Разработка технологии изготовления трикотажных изделий для биомониторинга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.19.02, кандидат технических наук Романова, Анна Владимировна

• Романова, Анна Владимировна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Романова, Анна Владимировна

Введение.

1 Литературный обзор.

1.1 Системы биомониторинга.

1.1.1 Современные методы длительной регистрации ЭКГ.

1.1.2 Опыт применения электропроводящего трикотажа в качестве электродов ЭКГ.

1.1.3 Современные методы длительной регистрации частоты дыхательных усилий.

1.2. Текстильные датчики.

1.3 Трикотаж с улучшенными эксплуатационными свойствами для биомониторинга:.

1.4 Анализ и выбор трикотажных переплетений для производства изделий»для биомониторинга.

Выводы по главе 1.

2 Разработка вязаных электродов и чувствительных элементов.

2.1 Выбор сырья.

2.1.1 Исследование электропроводящих свойств металлосодержащей пряжи .47 2.1.2. Исследование механических и физических свойств металлосодержащей пряжи.

2.2 Петельные структуры трикотажа для выработки электродов.

2.3 Исследование электрофизических свойств трикотажа из металлосодержащей пряжи.

2.3.1 Исследование полного электрического сопротивления трикотажа из металлосодержащей пряжи.

2.3.2 Исследование зависимости электропроводящих свойств трикотажа от геометрических характеристик структуры.

2.3.3 Исследование влияния влажности на электрическое сопротивление трикотажных электродов.

2:3 ;4 Исследование влияния:давления на электрическое сопротивление трикотажных электродов.70/

2.3.5 Исследование тензорезистивных характеристик трикотажных чувствительных элементов

2.316 Исследование деформационных свойствчувствительных элементов из трикотажа.

Выводы по главе 2.

3 Разработка трикотажа с улучшенными эксплуатационными свойствами для производства изделий для биомониторинга.

3.1 Требования, предъявляемые к трикотажу с улучшенными эксплуатационнымисвойствами.

3.2 Выбор переплетения для производства изделий для биомониторинга.

3.3 Исследование эксплуатационных и теплозащитных свойств.

3.3.1 Исследование динамики водопоглощешш.;.

3.3.2 Исследование воздухопроницаемости.1.

3.3.3 Исследование теплозащитных свойств.

Выводы по плаве 3?.:.94>

4 Разработка лрикотажных изделийэдля'биомониторинга.

4.1 Обоснование выбора оборудования

4.2 Технологические аспекты выработки изделий для биомониторинга

4.2.1 Трикотажное изделие для внешнего крепления различных устройств ; биомониторинга.

4.2.2 Разработка изделий с ввязанными электродами и чувствительными элементами.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии изготовления трикотажных изделий для биомониторинга»

За последние десятилетия текстильная и легкая промышленность в мировом-масштабе столкнулась с серьезными* структурными изменениями*. Это связано с увеличением глобальной конкуренции из-за насыщения1 рынка товарами повседневного спроса и перемещением средств- производства в« страны с дешевой рабочей силой. Тем не менее, текстильная № легкая промышленность является5 одной и из основных отраслей* экономики России, поэтому очень важна для< социального и экономического благополучия страны.

На заседании президиума- Государственного совета «О > модернизации текстильной отрасли и* мерах по повышению» уровня- жизни и социальной защищённости её работников» 2008 года было отмечено, что одной из мер модернизации отрасли является стимулирование проведения научно-исследовательских работ в целях разработки образцов инновационного текстиля и их последующего внедрения! в производство- [1]. Использование текстиля в новом- качестве, в сочетании* с различными другими материалами, дает возможность получения новой продукции.

Одним из инновационных направлений в трикотажном производстве является создание одежды > для* биомониторинга. Внедренные в одежду различными способами электроды и чувствительные элементы позволяют наблюдение наиболее важных параметров физиологического состояния' человека на протяжении длительного времени. Дети, люди пожилого возраста, а так же лица, чья профессиональная деятельность связана с экстремальными физическими и психологическими нагрузками (военные, сотрудники МЧС, спортсмены и др.) являются потенциальными потребителями таких товаров.

Создание «биометрической» одежды для непрерывного персонального наблюдения основных жизненных функций человека связано с решением широкого круга технических задач. К таким задачам относятся выбор сырья для датчиков, которое может перерабатываться на текстильном оборудовании и обладать необходимыми физико-техническими характеристиками, технология изготовления, конструкция изделий. Одежда для биомониторинга должна содержать в своей конструкции электроды, первичные датчики и чувствительные элементы для регистрации основных физиологических параметров.

Разрабатываемые изделия- направлены заменить стандартные системы электродов, использующиеся в случае динамического мониторинга в медицинской практике (электроды, прикрепляющиеся- к телу посредством приклеивания, ограничивающие свободу движения), используемые с регистрирующими приборами, они образуют систему динамического мониторинга основных физиологических параметров. Такая система может повысить безопасность человека, работающего в экстремальных условиях, ускорить процесс выздоровления пациентов, проходящих реабилитационное лечение и улучшить их качество жизни, повысить, эффективность тренировки спортсменов, значительно снизить риск внезапной смерти больных, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями:,

Актуальность проведенных исследований связана с разработкой новых видов изделии для* длительного динамического мониторинга основных физиологических параметров человека.

Целью работы является разработка технологии изготовления трикотажных изделий для биомониторинга.

Основными задачами исследования являются:

- изучение опыт изготовления и применения изделий для биомониторинга;

- разработка метода биомониторинга с использованием интегрированных текстильных трикотажных электродов и чувствительных элементов в конструкцию нательных бельевых изделий.

- исследование возможности использования трикотажа из металлосодержащей пряжи в качестве электродов и чувствительных элементов;

- исследование влияния петельной структуры на электропроводящие свойства;

- определение влияния технологических параметров на электропроводящие свойства;

- выбор петельной структуры для выработки трикотажных электродов ЭКГ;

- разработка трикотажный чувствительный элемент для датчика дыхательных усилий;

- разработка- петельной структуры с улучшенными эксплуатационными свойствами для изделий, применяемых в биомониторинге;

- разработка способа интегрирования электропроводящих сенсоров в трикотажное изделие и способа крепления регистрирующих устройств к электродам;

- проектирование и выработка изделия дляv крепления внешних датчиков, изделия с интегрированными датчиками для регистрации- сердечного ритма, изделия с интегрированными электродами ЭКГ

- проведение натурных испытаний;

Методы и средства< исследований.

Разработка физико-технических требований-к трикотажным электродам и чувствительным элементам основывалась на анализе научных и патентных источников в соответствующей области, а также экспериментальных исследованиях, проведенных совместно со специалистами5 Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета.

В исследованиях свойств >• текстильных электродов и- чувствительных элементов, разработке структур переплетений и технологии производства изделий для биомониторинга применялись как теоретические, так и экспериментальные методы с использованием- основ технологии трикотажного производства, текстильного материаловедения.

Постановка и проведение экспериментов осуществлялась с помощью математических методов планирования, современных электронно-измерительных приборов. Обработка экспериментальных данных производилась с использованием современных компьютерных программ. Научная новизна.

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие новые научные результаты:

- разработана концепция? длительного! динамического биомониторинга с использованием бельевых изделий с интегрированными трикотажными, электродами и чувствительными элементами; научно обоснована возможность. применения, трикотажа; из металлосодержащей^пряжи в качестве электродов и:чувствительных1 элементов-в. изделиях для биомониторинга;

- выявлено^ влияние петельной структуры и технологических показателей« трикотажа из металлосодержащей пряжи на его электрофизические характеристики; определена; анизотропия электропроводности; трикотажа; из металлосодержащей пряжи и выявлено влияние влагосодержания трикотажа5 на его электрофизические характеристики:

Практическая ценность работы.'

Предложены структуры ш технологические параметры» трикотажных электродов ЭКГ и чувствительных элементов датчиков дыхательных усилий из металлосодержащей пряжи;

Разработаны^, изделия» для- внешнего крепления; различных устройств мониторинга, предназначенные для специальных условий эксплуатации.

Разработаны изделия с ввязанными трикотажными электродами и чувствительными элементами адаптированные к- использованию со стандартными регистрирующими устройствами; спортивного и медицинского« назначения:

Выработанная опытная партия изделий использовалась ОКР: «Разработка и изготовление комплекта аппаратуры биологического мониторинга человека».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались,на:

- Всероссийской; научно-технической» конференции^ студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкою и полиграфической отраслях промышленности» (Дни науки), Санкт-Петербург, 2008.

- Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК

- 2009), Иваново, 2009г.

Работа была отобрана по программе Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «У.М.Н.И.К.» - «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» в 2009 году. Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, 4 глав с выводами, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на 138 страницах, имеет 64 рисунка, 17 таблиц, список литературы включает 61 наименование, 1 приложение представлено на 12 страницах.

1 Литературный обзор

Г.1 Системы биомониторинга

Системы биомониторинга, предназначенные для повседневного использования, появились относительно недавно (10-15 лет) № базируются на применении многофункциональных, снабженных приборами и датчиками устройствах или предметах одежды. Такие устройства позволяют наблюдение наиболее важных параметров физиологического состояния человека: частоты сердечного ритма, частоты- дыхания, температуры, артериального давления* на- протяжении-длительного времени: Очевидно, что основными требованиями * к таким системамявляются надежность и удобство в использовании.

Заключение диссертации по теме «Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья», Романова, Анна Владимировна

Общие выводы по работе

1. Разработана технология изготовления? изделий для биомониторинга с; использованием? интегрированных текстильных трикотажных электродов и чувствительных, элементов* в конструкцию нательных бельевых изделий;

2. На: основании; анализа- медицинских, систем* мониторинга выявлены физико-технические требования к трикотажным электродам ЭКГ и; Чувствительному элементу датчика дыхательных усилий. ,

3. Определены? электрофизические: характеристики и механические свойства металлосодержащей пряжи;, доказана? возможность ее переработки на плосковязальном оборудовании. .

4. Исследованы электропроводящие свойства трикотажа из металлосодержащей пряжи, получена аналитическая модель, позволяющая оценить влияние геометрии структуры трикотажа на значение полного электрического сопротивления.

51 На; основании исследования чувствительности трикотажа из металлосодержащей пряжи и его з деформационных свойств выбрана оптимальная структура и технологические параметры? для чувствительного элемента датчика дыхательных усилий.

6. Определена анизотропия электропроводности трикотажа из металлосодержащей пряжи. ' - г

7. Исследовано влияние влагосодержания трикотажа из металлосодержащей пряжи на его электрофизические характеристики

8. Доказана возможность использования трикотажа из металлосодержащей пряжи в качестве - электродов- и чувствительных элементов для различных биометрических исследований

9. Проведены исследования теплофизических характеристик разработанных трикотажных полотен и произведен сравнительный? анализ эксплуатационных свойств с полотнами ведущих фирм производителей «термобелья».

10.Спроектированы и изготовлены изделия для внешнего крепления различных устройств мониторинга, предназначенные для специальных условий эксплуатации.

11. Спроектированы и изготовлены изделия с ввязанными трикотажными электродами и чувствительными элементами адаптированные к использованию со стандартными регистрирующими устройствами спортивного и медицинского назначения.

12.Проведены натурные испытания разработанных изделий, в результате которых получены электрокардиограммы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Романова, Анна Владимировна, 2010 год

1. Интернет-ресурс www.kremlm.ru

2. Попечителев Е.П. Электрофизиологическая и- фотометрическая«-медицинская техника* Текст./ Е.ЕГ. Попечителев, ША. Кореневский М.: Высшая школа; 2002.- 470с.

3. Барановский А.Л. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля^ ЭКГ: учебник для вузов Текст./ Под ред. А.Л. Барановского; А.П. Немирко М.: Радио и связь, 1993.

4. Макаров Л.М. Холтеровское мониторирование Текст./ Л.М. Макаровым Медпрактика; 2002. 216с.

5. Баевский Р.М. Холтеровское мониторирование в космической

6. Дабровски А. Суточное мониторирование ЭКГ Текст./» А. Добровски, Б. Добровски, Р.! Пиотрович М.: Медпрактика, 2000. - 208с.

7. ГОСТ 24878-811 Электроды для, съема, биоэлектрических потенциалов. Термины и. определения! Текст. М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1981.

8. Интернет-ресурс www.raesystems.com/products/lifeshirt

9. Интернет-ресурс www.textronics.com Ю.Интернет-ресурс www.smartex.it11 .Интернет-ресурс www.polar.fi

10. Интернет-ресурс www.weartech.net

11. Интернет-ресурс www.novonic.de

12. Агапов В.А'. Конструкция и рабочие процессы плосковязальных автоматов Текст./ В.А. Агапов, Т.А. Крячкова, А.В. Труевцев, А.Ю. Баранов СПб.: СПГУТД, 2002. - 107с.15 ;Интернет-ресурс www.proetex.org

13. ШИнтернет-ресурс www.biotex-eu.com .

14. Т.Интернет-ресурс www.context-project.org

15. Интернет-ресурс www.hitech-projects.com/euprojects/myheart/19:Интернет-ресурс www.ofseth.org20:Интернет-ресурс www.wealthv-ist.com

16. Дащенко H:B; Нанотекстиль: принципы получения, свойства и области; применения? Текст./ Н:В! Дащенко, A.M. Киселев; // ТЕХНОЛОГИЯ Т1ЖСТЮШН©ИП^ № 2, 2007. — Cl 51-571

17. Тёрнер Э. Биосенсоры. Основы и приложение Текст./ Под редакцией Э. Тернера, №Карубе; Д1 Уилсона -М: Мир; Ш2Г-614с.

18. Silveira, It Flexible strain — sensitive sensors for application in human physiology / I. Silveira, F. Clements, C.P. Bergmann, T. Gaule // In Materials 2007, Porto, Portugal, 2007. P. 254 - 259.

19. Cochrane, G. Design and development of a Flexible strain sensors for textile structures based on a conductive polymer composite / C. Cocherane, V. Koncar, M. Lewandowski, C. Dufour// Sensors 2007,7,2007. P. 473-492.

20. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение Текст./ Г. Вигляр, 1989. -196с. '

21. Zieba, J. Textronic sensor to breathing measurement / J. Zieba, M. Frydrysiak // 6th International Conference TEXSCI 2007, June 5-7, Liberec, Czech Republic, 2007. - P. 117-120.

22. O:\Vijesiriwardana, R. Resistive fibre-mashed transducers / R. Wijesiriwardana, T. Dias, S. Mukhopadhyay // Proceedings of the Seventh IEEE International* Symposium of Wearable Computers, Piscataway, NJ, USA, 2003. P: 200209.

23. Lorussi, F. Wearable redundant fabric-based sensors.arrays for reconstruction of body segment- posture / F. Lorussi, W. Rocchia, E.P. Scilingo, A. Tognetti, D. De Rossi // IEEE Sensors Journal №6, 2004. -P: 807-818.

24. Rotsch, C. Textile system for wearable electrodes / G. Rotsch, H. Oschatz, S. Hanus, A. Neudeck, K. Gnewuch, U. Mohring // Kettenwirk-Praxis, №02, 2009.-P. 14-15.

25. Zieba, J: Textronics Electrical and Electronic Textiles. Sensors for Breathing Frequency Measurement / J*: Zieba; Mi Frydrysiak // FIBRES&TEXTILES in Eastern Europe, №5(59), 2006 - P. 43-47.

26. Paradiso, R. Advances in textile technologies for unobtrusive monitoring of vital parameters and movements / R. Paradiso, D. De Rossi //Proceeding of the 28th IEEE EMBS Annual International Conference, New York City, USA, 2006.-P. 392-395.

27. Интернет-ресурс www.mdpi.org/sensors

28. Chen, C. Knit in 3D mappings effect on thermoregulation : preliminaiy results / The Journal of the Textile Institute №2, Vol 101, 2010 P. 120-127

29. Делль P.А. Гигиена одежды: Учеб. Пособие для вузов Текст./ Р.'А. Делль, Р.Ф. Афанасьева, З.С. Чубарова М.: Легпромбытиздат, 1991. — 160с.

30. Колесников П.А. Теплозащитные свойства одежды Текст./' П.А*. Колесников -М.: Легкая индустрия, 1965. 347с.

31. Иванов К.П. Физиология »терморегуляции. Руководство по физиологии1.

32. Текст./ К.П. Иванов, О.П. Минут-Сорохтина, Е.В. Майстрах. Л: Наука; 1984.

33. Кукин Г.Н. Текстильное материаловедение: Учебник для вузов / Г.Н. • Кукин, А.Н. Соловьев, А.И. Кобляков М.: Легпромбытиздат, 1989.352с.

34. Баранов А.Ю. Прогнозирование теплопроводности трикотажа Текст./ A.KD. Баранов; А.П. Бройко. — СПб: Технический.' текстиль. Реальный* сектор, 2001. №2. - 36-37с.

35. Безкостова С.Ф: Трикотаж, комбинированных переплетений Текст./ С.Ф. Безкостова; H.H. Позднякова, ЛЯ. Ровинская СПб.: СПБГУТД,» 2003.-230с.

36. Шалов И.И. Комбинированные трикотажные переплетения; Текст./ И.И. Шалов-М.: МТИ; 1971. 46с.

37. Кобляков А.И1. Структура и. механические свойства трикотажа Текст./ А.И. Кобляков — М.: Легкая индустрия, 1979. — 270с.

38. Кудрявин Л;А. Комбинированные переплетения Текст./ Л.AI Кудрявин -MI: МТИ, 1971.-68с.

39. Гусева A.A. Общая технология трикотажного производства Текст./ A.A. Гусева —М.: Легпромбытиздат, 1987. — 296с.

40. Поспелов Е.П. Двухслойный трикотаж Текст./ Е.П. Поспелов — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 208с.

41. Труевцев A.B. Прикладная механика трикотажа Текст./ A.B. Труевцев -СПб.: СПБГУТД, 2001. 96с.

42. Труевцев, A.B. Определение жесткости нити при изгибе с целью нахождения геометрических параметров петли кулирного трикотажа Текст. / A.B. Труевцев, В.Г. Кивипелто// Изв. вузов. Технол. текстил. пром-сти, № 6, 1991. С. 71-77.

43. Жихарев А.П: Материаловедение в производстве изделий текстильной и легкой промышленности Текст./ А.П. Жихарев, Д.Г. Петропавловский, С.К. Кузин; В.Ю. Мишаков М.: Академия, 2004. - 448с.

44. Дьяконов В.П. MathCAD в математике Текст./ В.П. Дьяконов М.: Горячая линия - Телеком, 2007 — 463с.

45. Баженов В.И. Материаловедение трикотажно-швейного производства Текст./ В.И. Баженов, С.В. Бабинец Jli: Легкая индустрия, 1971 - 304с.

46. Исаченко В. М. Теплопередача Текст./ В. М. Исаченко М.: Энергия,. 1969» - 440 с.

47. Гарбарук В.Н. Проектирование трикотажных машин Текст./ В.Н. Гарбарук Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. — 472с.

48. Далидович A.C. Основы теории вязания'Текст./ A.C. Далидович М.: Легкая индустрия, 1970. - 432с.

49. Бройко А.П. Разработка портативного комплекса для« непрерывного дистанционного контроля физиологического состояния и местоположения человека1 Текст./ А.П. Бройко, Д.В. Гончаров, С.Б. Калинин // БИОТЕХНОСФЕРА, № 5,2009: С.33-37.

50. Кудрявин Л.А. Основы, технологии* трикотажного производства Текст./ Л.А. Кудрявин, И.И. Шалов -М.: Легпромбытиздат, 1991. 496с.

51. Шалов И.И. Основы проектирования трикотажного производства с элементами САПР Текст./ И.И. Шалов, Л.А. Кудрявин — М.: Легпромбытиздат, 1989.— 288с.1. Диаграммы1. Рисунок А.1

52. Рисунок А.З Диаграмма растяжения образца переплетения кулирная гладь,минимальная плотность.

53. Рисунок А.2 — Диаграмма растяжения образца переплетения кулирная гладь,средняя плотность.20 301. Detmigin%20 301. Dehnung