□ 馬燕玲 □ 尚 洪 □ 王云平

西門子上海醫(yī)療器械有限公司 上海 201318

1 研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、健康意識水平的顯著提高以及醫(yī)療技術(shù)的日新月異,醫(yī)學(xué)影像檢測設(shè)備得到了越來越廣泛的應(yīng)用。它們不僅可以極大地提高諸多疾病的早期發(fā)現(xiàn)率,并且可以精確地對病灶進行定位及診斷,為臨床分析提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)及圖像,在呵護人類的身體健康、提高人們的生活質(zhì)量等方面起著越來越重要的作用。

在醫(yī)用影像檢測設(shè)備中,床面板是與病患最直接接觸的載重部件,對成像的質(zhì)量有著極為重要的影響。首先,床面板需要承受患者及各種附件的質(zhì)量,因此要求具有較高的力學(xué)性能,比如較高的強度和剛度、較小的變形、較輕的質(zhì)量等特點。其次,要求床面板具有較低的鋁當(dāng)量以及非常好的均勻性等性能,可以保證X光射線有較高的透過率。再次,患者與床面板直接接觸,要求床面板具有較好的表面質(zhì)量,根據(jù)國際通用安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 60601-1的要求,需要通過生物兼容性測試和耐久性壽命測試等。

2 床面板材料

鑒于上述因素,因此床面板的材料選用及結(jié)構(gòu)形式非常重要,對于其價格和性能起著關(guān)鍵性的影響。目前市場上常用的床面板材料有兩種,一種是泡沫復(fù)合材料,一種是碳纖維復(fù)合材料 。泡沫復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強度與剛度大、穩(wěn)定性能好、耐疲勞性能高、除噪和隔熱等優(yōu)點,但同時又有較明顯的不足,由于要求床面板進行兩端支撐,因此床面板的運動范圍和運動方式受到限制,會增加整個病床的長度,從而導(dǎo)致成本增加。碳纖維復(fù)合材料可以達到較強的承載能力,可以滿足系統(tǒng)的強度和剛度要求,同時也可以實現(xiàn)單邊支撐,使床面板的運動方式和運動范圍有了較大的改善。碳纖維復(fù)合材料的缺點是價格相對比較昂貴,因為是手工鋪層加工,其制造工藝過程比較復(fù)雜,自動化生產(chǎn)程度低,交貨周期相對也比較長,容易出現(xiàn)優(yōu)良率低的問題。

3 連續(xù)玄武巖纖維材料性能指標(biāo)

連續(xù)玄武巖纖維是天然玄武巖石料在溫度1 450～1 500 ℃熔融后,通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維。連續(xù)玄武巖纖維是一種新型的無機環(huán)保綠色高性能纖維材料,主要由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成,是繼碳纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維之后的第四大高技術(shù)纖維支柱,它的出現(xiàn)有利地推動了我國的工業(yè)化進程。與其它幾種纖維相比,連續(xù)玄武巖纖維及其制品的優(yōu)越性能主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1) 較好的耐高溫性能和熱穩(wěn)定性能。連續(xù)玄武巖纖維的使用溫度范圍約為-260～880 ℃,遠遠高于芳綸纖維、無堿玻纖、石棉、不銹鋼等材料,與硅纖維、硅酸鋁纖維和陶瓷纖維非常接近。連續(xù)玄武巖纖維的熱穩(wěn)定性能好,在500 ℃的高溫下,可以基本保持不變,在900 ℃時,其原有質(zhì)量僅損失3%左右。

(2) 較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)。連續(xù)玄武巖纖維的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.031～0.038 W/(m·K),比芳綸纖維、硅酸鋁纖維、無堿玻纖、硅纖維、碳纖維和不銹鋼等材料都低,極大地拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。

(3) 較高的彈性模量和抗拉強度。連續(xù)玄武巖纖維的彈性模量為9 100 kg/mm2～11 000 kg/mm2,比無堿玻璃纖維、石棉、芳綸纖維、聚丙稀纖維和硅纖維等材料都高。連續(xù)玄武巖纖維抗拉強度為3 800 MPa～4 800 MPa,比碳纖維、芳綸纖維、鋼纖維、硼纖維、氧化鋁纖維都要高,與高強度玻璃纖維差距不大。

(4) 較好的化學(xué)穩(wěn)定性。連續(xù)玄武巖纖維的耐酸性和耐堿性均比鋁硼硅酸鹽纖維好,其耐久性﹑耐候性﹑耐紫外線照射﹑耐水性﹑抗氧化等性能均可與天然玄武巖石頭相媲美。

(5) 較高的吸聲因數(shù)。連續(xù)玄武巖纖維的吸聲因數(shù)為0.9～0.99,高于無堿玻纖和硅纖維;優(yōu)良的透波性和一定的吸波性,使其吸作和隔聲性能優(yōu)異,具有良好的隱身性能,可用于制作隱身材料。

(6)良好的電絕緣性和介電性能。連續(xù)玄武巖纖維的體積電阻較高,約為1×1012Ω·m,遠高于無堿玻璃纖維和硅纖維。連續(xù)玄武巖纖維體積電阻率與無堿玻璃纖維相比,要高出一個數(shù)量級,介電損失角正切值高出約50%。

(7) 較低的吸濕性。連續(xù)玄武巖纖維的吸濕性大約為0.1%,遠低于芳綸纖維、巖棉和石棉等材料。

(8) 天然的硅酸鹽相溶性。與水泥﹑混凝土等材料的結(jié)合能力較強,熱脹冷縮因數(shù)基本相同,耐氣候性較好。

連續(xù)玄武巖纖維擁有上述良好的綜合性能,使其與其它復(fù)合材料相比,如玻璃纖維、碳纖維等,具有更強的親和力,即用連續(xù)玄武巖纖維制成的復(fù)合材料,更具優(yōu)異的機械力學(xué)、物理、化學(xué)等性能。連續(xù)玄武巖纖維與普通玻璃纖維相比,由于具有更高的拉伸強度、彈性模量及較佳的化學(xué)穩(wěn)定性,因此應(yīng)用于醫(yī)療影像床面板具有先天優(yōu)勢條件。

4 連續(xù)玄武巖纖維床面板應(yīng)用及測試

筆者以通過模壓成型工藝制作的、厚度為6 mm的、用于核磁共振設(shè)備的連續(xù)玄武巖纖維床面板為例,通過圖像質(zhì)量、載荷測試、力學(xué)性能測試等幾個方面進行研究,其三維模型如圖1所示。

▲圖1 核磁共振設(shè)備連續(xù)玄武巖纖維床面板三維模型

4.1 圖像質(zhì)量測試

通過脊柱線圈對連續(xù)玄武巖纖維材料的核磁共振病床的床面板樣品進行測試,測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),連續(xù)玄武巖纖維材料的不可成像性能非常好,床面板完全不可成像,圖像質(zhì)量優(yōu)于玻璃鋼材料,如圖2所示。完全符合醫(yī)學(xué)影像的成像質(zhì)量要求。

▲圖2 連續(xù)玄武巖纖維床面板圖像質(zhì)量

4.2 載荷測試

對連續(xù)玄武巖纖維床面板進行承載測試,要求患者加附件質(zhì)量大約為2 300 N。按照IEC 60601的標(biāo)準(zhǔn)要求,需進行四倍載荷測試,加載9 200 N的外載荷,主要用于驗證床面板的承載能力,如圖3所示,測試結(jié)果滿足要求。

▲圖3 連續(xù)玄武巖纖維床面板載荷測試

4.3 力學(xué)性能測試

將連續(xù)玄武巖纖維床面板與同等厚度的玻璃纖維材料床面板進行力學(xué)性能對比,經(jīng)過第三方權(quán)威機構(gòu)測試,連續(xù)玄武巖纖維床面板的力學(xué)性能優(yōu)于玻璃纖維床面板,6 mm厚度的連續(xù)玄武巖纖維床面板與8 mm厚度的纖維增強復(fù)合材料床面板力學(xué)性能一致。

5 結(jié)束語

通過試驗數(shù)據(jù)說明,連續(xù)玄武巖纖維材料應(yīng)用在核磁共振病床的床面板中,可以提高圖像質(zhì)量,減小質(zhì)量,節(jié)約成本,且力學(xué)性能滿足要求。同時這一材料也可以延伸應(yīng)用至電子計算機斷層掃描病床、X光機、血管造影手術(shù)床等某些多功能床體上。在保證影像質(zhì)量的前提下,可以使企業(yè)獲得最佳的經(jīng)濟性能,有利于推動醫(yī)療檢測設(shè)備的蓬勃發(fā)展。