов спортсменов и экстремалов спорта. Успехи Е-текстиля во всех этих областях взаимно обогащают технологии и выводят эту продукцию на мировой рынок. Вернемся к ТМ вкупе с Е-текстилем, практические успехи которых обусловлены очень разными причинами.

 

 Социальные причины

 

 • Существенное старение населения, особенно в странах «золотого миллиарда», которое хочет и способно оплачивать высокое качество жизни в преклонном возрасте. Болезни – расплата за долгожитие.

• Существенное увеличение числа хронических больных (диабет, гипертония, легочные, депрессии, различные виды склероза, сердечно-сосудистые заболевания), требующих постоянного наблюдения и ухода. Только больных диабетом в мире 150 миллионов человек.

• Значительное число серьезных заболеваний и смертельных исходов как результат врачебной ошибки или отсутствие своевременного диагноза и оказания первой помощи.

• Необходимость без снижения качества медицинской помощи ее удешевления в отдельных районах (актуально для РФ) и дефицит медперсонала (актуально для РФ).

К счастью, с решением вышеперечисленных социальных проблем, человечество в конце XX и начале XXI веков, переходя к шестому технологическому укладу, достигло феноменальных успехов в целом, в том числе в ряде областей науки и техники, позволивших создавать и производить Е-текстиль:

• миниатюризация в электронике с переходом от микро- к наноэлектронике;

• создание нового поколения многофункциональных гибких миниатюрных сенсоров, в том числе на основе волокон, способных интегрироваться, гармонично встраиваться в структуру текстиля;

• успехи в создании миниатюрных исполнительных механизмов (актуаторов), имитирующих живые актуаторы (мышцы и другие живые ткани), в том числе с использованием нового поколения умных полимеров, реагирующих на различные внешние импульсы (тепло, холод, свет, давление, электрическое или магнитное поле и другие);

• успехи в беспроводной телекоммуникации;

• успехи в бионике, позволившие защитные механизмы природы перенести на рукотворные объекты.

 

Наложение одного на другое, то есть потребности общества, научно-технические возможности их решения, финансовые и организационные ресурсы, обеспечили появление нового направления ТМ в сочетании с Е-текстилем. Прежде чем более подробно остановиться на отдельных моментах ТМ+Е-текстиль, укажем, что в РФ ТМ находится на самой начальной фазе развития без использования Е-текстиля и ограничивается только сбором данных о состоянии больного классическими методами (в основном в стационаре), традиционными методами и приборами с последующим анализом и передачей специалисту, в лучшем случае – на электронную почту. Технология производства Е-текстиля в РФ не разработана, хотя тут особых ноу-хау нет. Такая Е-одежда не производиться и даже не закупается. Ситуация еще в большей степени осложняет и без того тяжелую картину в отечественном здравоохранении с высокой долей хронических больных, старением населения, множеством врачебных ошибок, огромными территориями, малодоступными для своевременной медицинской помощи, очередями больных в поликлиниках и очень длительной процедурой даже простейших анализов.

 

 

ТМ + Е-одежда определённо показаны и необходимы для РФ и требуют немедленного внедрения, то есть решения важнейшей социальной задачи, которая позволит поднять качество жизни хронических больных, лучше организовать систему профилактики и реабилитации. Внедрение спортивной Е-одежды (те же технологии) позволят перейти большей части населения к здоровому образу жизни.

 

 

Физиологические и физические параметры организма, контролируемые с помощью Е-текстиля (одежды)

 

Современные сенсоры на основе электроники и «умных» полимеров органически интегрируются в структуру текстиля и одежды, позволяют контролировать непрерывно (мониторить) следующие физиологические и физические параметры организма человека:

 

• температура;

• биопотенциалы: кардиограмма, миограмма, энцефалограмма;

• акустические: сердце, почки, желудок, суставы;

• ультразвуковые: скорость крови;

• биологические, химические;

• движения: дыхание (при нагрузках);

• давление крови;

• спектроскопия;

• запах, пот;

• механические и электрические свойства кожи.

 

 

Преимущества использования Е-текстиля в ТМ

 

 • анализы без раздражения кожи, даже при длительном контакте;

• домашний режим;

• комфортность для пожилых людей и детей (можно во сне);

• эстетичность одежды из Е-текстиля.

 

Понятия и определения

 

С большими достижениями в области науки (нано-, био- и информационные, когнитивные технологии – NBIC) и активным внедрением их в различные области техники, пришли новые понятия и термины, и прежде всего – термины «умный», «интеллектуальный», «интерактивный», многофункциональный и другие. Эти термины используются широко по отношению к различным продуктам современных технологий (умный дом, автомобиль, текстиль и одежда).

 

 

Большинство исследователей, к которым присоединяется автор, определяют термином «умный» (по отношению структурным материалам, продуктам, изделиям, в том числе к текстилю и одежде) такие, которые чувствуют и реагируют на изменения внешних условий (стимулов, параметров) разной природы (механических, термических, химических, электрических, магнитных, световых и других). По возможностям интеллекта вводятся три уровня «умности»:

 

• пассивный «умный» материал – только чувствует;

• активный «умный» материал – чувствует и реагирует;

• очень «умный» материал – чувствует, реагирует и адаптируется в соответствии внешними изменениями (например, начинает по программе выполнять рекомендации по оказанию первой медпомощи).

 

Первые два уровня достаточно широко используются в армейской (США, НАТО), спортивной, диагностической и медицинской одеждах. Третий уровень имеет пока только пилотные решения, и над его реализацией работают в развитых странах, а также в Китае и Индии. Простейшая схема работы Е-текстиля и одежды на его основе показаны на рисунке 1.

 

К каждой составляющей этой схемы для интегрирования с текстилем и одеждой предъявляются специальные требования. В зависимости от степени интеграции различают три уровня (рисунок 2).

 

Первый уровень (самый низкий). Вся электроника прикреплена внешне к текстилю и одежде и не включена в их структуру.

 

Второй уровень – «Текстроника». Вся электроника более органично встраивается в текстиль. При этом используют две технологии:

 

• использование токопроводящих волокон и полимеров (сенсоры, связь, антенна и другие);

 

• печать по текстилю токопроводящей композицией.

 

Технологии и материалы «Текстроник» нашли практическое применение для изготовления диагностического медтекстиля («умные» майки).

 

Третий уровень – «Файбертроника» – самый высокий уровень волокон (новое поколение токопроводящих волокон и покрытий для волокон). В этом направлении ведутся исследования и достигнуты первые успехи.

 

 

Почему именно текстиль был выбран для использования в ТМ

 

 Даже традиционный текстиль, не говоря уже об «умном» текстиле, является по своей сути многовариантным, вариативным. Большое семейство природных и широкий ассортимент химических волокон, новое их поколение на основе новых волокнообразующих полимеров – только это позволяет производить текстиль с разными свойствами. К этому следует добавить возможность производить химические (искусственные, синтетические) волокна различной тонины (вплоть до наноразмеров), профиля, извитости. Возможность комбинации всех видов волокон в разных соотношениях широко раздвигает вариативность.

 

 

Механические технологии (прядение, крутка, ткачество, вязание) – еще одна серьезная возможность вариативности. Химическая технология (заключительная отделка) формирует широкий набор потребительских свойств (высокая прочность, водоотталкивающие, антимикробные, огнезащищенные и другие). Если представить математическую возможность получения текстильных материалов путем сочетания и перестановок всех вышеперечисленных возможностей, то получим гигантскую вариативность, условно бесконечную. И этот потенциал далеко не исчерпан даже применительно к традиционным технологиям. На рисунке 3 показана многоуровневая иерархия структуры текстиля как сложной ассамблеи волокон, пряжи, нитей, как полимерных материалов.

 

Характеристика, параметры макроструктуры (ткань, пряжа, волокна) определяются в основном механическими технологиями (прядение, ткачество, вязание) и обеспечивают «открытость» (макропористость), тактильность, драпируемость, сорбционные способности. Мезоструктура (промежуточная между макро- и микроструктурой) определяется внешней поверхностью волокон, профилем, надмолекулярной структурой, и от нее зависят физико-механические, сорбционные, химические свойства текстиля.

 

 

Элементы микро- и наноструктуры определяют фундаментальные свойства текстиля (устойчивость ко всем видам воздействия, гидро- и олеофобность/фильность, реакционная способность). Все три уровня структуры только в совокупности определяют базовые и специфические свойства текстиля и технологии или управляют (или должны управлять) процессами придания текстилю заранее заданных свойств.

 

 

Несмотря на богатые возможности текстиля как собирательного образа материала на все времена, с конца XX века (и особенно в начале XXI века) для придания текстилю новых и улучшению традиционных свойств начали использовать высокие NBIC технологии, что резко расширило области использования текстиля, в том числе в медицине и ТМ. Удобство текстиля и одежды для ТМ состоит в том, что она контактирует с большой частью тела, и поэтому можно с помощью сенсоров снимать показания о состоянии организма.

 

 

Каждый знает с детства и до конца жизни, как пользоваться одеждой, и поэтому диагностирующая одежда не вызывает никаких психологических осложнений, тем более если она сделана комфортной и эстетичной. Текстиль и одежда производятся по высокопроизводительным недорогим технологиям. При производстве Е-текстиля на уровне «Текстроника» и «Фабертроника», когда вся электроника стопроцентно встроена в структуру текстиля, она должна быть устойчива к стиркам и химчисткам.

 

 

Основные технологии и материалы для производства «умного» медтекстиля

 

 

 Ниже приведены новые технологии и материалы, используемые в настоящее время в практике производства «умного» текстиля (в том числе медицинского).

 

 

• материалы (полимеры) способные в условиях применения изменять фазовое состояние;

• материалы (сплавы, полимеры) с памятью формы;

• термо-, фото-, электро-, магнито-, хемохромные материалы;

• токопроводящие полимеры и волокна;

• полимерная электроника;

• квантовые туннельные устройства включения/выключения;

• излучающие полимеры и диоды;

• оптические волокна;

• гибкие солнечные и фотовольтажные батареи;

• голография;

• плазменные технологии;

• NBIC-технологии;

• производство нановолокон и волокон, наполненных наночастицами;

• микрокапсулирование лекарств;

• системы глобального позиционирования;

• микро-электро-механические исполнительные системы (MEMS).

 

 

На подходе и другие новые прорывные технологии и материалы, которые нам предложат наука и техника шестого технологического уклада.

 

Заключение. Будущее телемедицины и «умного» текстиля

 

 В настоящее время телемедицина в комплексе с «умным» медицинским Е-текстилем переживает начальную «детскую» фазу развития, но уже завоевала прочное место в мировой системе здравоохранения, профилактики заболеваний, организации здорового образа жизни. Все современные и будущие успехи науки и техники, и прежде всего микро- и наноэлектроники NBIC-технологий и, конечно, социальных технологий (главная цель научно-технического прогресса) будут быстро и эффективно аккумулированы этой внешней частью медицинских практик.

 

Они будут широко использованы в повседневной жизни человека, повышая его качество жизни, защищая от всевозможных рисков и отклонений в функционировании организма. Телемедицина + «умный» Е-текстиль помогут успешно справляться с различными эпидемиями, пандемией, помогать в несчастных случаях, быть большим подспорьем медицине катастроф. При дальнейшем развитии комплекса «телемедицина + «умный» Е-текстиль» можно ожидать придания одежде следующих функций:

• лечебные (эффективное залечивание ран, трансдермальная «капельница»);

• усиление мышечной силы (формирование экзоскелета).

 

 

«Умная» одежда, в том числе медицинская, станет повседневной, обыденной, как часы, телефон, mp3-плеер, станет своеобразным персональным «умным коконом», соединяющим через интернет человека со всем человечеством. При этом будет оставаться эстетически привлекательной и удобной. Реформа здравоохранения в РФ должна обязательно включать концепцию «непрерывного ухода» с помощью телемедицины. Это существенно поможет выполнить одну из основных целей социально-демократического государства – сохранение нации (народа РФ).

 

 

Литература

 

1. Кричевский, Г.Е. «Нано-, био-, химические технологии и производство нового поколения волокон, текстиля и одежды»/ Г.Е. Кричевский/ М., изд-во «Известия», 2011. – 526 с.

2. Smart textile for medicine and healthcare/ Ed.by L. van Langerhove. Ed.Woodhead Publ. Lim. Cambridge, 2007. – 312 p.

3. Limberis, A., / Intelligent Biomedical clothing for personal health and disease management/ A. Limberis, S. Olsson/ Telemedicine Journ. And E-Health. Vil.9, #4, 2003. – 379-386 p.