眾所周知，醫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，全新冷頭輕鬆用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麼耀眼。但，在超導磁共振中，冷頭的受關注程度僅次於磁體，遠超過梯度放大器、射頻放大器。不僅是因為重要，更因為這是曾經全球只有日本住友能生產的關鍵零部件。不過，我們也有，與國產球管一直未用在CT整機上不同，國產冷頭不僅用了，還品質很好。
1冷頭，毋庸置疑的“大國重器”
冷頭，其標準名稱叫(低溫)製冷機，即製冷溫度範圍120K以下，比如液氦(4.2K)、液氮(77K)、液氫(20.37K)等。除超導磁共振外，低溫製冷機有著非常廣闊應用，如航空航天、國防軍工、超導電力等領域，均屬於國家重大需求。可靠、高效、低成本的低溫製冷技術是工業、科學發展的基本支撐條件，絕對的“大國重器”。舉個例子，前幾天崑山西部醫療中心正式安裝邁勝醫療的整合化質子治療系統。作為當前最先進的腫瘤精準放療技術，質子治療其實也離不開超導，自然也離不開冷頭。
低溫製冷機的應用領域
從技術角度，低溫製冷機包括斯特林製冷機、GM製冷機、脈管式製冷機等型別。其中，GM製冷機憑藉其技術成熟，成為國際上唯一工業化大批次生產的低溫製冷機，在探測器冷卻、半導體冷卻、超導電纜、超導磁體等領域廣泛應用。限於能力，本文主要闡述製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提出透過西蒙膨脹（絕熱放氣原理）來實現製冷，並基於此發明了GM製冷機，這是一種結構簡單、運轉可靠的小型回熱式氣體制冷機。其中，回熱器是關鍵部件，因為回熱材料要求由足夠的熱容量以便於蓄冷。
GM製冷機發展史
早期製冷機(GM Cryocooler)，使用鉛作為回熱材料，製作出效能優秀的20K以上冷頭，但限於鉛的效能，製冷溫度始終無法低於10K。1983年，日本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10冷頭，實現15K的跨越。果然，作為“工業黃金”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速度。然而，氦氣的沸點4.3K，顯然無法實現液氦零揮發，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，又是日本住友推出了第一個商業4K冷頭，這是低溫製冷技術的重大進展。從此，超導磁共振進入液氦零揮發(Zero-Boil-Off)時代。得益於4K冷頭，目前所有超導磁共振均具備液氦零揮發技術，10K冷頭磁共振已徹底退出歷史舞臺。
3住友 VS 國產
目前，知名的GM製冷機廠家包括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4K、10K、20K、77K等型別冷頭。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部門為主體改制組建而成的高新技術企業，其產品已成功應用於國家探月工程、北京正負電子對撞機、國防軍工等國家重大科技專項。不過，具有超導磁共振4K冷頭生產能力的僅有Sumitomo、中船重工鵬力、萬瑞冷電、氫合科技等幾家企業。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磁共振採用408A/412A製冷機，西門子和部分佳能磁共振採用408L/412L製冷機，聯影、日立磁共振等採用408D/412D製冷機。
住友4K冷頭和氦氣壓縮機
作為醫院工作人員，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域實現了事實上和技術上的壟斷，直到中船重工鵬力出現。2010年，作為中國船舶集團第八研究院南京鵬力科技集團發起成立的高科技企業，中船重工鵬力成功研製出4.2K GM製冷機，實現了磁共振市場的國內外批次供貨，成為了國內首家、全球第二家擁有4K GM製冷機技術並進行產業化的企業。比如，聯影、奧泰等廠家均是其合作伙伴。以其KDE425 SA型製冷機為例，由於稀土類蓄冷材料的發展和獨特的設計，二級製冷能力達到了驚人[email protected]。
鵬力KDE425 SA冷頭和引數
4另一個4K冷頭的誕生
眾所周知，磁共振勵磁完成後，會一直髮出類似“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效能。
GM製冷機各關鍵部件壽命
1960年代，雪城大學的Gifford與Longsworth在研製GM製冷機時，意外發現了脈管制冷效應。與GM製冷機不同，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製冷機對比經過數十年的研究，脈管制冷機的製冷溫度和效率不斷被突破。目前，Sumitomo和Cryomech已推出商業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、航天等領域。
雖然存在振動、噪音、壽命和和磁噪音等問題，但4K GM製冷機憑藉超高的價效比，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。。。
