众所周知，医学影像圈有两大著名的“耗材”，分别是MR的冷头和CT的球管。
从寿命上，全新冷头轻松用3、5年；而能抗3年的球管像熊猫一样罕见；
从价格上，与冷头的十万档不同；CT球管动辄百万以上，妥妥1个打10个；
从地位上，球管是CT中的超级核心；而冷头只是超导磁体的辅助，虽然没它不行，但算不上MR的核心部件。
无论从何种角度，冷头都远远不如球管那么耀眼。但，在超导磁共振中，冷头的受关注程度仅次于磁体，远超过梯度放大器、射频放大器。不仅是因为重要，更因为这是曾经全球只有日本住友能生产的关键零部件。
不过，我们也有，与国产球管一直未用在CT整机上不同，国产冷头不仅用了，还品质很好。
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冷头，毋庸置疑的“大国重器”
冷头，其标准名称叫(低温)制冷机，即制冷温度范围120K以下，比如液氦(4.2K)、液氮(77K)、液氢(20.37K)等。
除超导磁共振外，低温制冷机有着非常广阔应用，如航空航天、国防军工、超导电力等领域，均属于国家重大需求。可靠、高效、低成本的低温制冷技术是工业、科学发展的基本支撑条件，绝对的“大国重器”。
举个例子，前几天昆山西部医疗中心正式安装迈胜医疗的集成化质子治疗系统。作为当前最先进的肿瘤精准放疗技术，质子治疗其实也离不开超导，自然也离不开冷头。
低温制冷机的应用领域
从技术角度，低温制冷机包括斯特林制冷机、GM制冷机、脉管式制冷机等类型。其中，GM制冷机凭借其技术成熟，成为国际上唯一工业化大批量生产的低温制冷机，在探测器冷却、半导体冷却、超导电缆、超导磁体等领域广泛应用。限于能力，本文主要阐述制冷机在超导磁共振的应用。
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一个4K冷头的诞生
1959年，雪城大学的Gifford与Mcmahon提出通过西蒙膨胀（绝热放气原理）来实现制冷，并基于此发明了GM制冷机，这是一种结构简单、运转可靠的小型回热式气体制冷机。其中，回热器是关键部件，因为回热材料要求由足够的热容量以便于蓄冷。
GM制冷机发展史
早期制冷机(GM Cryocooler)，使用铅作为回热材料，制作出性能优秀的20K以上冷头，但限于铅的性能，制冷温度始终无法低于10K。
1983年，日本住友使用稀土金属磁共化合物作为回热材料，推出了第一个商业10冷头，实现15K的跨越。果然，作为“工业黄金”的稀土无处不在。
比起无冷头磁体，10K冷头大幅度减少磁共振的液氦挥发速度。然而，氦气的沸点4.3K，显然无法实现液氦零挥发，仍需要定期补充液氦。更重要的是，氦气是不可再生资源，按照全球目前的使用速度，预计2040年全球氦气将被消耗殆尽。
1995年，又是日本住友推出了第一个商业4K冷头，这是低温制冷技术的重大进展。从此，超导磁共振进入液氦零挥发(Zero-Boil-Off)时代。
得益于4K冷头，目前所有超导磁共振均具备液氦零挥发技术，10K冷头磁共振已彻底退出历史舞台。
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住友 VS 国产
目前，知名的GM制冷机厂家包括Sumitomo(住友)、Cryomech、Advanced Research Systems等，以及我国的中船重工鹏力、安徽万瑞冷电、博开机电、氢合科技等公司，生产4K、10K、20K、77K等类型冷头。以万瑞冷电为例，它是以中国电子科技集团公司第十六研究所原低温真空研发部门为主体改制组建而成的高新技术企业，其产品已成功应用于国家探月工程、北京正负电子对撞机、国防军工等国家重大科技专项。
不过，具有超导磁共振4K冷头生产能力的仅有Sumitomo、中船重工鹏力、万瑞冷电、氢合科技等几家企业。其中，住友的4K冷头是全世界所有磁共振厂家的“标配”，比如GE磁共振采用408A/412A制冷机，西门子和部分佳能磁共振采用408L/412L制冷机，联影、日立磁共振等采用408D/412D制冷机。
住友4K冷头和氦气压缩机
作为医院工作人员，可能你没见住友的冷头，但一定见过与之标配的F50/F70氦气压缩机。住友的4K冷头在超导磁共振领域实现了事实上和技术上的垄断，直到中船重工鹏力出现。
2010年，作为中国船舶集团第八研究院南京鹏力科技集团发起成立的高科技企业，中船重工鹏力成功研制出4.2K GM制冷机，实现了磁共振市场的国内外批量供货，成为了国内首家、全球第二家拥有4K GM制冷机技术并进行产业化的企业。比如，联影、奥泰等厂家均是其合作伙伴。以其KDE425 SA型制冷机为例，由于稀土类蓄冷材料的发展和独特的设计，二级制冷能力达到了惊人2.5W@4.2K。
鹏力KDE425 SA冷头和参数
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另一个4K冷头的诞生
众所周知，磁共振励磁完成后，会一直发出类似“呲呲”的清脆小鸟叫声，这是因为4K冷头的活塞运动(约1次/秒)导致。一直存在机械振动等问题，不仅会导致冷头磨损，还会影响高灵敏度超体磁体的性能。
GM制冷机各关键部件寿命
1960年代，雪城大学的Gifford与Longsworth在研制GM制冷机时，意外发现了脉管制冷效应。与GM制冷机不同，脉管制冷机(PT Cryocooler)的冷端没有运动部件，不仅解决了磨损问题，更解决了因振动带来的可靠性问题。
GM和PT制冷机对比
经过数十年的研究，脉管制冷机的制冷温度和效率不断被突破。目前，Sumitomo和Cryomech已推出商业4K脉管制冷机。我国的浙江大学、西安交通大学、中科院均有类似产品。不过，因价格较高，尚未应用在超导磁共振，主要应用在要求更为苛刻的科研、军事、航天等领域。
虽然存在振动、噪音、寿命和和磁噪音等问题，但4K GM制冷机凭借超高的性价比，目前仍然是超导磁共振的唯一选择。不过，未来4K脉管制冷机或许会应用超导磁共振上。
文章来源：zhuwei 医工研习社
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