眾所周知，醫(yī)學影像圈有兩大著名的“耗材”，分別是MR的冷頭和CT的球管。
從壽命上，全新冷頭輕松用3、5年；而能抗3年的球管像熊貓一樣罕見；
從價格上，與冷頭的十萬檔不同；CT球管動輒百萬以上，妥妥1個打10個；
從地位上，球管是CT中的超級核心；而冷頭只是超導磁體的輔助，雖然沒它不行，但算不上MR的核心部件。
無論從何種角度，冷頭都遠遠不如球管那么耀眼。但，在超導磁共振中，冷頭的受關(guān)注程度僅次于磁體，遠超過梯度放大器、射頻放大器。不僅是因為重要，更因為這是曾經(jīng)全球只有住友能生產(chǎn)的關(guān)鍵零部件。
不過，我們也有，與國產(chǎn)球管一直未用在CT整機上不同，國產(chǎn)冷頭不僅用了，還品質(zhì)很好。
1、冷頭，毋庸置疑的“大國重器”
冷頭，其標準名稱叫(低溫)制冷機，即制冷溫度范圍120K以下，比如液氦(4.2K)、液氮(77K)、液氫(20.37K)等。
除超導磁共振外，低溫制冷機有著非常廣闊應用，如航空航天、超導電力等領(lǐng)域，均屬于國家重大需求?？煽?、高效、低成本的低溫制冷技術(shù)是工業(yè)、科學發(fā)展的基本支撐條件，絕對的“大國重器”。
舉個例子，前幾天昆山西部醫(yī)療中心正式安裝邁勝醫(yī)療的集成化質(zhì)子治療系統(tǒng)。作為當前較先進的精準放療技術(shù)，質(zhì)子治療其實也離不開超導，自然也離不開冷頭。
低溫制冷機的應用領(lǐng)域
從技術(shù)角度，低溫制冷機包括斯特林制冷機、GM制冷機、脈管式制冷機等類型。其中，GM制冷機憑借其技術(shù)成熟，成為國際上工業(yè)化大批量生產(chǎn)的低溫制冷機，在探測器冷卻、半導體冷卻、超導電纜、超導磁體等領(lǐng)域廣泛應用。限于能力，本文主要闡述制冷機在超導磁共振的應用。
2、一個4K冷頭的誕生
1959年，雪城大學的Gifford與Mcmahon提出通過西蒙膨脹（絕熱放氣原理）來實現(xiàn)制冷，并基于此發(fā)明了GM制冷機，這是一種結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)可靠的小型回熱式氣體制冷機。其中，回熱器是關(guān)鍵部件，因為回熱材料要求由足夠的熱容量以便于蓄冷。
GM制冷機發(fā)展史
早期制冷機(GM Cryocooler)，使用鉛作為回熱材料，制作出性能優(yōu)秀的20K以上冷頭，但限于鉛的性能，制冷溫度始終無法低于10K。
1983年，住友使用稀土金屬磁共化合物作為回熱材料，推出了第一個商業(yè)10冷頭，實現(xiàn)15K的跨越。果然，作為“工業(yè)黃金”的稀土無處不在。
比起無冷頭磁體，10K冷頭大幅度減少磁共振的液氦揮發(fā)速度。然而，氦氣的沸點4.3K，顯然無法實現(xiàn)液氦零揮發(fā)，仍需要定期補充液氦。更重要的是，氦氣是不可再生資源，按照全球目前的使用速度，預計2040年全球氦氣將被消耗殆盡。
1995年，又是住友推出了第一個商業(yè)4K冷頭，這是低溫制冷技術(shù)的重大進展。從此，超導磁共振進入液氦零揮發(fā)(Zero-Boil-Off)時代。
得益于4K冷頭，目前所有超導磁共振均具備液氦零揮發(fā)技術(shù)，10K冷頭磁共振已徹底退出歷史舞臺。
3、住友 VS 國產(chǎn)
目前，知名的GM制冷機廠家包括Sumitomo(住友)、Cryomech、Advanced Research Systems等，以及我國的中船重工鵬力、安徽萬瑞冷電、博開機電、氫合科技等公司，生產(chǎn)4K、10K、20K、77K等類型冷頭。以萬瑞冷電為例，它是以中國電子科技集團公司第十六研究所原低溫真空研發(fā)部門為主體改制組建而成的高新技術(shù)企業(yè)，其產(chǎn)品已成功應用于國家探月工程、北京正負電子對撞機等國家重大科技專項。
不過，具有超導磁共振4K冷頭生產(chǎn)能力的僅有Sumitomo、中船重工鵬力、萬瑞冷電、氫合科技等幾家企業(yè)。其中，住友的4K冷頭是全世界所有磁共振廠家的“標配”，比如GE磁共振采用408A/412A制冷機，西門子和部分佳能磁共振采用408L/412L制冷機，聯(lián)影、日立磁共振等采用408D/412D制冷機。
住友4K冷頭和氦氣壓縮機
作為醫(yī)院工作人員，可能你沒見住友的冷頭，但一定見過與之標配的F50/F70氦氣壓縮機。住友的4K冷頭在超導磁共振領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了事實上和技術(shù)上的壟斷，直到中船重工鵬力出現(xiàn)。
2010年，作為中國船舶集團第八研究院南京鵬力科技集團發(fā)起成立的高科技企業(yè)，中船重工鵬力成功研制出4.2K GM制冷機，實現(xiàn)了磁共振市場的國內(nèi)外批量供貨，成為了國內(nèi)首家、全球第二家擁有4K GM制冷機技術(shù)并進行產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)。比如，聯(lián)影、奧泰等廠家均是其合作伙伴。以其KDE425 SA型制冷機為例，由于稀土類蓄冷材料的發(fā)展和獨特的設(shè)計，二級制冷能力達到了驚人2.5W@4.2K。
鵬力KDE425 SA冷頭和參數(shù)
4、另一個4K冷頭的誕生
眾所周知，磁共振勵磁完成后，會一直發(fā)出類似“呲呲”的清脆小鳥叫聲，這是因為4K冷頭的活塞運動(約1次/秒)導致。一直存在機械振動等問題，不僅會導致冷頭磨損，還會影響高靈敏度超體磁體的性能。
GM制冷機各關(guān)鍵部件壽命
1960年代，雪城大學的Gifford與Longsworth在研制GM制冷機時，意外發(fā)現(xiàn)了脈管制冷效應。與GM制冷機不同，脈管制冷機(PT Cryocooler)的冷端沒有運動部件，不僅解決了磨損問題，更解決了因振動帶來的可靠性問題。
GM和PT制冷機對比
經(jīng)過數(shù)十年的研究，脈管制冷機的制冷溫度和效率不斷被突破。目前，Sumitomo和Cryomech已推出商業(yè)4K脈管制冷機。我國的浙江大學、西安交通大學、中科院均有類似產(chǎn)品。不過，因價格較高，尚未應用在超導磁共振，主要應用在要求更為苛刻的科研、軍事、航天等領(lǐng)域。
雖然存在振動、噪音、壽命和和磁噪音等問題，但4K GM制冷機憑借超高的性價比，目前仍然是超導磁共振的唯一選擇。不過，未來4K脈管制冷機或許會應用超導磁共振上。。。
