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 средствпроизводства 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 президиумаГосударственного совета «О > модернизации текстильной отрасли и* мерах по повышению» уровняжизни 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 новомкачестве, 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 изделиянаправлены заменить стандартные системы электродов, использующиеся в случае динамического мониторинга в медицинской практике (электроды, прикрепляющиесяк 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;

— разработкапетельной 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 регистрациисердечного 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 ичувствительных элементов, разработке структур переплетений и технологии производства изделий для биомониторинга применялись как теоретические, так и экспериментальные методы с использованиемоснов 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 элементаминаучно обоснована возможность. применения, трикотажаиз 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 характеристикиопределенаанизотропия электропроводноститрикотажаиз 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" длявнешнего крепленияразличных устройств мониторинга, предназначенные для специальных условий эксплуатации.

Разработаны изделия с ввязанными трикотажными электродами и чувствительными элементами адаптированные киспользованию со стандартными регистрирующими устройствамиспортивного 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:

— Всероссийскойнаучно-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, 2009 г.

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, частотыдыхания, температуры, артериального давления* напротяжении-длительного времени: Очевидно, что основными требованиями * к таким системамявляются надежность и удобство в использовании.

Общие выводы по работе.

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

2. На: основаниианализамедицинских, систем* мониторинга выявлены физико-технические требования к трикотажным электродам ЭКГ иЧувствительному 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 Наосновании 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 — электродови 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.