【作 者】王云平，吳蔚，芮文庭

1 上海西門子醫(yī)療器械有限公司，上海市，201318

2 上海大學(xué)，上海市，200436

復(fù)合材料床面板在醫(yī)用影像檢測(cè)設(shè)備中的應(yīng)用

【作 者】王云平1，吳蔚2，芮文庭1

1 上海西門子醫(yī)療器械有限公司，上海市，201318

2 上海大學(xué)，上海市，200436

該文主要介紹了目前在大型醫(yī)用影像檢測(cè)設(shè)備中最常用的兩種復(fù)合材料床面板的組成及結(jié)構(gòu)，介紹了床面板的材料選用及生產(chǎn)工藝，并比較了兩者的主要優(yōu)缺點(diǎn)及不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

復(fù)合材料；床面板；醫(yī)用影像檢測(cè)設(shè)備；三明治夾層結(jié)構(gòu); 應(yīng)用

近些年來，隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用影像檢測(cè)設(shè)備，像X光機(jī)、CT、MR、血管造影機(jī)等大型醫(yī)療設(shè)備也得到了極大的普及，它們可以極大的提高諸多疾病的早期發(fā)現(xiàn)率，對(duì)病灶進(jìn)行精確定位，提供準(zhǔn)確的臨床分析數(shù)據(jù)及圖像，在保障人們的身體健康、提高人們的生活質(zhì)量等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

在這些醫(yī)用影像檢測(cè)設(shè)備中，床面板作為患者的最直接承載件，對(duì)成像質(zhì)量有著非常大的影響。首先，床面板需要承受患者及各種附件的重量，要求具有較高的力學(xué)性能，簡(jiǎn)單來講，就是高強(qiáng)度、高剛度、變形小、重量輕；其次，要求床面板具有較高的X光射線透過率（低鋁當(dāng)量），要求選用的床面板材料要有非常高的均勻性；再次，作為與患者直接接觸的部件，要求床面板具有較高的表面質(zhì)量，根據(jù)國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)IEC 60601-1第三版，需要通過生物兼容性測(cè)試和耐久性測(cè)試等等。

床面板在以上類舉的醫(yī)用影像檢測(cè)設(shè)備中起著如此重要的作用，所以它的材料選用及結(jié)構(gòu)形式也就非常有講究，這對(duì)它的價(jià)格和功能起著決定性的作用。這就需要針對(duì)不同的影像檢測(cè)設(shè)備，不同的床面板運(yùn)動(dòng)方式和承載方式，選用不同的床面板材料及結(jié)構(gòu)形式。這樣不但能最大限度的滿足功能上的要求，而且也能得到較好的性價(jià)比。

1 主要材料及結(jié)構(gòu)形式

目前床面板的材料及結(jié)構(gòu)形式主要分為兩類，一種是薄面板泡沫復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，一種是碳纖維復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用的場(chǎng)合也不盡相同，接下來分別介紹。

1.1 薄面板泡沫復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)

這種薄面板泡沫復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)一般為厚度均勻的等截面，可參見圖1，在醫(yī)療設(shè)備中大多需要兩端支撐，承載著病人的床面板主要在縱向和橫向上做一定范圍的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以方便醫(yī)生在不移動(dòng)病人的情況下能很快地找到病灶點(diǎn)。

圖1 薄面板泡沫復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)床面板示意圖Fig.1 Schematic diagram of sandwich structure tabletop with thin panel and foam

薄面板泡沫復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)通常是由比較薄的面板與比較厚的低密度芯材膠接而成，為三明治結(jié)構(gòu)。具有重量輕、彎曲剛度與強(qiáng)度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、耐疲勞、吸音和隔熱等優(yōu)點(diǎn)。在承載病人時(shí)，床面板主要承受彎曲載荷，其中面板主要承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，芯材主要承受剪切應(yīng)力。目前市場(chǎng)上主要采用 1 mm左右厚度的三聚氰胺板作為上下兩層面板，而芯材主要選用PMI泡沫。PMI泡沫是采用固體發(fā)泡工藝制成，它

是空隙基本一致、均勻的100%閉孔泡沫。在相同密度的條件下，PMI是強(qiáng)度和剛度最高的泡沫材料，三者之間用膠水粘接，在一定的溫度和壓力下保持成型。有時(shí)為了安裝需要，會(huì)在床面板兩側(cè)，影像區(qū)域之外增加木板作為連接部件，可根據(jù)實(shí)際情況來選用。在這種類型的床面板中，芯材是承載的關(guān)鍵部件，一般我們優(yōu)先選用的是德國(guó)德固賽公司生產(chǎn)的Rohacell之PMI泡沫，型號(hào)為IG51或者IG71，現(xiàn)階段，我們國(guó)產(chǎn)的同系列產(chǎn)品也有了很大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PMI泡沫在性能上也基本達(dá)到了德固賽公司泡沫的產(chǎn)品性能，且價(jià)格只有德國(guó)產(chǎn)品的80%左右，目前國(guó)產(chǎn)芯材在醫(yī)療產(chǎn)品上也得到了越來越多的應(yīng)用。

這種結(jié)構(gòu)的床面板價(jià)格比較便宜，整體透過性比較好，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，質(zhì)量容易保障，批量化加工程度較高；其缺點(diǎn)是床面板需要兩端支撐，床面板的運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)方式也因此而受到限制。這種床面板結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于X光機(jī)系列，例如胃腸機(jī)、平床拍片機(jī)、可移動(dòng)拍片機(jī)等。

1.2 碳纖維復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)

這種碳纖維復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的床面板大多為內(nèi)凹的形狀，更符合人體工學(xué)，患者躺在上面會(huì)舒適許多，床面板下部大多為變截面，根據(jù)人體體重在床面板上的分布設(shè)計(jì)相應(yīng)厚度的截面。這種類型的床面板在醫(yī)療設(shè)備上多為單邊支撐，簡(jiǎn)單來講就是懸臂梁結(jié)構(gòu)，檢測(cè)時(shí)床面板帶著病人做大范圍伸出運(yùn)動(dòng)，便于把病人送入影像檢測(cè)設(shè)備，做大范圍掃描或全身掃描，這需要床面板具有很高的強(qiáng)度和剛度，以保證床面板在工作時(shí)的變形量盡可能小。

碳纖維復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，其上下表面為碳纖維復(fù)合材料面板，中間為泡沫芯材，也屬于三明治結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在這種結(jié)構(gòu)中，上下表面是主要的承載部件，而表層中的碳纖維預(yù)浸料的鋪層厚度是保證床面板承載能力的關(guān)鍵因素。一味加大鋪層厚度，固然滿足了強(qiáng)度要求，但會(huì)導(dǎo)致材料成本的增加，同時(shí)加大了對(duì)X射線的衰減，影響到臨床診斷的圖像質(zhì)量和病人對(duì)X光的劑量攝入量，對(duì)患者健康不利，這就需要選擇合適的鋪層厚度，必要時(shí)可預(yù)先用有限元軟件進(jìn)行模擬受力計(jì)算。夾芯材料一般選用聚合物泡沫，選用的泡沫密度一般在40 ～200 kg/m3之間，目前常用的有PU，PVC和PMI等這幾種材料，使用夾芯材料是為了在上下面板之間保持穩(wěn)定的距離，同時(shí)還能承受一定的應(yīng)力，達(dá)到提高床面板剛度的目的。為了加強(qiáng)床面板的局部強(qiáng)度和剛度，或者出于與其它結(jié)構(gòu)件連接的需要，會(huì)在床面板的連接端，增加內(nèi)嵌件，多為碳纖維棒或者鋁制件，此處區(qū)域一般位于影像區(qū)域之外。

圖2 碳纖維復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of sandwich structure tabletop with carbon fibre and foam

碳纖維具有高強(qiáng)度、低密度、極低的X射線吸收率等特點(diǎn)，成像清晰度高，在相同劑量的照射下，可以提供更高品質(zhì)的X光影像，其各向異性顯著，柔軟，可加工成各種織物，沿纖維軸向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，它的抗拉強(qiáng)度是普通鋼材的8～10倍以上，彈性模量?jī)?yōu)于鋼材，而重量輕，其重量?jī)H為鋼材的1/5。制板時(shí)，一般采用碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，按鋪層設(shè)計(jì)鋪貼預(yù)浸料，與泡沫芯材組合后一同固化，鋪層過程中可采用采用真空袋層壓技術(shù)保證層與層之間的無氣泡貼合，最后用金屬模具熱壓成型。這種工藝容易產(chǎn)生兩種缺陷，主要有表面鼓泡和內(nèi)部分層兩種，需要嚴(yán)格控制加工工藝，以得到高質(zhì)量的床面板。

這種結(jié)構(gòu)的床面板，其優(yōu)點(diǎn)是承載能力很強(qiáng)，能保證系統(tǒng)所需要的強(qiáng)度和剛度要求，并且受益于單邊支撐的結(jié)構(gòu)形式，床面板的運(yùn)動(dòng)方式和范圍有了更大的選擇空間；其缺點(diǎn)是價(jià)格比較貴，受手工鋪層的影響，其加工工藝比較復(fù)雜，導(dǎo)致自動(dòng)化生產(chǎn)程度不高。但是隨著碳纖維成本的連續(xù)降低，和世界范圍內(nèi)的環(huán)保要求的提高，碳纖維復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)床面板在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域正具有越來越廣闊的市場(chǎng)及發(fā)展前景。這種結(jié)構(gòu)大多應(yīng)用在CT病床、MR病床、血管造影手術(shù)床和某些多功能床上。

1.3 其它結(jié)構(gòu)

除此之外，市面上還有一些其它類型的床面板材料和結(jié)構(gòu)，比如采用木板，再比如采用有機(jī)玻璃，甚至采用薄鋁板等，這些材料雖然價(jià)格很低，加工也比較簡(jiǎn)單，但是因?yàn)槭艿匠休d量、鋁當(dāng)量及影像質(zhì)量等因素的制約，以上材料并沒有得到大范圍的應(yīng)用。

2 結(jié)論

綜上所述，床面板在醫(yī)用影像檢測(cè)設(shè)備中是比較重要的一個(gè)部件，在選用時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的不同功能和不同應(yīng)用，選用不同結(jié)構(gòu)形式和材料的床面板，在保證影像質(zhì)量的前提下，獲得最佳的經(jīng)濟(jì)性能。

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[3] 王迪, 張瑞俠, 李芬. 一種提高CT診斷床承載能力的方法與應(yīng)用[J]. 中國(guó)醫(yī)療器械雜志, 2014, 38(2): 152-153.

The Application of Compound Tabletop in Medical Imaging Equipment

【W(wǎng)riters】WANG Yunping1, WU Wei2, RUI Wenting1
1 Shanghai Siemens Medical Equipment Co. Ltd., Shanghai, 201318
2 Shanghai University, Shanghai, 200436

This paper mainly introduces the material composition and structure of two kinds of compound tabletop which currently used in large medical imaging equipment, also introduces the proper material choosing and production processing, together with the advantage and shortage of this two kinds of tabletop and different application occasion.

compound material, tabletop, medical imaging equipment, sandwich structure, application

R318.08

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.03.010

1671-7104(2015)03-0190-02

2014-11-26

王云平，E-mail: ww_923@163.com