用于熒光細(xì)胞觀察的制冷CCD成像系統(tǒng)

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1、航天器環(huán)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鼉曼曼蔓曼量皇量鼉曼量曼曼皇魯量曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼量量量量量魯罾曼曼曼曼曼曼舅曼皇曼曼量用于熒光細(xì)胞觀察的制冷CCD成像系統(tǒng)樊尚春1，關(guān)銘1，鄭德智1，邢維巍1，劉長庭2，陳廣飛3(1．北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191；2．中國人民解放軍總醫(yī)院呼吸科，北京100853；3．中國人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障中心，北京1008

2、53)摘要：細(xì)胞成像技術(shù)是研究細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、分裂和凋亡的必要手段，所以熒光條件下的細(xì)胞成像技術(shù)顯得尤為重要。為滿足熒光細(xì)胞觀察對(duì)微弱光信號(hào)的檢測(cè)和成像的要求，文章通過結(jié)構(gòu)和電路被計(jì)，研制了一種用于熒光細(xì)胞觀察的制冷CCD成像系統(tǒng)。通過分析各組件的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了高效制冷結(jié)構(gòu)，提高了細(xì)胞熒光觀察榆出圖像質(zhì)量。關(guān)鍵詞：熒光細(xì)胞觀察；生物熒光技術(shù)；CCD圖像傳感器；半導(dǎo)體制冷中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1673-1379(2010)02-0202-04DOI-10．3969／j．issn．1673—1379．2010．02

3、．016l前言自人類開展空間生物醫(yī)學(xué)研究以來，科研人員在航天環(huán)境下進(jìn)行了大量的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)并取得了很多突破性成果。生物熒光技術(shù)已經(jīng)成為生命科學(xué)研究中的重要手段之一，尤其在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用極為廣泛。通過熒光技術(shù)的使用，系統(tǒng)的照明光強(qiáng)度要求相對(duì)降低，同時(shí)減少了對(duì)細(xì)胞的光損傷[1卅。熒光細(xì)胞由于體積小、光信號(hào)微弱等特點(diǎn)，對(duì)成像組件提出了更高的要求，尤其在微光條件下，如何降低CCD圖像傳感器輸出噪聲、獲取高質(zhì)量圖像輸出成為了研究熱點(diǎn)。CCD圖像傳感器的輸出噪聲與其工作環(huán)境溫度關(guān)系緊密。一般而言，工作環(huán)境溫度每提升6℃左右，輸出噪聲增

4、加一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果使CCD圖像傳感器的工作溫度降低20"--60℃，其輸出噪聲可以控制在一個(gè)相對(duì)理想的范圍內(nèi)，從而獲取高質(zhì)量的圖像輸出【5】。利用這一特性，通過制冷使CCD傳感器可工作于低溫環(huán)境下，通過使用小型化制冷技術(shù)，提高輸出圖像質(zhì)量。由于制冷CCD可降低輸出噪聲，在生物細(xì)胞熒光觀察、天文觀察、水質(zhì)土壤光譜分析、炭疽病檢測(cè)、核反應(yīng)堆觀察、激光束分析等方面具有廣泛的應(yīng)用。本文將針對(duì)細(xì)胞熒光觀察的需求，根據(jù)細(xì)胞尺寸等因素，選取大面陣醫(yī)學(xué)成像專用CCD芯片并針對(duì)該芯片的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)研制出一種用于熒光細(xì)胞觀察的制冷CCD成像系統(tǒng)。

5、以專為醫(yī)學(xué)成像設(shè)計(jì)的高性能CCD圖像傳感器作為成像系統(tǒng)的核心器件，通過低噪聲驅(qū)動(dòng)電路和制冷腔體及溫度控制電路的設(shè)計(jì)，降低CCD輸出噪聲，提高熒光細(xì)胞圖像質(zhì)量。2成像系統(tǒng)構(gòu)成基于對(duì)熒光細(xì)胞觀察的需要，成像系統(tǒng)包括為醫(yī)學(xué)成像設(shè)計(jì)的大面積CCD圖像傳感器、基于FPGA的CCD芯片驅(qū)動(dòng)電路和以半導(dǎo)體制冷技術(shù)為基礎(chǔ)的制冷設(shè)備。2．1CCD圖像傳感器根據(jù)在空間生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需要觀察的細(xì)胞的典型尺寸(如表1)，本文選用了Kodak公司生產(chǎn)的一款專門設(shè)計(jì)用于醫(yī)學(xué)成像和機(jī)器視覺的高性能200萬像素的CCD圖像傳感器KAI-2093(圖1)。一般科學(xué)

6、顯微鏡頭放大倍數(shù)為5一l0倍，根據(jù)表1中細(xì)胞的典型尺寸，在經(jīng)過光學(xué)放大后，細(xì)胞圖像尺寸大于CCD像素點(diǎn)尺寸，所以KAI．2093型號(hào)CCD圖像傳感器滿足生物細(xì)胞的觀察需要。收稿日期：2009．09．18：修回日期：2010．03．18基金項(xiàng)目：國家863項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2008AAl2A20)作者簡介：樊尚春(1962．)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)傳感器及系統(tǒng)、諧振式傳感器、智能化測(cè)試技術(shù)。E-mail：shangcfan@buaa．edu．cn．樊尚春等：用于熒光細(xì)胞觀察的制冷CCD成像系統(tǒng)203表l空間生物醫(yī)學(xué)

7、觀察細(xì)胞主要特征TablelFeaturesofspacebiomedicalobservationcell細(xì)胞形狀典型尺寸狀態(tài)梭形或心肌細(xì)胞15lamx30Inn勃?jiǎng)尤切纹交〖?xì)胞梭形(2-5)prnx(5-400)Brn靜止內(nèi)皮細(xì)胞鵝卵，fi形5gmx(18～20)岬靜止圖lKAI-2093芯片實(shí)物照片F(xiàn)ig．1PictureofKAl-2093KAI．2093為l920(H)×1080(v)感光像素的面陣CCD器件16l，其特點(diǎn)如下：(1)每個(gè)像素尺寸為7．4pm(H)x7．4pm(V)，并帶有微透鏡結(jié)構(gòu)，具有高靈敏度和

8、動(dòng)態(tài)范圍，便于細(xì)胞圖像獲??；(2)具有單通道和雙通道兩種視頻輸出模式。單通道模式和雙通道模式下的幀速率分別可以達(dá)到15幀／s、30幀／s；(3)低熱噪聲。在40℃工作時(shí)，暗電流小于0．5nafcm2：(4)只分別需要2路水平和垂直的CCD時(shí)鐘信號(hào)，便于CCD驅(qū)動(dòng)