Телемедицина. Умный, интерактивный, многофункциональный текстиль

Опубликовано 14.08.2012
Герман Кричевский   |   просмотров - 3147,   комментариев - 2
Телемедицина. Умный, интерактивный, многофункциональный текстиль

Обращение к читателям

Доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ,
член Центрального правления Нанотехнологического общества России
Герман Евсеевич Кричевский

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

Телемедицина начинает активно разрабатываться и приниматься 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): от грубых ошибок врачей в год страдает 1500 человек, а от неправильного лечения 100 тысяч человек, что в сумме оценивается потерями в 80 млрд. долларов (смертельные случаи от врачебных ошибок в восемь раз превышает случаи смерти на дорогах, от рака и СПИДа).

В России по неофициальной статистике (лига защиты пациентов) по причине врачебных ошибок умирает 150 тысяч наших граждан. Стоимость жизни одного гражданина России государством оценивается в 2 млн. рублей.

Мировой рынок медицинских услуг составляет более 70 млрд. долларов в год, из них на долю США приходится 45%, Западная Европа - 24%, Япония - 15%, другие страны - 16%. Россия входит в другие страны, но персональная строка с оборота РФ в статистике отсутствует.

В США ежегодно на лечение астмы, депрессии и диабета затрачивается соответственно 5,1, 12,4 и 44 млрд. долларов.

Телемедицина как новое социально-научное практическое явление породило новую номенклатуру медицинских дисциплин, понятий и терминов: «Электронное здоровье», «Телездоровье», «Телеуход», «Теледиагностика», «Телемониторинг» и др. Все эти термины и понятия, стоящие за ними, тесно связаны с использованием современных видов телекоммуникаций и электроники.

Наибольшее использование приходится на телемедицину, поэтому будем использовать этот термин.

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-, наноэлектронные устройства (сенсоры, токопроводящие системы, актуаторы, антенны и т. д.), 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 на его основе одежда появились в конце прошлого века и 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 телемедицину, он получил распространение для изготовления защитной одежды (боевая экипировка) солдат США и НАТО, силовых структур, пожарников, космонавтов, тренировочных костюмов спортсменов и экстремалов спорта. Успехи в Е-текстиле 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 следующими очень разными причинами, среди которых следует выделитьсоциальные причины:

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

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

- Значительное число серьезных заболеваний и смертельных исходов, как результат врачебной ошибки или отсутствие своевременного диагноза и оказания первой помощи;

- Необходимость удешевить (без снижения) качество медицинской помощи в отдельных районах (актуально для РФ) и дефицит медперсонала (актуально для РФ).

К счастью с решением вышеперечисленных социальных проблем человечество в конце 20-го и начале 21-го веков, переходя к 6-ому технологическому укладу, достигло феноменальных успехов в целом, в том числе ряда областей науки и техники, позволивших создавать и производить Е-текстиль.

В числе этих успехов:

- 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 (актуатуров), 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 др.);

- успехи в беспроводной телекоммуникации;

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

Наложение одного на другое, т. е. 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 телемедицина находится на самой начальной фазе развития без использования Е-текстиля и ограничиваясь 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 производится 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 медицины помощи, очередями больных в поликлиниках и очень длительной процедурой даже простейших анализов.

ТМ+Е-одежда определено показаны и необходимы для РФ и требуют немедленного внедрения, как 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 параметра 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, миаграмма, 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 разрушения 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 термин «умный» (по отношению к структурным материалам, продуктам, изделиям, в том числе к текстилю и одежде), как те, которые чувствуют и реагируют на изменения внешних условий (стимулов, параметров) разной природы (механических, термических, химических, электрических, магнитных, световых и др.).

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 развитиях странах, а также в Китае и Индии. Простейшая схема работы Е-текстиля и одежды на его основе показаны на рисунке 1.

Рис. 1

Каждой составляющей этой схемы работающего Е-текстиля для интегрирования с текстилем и одеждой предъявляются специальные требования и в зависимости от степени интеграции различают три уровня.

Рис. 2

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

2-ой уровень «Текстроника». Вся электроника более органично встраивается в текстиль. При этом используют две технологии:

- использование токопроводящих волокон и полимеров (сенсоры, связь, антенна и др.);

- печать по текстилю токопроводящей композицией.

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

3-ий уровень «Файбертроник» - самый высокий уровень волокон (новое поколение токопроводящих волокон, токопроводящие покрытия 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 волокон и большой ассортимент химических волокон, новое поколение волокон 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, огнезащитные и др.).

Если представить математическую возможность получения текстильных материалов путем сочетания и перестановок всех вышеперечисленных возможностей, то получим гигантскую вариативность, условно бесконечную. И, конечно, этот потенциал далеко не исчерпан даже применительно к традиционным технологиям.

На схеме рисунка 3 показана многоуровневая иерархия структуры текстиля как сложной ассамблеи волокон, пряжи, нитей, как полимерных материалов.

Рис. 3

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 зависит 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 ими (или должны управлять) для придания текстилю заранее заданных свойств.

Несмотря на такие богатые возможности текстиля, как собирательного образа материала на все времена, с конца XX 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 и в медицине и телемедицине.

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;

- Микроэлектромеханические исполнительные системы (MEMS).

На подходе и другие новые прорывные технологии и материалы, которые нам предложат наука и техника 6-го технологического уклада.

Заключение. Будущее телемедицины и «умного» текстиля.

В настоящее время телемедицина в комплексе с «умным» медицинским Е-текстилем переживают начальную детскую фазу развития, но уже завоевали 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 телемедицина + «умный» Е-текстиль можно ожидать придания одежде следующих функций:

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

- усиление мышечной силы (формирование экзоскелета).

«Умная» одежда и умная медицинская одежда 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 государств – сохранение нации (народа РФ).

Рекомендуемая литература:

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

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

3. A. Limberis, S. Olsson. Intelligent Biomedical clothing for personal health and disease management. Telemedicine Journ. and E-Health. Vil.9, №4, 2003, 379-386 p.

Предложение спонсорам


Комментарии:

Редактировать Цитировать Имя
Денис Щукин, 23.09.2012 12:35:48
Японцы тоже в части умного текстиля не отстают.
«В прошлом году японская компания Life BEANS представила новый вектор движения текстильной промышленности. Одежда японских ученых пока существует в виде концепта, но концепта основательного – это попытка в целом пересмотреть принципы создания одежды для разных сезонов года, которые до сих пор следуют вековым традициям: если холодно, одеваем что-то потеплее, если жарко – снимаем все лишнее. Предметы одежды от Life BEANS шьются с использованием нанотехнологий. Волокна тканей разработаны таким образом, чтобы подстраиваться под погодные условия и поддерживать комфортную температуру.
Дальше – еще страшнее. Одежда оснащена электроникой, которая передает информацию о владельце – даже о его настроении – и разнообразную статистику на компьютер. Машина же советует, что необходимо скорректировать (т.е., как жить дальше). Одежда Life BEANS может работать и мобильным телефоном, и картой памяти. Одним словом, японская фирма изобрела способ одним махом в сотни тысяч раз увеличить число биороботов. Главное – отдать свои разработки владельцам нескольких популярных массовых брендов одежды».
http://telegraf.com.ua/glavnaya/tehno...hhego.html
Редактировать Цитировать Имя
Денис Щукин, 24.08.2012 09:50:42
Герман Кричевский пишет:
«Умная одежда и умная медицинская одежда 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».

Умная одежда уже становится повседневностью, тому пример Швейцария – «Ткани высоких технологий» http://www.nashagazeta.ch/news/14014.