碳纤维复合材料医用床面板研制
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【摘要】对某型号医用碳纤维复合材料床面板进行研制，实验室和产品验收条件下的X射线透过AL当量、摄影成像质量、承载能力和力学性能等试验结果表明：研制的碳纤维复合材料床面板的性能，不仅优于国外同类产品而且已满足当前先进X射线诊断和治疗设备对床面板设计和使用要求。
【关键词】床面板；铝当量；摄影成像质量；承载能力
【中图分类号】R197.38 【文献标识码】A 【文章编号】1006-1959(2009)05-0057-03
由于碳纤维具有高强度、低密度和极低的X射线吸收率等特点，在医疗放射设备领域，采用碳纤维复合材料做面板，中间为泡沫层的夹层结构作为支撑病人并透过射线的床面板，其X射线透过性能、成像清晰度、强度和刚性均明显优于聚碳酸脂、酚醛树脂板等传统床面板，对提高设备整体性能起到了重要作用；而且，由于碳纤维复合材料床面板可做到成像高质量且放射剂量非常小，把X射线对患者和医护人员的危害降到最低程度，因此，医疗设备厂家已逐步替换传统材料床面板。碳纤维复合材料夹芯结构板在医疗设备领域具有广阔的市场及发展前景。
国外，目前高档医疗设备采用的床面板几乎全部为碳纤维复合材料板。如数字化X光机、CT(计算机断层扫描)机、“血管”(介入疗法)机、MR(磁共振成像)机等均选用碳纤维复合材料制造其床面板及相关部件。除此之外，PET(电子加速X线断层摄影)机及SPECT(单一光电子发射X线断层摄影)机也在应用该类材料[1]。随着国外医疗设备厂家对碳纤维复合材料的应用，国内厂家也纷纷效仿，国内大型医疗设备公司也在自己的高档机型上如X 光数字机、CT机等，采用碳纤维复合材料夹芯结构做为床面板，发展迅速。
虽然国内外放射医疗设备使用碳纤维复合材料床面板已有十几年，但对其研制及性能研究的报道很少。本文着重对某型号碳纤维复合材料夹芯结构床面板研制及对其X射线透过性、摄影成像质量及力学性能进行研究。
1 床面板研制方案及材料选择
1.1 研制方案:研制的床面板剖面结构见图1，上下表面为碳纤维复合材料面板，中间为泡沫芯材，为“三明治”夹芯结构。
δ1为碳纤维复合材料面板
δ2为泡沫芯材
研制方案：采用碳纤维环氧树脂预浸料，按铺层设计铺贴预浸料，与泡沫芯材组合后一同固化成型，采用简易金属模具保证制件外形，热压成型。本方案具有研制风险小，周期短，模具投资小等优点。
成型工艺流程：模具准备→裁剪铺贴预浸料→预浸料与泡沫芯组合→ 热压成型→ 后加工准备及加工泡沫芯
1.2 材料选择：研制的床面板采用的预浸料型号为BS/T700。为控制成本，采用中强型T700碳纤维，树脂采用中温固化BS环氧树脂，固化工艺简单。表1为BS树脂性能。
2 实验
2.1 实验材料
(1) 研制的床面板及其取样。
(2) 国外同型号床面板及其取样。
(3) 铝(纯铝)板、胶合板、聚碳酸脂板等。
2.2 测试方法
(1) 铝当量测定:采用某型号X光机测试，试验条件：X射线管电压100KV，管电流10mA。
(2) 摄影成像质量:按专用技术条件，在SID=100，X射线管电压47KV，管电流5mA的条件下，检测其最大(透过)空间分辨率。
(3) 床面板承载能力:按专用技术条件，在施加额定载荷2158N(220Kg)条件下，检测床面板的变形量；在施加均布载荷8633N(880Kg)条件下，检测床面板的破坏情况。
(4) 对研制的和国外的床面板取样按GB1456-88 规定进行弯曲刚度、弹性模量、挠度和面板应力测定，按GB1453-87规定进行平压强度测定。
3 结果与分析
3.1 床面板铝当量:铝当量，是指物体吸收X射线能力等效铝的厚度来表示的物理量，单位为mmAl。显然，铝当量越小，其X射线透过性能越好。采用某型号X光机对研制的床面板及国外同型号床面板的铝当量进行检测，见表3。并对床面板采用的面板、泡沫芯材、国外同型号床面板采用的面板、及传统床板材料进行铝当量对比测试，结果见表3。
表3数据表明，研制的床面板采用的碳纤维环氧树脂面板的铝当量仅为铝板的11%，其X射线透过性能显著优于胶合板、聚碳酸脂板等传统医用床板材料，且明显优于国外同型号床面板采用的酚醛树脂面板。研制的床面板的整体铝当量为国外同型号产品铝当量的70%，其X射线透过性能优于国外同类产品。
实验证明，能量为E的X射线束，以入射强度为I0穿过厚度为dx的单质材料,由于材料对射线的吸收,使射线强度衰减为I，并可以下式表示：
I=I0exp-μ(ρ,Z,E)dx
公式表明，X射线透过物质后的强度衰减程度与物质的原子序数(Z)、密度(ρ)及厚度(dx)有关。X射线穿透过程中，与物质的互相作用机理很复杂，会引起多种效应并产生复杂的物理、化学过程[2]。它可使气体电离，能破坏物质的化学键，推迟化学分解，也能促使新键的形成，促进物质的合成；作用于生物细胞组织会导致生理效应，使新陈代谢发生变化，也能造成辐射损伤等。所研制的床面板选用碳纤维、环氧树脂、聚甲醛丙稀酰亚胺泡沫塑料等材料，基本是由碳(Z=6),氢(Z=1)，氧(Z=8)等元素组成，因此，床面板的铝当量必然小于铝(Z=13)；表3数据由材料密度角度也可说明：由于研制的床面板的密度较小，所以X射线的透过性能强。
3.2 床面板摄影质量和成像分辨率
3.3.1摄影质量：当X射线透过具有高均匀度(质地均匀、不含杂质)的床面板，就不会出现因杂质使图像产生阴影而导致医生误诊。因此，均匀度是床面板必须控制的重要指标。床面板的均匀度与原材料处理、工艺流程及参数以及制造过程的质量控制等因素直接相关。医用床板专用技术条件规定，在床面板规定的曝光区内连拍10张“14×14”照片，不允许出现直径大于0.3mm的杂质阴影。采用某型号X光机，对研制的床面板按规定进行X光拍片，在专用荧光灯下检验底片，未发现肉眼可见阴影(直径大于0.3mm的杂质)，研制的床面板达到了对摄影质量的要求。
3.2.2床面板成像分辨率：无论是二维透视图像还是扫描(CT)成像，其系统分辨率决定了图像的清晰度，分辨率越高，图像越清晰。系统分辨率是设备整个成像系统(包括计算机软件和床面板在内的所有硬件)功能的综合反映，是成像技术的关键。目前，国外对先进X射线医疗设备系统分辨率的指标定为不小于4.01LP/mm。按专用条件，对装有研制的床面板的X光机系统分辨率进行检测，检测结果为4.01LP/mm，符合成像分辨率指标，研制的床面板达到了对成像分辨率的要求。
为了诊断病人很小的病灶，得到图像的最佳放大倍数，X射线源必须采用小尺寸焦点。根据射线检测经典理论，放大倍数(M0)可用下式表述，即M0=1+[Ui/d]2，式中Ui为摄影系统硬件的固有清晰度，d为焦点尺寸。由公式看出，减小焦点尺寸可增大放大倍数，但焦点尺寸减少意味着X射线强度减少，这又导致图像亮度和对比度下降，而不利于图像观察。很明显，床面板的X射线透过性能越好，则对Ui的提高及焦点尺寸的减少更有利。研制的床面板具有很低铝当量，这对提高设备系统成像分辨率和图像放大倍数的作用显著。
3.3 床面板承载能力：
对研制的床面板，按专用技术条件检测的承载能力数据见表4。
表5数据表明，对比弯曲刚度、面板弹性模量、挠度、破坏载荷和面板应力等性能，研制的床面板均优于国外同型号产品，其平压强度两者相当。
图2为研制的床面板夹层结构及其承受弯曲载荷下的受力分析。
由图2所示，床面板的夹层结构是由较薄的面板和较厚的芯材构成。面板采用强度和刚度较高的碳纤维复合材料，厚度足以承受由设计载荷引起的面内拉应力、压应力和剪应力；选用聚甲醛丙稀酰亚胺(PMI)泡沫芯材，具有足够的强度以承受由设计载荷引起的弯曲应力和横向剪应力；面板的抗压强度和芯材的弹性模量足以防止面板在设计载荷下起皱；夹层结构具有足够的弯曲刚度以防止在设计载荷下产生过度的挠曲变形。
根据表5数据，研制的床面板性能之所以明显优于国外同型号床面板，主要原因是国外同型号床面板的板面采用了力学性能低于碳纤维复合材料的酚醛树脂面板，两者采用了厚度和质地相同的PMI芯材。
4 结论
研制的碳纤维复合材料夹层结构医用床面板具有如下优异的技术性能：
①铝当量为0.52mmAL，具有优良的X射线透过性能；②床面板材质均匀度良好，成像分辨率高达4.01LP/mm，摄影质量良好；③承载能力强，达到设计要求；④弯曲刚度、面板应力及弹性模量、破坏载荷等性能均优于国外同型号床面板。
以上技术性能能够满足目前国际先进X射线诊断和治疗设备对床面板的设计和使用要求。
参考文献
[1] Patient positioning during diagnosis and treatment. JEC Composites Magazine.No.39 March-April 2008.(34)
[2] 李迅茹.放射物理与防护[M].人民卫生出版社.2002,8:(57-60), 百拇医药(李 涛 陈 蔚 成 理 谭纪文 靳玉田 张国强)