低溫制冷CCD探測器在醫療機器人中的應用

王麗楊+陳圣國

摘 要：醫療機器人系統中，立體影像的成像質量好壞直接決定了手術的成敗。如果使CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）工作在低溫狀態下，由于內外溫差過大，很容易導致CCD前端的通光玻璃凝結水霧，使通光率下降，成像模糊。為解決這個問題，文章提出了一種低溫制冷CCD探測器在醫療機器人中的應用方法。經實驗驗證，該方法成像清晰、可延長器件使用壽命，對醫療機器人的應用和發展具有重要意義。

關鍵詞：醫療機器人；CCD探測器；低溫；圖像

醫療機器人集手臂、攝像機、手術儀器于一體，內置拍攝人體內立體影像的攝影機，機械手臂可連接各種精密手術器械并如手腕般靈活轉動。醫生通過手術臺旁的計算機操縱桿精確控制機械臂，具有人手無法相比的穩定性、重現性及精確度，侵害性更小，不僅能減少疼痛及并發癥，且可實現遠程手術。醫療機器人中立體影像的成像質量好壞直接決定了手術的成敗。

1 電荷耦合器件的特性

目前國內外市場上，CCD-DR （Charge Coupled Device-Digital Radiography， 電荷耦合器件直接數字化X射線攝影系統）仍然是DR系列產品中的重要一員，特別是在中低端市場上，CCD-DR依然占據著主導地位，作為CCD-DR的核心組成部分--CCD探測器，其成像質量的好壞直接決定CCD-DR的水平。CCD探測器圖像質量的好壞受多種因素的影響，轉換屏的轉換效率、反射鏡的質量、鏡頭的透光率、 CCD的工作溫度、采集電路的干擾及電源的穩定性都會影響到CCD探測器最終的成像質量。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噪音產生的原因主要有以下三種∶第一，光子射入器件轉換成光電荷所產生的噪聲；第二，光電荷轉移時，電荷量波動產生的噪聲；第三，光電荷讀出時產生的噪聲。由于溫度越高，電子的平均動能就越大，從而使光電荷在轉換、轉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。測試發現，CCD的工作溫度每升高7度，噪聲就會增加1倍，信噪比會隨著溫度的升高而急劇降低。眾所周知，信噪比是指信號電壓對噪聲電壓的比值，即每個像素元所獲得的確定信號與不確定信號的相對大小，在臨床應用中，高的信噪比意味著圖像有更多的細節，更多的診斷信息，因此高信噪比對臨床尤其重要。

2 暗電流SD隨溫度變化關系

目前，在生產制造CCD的過程中，無法保證CCD的每個像素元有完全相同的穩定性，換句話說，每個像素元在同樣條件下產生電子-空穴對的能力不同，這就產生了不均勻暗電流。而且溫度越高，電子-空穴對產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，溫度在-25℃（絕對溫度，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，對于信號遠遠強于背景的有一定效果，但是對于弱信號處理過程中會產生越來越多的錯誤。所以說，暗電流對CCD的成像品質非常不利，它同時也限制了器件的靈敏度和動態范圍。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態范圍。

CCD暗電流與溫度的關系如下式所示：

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

從圖1中可以看出，在理想狀態下，當CCD工作溫度小于-23℃時，即T<250時，暗電流噪聲趨于穩定。

3 低溫制冷CCD探測器的改造

當前業內主流的CCD最佳工作環境為-23℃，而人體環境溫度可達30℃，內外溫差為50多度，如果使CCD工作在低溫狀態下，由于內外溫差過大，很容易導致CCD前端的通光玻璃凝結水霧，使通光率下降，成像模糊。由于CCD前端的的鏡頭分為內外兩層，是可動件，密封難度也非常大。所以市場上的CCD探測器能夠真正工作在低溫狀態下的并不多。本文作者經過精心嚴格的生產加工測試，成功解決了低溫密封問題，并進行了防干擾和散熱處理等改進。所提出的新方法，不僅能夠保證CCD工作在-23℃的狀態，而且能夠保證前端通光率良好而不凝結水霧。

具體實施方法：CCD前端的密封玻璃采用通過率達到99.8%的導電玻璃，玻璃的外表面通電會產生熱量，在玻璃的外側左右兩端貼上鍍銀的片狀導條，為了減小導條與導電玻璃之間的接觸電阻，導條與導電玻璃之間涂上導電膏。通過這種將導電玻璃作為負載串接在電路中的方法，使得導電玻璃的外表面時刻處在加熱過程中，表面溫度與外界環境溫度差很小，而玻璃內表面又處在一個干燥的密閉環境中，所以玻璃內表面不會凝結水霧。利用所提出的處理方式，外部環境溫度、玻璃溫度和內部密封CCD工作環境溫度之間可實現平衡，導電玻璃表面也不會凝結水霧的同時，內部溫度可確保穩定在-23℃。

4 改造前后的機器人成像效果對比

經過這種方法改造后的低溫相機，理論工作溫度能夠達到-60℃，相機實際工作溫度低于環境溫度近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，圖像質量大幅提升。下圖是改造前后采集的原始圖像經過相同的圖像處理算法處理后的效果圖。從實驗圖像上可以看出：低溫圖像噪聲明顯減小、圖像細節豐富、對比度強。由此可見，CCD長期處于低溫狀態下工作時，前端的密封玻璃不會凝結水霧，圖像清晰、信噪比高、使用壽命長，這對低溫制冷CCD探測器在醫療機器人中的臨床應用和發展具有重要意義。

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