用于荧光细胞观察的制冷CCD成像系统

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1、航天器环境工程第27卷第2期202SPACECRAFTENVIRONMENTENGIIuEERING2010年4月roll皇量罾罾曼喜量曼舅曼璺曼曼曼曼皇舅曼皇曼曼皇曼鼍曼曼蔓曼量皇量鼍曼量曼曼皇鲁量曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼量量量量量鲁罾曼曼曼曼曼曼舅曼皇曼曼量用于荧光细胞观察的制冷CCD成像系统樊尚春1，关铭1，郑德智1，邢维巍1，刘长庭2，陈广飞3(1．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191；2．中国人民解放军总医院呼吸科，北京100853；3．中国人民解放军总医院医学工程保障中心，北京1008

2、53)摘要：细胞成像技术是研究细胞运动、分裂和凋亡的必要手段，所以荧光条件下的细胞成像技术显得尤为重要。为满足荧光细胞观察对微弱光信号的检测和成像的要求，文章通过结构和电路被计，研制了一种用于荧光细胞观察的制冷CCD成像系统。通过分析各组件的技术特点，设计了高效制冷结构，提高了细胞荧光观察榆出图像质量。关键词：荧光细胞观察；生物荧光技术；CCD图像传感器；半导体制冷中图分类号：TP23文献标识码：B文章编号：1673-1379(2010)02-0202-04DOI-10．3969／j．issn．1673—1379．2010．02

3、．016l前言自人类开展空间生物医学研究以来，科研人员在航天环境下进行了大量的细胞生物学实验并取得了很多突破性成果。生物荧光技术已经成为生命科学研究中的重要手段之一，尤其在细胞生物学中的应用极为广泛。通过荧光技术的使用，系统的照明光强度要求相对降低，同时减少了对细胞的光损伤[1卅。荧光细胞由于体积小、光信号微弱等特点，对成像组件提出了更高的要求，尤其在微光条件下，如何降低CCD图像传感器输出噪声、获取高质量图像输出成为了研究热点。CCD图像传感器的输出噪声与其工作环境温度关系紧密。一般而言，工作环境温度每提升6℃左右，输出噪声增

4、加一个数量级。如果使CCD图像传感器的工作温度降低20"--60℃，其输出噪声可以控制在一个相对理想的范围内，从而获取高质量的图像输出【5】。利用这一特性，通过制冷使CCD传感器可工作于低温环境下，通过使用小型化制冷技术，提高输出图像质量。由于制冷CCD可降低输出噪声，在生物细胞荧光观察、天文观察、水质土壤光谱分析、炭疽病检测、核反应堆观察、激光束分析等方面具有广泛的应用。本文将针对细胞荧光观察的需求，根据细胞尺寸等因素，选取大面阵医学成像专用CCD芯片并针对该芯片的结构和电路设计研制出一种用于荧光细胞观察的制冷CCD成像系统。

5、以专为医学成像设计的高性能CCD图像传感器作为成像系统的核心器件，通过低噪声驱动电路和制冷腔体及温度控制电路的设计，降低CCD输出噪声，提高荧光细胞图像质量。2成像系统构成基于对荧光细胞观察的需要，成像系统包括为医学成像设计的大面积CCD图像传感器、基于FPGA的CCD芯片驱动电路和以半导体制冷技术为基础的制冷设备。2．1CCD图像传感器根据在空间生物医学领域需要观察的细胞的典型尺寸(如表1)，本文选用了Kodak公司生产的一款专门设计用于医学成像和机器视觉的高性能200万像素的CCD图像传感器KAI-2093(图1)。一般科学

6、显微镜头放大倍数为5一l0倍，根据表1中细胞的典型尺寸，在经过光学放大后，细胞图像尺寸大于CCD像素点尺寸，所以KAI．2093型号CCD图像传感器满足生物细胞的观察需要。收稿日期：2009．09．18：修回日期：2010．03．18基金项目：国家863项目(项目编号：2008AAl2A20)作者简介：樊尚春(1962．)，男，教授，博士生导师，研究方向为微结构传感器及系统、谐振式传感器、智能化测试技术。E-mail：shangcfan@buaa．edu．cn．樊尚春等：用于荧光细胞观察的制冷CCD成像系统203表l空间生物医学

7、观察细胞主要特征TablelFeaturesofspacebiomedicalobservationcell细胞形状典型尺寸状态梭形或心肌细胞15lamx30Inn勃动三角形平滑肌细胞梭形(2-5)prnx(5-400)Brn静止内皮细胞鹅卵，fi形5gmx(18～20)岬静止图lKAI-2093芯片实物照片Fig．1PictureofKAl-2093KAI．2093为l920(H)×1080(v)感光像素的面阵CCD器件16l，其特点如下：(1)每个像素尺寸为7．4pm(H)x7．4pm(V)，并带有微透镜结构，具有高灵敏度和

8、动态范围，便于细胞图像获取；(2)具有单通道和双通道两种视频输出模式。单通道模式和双通道模式下的帧速率分别可以达到15帧／s、30帧／s；(3)低热噪声。在40℃工作时，暗电流小于0．5nafcm2：(4)只分别需要2路水平和垂直的CCD时钟信号，便于CCD驱动