眾所周知,，醫(yī)學(xué)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(jià)格上,，與冷頭的十萬檔不同；CT球管動輒百萬以上,，妥妥1個(gè)打10個(gè),；
從地位上，球管是CT中的超級核心,；而冷頭只是超導(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)不如球管那么耀眼。但,，在超導(dǎo)磁共振中,，冷頭的受關(guān)注程度僅次于磁體，遠(yuǎn)超過梯度放大器,、射頻放大器,。不僅是因?yàn)橹匾驗(yàn)檫@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(jī)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(biāo)準(zhǔn)名稱叫(低溫)制冷機(jī)，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(dǎo)磁共振外,，低溫制冷機(jī)有著非常廣闊應(yīng)用，如航空航天,、超導(dǎo)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(xué)發(fā)展的基本支撐條件,，絕對的“大國重器”。
舉個(gè)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(dāng)前較先進(jìn)的精準(zhǔn)放療技術(shù)，質(zhì)子治療其實(shí)也離不開超導(dǎo),，自然也離不開冷頭,。
低溫制冷機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域
從技術(shù)角度，低溫制冷機(jī)包括斯特林制冷機(jī),、GM制冷機(jī),、脈管式制冷機(jī)等類型。其中,，GM制冷機(jī)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(jī)，在探測器冷卻,、半導(dǎo)體冷卻,、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁體等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,。限于能力,，本文主要闡述制冷機(jī)在超導(dǎo)磁共振的應(yīng)用,。
2、一個(gè)4K冷頭的誕生
1959年,，雪城大學(xué)的Gifford與Mcmahon提出通過西蒙膨脹（絕熱放氣原理）來實(shí)現(xiàn)制冷,，并基于此發(fā)明了GM制冷機(jī)，這是一種結(jié)構(gòu)簡單,、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠的小型回?zé)崾綒怏w制冷機(jī),。其中，回?zé)崞魇顷P(guān)鍵部件,，因?yàn)榛責(zé)岵牧弦笥勺銐虻臒崛萘恳员阌谛罾洹?/span>
GM制冷機(jī)發(fā)展史
早期制冷機(jī)(GM Cryocooler)，使用鉛作為回?zé)岵牧?，制作出性能?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?zé)岵牧希瞥隽说谝粋€(gè)商業(yè)10冷頭,，實(shí)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(diǎn)4.3K,，顯然無法實(shí)現(xiàn)液氦零揮發(fā)，仍需要定期補(bǔ)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(yù)計(jì)2040年全球氦氣將被消耗殆盡,。
1995年，又是住友推出了第一個(gè)商業(yè)4K冷頭,，這是低溫制冷技術(shù)的重大進(jìn)展,。從此，超導(dǎo)磁共振進(jìn)入液氦零揮發(fā)(Zero-Boil-Off)時(shí)代,。
得益于4K冷頭,，目前所有超導(dǎo)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(jī)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(jī)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(tuán)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(yīng)用于國家探月工程,、北京正負(fù)電子對撞機(jī)等國家重大科技專項(xiàng),。
不過，具有超導(dǎo)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(biāo)配”，比如GE磁共振采用408A/412A制冷機(jī),，西門子和部分佳能磁共振采用408L/412L制冷機(jī),，聯(lián)影、日立磁共振等采用408D/412D制冷機(jī),。
住友4K冷頭和氦氣壓縮機(jī)
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(biāo)配的F50/F70氦氣壓縮機(jī),。住友的4K冷頭在超導(dǎo)磁共振領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了事實(shí)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(tuán)第八研究院南京鵬力科技集團(tuán)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(jī)，實(shí)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(jī)技術(shù)并進(jìn)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(jī)為例，由于稀土類蓄冷材料的發(fā)展和獨(dú)特的設(shè)計(jì),，二級制冷能力達(dá)到了驚人2.5W@4.2K,。
鵬力KDE425 SA冷頭和參數(shù)
4、另一個(gè)4K冷頭的誕生
眾所周知,，磁共振勵(lì)磁完成后,，會一直發(fā)出類似“呲呲”的清脆小鳥叫聲，這是因?yàn)?K冷頭的活塞運(yùn)動(約1次/秒)導(dǎo)致,。一直存在機(jī)械振動等問題,，不僅會導(dǎo)致冷頭磨損，還會影響高靈敏度超體磁體的性能,。
GM制冷機(jī)各關(guān)鍵部件壽命
1960年代,，雪城大學(xué)的Gifford與Longsworth在研制GM制冷機(jī)時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了脈管制冷效應(yīng),。與GM制冷機(jī)不同，脈管制冷機(jī)(PT Cryocooler)的冷端沒有運(yùn)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(jī)對比
經(jīng)過數(shù)十年的研究,，脈管制冷機(jī)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(jī),。我國的浙江大學(xué),、西安交通大學(xué)、中科院均有類似產(chǎn)品,。不過,，因價(jià)格較高，尚未應(yīng)用在超導(dǎo)磁共振,，主要應(yīng)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(jī)憑借超高的性價(jià)比,，目前仍然是超導(dǎo)磁共振的唯一選擇。不過,，未來4K脈管制冷機(jī)或許會應(yīng)用超導(dǎo)磁共振上,。,。。
