熱療紡織品熱性能測試評價及傳熱機制研究進展

錢江瑞 蔡彥 楊允出 任姍姍 陳怡充

摘 要：針對目前熱療紡織品的實際應用、療效評價、使用安全性及熱舒適性等問題，總結了具有熱敷、熱療及其他保健作用的可穿戴產品的研究、應用及發展現狀。首先，將熱療產品分為電加熱、紅外線發熱兩類，分析現階段熱療紡織品的熱性能測試及治療療效評估方法，分別從人體熱生理實驗、動物實驗優缺點來闡述不同實驗方法對熱性能預測的影響。然后，通過可穿戴式熱療產品傳熱機制的研究，闡述了皮膚傳熱模型與紡織品傳熱模型的研究現狀，總結了有限元模擬在人體皮膚組織及紡織品熱傳遞研究中的應用。最后，指出在未來的研究中，應全面準確地模擬人體生物組織與紡織品的熱傳遞系統，建立可穿戴熱療紡織品的熱舒適性及治療安全性測評標準。

關鍵詞：熱療紡織品;性能測評;傳熱模型;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斷增大的精神壓力使很多人身體處于亞健康的狀態，市場上醫療保健設備的需求量也隨之增加，具有廣闊的發展前景。在國際上，一般認為可穿戴醫療設備具有可交互性、便攜性、可持續性、安全穩定性、可移動性（可穿戴性）等基本特點[1]。可穿戴熱療裝備是可穿戴醫療設備中的重要組成部分，是指可以直接穿戴在身上的便攜式醫療或健康電子設備，通過某種發熱技術發熱，使之在應用程序的輔助下監測、分析、調控、干預或維護人體健康狀態，甚至進行疾病治療。熱療技術不僅能為有生理理療復健需求的患者、有腿部或腹部保暖需求的女性提供治療，甚至可摧毀腫瘤細胞。人體的腫瘤細胞在接受30～60 min，42～43 ℃的熱作用時，細胞就會產生變形、壞死[2]。這樣的溫度卻對正常細胞組織傷害輕微。治療的有效性和使用的便捷性，使得可穿戴熱療裝備受到了國內外學者的廣泛關注，必將成為解決人類健康的一次革命性突破。Couto等[3]設計了嵌入電發熱元件的手套，測試結果表明該手套可以有效緩解血管痙攣等癥狀。胡帆[4]設計一款集加熱和艾灸保健的便攜式護膝，能有效緩解患者的疼痛感。賈得巍[5]設計了一款基于微波輻射加熱的可穿戴式裝備用于實現高效全身熱療，殺死腫瘤細胞。

然而，目前市場上用于熱療保健的可穿戴產品性能品質不一，傳熱效果及溫控技術均有待提高，治療效果也未能達到醫用標準，存在較大的發展及改善空間。因此，本文結合可穿戴式熱療產品研究及發展現狀，對比分析其使用功能差異性及局限性;闡述了熱療紡織品性能測試、療效評估方法、傳熱模型研究現狀;并總結了有限元模擬在人體皮膚組織及紡織品熱傳遞研究中的應用。

1 熱療紡織品品類及主要功能

目前各類以熱敷、保健、甚至以消滅腫瘤細胞為治療目的可穿戴式熱療產品已逐漸出現在人們的視野及生活中。以下為近年來國內外學者開發及研制的電發熱或遠紅外發熱產品案例及功能現狀。

遠紅外輻射發熱紡織品的測試評價主要包括：遠紅外波長、法向發射率、遠紅外發射率及遠紅外輻射溫升測試。截止目前，中國已發布的紡織品遠紅外性能測試相關標準主要有3個：GB/T 18319—2001《紡織品紅外蓄熱保暖性的試驗方法》，中國標準化協會標準CAS 115-2005《保健功能紡織品》，GB/T 30127—2013《紡織品遠紅外性能的檢測和評價》。戈強勝等[23]指出，CAS 115—2005標準中遠紅外波長項目可作為紡織品發射遠紅外被人體吸收，但不適用于區分樣品是否屬于遠紅外紡織品;GB/T 30127—2013標準中遠紅外輻射溫升測試可以合理表征遠紅外性能，但規定的判定指標過低，難以用于區分普通紡織品與遠紅外紡織品。建議對現行標準進行修訂，利用法向發射率表征發射性能，遠紅外輻射溫升表征吸收性能，提出更為合適的判定指標，以保障遠紅外紡織品市場健康發展。

2.3 熱療效果測試及評估

李延煒等[6]研制了便攜式溫控肩部理療儀中藥熏蒸，為評估理療儀的治療效果，對34例男性和26例中年人進行610個月的治療及隨訪，記錄患者VAS評分[24]和肩關節功能評分系統（Constant-murley system）CMS評分[25]。陳柏煒[26]測量并計算了體內含有EMT6乳腺腫瘤的小鼠在超聲治療后的腫瘤體積變化、瘤重變化、腫瘤抑制率。實驗結果表明：低頻低強度超聲混合碳納米管顆粒能夠有效抑制EMT6腫瘤細胞的生長，抑制率為22.7%。賈得巍[5]將感染了黑色素瘤細胞的小鼠，隨機分為全身熱療組、化療組、對照組和聯合治療組（熱療+化療）進行16 d的治療，通過檢測腫瘤組織中PCNA、Cyclin D1及ICAM-1的含量，并利用SPSS統計軟件進行t檢驗、單因素方差分析、SNK檢驗等方法來評估熱療效果。結果表明，全身熱療能有效抑制小鼠黑色素肺轉移的形成和發展。此外，H&E染色表示了腫瘤在組織中的發生及發展區域，在光鏡下觀察H&E染色的肺組織切片，也可用于評估熱療對肺腫瘤細胞轉移抑制作用的療效測試及評價。

3 熱療紡織品傳熱機制研究進展

3.1 生物組織傳熱研究

3.1.1 生物傳熱模型

1948年，Pennes根據人體小臂中的溫度分布，提出了著名的Pennes生物傳熱方程[27]。由于血液的流動伴隨著熱量的傳遞，對組織傳熱存在不可忽視的影響。因此該方程在固體熱傳導方程的基礎上加入了血液灌注項，計算的是平均傳熱效果，是一種宏觀的生物傳熱模型，如式（1）：

式中：T、Ta分別為生物組織、動脈溫度;t為時間;ρ、k分別為生物組織的密度和導熱率;c、cb分別為生物組織與血液的比熱容;ωb為組織血液灌注率。

然而，該方程中的灌注項與實際情況中血流和周圍組織之間的熱平衡過程存在一定偏差。Wulff等[28]將人體組織看作多孔介質，利用體積平均血流率的Dacy定律導出血流項。Wissler[29]同時考慮熱平衡、物質平衡（血液流動的連續性和產熱化學反應中的熱平衡），使得模型更加周密。張艷婷等[30]根據生物組織解剖結構提出更貼合實際的血管傳熱模型（皮膚-肌肉復合層三層傳熱模型），簡稱W-J方程，如式（2）：

當血管直徑在50～200 μm和血流較快時，該模型比Pennes方程精確。但是W-J模型是針對數量較少且直徑相對較大的血管而建立的，模型建立時需假設組織中僅有一對主要的動靜脈，且無其他具有熱重要性的血管。人體生物組織的復雜性，使得人們并不知道身體的哪些部位滿足這一條件，在使用時存在一定的局限性。因此，在生物組織傳熱領域的研究與應用中，Pennes方程依舊是迄今為止最為合適的傳熱模型，且已在腫瘤激光熱療、低溫外科、燒傷燙傷等臨床熱科學中大顯身手。

3.1.2 皮膚組織的熱傳遞模擬

人體皮膚組織熱傳遞的研究方法包括數學建模、暖體假人實驗、CFD仿真及有限元模擬等。現今國內外學者多用有限元軟件對人體生物組織或紡織品組合體進行模擬、預測、分析。有限元分析方法是通過利用每一個單元內假設近似函數來表達未知函數。無需建立實體模型即可進行多種分析（熱學分析、力學分析、流體分析或耦合情況等），在保證分析方法高效、結果精確的同時大大降低了建模的成本。

錢盛友等[31]利用生物傳熱方程求解超聲熱療中組織內部的溫度分布狀況，研究聲源參數（換能器半徑、超聲頻率）及生物組織特性參數（衰減系數、熱傳導系數、血流率）對治療區升溫速度的影響。趙艷哲等[32]采用Pennes生物傳熱方程，借助Fluent有限元軟件，模擬皮膚組織在液氮冷凍條件下的溫度變化，為色斑、皰疹、血管瘤等皮膚疾病的低溫液氮冷凍治療過程中的精確控溫提供參考。Fu[33]在Simth[34]的模型（三維人體模型包括大腦、腹部、肺部、骨骼、肌肉、脂肪、皮膚、血管及呼吸道）基礎上，建立3D人體皮膚的熱反應模型，研究并分析了服裝層之間空氣層對熱傳遞及皮膚溫度場分布的影響。朱曉明[35]建立了皮膚組織有限元模型，模擬皮膚組織在100℃燒傷情況下的溫度場變化情況，發現熱源對皮膚組織的作用具有一定的延時性。

在相同的環境條件下，人體熱生理反應和熱舒適性受人體部位差異的影響較大。因此，國內外學者對人體熱反應的研究不僅局限于整體，而進一步細化到各組織部位，從而為局部熱療產品或個體防護裝備的測試與研發提供技術指導與數據支撐。陳麗等[36]結合Pennes方程和W-J方程，基于解剖學結構建立人體手臂的3D熱傳遞數值模型，模擬分析穩態條件下的生物組織體內溫度場分布特征，著重探究組織內血液流速、代謝產熱量、環境溫度及對流換熱系數對生物組織熱傳遞的影響。研究結果表明，血液灌注率對保持體溫穩定具有重要作用。朱彬[37]利用有限元方法建立了人體小腿部位的2D傳熱數值模型，研究其骨骼層、內部肌肉層、外部肌肉層及皮膚層的傳熱量區別，認為平行逆流血管在人體組織傳熱過程起著重要作用。

3.2 紡織品熱傳遞研究

國內外學者對紡織品熱傳遞模型的研究主要可分類為單層和多層模型。早在1996年Gibson等[38]在高溫條件下提出了單層多孔介質傳熱傳質模型。Ghazy等[39]將熱傳導及比熱系數替換成經驗公式，引入到單層織物傳熱模型中，進行了高溫條件下的熱傳遞模擬，結果顯示過程具有更高的擬合度。在單層模型的基礎上，Mell等[40]提出了多層面料層與層之間的傳熱模型。考慮到層與層之間的空氣層厚度對織物系統的熱傳遞過程有一定的影響，一些學者[41-43]研究了紡織品和空氣層的熱傳遞模型。紡織品在熱傳遞過程中往往伴隨著水傳遞，考慮到水及空氣層的影響，Lawson等[44]和Ghazy等[45]分別建立了多層織物熱濕傳遞模型和織物中含多層空氣層的多層織物熱傳遞模型。

近年來，紡織品熱傳遞的數值模擬始終是一個熱點問題。孫玉釵等[46-48]利用有限元軟件揭示了動態熱量傳遞過程中棉織物橫截面任意位置、任意時刻溫度分布情況。2011年，Couto等[3]建立幾何仿真模型來研究面料組成及發熱絲數量分布對電熱登山手套傳熱性能的影響。2015年，Fan等[49]利用數值模擬法研究仿生織物（三層分支結構）的穩態熱傳遞性能，賦予織物不同的熱通量以預測其有效導熱系數。2016年，Puszkarz等[50]建立了不同織物的三維模型，包括雙層針織物，模擬出的溫度梯度變化與實驗結果吻合度較好，指出有限元法的應用可以補充真正的材料試驗，預測新設計的紡織品的熱性能。同年，吳佳佳等[51]利用ABAQUS對織物系統模型的熱傳遞過程進行模擬，并提取織物外表面的溫度計算織物系統的總熱阻。2018年，陳揚等[52]對加熱片與織物組合體的穩態熱傳遞進行模擬，分析不同織物、不同加熱片和不同空氣層厚度等條件下模型內部與外表面的溫度分布特征，并與實驗測試結果有良好的吻合度。

4 結 語

目前可穿戴式熱療紡織品的熱性能及療效測試評估尚不完善，發熱功能評價標準僅限于少量特殊功能紡織品（紅外、電熱紡織品），且判定指標不一。熱療療效測試及評估尚無形成規范的評估指標及標準文件，各類測評標準層出不窮。為保障熱療紡織品市場長遠且健康的發展，建議充分考慮人體生物組織結構及使用環境，建立完善的可穿戴熱療紡織品療效測試及評價體系;對現行熱性能評價標準進行修訂，制定更為合理的判定指標。

可穿戴熱療紡織品的熱傳遞機制復雜，對于傳熱機制的研究，學者更多進行的是織物傳熱過程或生物組織傳熱過程，少有將兩者結合。織物的傳熱過程研究僅限于織物本身的組織結構特點，并未考慮其與皮膚組織結合后對傳熱的影響因素。學者研究組織傳熱時多使用Pennes生物組織傳熱方程，然而人體皮膚組織結構十分復雜，真皮層由結締組織組成，內部分布著豐富的血管。理論上，一個理想的灌注組織傳熱模型應考慮到組織內每一根血管及其內血液的流動情況。且在受熱以后，皮膚血管擴張，血流增加，又增加了熱量的擴散。目前的研究中并沒有考慮到這一問題。未來，可運用有限元、CFD等技術進行人體生物組織和紡織品整體的三維熱濕耦合模擬，通過耦合求解血管內的對流換熱和熱傳導來獲得每一點的溫度，綜合考慮血管傳熱、外部環境（溫度、風速、輻射等）、紡織品基本參數的共同影響。

參考文獻：

[1] 封順天.可穿戴設備在醫療健康領域的關鍵技術及應用場景分析[J].電信技術，2016（5）：32-34.

[2] 朱光明.生物組織傳熱及其若干應用研究[D].武漢：華中科技大學，2004.

[3] COUTO S， CAMPOS J B L M， MAYOR T S. On the performance of a mitt heating multilayer： a numerical study[J]. International Journal of Clothing Science and Technology， 2011，23（5）：373-387.

[4] 胡帆.針對膝骨關節炎功能護膝的研究與設計[D].上海：東華大學，2017.

[5] 賈得巍.結合血管傳熱及微波輻照式加熱的高效全身熱療方法研究[D].北京：清華大學，2010.

[6] 李延煒，李同濤，郭志民，等.便攜式溫控肩部理療儀的研制與應用[J].醫療衛生裝備，2018，39（10）：23-26.

[7] 覃紅桂，文國英，謝麗霞，等.護理干預對患者使用電熱護肩依從性的影響研究[J].當代護士（學術版），2011（2）：138-139.

[8] 方華，電熱磁理療帶及其使用[J].家用電器，1996（10）：21.

[9] 馬妮妮，許凡菲，盧業虎，等.溫控電熱防護手套研制與性能評價[J].現代紡織技術，2018，26（5）：26-33.

[10] 張娓華，張平，王衛.遠紅外紡織品性能與測試研究[J].染整技術，2009（9）：36-39.

[11] 洪文進，章鷗雁.基于納米增強遠紅外技術的智能保暖理療針織內褲設計[J].上海紡織科技，2018，46（2）：49-52.

[12] 苗鈺，洪文進，沈雷.基于柔性納米增強遠紅外的保暖理療針織休閑褲設計與開發[J].紡織導報，2018（5）：95-97.

[13] 杜敏芝，田明偉，曲麗君.遠紅外紡織品及新型石墨烯遠紅外功能紡織品的研究進展[J].成都紡織高等專科學校學報，2016，33（4）：132-137.

[14] 陳軍.艾菊護膝治療膝關節炎40例療效觀察[J].航空航天醫藥，2010，21（9）：1745.

[15] 弋秋平，趙淑蘋，張雯雯，等.醫用可免充電式蠟療熱敷眼罩的研制[J].職業技術，2018，17（6）：55-58.

[16] 陳罘杲.自發熱保健功能拖鞋的研究[J].西部皮革，2012，34（23）：37-40.

[17] ATANASOV A T， DIMITROV B D. Effect of local cooling on skin temperature restoration time for fingers of the upper extremities[J]. Journal of Thermal Biology， 1997，22（4）：295-299.

[18] SONG W F， WANG F M， ZHANG C J， et al. On the improvement of thermal comfort of university students by using electrically and chemically heated clothing in a cold classroom environment[J]. Building and Environment， 2015，94（2）：704-713.

[19] ZHAI Y C， ZHANG Y F， ZHANG H， et al. Human comfort and perceived air quality in warm and humid environments with ceiling fans[J]. Building and Environment， 2015，90（8）：178-185.

[20] 夏永莉.溫和灸熱傳遞數學物理模型的分析與建立[D].廣州：廣州中醫藥大學，2008.

[21] 穆志明.基于近紅外激光痛覺刺激的溫度控制及場分布模型研究[D].北京：北京協和醫學院，2015.

[22] 鄭兆和，伍偉新.電加熱服裝的電學安全性和發熱功能性評價方法[J].山東紡織科技，2017，58（4）：22-25.

[23] 戈強勝，譚偉新，王向欽，等.遠紅外紡織品評價指標研究[J].中國纖檢，2018（6）：132-134.

[24] 中華醫學會.疼痛強度的評定：臨床技術操作規范物理醫學與康復分冊[M].北京：人民軍醫出版社，2004：91.

[25] 張世民.骨折分類與功能評分[M].北京：人民軍醫出版社，2008：301-303.

[26] 陳柏煒.基于低頻低強度超聲的可穿戴式腫瘤理療方法研究[D].北京：中國科學院研究生院（理化技術研究所），2009.

[27] PENNES H H. Analysis of tissue and arterial blood temperatures in resting human forearm[J]. Journal of Applied Physiology， 1948，1（8）：93-122.

[28] WULFF W. The energy conservation equation for living tissue[J]. IEEE TRANs on Biomedical Eng， 1974，21（6）：494-495.

[29] WISSSLER E H. Steady-state temperature distribution in man[J]. Journal of Applied Physiology，1961，16：734-740.

[30] 張艷婷，劉靜.WEINBAUM-JIJI生物傳熱方程在低溫外科手術中的應用[J].北京生物醫學工程，2001（2）：129-134.

[31] 錢盛友，孫福成，王鴻樟.凹球面聚焦超聲換能器用于熱療時在人體內引起的瞬態溫度場[J].中國生物醫學工程學報，2001（3）：236-241.

[32] 趙艷哲.低溫冷凍皮膚疾病治療過程建模及自動噴射系統研究[D].濟南：山東大學，2015.

[33] FU G. A transient， 3-D mathematical thermal model for the clothed human[D]. Kansas， USA：KSU，1995.

[34] SMITH C E. A transient， three-dimensional model of the human thermal system[D]. Kansas， USA：KSU，1993.

[35] 朱曉明.皮膚熱損傷溫度場的建模與仿真研究[D].洛陽：河南科技大學，2015.

[36] 陳麗，楊洪欽，林清源，等.手臂三維熱傳遞的有限元分析[J].福建師范大學學報（自然科學版），2007，23（6）：52-55.

[37] 朱彬.有限元方法在生物醫學工程中的應用[D].上海：復旦大學，2008.

[38] GIBSON P W. Multiiphase heat and mass transfer through hygroscopic media with applications to clothing materials [J]. Fiber，1996，53（5）：183-194.

[39] GHAZY A， BERGSTORM D J. Numerical simulation of transient heat transfer in a protective clothing system during a flash fire exposure[J]. Numerical Heat Transfer， Part A： Applications， 2010，59（9）：702-724.

[40] MELL W E， LAWSON J R. A heat transfer model for firefighters protective clothing[J]. Fire Technology， 2000，36（1）：39-68.

[41] SAWCYN C M D A Torvi. Improving heat transfer models of air gaps in bench top tests of thermal protective fabrics[J].Textile Research Journal ，2009，79（7）：632-644.

[42] 張藝強，陳揚，范艷娟，等.空氣層對織物熱傳遞影響的模擬分析[J].浙江理工大學學報，2017，37（5）：616-620.

[43] 姜茸凡，王云儀.服裝衣下空氣層熱傳遞性能研究進展[J].絲綢，2018，55（7）：41-48.

[44] LAWSON J R， MELL W E， PRASAD K. A heat transfer model for firefighters protective clothing， continued developments in protective clothing modeling[J]. Fire Technology， 2010，46（4）：833-841.

[45] GHAZY A， BERGSTROM D J. Numerical simulation of heat transfer in firefighters protective clothing with multiple air gaps during flash fire exposure[J]. Numerical Heat Transfer， Part A： Applications， 2012，61（8）：569-593.

[46] 孫玉釵，馮勛偉，程中浩.空氣層及織物層數對通過紡織品熱量損失的影響[J].紡織學報，2005，26（2）：74-76.

[47] 孫玉釵，馮勛偉，劉超穎.紡織品熱傳遞有限元分析[J].東華大學學報（自然科學版），2006，32（2）：50-53.

[48] SUN Y， CHEN X， CHENG Z， et al. Study of heat transfer through layers of textiles using finite element method[J]. International Journal of Clothing Science and Technology， 2010，22（2）：161-173.

[49] FAN J， WANG L L， CHENG Q， et al. Thermal analysis of biomimetic woven fabric based on finite element method [J]. Journal of Thermal Analysis & Calorimetry， 2015， 121（2）：737-742.

[50] PUSZKARZ A K， KORYCKI R， KRUCINSKA I. Simulations of heat transport phenomena in a three-dimensional model of knitted [J].Autex Research Journal， 2016，16（3）：1-10.

[51] 吳佳佳，唐虹.應用ABAQUS的織物熱傳遞有限元分析[J].紡織學報，2016，37（9）：37-41.

[52] 陳揚，楊允出，張藝強，等.電加熱服裝中加熱片與織物組合體的穩態熱傳遞模擬[J].紡織學報，2018，39（5）：49-55.