连续玄武岩纤维在医用影像检测设备床面板中的应用

□ 马燕玲 □ 尚 洪 □ 王云平

西门子上海医疗器械有限公司 上海 201318

1 研究背景

随着科学技术的发展、健康意识水平的显著提高以及医疗技术的日新月异,医学影像检测设备得到了越来越广泛的应用。它们不仅可以极大地提高诸多疾病的早期发现率,并且可以精确地对病灶进行定位及诊断,为临床分析提供较为准确的数据及图像,在呵护人类的身体健康、提高人们的生活质量等方面起着越来越重要的作用。

在医用影像检测设备中,床面板是与病患最直接接触的载重部件,对成像的质量有着极为重要的影响。首先,床面板需要承受患者及各种附件的质量,因此要求具有较高的力学性能,比如较高的强度和刚度、较小的变形、较轻的质量等特点。其次,要求床面板具有较低的铝当量以及非常好的均匀性等性能,可以保证X光射线有较高的透过率。再次,患者与床面板直接接触,要求床面板具有较好的表面质量,根据国际通用安全标准IEC 60601-1的要求,需要通过生物兼容性测试和耐久性寿命测试等。

2 床面板材料

鉴于上述因素,因此床面板的材料选用及结构形式非常重要,对于其价格和性能起着关键性的影响。目前市场上常用的床面板材料有两种,一种是泡沫复合材料,一种是碳纤维复合材料 。泡沫复合材料具有质量轻、强度与刚度大、稳定性能好、耐疲劳性能高、除噪和隔热等优点,但同时又有较明显的不足,由于要求床面板进行两端支撑,因此床面板的运动范围和运动方式受到限制,会增加整个病床的长度,从而导致成本增加。碳纤维复合材料可以达到较强的承载能力,可以满足系统的强度和刚度要求,同时也可以实现单边支撑,使床面板的运动方式和运动范围有了较大的改善。碳纤维复合材料的缺点是价格相对比较昂贵,因为是手工铺层加工,其制造工艺过程比较复杂,自动化生产程度低,交货周期相对也比较长,容易出现优良率低的问题。

3 连续玄武岩纤维材料性能指标

连续玄武岩纤维是天然玄武岩石料在温度1 450～1 500 ℃熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。连续玄武岩纤维是一种新型的无机环保绿色高性能纤维材料,主要由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成,是继碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维之后的第四大高技术纤维支柱,它的出现有利地推动了我国的工业化进程。与其它几种纤维相比,连续玄武岩纤维及其制品的优越性能主要体现在以下几个方面。

(1) 较好的耐高温性能和热稳定性能。连续玄武岩纤维的使用温度范围约为-260～880 ℃,远远高于芳纶纤维、无碱玻纤、石棉、不锈钢等材料,与硅纤维、硅酸铝纤维和陶瓷纤维非常接近。连续玄武岩纤维的热稳定性能好,在500 ℃的高温下,可以基本保持不变,在900 ℃时,其原有质量仅损失3%左右。

(2) 较低的热传导系数。连续玄武岩纤维的热传导系数为0.031～0.038 W/(m·K),比芳纶纤维、硅酸铝纤维、无碱玻纤、硅纤维、碳纤维和不锈钢等材料都低,极大地拓展了其应用领域。

(3) 较高的弹性模量和抗拉强度。连续玄武岩纤维的弹性模量为9 100 kg/mm2～11 000 kg/mm2,比无碱玻璃纤维、石棉、芳纶纤维、聚丙稀纤维和硅纤维等材料都高。连续玄武岩纤维抗拉强度为3 800 MPa～4 800 MPa,比碳纤维、芳纶纤维、钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维都要高,与高强度玻璃纤维差距不大。

(4) 较好的化学稳定性。连续玄武岩纤维的耐酸性和耐碱性均比铝硼硅酸盐纤维好,其耐久性﹑耐候性﹑耐紫外线照射﹑耐水性﹑抗氧化等性能均可与天然玄武岩石头相媲美。

(5) 较高的吸声因数。连续玄武岩纤维的吸声因数为0.9～0.99,高于无碱玻纤和硅纤维;优良的透波性和一定的吸波性,使其吸作和隔声性能优异,具有良好的隐身性能,可用于制作隐身材料。

(6)良好的电绝缘性和介电性能。连续玄武岩纤维的体积电阻较高,约为1×1012Ω·m,远高于无碱玻璃纤维和硅纤维。连续玄武岩纤维体积电阻率与无碱玻璃纤维相比,要高出一个数量级,介电损失角正切值高出约50%。

(7) 较低的吸湿性。连续玄武岩纤维的吸湿性大约为0.1%,远低于芳纶纤维、岩棉和石棉等材料。

(8) 天然的硅酸盐相溶性。与水泥﹑混凝土等材料的结合能力较强,热胀冷缩因数基本相同,耐气候性较好。

连续玄武岩纤维拥有上述良好的综合性能,使其与其它复合材料相比,如玻璃纤维、碳纤维等,具有更强的亲和力,即用连续玄武岩纤维制成的复合材料,更具优异的机械力学、物理、化学等性能。连续玄武岩纤维与普通玻璃纤维相比,由于具有更高的拉伸强度、弹性模量及较佳的化学稳定性,因此应用于医疗影像床面板具有先天优势条件。

4 连续玄武岩纤维床面板应用及测试

笔者以通过模压成型工艺制作的、厚度为6 mm的、用于核磁共振设备的连续玄武岩纤维床面板为例,通过图像质量、载荷测试、力学性能测试等几个方面进行研究,其三维模型如图1所示。

▲图1 核磁共振设备连续玄武岩纤维床面板三维模型

4.1 图像质量测试

通过脊柱线圈对连续玄武岩纤维材料的核磁共振病床的床面板样品进行测试,测试结果发现,连续玄武岩纤维材料的不可成像性能非常好,床面板完全不可成像,图像质量优于玻璃钢材料,如图2所示。完全符合医学影像的成像质量要求。

▲图2 连续玄武岩纤维床面板图像质量

4.2 载荷测试

对连续玄武岩纤维床面板进行承载测试,要求患者加附件质量大约为2 300 N。按照IEC 60601的标准要求,需进行四倍载荷测试,加载9 200 N的外载荷,主要用于验证床面板的承载能力,如图3所示,测试结果满足要求。

▲图3 连续玄武岩纤维床面板载荷测试

4.3 力学性能测试

将连续玄武岩纤维床面板与同等厚度的玻璃纤维材料床面板进行力学性能对比,经过第三方权威机构测试,连续玄武岩纤维床面板的力学性能优于玻璃纤维床面板,6 mm厚度的连续玄武岩纤维床面板与8 mm厚度的纤维增强复合材料床面板力学性能一致。

5 结束语

通过试验数据说明,连续玄武岩纤维材料应用在核磁共振病床的床面板中,可以提高图像质量,减小质量,节约成本,且力学性能满足要求。同时这一材料也可以延伸应用至电子计算机断层扫描病床、X光机、血管造影手术床等某些多功能床体上。在保证影像质量的前提下,可以使企业获得最佳的经济性能,有利于推动医疗检测设备的蓬勃发展。