低溫制冷CCD探測(cè)器在醫(yī)療機(jī)器人中的應(yīng)用

王麗楊+陳圣國

摘 要：醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中，立體影像的成像質(zhì)量好壞直接決定了手術(shù)的成敗。如果使CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）工作在低溫狀態(tài)下，由于內(nèi)外溫差過大，很容易導(dǎo)致CCD前端的通光玻璃凝結(jié)水霧，使通光率下降，成像模糊。為解決這個(gè)問題，文章提出了一種低溫制冷CCD探測(cè)器在醫(yī)療機(jī)器人中的應(yīng)用方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法成像清晰、可延長器件使用壽命，對(duì)醫(yī)療機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療機(jī)器人；CCD探測(cè)器；低溫；圖像

醫(yī)療機(jī)器人集手臂、攝像機(jī)、手術(shù)儀器于一體，內(nèi)置拍攝人體內(nèi)立體影像的攝影機(jī)，機(jī)械手臂可連接各種精密手術(shù)器械并如手腕般靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。醫(yī)生通過手術(shù)臺(tái)旁的計(jì)算機(jī)操縱桿精確控制機(jī)械臂，具有人手無法相比的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性及精確度，侵害性更小，不僅能減少疼痛及并發(fā)癥，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)。醫(yī)療機(jī)器人中立體影像的成像質(zhì)量好壞直接決定了手術(shù)的成敗。

1 電荷耦合器件的特性

目前國內(nèi)外市場(chǎng)上，CCD-DR （Charge Coupled Device-Digital Radiography， 電荷耦合器件直接數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)）仍然是DR系列產(chǎn)品中的重要一員，特別是在中低端市場(chǎng)上，CCD-DR依然占據(jù)著主導(dǎo)地位，作為CCD-DR的核心組成部分--CCD探測(cè)器，其成像質(zhì)量的好壞直接決定CCD-DR的水平。CCD探測(cè)器圖像質(zhì)量的好壞受多種因素的影響，轉(zhuǎn)換屏的轉(zhuǎn)換效率、反射鏡的質(zhì)量、鏡頭的透光率、 CCD的工作溫度、采集電路的干擾及電源的穩(wěn)定性都會(huì)影響到CCD探測(cè)器最終的成像質(zhì)量。在這些因素中，CCD的工作溫度尤為重要。通過降低CCD的工作溫度，不但能夠獲得好的圖像質(zhì)量，而且能夠大幅度的延長CCD的使用壽命。

一般來說，CCD噪音產(chǎn)生的原因主要有以下三種∶第一，光子射入器件轉(zhuǎn)換成光電荷所產(chǎn)生的噪聲；第二，光電荷轉(zhuǎn)移時(shí)，電荷量波動(dòng)產(chǎn)生的噪聲；第三，光電荷讀出時(shí)產(chǎn)生的噪聲。由于溫度越高，電子的平均動(dòng)能就越大，從而使光電荷在轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)移和輸出過程中的不確定性越高，也即意味著CCD的噪聲越強(qiáng)。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，CCD的工作溫度每升高7度，噪聲就會(huì)增加1倍，信噪比會(huì)隨著溫度的升高而急劇降低。眾所周知，信噪比是指信號(hào)電壓對(duì)噪聲電壓的比值，即每個(gè)像素元所獲得的確定信號(hào)與不確定信號(hào)的相對(duì)大小，在臨床應(yīng)用中，高的信噪比意味著圖像有更多的細(xì)節(jié)，更多的診斷信息，因此高信噪比對(duì)臨床尤其重要。

2 暗電流SD隨溫度變化關(guān)系

目前，在生產(chǎn)制造CCD的過程中，無法保證CCD的每個(gè)像素元有完全相同的穩(wěn)定性，換句話說，每個(gè)像素元在同樣條件下產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的能力不同，這就產(chǎn)生了不均勻暗電流。而且溫度越高，電子-空穴對(duì)產(chǎn)生和遷移的速率就越快，也即暗電流越大。溫度每降低 6℃，暗電流約減少一半，但是在-23℃下曲線開始趨于平緩，由此可以看出溫度并非需要無休止的降低。所以在選擇冷CCD時(shí)，溫度在-25℃（絕對(duì)溫度，非室溫以下）下一般可以滿足要求。有的CCD是在圖像最終生成后，通過軟件去背景來扣除暗電流，對(duì)于信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于背景的有一定效果，但是對(duì)于弱信號(hào)處理過程中會(huì)產(chǎn)生越來越多的錯(cuò)誤。所以說，暗電流對(duì)CCD的成像品質(zhì)非常不利，它同時(shí)也限制了器件的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。所以，降低CCD的工作溫度，能夠很好的降低暗電流，提高電子器件的靈敏度和圖像的動(dòng)態(tài)范圍。

CCD暗電流與溫度的關(guān)系如下式所示：

其中T為熱力學(xué)溫度。在CCD的有效探測(cè)面積4.2cm2，讀出頻率為100kHz情況下，暗電流SD隨溫度變化趨勢(shì)如圖1所示。

從圖1中可以看出，在理想狀態(tài)下，當(dāng)CCD工作溫度小于-23℃時(shí)，即T<250時(shí)，暗電流噪聲趨于穩(wěn)定。

3 低溫制冷CCD探測(cè)器的改造

當(dāng)前業(yè)內(nèi)主流的CCD最佳工作環(huán)境為-23℃，而人體環(huán)境溫度可達(dá)30℃，內(nèi)外溫差為50多度，如果使CCD工作在低溫狀態(tài)下，由于內(nèi)外溫差過大，很容易導(dǎo)致CCD前端的通光玻璃凝結(jié)水霧，使通光率下降，成像模糊。由于CCD前端的的鏡頭分為內(nèi)外兩層，是可動(dòng)件，密封難度也非常大。所以市場(chǎng)上的CCD探測(cè)器能夠真正工作在低溫狀態(tài)下的并不多。本文作者經(jīng)過精心嚴(yán)格的生產(chǎn)加工測(cè)試，成功解決了低溫密封問題，并進(jìn)行了防干擾和散熱處理等改進(jìn)。所提出的新方法，不僅能夠保證CCD工作在-23℃的狀態(tài)，而且能夠保證前端通光率良好而不凝結(jié)水霧。

具體實(shí)施方法：CCD前端的密封玻璃采用通過率達(dá)到99.8%的導(dǎo)電玻璃，玻璃的外表面通電會(huì)產(chǎn)生熱量，在玻璃的外側(cè)左右兩端貼上鍍銀的片狀導(dǎo)條，為了減小導(dǎo)條與導(dǎo)電玻璃之間的接觸電阻，導(dǎo)條與導(dǎo)電玻璃之間涂上導(dǎo)電膏。通過這種將導(dǎo)電玻璃作為負(fù)載串接在電路中的方法，使得導(dǎo)電玻璃的外表面時(shí)刻處在加熱過程中，表面溫度與外界環(huán)境溫度差很小，而玻璃內(nèi)表面又處在一個(gè)干燥的密閉環(huán)境中，所以玻璃內(nèi)表面不會(huì)凝結(jié)水霧。利用所提出的處理方式，外部環(huán)境溫度、玻璃溫度和內(nèi)部密封CCD工作環(huán)境溫度之間可實(shí)現(xiàn)平衡，導(dǎo)電玻璃表面也不會(huì)凝結(jié)水霧的同時(shí)，內(nèi)部溫度可確保穩(wěn)定在-23℃。

4 改造前后的機(jī)器人成像效果對(duì)比

經(jīng)過這種方法改造后的低溫相機(jī)，理論工作溫度能夠達(dá)到-60℃，相機(jī)實(shí)際工作溫度低于環(huán)境溫度近50℃。工作溫度30℃的CCD與工作溫度-20℃的CCD相比，所得圖像信噪比提高為原來的7倍，圖像質(zhì)量大幅提升。下圖是改造前后采集的原始圖像經(jīng)過相同的圖像處理算法處理后的效果圖。從實(shí)驗(yàn)圖像上可以看出：低溫圖像噪聲明顯減小、圖像細(xì)節(jié)豐富、對(duì)比度強(qiáng)。由此可見，CCD長期處于低溫狀態(tài)下工作時(shí)，前端的密封玻璃不會(huì)凝結(jié)水霧，圖像清晰、信噪比高、使用壽命長，這對(duì)低溫制冷CCD探測(cè)器在醫(yī)療機(jī)器人中的臨床應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。

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