低温制冷CCD探测器在医疗机器人中的应用

王丽杨+陈圣国

摘 要：医疗机器人系统中，立体影像的成像质量好坏直接决定了手术的成败。如果使CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）工作在低温状态下，由于内外温差过大，很容易导致CCD前端的通光玻璃凝结水雾，使通光率下降，成像模糊。为解决这个问题，文章提出了一种低温制冷CCD探测器在医疗机器人中的应用方法。经实验验证，该方法成像清晰、可延长器件使用寿命，对医疗机器人的应用和发展具有重要意义。

关键词：医疗机器人；CCD探测器；低温；图像

醫疗机器人集手臂、摄像机、手术仪器于一体，内置拍摄人体内立体影像的摄影机，机械手臂可连接各种精密手术器械并如手腕般灵活转动。医生通过手术台旁的计算机操纵杆精确控制机械臂，具有人手无法相比的稳定性、重现性及精确度，侵害性更小，不仅能减少疼痛及并发症，且可实现远程手术。医疗机器人中立体影像的成像质量好坏直接决定了手术的成败。

1 电荷耦合器件的特性

目前国内外市场上，CCD-DR （Charge Coupled Device-Digital Radiography， 电荷耦合器件直接数字化X射线摄影系统）仍然是DR系列产品中的重要一员，特别是在中低端市场上，CCD-DR依然占据着主导地位，作为CCD-DR的核心组成部分--CCD探测器，其成像质量的好坏直接决定CCD-DR的水平。CCD探测器图像质量的好坏受多种因素的影响，转换屏的转换效率、反射镜的质量、镜头的透光率、 CCD的工作温度、采集电路的干扰及电源的稳定性都会影响到CCD探测器最终的成像质量。在这些因素中，CCD的工作温度尤为重要。通过降低CCD的工作温度，不但能够获得好的图像质量，而且能够大幅度的延长CCD的使用寿命。

一般来说，CCD噪音产生的原因主要有以下三种∶第一，光子射入器件转换成光电荷所产生的噪声；第二，光电荷转移时，电荷量波动产生的噪声；第三，光电荷读出时产生的噪声。由于温度越高，电子的平均动能就越大，从而使光电荷在转换、转移和输出过程中的不确定性越高，也即意味着CCD的噪声越强。测试发现，CCD的工作温度每升高7度，噪声就会增加1倍，信噪比会随着温度的升高而急剧降低。众所周知，信噪比是指信号电压对噪声电压的比值，即每个像素元所获得的确定信号与不确定信号的相对大小，在临床应用中，高的信噪比意味着图像有更多的细节，更多的诊断信息，因此高信噪比对临床尤其重要。

2 暗电流SD随温度变化关系

目前，在生产制造CCD的过程中，无法保证CCD的每个像素元有完全相同的稳定性，换句话说，每个像素元在同样条件下产生电子-空穴对的能力不同，这就产生了不均匀暗电流。而且温度越高，电子-空穴对产生和迁移的速率就越快，也即暗电流越大。温度每降低 6℃，暗电流约减少一半，但是在-23℃下曲线开始趋于平缓，由此可以看出温度并非需要无休止的降低。所以在选择冷CCD时，温度在-25℃（绝对温度，非室温以下）下一般可以满足要求。有的CCD是在图像最终生成后，通过软件去背景来扣除暗电流，对于信号远远强于背景的有一定效果，但是对于弱信号处理过程中会产生越来越多的错误。所以说，暗电流对CCD的成像品质非常不利，它同时也限制了器件的灵敏度和动态范围。所以，降低CCD的工作温度，能够很好的降低暗电流，提高电子器件的灵敏度和图像的动态范围。

CCD暗电流与温度的关系如下式所示：

其中T为热力学温度。在CCD的有效探测面积4.2cm2，读出频率为100kHz情况下，暗电流SD随温度变化趋势如图1所示。

从图1中可以看出，在理想状态下，当CCD工作温度小于-23℃时，即T<250时，暗电流噪声趋于稳定。

3 低温制冷CCD探测器的改造

当前业内主流的CCD最佳工作环境为-23℃，而人体环境温度可达30℃，内外温差为50多度，如果使CCD工作在低温状态下，由于内外温差过大，很容易导致CCD前端的通光玻璃凝结水雾，使通光率下降，成像模糊。由于CCD前端的的镜头分为内外两层，是可动件，密封难度也非常大。所以市场上的CCD探测器能够真正工作在低温状态下的并不多。本文作者经过精心严格的生产加工测试，成功解决了低温密封问题，并进行了防干扰和散热处理等改进。所提出的新方法，不仅能够保证CCD工作在-23℃的状态，而且能够保证前端通光率良好而不凝结水雾。

具体实施方法：CCD前端的密封玻璃采用通过率达到99.8%的导电玻璃，玻璃的外表面通电会产生热量，在玻璃的外侧左右两端贴上镀银的片状导条，为了减小导条与导电玻璃之间的接触电阻，导条与导电玻璃之间涂上导电膏。通过这种将导电玻璃作为负载串接在电路中的方法，使得导电玻璃的外表面时刻处在加热过程中，表面温度与外界环境温度差很小，而玻璃内表面又处在一个干燥的密闭环境中，所以玻璃内表面不会凝结水雾。利用所提出的处理方式，外部环境温度、玻璃温度和内部密封CCD工作环境温度之间可实现平衡，导电玻璃表面也不会凝结水雾的同时，内部温度可确保稳定在-23℃。

4 改造前后的机器人成像效果对比

经过这种方法改造后的低温相机，理论工作温度能够达到-60℃，相机实际工作温度低于环境温度近50℃。工作温度30℃的CCD与工作温度-20℃的CCD相比，所得图像信噪比提高为原来的7倍，图像质量大幅提升。下图是改造前后采集的原始图像经过相同的图像处理算法处理后的效果图。从实验图像上可以看出：低温图像噪声明显减小、图像细节丰富、对比度强。由此可见，CCD长期处于低温状态下工作时，前端的密封玻璃不会凝结水雾，图像清晰、信噪比高、使用寿命长，这对低温制冷CCD探测器在医疗机器人中的临床应用和发展具有重要意义。

参考文献

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