連續(xù)玄武巖纖維在醫(yī)用影像檢測(cè)設(shè)備床面板中的應(yīng)用

□ 馬燕玲 □ 尚 洪 □ 王云平

西門(mén)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(shí)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(cè)設(shè)備得到了越來(lái)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(duì)病灶進(jìn)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(hù)人類(lèi)的身體健康、提高人們的生活質(zhì)量等方面起著越來(lái)越重要的作用。

在醫(yī)用影像檢測(cè)設(shè)備中,床面板是與病患最直接接觸的載重部件,對(duì)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(qiáng)度和剛度、較小的變形、較輕的質(zhì)量等特點(diǎn)。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(guò)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(guó)際通用安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 60601-1的要求,需要通過(guò)生物兼容性測(cè)試和耐久性壽命測(cè)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(duì)于其價(jià)格和性能起著關(guān)鍵性的影響。目前市場(chǎng)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(qiáng)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(diǎn),但同時(shí)又有較明顯的不足,由于要求床面板進(jìn)行兩端支撐,因此床面板的運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)方式受到限制,會(huì)增加整個(gè)病床的長(zhǎng)度,從而導(dǎo)致成本增加。碳纖維復(fù)合材料可以達(dá)到較強(qiáng)的承載能力,可以滿足系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度要求,同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)單邊支撐,使床面板的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)范圍有了較大的改善。碳纖維復(fù)合材料的缺點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)比較昂貴,因?yàn)槭鞘止や亴蛹庸?其制造工藝過(guò)程比較復(fù)雜,自動(dòng)化生產(chǎn)程度低,交貨周期相對(duì)也比較長(zhǎng),容易出現(xiàn)優(yōu)良率低的問(wèn)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(guò)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(wú)機(jī)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(dòng)了我國(guó)的工業(yè)化進(jìn)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(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于芳綸纖維、無(wú)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(shí),其原有質(zhì)量?jī)H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(wú)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(qiáng)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(wú)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(qiáng)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(qiáng)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(wú)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(yuǎn)高于無(wú)堿玻璃纖維和硅纖維。連續(xù)玄武巖纖維體積電阻率與無(wú)堿玻璃纖維相比,要高出一個(gè)數(shù)量級(jí),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(yuǎn)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(qiáng),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(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(shì)條件。

4 連續(xù)玄武巖纖維床面板應(yīng)用及測(cè)試

筆者以通過(guò)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(guò)圖像質(zhì)量、載荷測(cè)試、力學(xué)性能測(cè)試等幾個(gè)方面進(jìn)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(cè)試

通過(guò)脊柱線圈對(duì)連續(xù)玄武巖纖維材料的核磁共振病床的床面板樣品進(jìn)行測(cè)試,測(cè)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?jī)?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(cè)試

對(duì)連續(xù)玄武巖纖維床面板進(jìn)行承載測(cè)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(jìn)行四倍載荷測(cè)試,加載9 200 N的外載荷,主要用于驗(yàn)證床面板的承載能力,如圖3所示,測(cè)試結(jié)果滿足要求。

▲圖3 連續(xù)玄武巖纖維床面板載荷測(cè)試

4.3 力學(xué)性能測(cè)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(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比,經(jīng)過(guò)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)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(qiáng)復(fù)合材料床面板力學(xué)性能一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)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(shí)這一材料也可以延伸應(yīng)用至電子計(jì)算機(jī)斷層掃描病床、X光機(jī)、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(jì)性能,有利于推動(dòng)醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備的蓬勃發(fā)展。