復合材料床面板在醫用影像檢測設備中的應用

【作 者】王云平，吳蔚，芮文庭

1 上海西門子醫療器械有限公司，上海市，201318

2 上海大學，上海市，200436

復合材料床面板在醫用影像檢測設備中的應用

【作 者】王云平1，吳蔚2，芮文庭1

1 上海西門子醫療器械有限公司，上海市，201318

2 上海大學，上海市，200436

該文主要介紹了目前在大型醫用影像檢測設備中最常用的兩種復合材料床面板的組成及結構，介紹了床面板的材料選用及生產工藝，并比較了兩者的主要優缺點及不同的應用場合。

復合材料；床面板；醫用影像檢測設備；三明治夾層結構; 應用

近些年來，隨著醫療技術的發展，醫用影像檢測設備，像X光機、CT、MR、血管造影機等大型醫療設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現率，對病灶進行精確定位，提供準確的臨床分析數據及圖像，在保障人們的身體健康、提高人們的生活質量等方面發揮著越來越重要的作用。

在這些醫用影像檢測設備中，床面板作為患者的最直接承載件，對成像質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性能，簡單來講，就是高強度、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量，根據國際通用標準IEC 60601-1第三版，需要通過生物兼容性測試和耐久性測試等等。

床面板在以上類舉的醫用影像檢測設備中起著如此重要的作用，所以它的材料選用及結構形式也就非常有講究，這對它的價格和功能起著決定性的作用。這就需要針對不同的影像檢測設備，不同的床面板運動方式和承載方式，選用不同的床面板材料及結構形式。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比。

1 主要材料及結構形式

目前床面板的材料及結構形式主要分為兩類，一種是薄面板泡沫復合夾層結構，一種是碳纖維復合材料泡沫夾芯結構，這兩種結構各有優缺點，應用的場合也不盡相同，接下來分別介紹。

1.1 薄面板泡沫復合夾層結構

這種薄面板泡沫復合夾層結構一般為厚度均勻的等截面，可參見圖1，在醫療設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運動，以方便醫生在不移動病人的情況下能很快地找到病灶點。

圖1 薄面板泡沫復合夾層結構床面板示意圖Fig.1 Schematic diagram of sandwich structure tabletop with thin panel and foam

薄面板泡沫復合夾層結構通常是由比較薄的面板與比較厚的低密度芯材膠接而成，為三明治結構。具有重量輕、彎曲剛度與強度大、抗失穩能力強、耐疲勞、吸音和隔熱等優點。在承載病人時，床面板主要承受彎曲載荷，其中面板主要承受拉應力和壓應力，芯材主要承受剪切應力。目前市場上主要采用 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。有時為了安裝需要，會在床面板兩側，影像區域之外增加木板作為連接部件，可根據實際情況來選用。在這種類型的床面板中，芯材是承載的關鍵部件，一般我們優先選用的是德國德固賽公司生產的Rohacell之PMI泡沫，型號為IG51或者IG71，現階段，我們國產的同系列產品也有了很大的發展，國內一些生產廠家生產的PMI泡沫在性能上也基本達到了德固賽公司泡沫的產品性能，且價格只有德國產品的80%左右，目前國產芯材在醫療產品上也得到了越來越多的應用。

這種結構的床面板價格比較便宜，整體透過性比較好，工藝相對簡單，質量容易保障，批量化加工程度較高；其缺點是床面板需要兩端支撐，床面板的運動范圍和運動方式也因此而受到限制。這種床面板結構主要應用于X光機系列，例如胃腸機、平床拍片機、可移動拍片機等。

1.2 碳纖維復合材料泡沫夾芯結構

這種碳纖維復合材料泡沫夾芯結構的床面板大多為內凹的形狀，更符合人體工學，患者躺在上面會舒適許多，床面板下部大多為變截面，根據人體體重在床面板上的分布設計相應厚度的截面。這種類型的床面板在醫療設備上多為單邊支撐，簡單來講就是懸臂梁結構，檢測時床面板帶著病人做大范圍伸出運動，便于把病人送入影像檢測設備，做大范圍掃描或全身掃描，這需要床面板具有很高的強度和剛度，以保證床面板在工作時的變形量盡可能小。

碳纖維復合材料泡沫夾芯結構，其上下表面為碳纖維復合材料面板，中間為泡沫芯材，也屬于三明治結構，如圖2所示。在這種結構中，上下表面是主要的承載部件，而表層中的碳纖維預浸料的鋪層厚度是保證床面板承載能力的關鍵因素。一味加大鋪層厚度，固然滿足了強度要求，但會導致材料成本的增加，同時加大了對X射線的衰減，影響到臨床診斷的圖像質量和病人對X光的劑量攝入量，對患者健康不利，這就需要選擇合適的鋪層厚度，必要時可預先用有限元軟件進行模擬受力計算。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定的距離，同時還能承受一定的應力，達到提高床面板剛度的目的。為了加強床面板的局部強度和剛度，或者出于與其它結構件連接的需要，會在床面板的連接端，增加內嵌件，多為碳纖維棒或者鋁制件，此處區域一般位于影像區域之外。

圖2 碳纖維復合材料泡沫夾層結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of sandwich structure tabletop with carbon fibre and foam

碳纖維具有高強度、低密度、極低的X射線吸收率等特點，成像清晰度高，在相同劑量的照射下，可以提供更高品質的X光影像，其各向異性顯著，柔軟，可加工成各種織物，沿纖維軸向表現出很高的強度，它的抗拉強度是普通鋼材的8～10倍以上，彈性模量優于鋼材，而重量輕，其重量僅為鋼材的1/5。制板時，一般采用碳纖維/環氧樹脂預浸料，按鋪層設計鋪貼預浸料，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。這種工藝容易產生兩種缺陷，主要有表面鼓泡和內部分層兩種，需要嚴格控制加工工藝，以得到高質量的床面板。

這種結構的床面板，其優點是承載能力很強，能保證系統所需要的強度和剛度要求，并且受益于單邊支撐的結構形式，床面板的運動方式和范圍有了更大的選擇空間；其缺點是價格比較貴，受手工鋪層的影響，其加工工藝比較復雜，導致自動化生產程度不高。但是隨著碳纖維成本的連續降低，和世界范圍內的環保要求的提高，碳纖維復合材料泡沫夾芯結構床面板在醫療設備領域正具有越來越廣闊的市場及發展前景。這種結構大多應用在CT病床、MR病床、血管造影手術床和某些多功能床上。

1.3 其它結構

除此之外，市面上還有一些其它類型的床面板材料和結構，比如采用木板，再比如采用有機玻璃，甚至采用薄鋁板等，這些材料雖然價格很低，加工也比較簡單，但是因為受到承載量、鋁當量及影像質量等因素的制約，以上材料并沒有得到大范圍的應用。

2 結論

綜上所述，床面板在醫用影像檢測設備中是比較重要的一個部件，在選用時，應根據系統的不同功能和不同應用，選用不同結構形式和材料的床面板，在保證影像質量的前提下，獲得最佳的經濟性能。

[1] 胡培. ROHACELL技術手冊[R]. 德固賽中國控股有限公司上海分公司, 2005.

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The Application of Compound Tabletop in Medical Imaging Equipment

【Writers】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