低温制冷ccd探测器在医疗机器人中的应用

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1、低温制冷CCD探测器在医疗机器人中的应用　　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（ChargeCoupledDevice，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　　?t疗机器人集手臂、摄像

2、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（ChargeCoupledDevice-DigitalRadiography，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

3、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

4、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　　

5、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

6、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

7、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

8、：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