基于X射线的计算机断层成像技术在安检中的应用

■ 文/ 公安部检测中心 梅楠 井冰 芦朋

关键字：安检 计算机断层扫描 X射线 CT 爆炸物探测

1 引言

近十几年来，随着科学技术的发展和制造水平的提升，以通道式X光机为主的安全检查设备在机场、海关、车站、公检法机构、大型活动现场等场所得到了广泛的应用，对预防和制止爆炸、枪击、行凶等案件发生，具有重要的意义。

通道式X光机的透视成像图为物体在垂直于X射线平面的投影图，投影图中像素点表征射线衰减情况，难以穿透的区域（射线衰减大）以深色显示，容易穿透的区域（射线衰减小）以浅色显示。在通道式X光机的透视成像图中，刀具、棍棒、枪支等金属危险品具有较为明显的轮廓和颜色，容易被识别出；而易燃易爆的液体、固体爆炸物和毒品的透视成像图与生活中常见的饮料、化肥、洗衣粉、奶粉等相似，难以被有效识别。通道式X光机进行安全检查时，还存在空间分辨率有限、无法分辨出复杂背景中叠放的物质、无法测定物质的真实密度、也无法准确测定物质的有效原子序数等问题。因此，在实际使用中经常配合痕量爆炸物探测设备、痕量毒品探测设备和液体检测设备共同使用。

上世纪90年代，美国的Invision公司和L-3Comm研发出了基于X射线的计算机断层成像安检设备，并相继通过美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）的认证，开启了基于X射线的计算机断层成像技术在安检领域的应用。2018年12月，国家标准GB/T 37128-2018《X射线计算机断层成像安全检查系统技术要求》正式发布，从功能、性能、电气安全、电磁兼容适应性和环境适应性等多个角度规范了X射线的计算机断层成像设备，使得安检计算机断层扫描（Computed Tomography， CT）设备的设计、制造、验收和使用有据可查，也为安检CT设备的广泛应用奠定了基础。

2 X射线成像技术在安检中的应用

2.1 X射线

1895年，德国物理学家伦琴发现了一种穿透力极强的射线，命名为X射线。X射线是波长介于紫外线和γ射线之间的一种电磁波，波长在10-8cm左右，除具有光的一切特性外，还具有穿透、电离、热以及化学等作用和效应。X射线波长极短，其光子具有很大的能量。当X射线照射到物体上时，除了散射和被物质吸收的一部分之外，大部分的光子经物质的原子间隙中通过，因此X射线具有很强的穿透性。X射线的波长越短，光子的能量越大，X射线的穿透性越强。X射线的穿透性还与被照物质的有效原子序数和密度等信息有关，X射线的这种穿透作用在安检领域获得了应用。X射线的电磁波谱如图1所示：

图1 电磁波谱

当一束入射X射线穿过物体后，因与物体的相互作用，其强度会被减弱，主要是物体对X射线的吸收和散射的结果。吸收是物体将入射X射线的能量转化为热能等其它形式的能量；而散射是X射线在物体的作用下改变了入射方向。其中，入射X射线强度的减弱主要是由物体的吸收所致。X射线与物体的相互作用如图2所示：

图2 X射线与物体的相互作用

2.2 X射线成像数学模型

对于单能X射线入射一种密度和原子序数均匀的材料，衰减模型可表达为：

其中，I和I0分别是透射和入射X射线的强度，L为透射材料厚度，τ 、σ和σr分别是材料的光电、康普顿和相干散射相互作用的衰减系数。可简化为：

式中 μ是材料的线性衰减系数，该式子通常称为Lambert-Beers定理。 μ是入射X光子能量的函数，μ值高的物体比 μ值低的物体使X光子衰减更多。

考虑一个非均匀的物体（物体由多个具有不同衰减系统的材料组成）。利用微分的思想，将物体在X射线的入射方向上分割成若干个小的尺寸单元，当单元尺寸足够小时，认为单元尺寸内材料为一种材料。如图3所示：

图3 X射线在非均匀物质中的衰减示意图

在这种情况下，式（2）可改写为：

式（3）两边同时除以I0后取对数，可得：

当d趋近于0时，式（4）的累加变成在物体长度上的积分，

式（5）中p是投影测量值，dl为微分单元长度。式（5）说明，入射X射线强度与出射X射线强度之比经过对数运算后，表示为沿X射线入射方向上衰减系数的线积分。

2.3 单能和多能成像原理

单能量的X射线穿过测物体的某一个截面后被探测器组吸收，经过滤波和量化后，可得到一组灰度值，这组灰度值在透视图上代表着一列像素的灰度值。随着设备的传动装置带动物体向前移动，X射线可以依次穿过物体的每一个截面，探测器也就探测到物体所有截面吸收的X射线能量值，据此可以得到物体完整的二维灰度图像。单能X射线安全检查设备可以利用得到的物体的二维灰度图像来判断出行李包裹中物体的大致形状。

双能量X射线透射技术是在单能X射线透射的基础上，采用两个能级的射线束对物体透射，这两个能级的射线束一般来说是由一个射线源产生，通过开关切换即可产生不同能级的X射线束，并分别采用不同的探测系统得到相应能级的衰减数据，由于不同材质，不同密度的物质对不同能级X射线的衰减程度是不一样的，因此会形成两幅不一样的图像，综合分析两幅透视图，就可以得到物质内部的相关信息。

2.4 背散射的原理

背散射电子是入射电子受到样品中原子核散射而大角度反射回来的电子。在碰撞过程中，入射电子的能量损失较小，所以反射电子能量值接近入射电子的能量，可用于成像，而且背散射电子成像的明暗程度差异是由于原子序数的不同引起的。因此，背散射技术可用于探测物品的材料和形状。

2.5 X射线成像技术的对比

表1 几种常见X射线成像技术对比

3 计算机断层成像技术

3.1 CT的数学原理

1917年，奥地利数学家J.Radon最早提出了从投影重建图像的概念和方法，即Radon变换。Radon变换是CT技术的理论基础。Radon变换证明：某种物理参量的二维分布函数，由该函数在其定义域内的所有线积分完全确定。它说明：如果知道一个物体空间的内部断层分布函数在各个方向上的所有线积分值（即投影），那么就可以求解出该二维分布函数。

滤波反投影(filtered backprojection，FBP)算法是最重要的一种解析重建算法，其特点是运算量小、重建速度快，且在大多数情况下重建质量好，目前广泛用于临床CT，从70和80年代的平行束、扇形束CT，一直到目前的多层螺旋CT和锥束CT。此方法是把获得的投影函数先做滤波处理，得到修正的投影函数，然后将修正过的投影函数进行反投影和累加等处理。

以扇束滤波反投影重建算法为例，图4为等距探测器扇束投影形成示意图。

设(r,θ)为被检切片内任一点的位置，待重建切片射线衰减系数分布函数为f(r,θ)，如图4。视角下的β投影值是距离S的函数，表示为p(s,β)。扇束FBP算法重建公式为：

图4 束滤波反投影算法所用坐标系统

公式的物理意义为某像素的数值等于在扫描过程中通过该点的经预处理和卷积计算后的各投影数据加权求和。

h(s)为斜坡卷积函数，为等效投影：

s1为经过待建点(r,θ)的射线与探测器的交点，U为加权因子，由图4所示几何关系有：

归纳起来主要包括投影加权、卷积滤波、加权反投影三步：

1）正弦图中的每一行一维投影信号每个点进行一次加权。

2）正弦图中的每一行一维投影信号和滤波器进行卷积。

3）反投影，实际是两部分，第一是计算投影地址，第二是根据投影地址插值累加求和。

3.2 CT技术的发展

CT技术首先应用于医学领域，工业领域的CT直到上世纪70年代才开始逐渐研究和应用，而安检领域的CT诞生于上世纪90年代，主要用于爆炸物和毒品的探测。根据扫描方式的不同，CT机经过了5代的发展，其更新换代的驱动力是缩短检测时间并且提高检测精度。

第一代CT机采用的是单细束平移—旋转的扫描方式。由一个X射线管和一个探测器组成的扫描装置围绕被检测物体做平移—旋转运动。每平移一次获得一个探测数据，完成直线移动后，系统再旋转1°移动到下一个角度，再进行同步平移扫描，如此反复直到旋转180°。这种扫描方式的缺点是射线利用率低，扫描速度慢，一个断层扫描的时间长达4～5分钟。

第二代CT机采用的是窄扇束平移—旋转方式。射线源与探测器运动方式与第一代相同，但X射线管发出的是窄扇形射线束，张角为3°～15°，窄扇束之间的夹角为1°，探测器个数为3～52个。一次平移扫描就可以同时获取多个探测数据，一次断层扫描的时间减少到20s。

3)GB/T 12343.1—2008 《国家基本比例尺地图编绘规范 第2部分：1∶250 000地形图编绘规范》。

第三代CT机采用的是宽扇束旋转—旋转扫描方式。一个X射线源发出的宽扇束X射线由排列成圆弧状的探测器阵列接收，射线源和探测器阵列围绕一个公共圆心旋转。探测器个数为300～800个，能覆盖整个被检测物体。一次断层扫描的时间减少到2～3s。

第四代CT机采用的是宽扇束旋转—静止扫描方式。探测器阵列为闭合的环状，扫描过程中X射线源围绕被检测物体进行旋转，探测器保持不动。探测器个数为600～2000个。一次断层扫描的时间减少到1s以内。

第五代CT机又称螺旋CT。在扫描过程中，X射线源连续地围绕被测物旋转，与此同时，承载被测物的输送机皮带匀速地向机架的扫描孔内推进（或匀速地离开），这样X射线束在被测物表面勾画出一条螺旋线轨迹，称为螺旋CT。螺旋形CT扫描速度与输送机皮带速度同步，确保扫描覆盖整个被测物以及在三维图像数据中没有任何间隙。

3.3 多层（排）螺旋CT

探测器的排列是多层螺旋CT和单层螺旋CT的主要区别。顾名思义，单层螺旋CT的探测器沿z轴方向（在垂直于滑环平面的方向上）仅有一层探测器；而多层螺旋CT的探测器沿z轴方向呈多层排列。对于多层螺旋CT，每次扫描可同时获得多层的射线衰减数据，大大提高了安检系统的物体通行速度。

对X射线束，单层螺旋CT只有一层探测器，通过准直器后的X线束为薄扇形；多层螺旋CT具有多层并行排列的探测器，射线源发出的射线为厚的扇束甚至锥束。因此多层螺旋CT提高了X射线的利用率。

对扫描速度，单层螺旋CT在一个扫描周期仅获得一张断层图像，而多层螺旋CT一个扫描周期可获得多张断层图像，因此在保持相同的层厚，覆盖相同的长度条件下，扫描时间仅为单层螺旋CT的l/层数。

对层厚选择，单层螺旋CT的层厚选择仅通过改变X线束的宽度来完成，线束的宽度等于层厚；多层螺旋CT的层厚不仅取决于X线束的宽度，同时也取决于不同探测器阵列的组合，因此多层螺旋CT扫描中，同样的扫描时间，保持原来覆盖长度的条件下，采用更薄的探测器层厚完成检查，大大提高了Z轴方向的空间分辨率，提高了重建图像的质量。

3.4 CT技术的应用现状

经过了十年的发展，CT技术在某些方面已相当成熟，设备结构经过了数代变化，扫描速度和重建分辨率逐渐提高。除了X-CT以外，还发展出了其他形式的CT，如单光子发射CT(SPECT)、正电子发射CT(PET)、核磁共振CT(NMR.CT)等均已付诸临床应用，透射CT(TCT)、反射CT(RCT)、超声CT、微波CT的研究也取得了极大进展。

CT最引人注目的应用是在医学领域，不仅可对骨骼进行三维成像，还可对各组织器官如（颅脑、心脏、肺脏、肝脏等）甚至血管进行三维成像，对疾病的预防、诊断、治疗方面具有重要的临床意义。

工业CT在无损检测与无损评价领域得到了广泛应用，它在无损状态下获得被检断面的二维灰度数据，然后以图像形式清晰、准确、直观地展现被检物体内部的结构特征、装配情况、材料的密度、有无缺陷、缺陷的性质、位置及大小。工业CT在本质上也是一种射线检测技术，但与常规的射线检测技术相比，又有其独特的优点，工业CT给出被测物体的断层扫描图像，从图像上可以直观地看到目标细节的空间位置、形状、大小。不受周围细节特征的遮挡，图像容易识别和理解。

4 CT在安检中的应用

4.1 安检CT的特点

安检CT的主要特点是能够有效识别爆炸物和毒品。爆炸物和毒品的特征信息（密度、有效原子序数等）被预先存在安检CT的数据库中，在进行物品扫描时，安检CT将测得的物质特征信息与数据库中特征信息进行比对，比对成功即发出危险品告警，实现了智能分析报警功能。表2为常见爆炸物种类及参数，表3为常见毒品分子量和密度。图5为危险品和密度和有效原子序数分布图。

图5 危险品密度和有效原子序数分布图

表2 常见爆炸物种类及参数

表3 常见毒品种类及参数

与医疗CT与工业CT相比，安检CT的主要特点是：

1）被检物种类复杂，多为体积较小的物品，采用低能量的X射线源；

2）以成像为主，同时关注空间分辨、图象质量及密度识别；

3）在结构上，采用被检物平移、射线源和探测器旋转的扫描方式，扫描速度要求高；

4）系统具有智能分析及报警功能，辅以人工分析。

与传统的X光机相比，安检CT的主要特点是：

1）检测时无需开箱，实现行李的快速、三维成像检查；

2）显示内容丰富，可以显示被检测物的三维图像，能够确定物质厚度，有效地识别隐藏和叠压的物体；

3）可准确计算被检测物质的密度以及有效原子序数，识别爆炸物和毒品；

4）可精确定位爆炸物/毒品在行李中的位置，降低了人为因素的影响；

5）漏报率和误报率极低。

4.2 安检CT设备的组成

以螺旋式安检CT为例，整个设备由滑环系统、输送机系统、数据采集系统、计算机重建和三维显示系统组成。其中，滑环系统为整个螺旋式安检CT的核心，如图6所示。

图6 安检CT的滑环系统

滑环是一种将电信号从静态结构传输到动态结构的电机装置，可被应用于传输功率或信号的转动系统。滑环实际上是一个圆形宽带状封闭的铜条制成的同心环。其一面与探测器、控制器、控制电路以及检测电路相连接并固定于机架的旋转部分，另一面则与一组固定的碳刷头紧密接触，每个碳刷头对应一个滑道。当滑环转动时，电流或信号从电刷导通至环上。在安检CT中，射线源和探测器都固定在滑环上，需要通过滑环提供电源和数据通信的接口，且在高速的旋转过程中，射线源和探测器均应该连续稳定工作。

HSDCD(High Speed Data Capacitive Device)是德国Schleifring公司发明的专利技术，采用非接触方式，其传输速率最高可达3.2Gbps。目前GE公司采用此项技术并应用于医用CT中，传输速率为850Mbps。通过类似电容耦合的原理，在极窄的两个天线间来实现非接触式传输。

4.3 安检CT面临的问题

从推广和大规模使用的角度，安检CT仍然面临很多问题，如：设备运营维护成本高、单次检查射线剂量大、设备占地面积大且不便于移动、滑环等核心部件无法国产、包裹通过率较低、单次成像数据量大（需要较大存储空间）、通道孔径有限（无法对大型物体如车辆等进行快速通过检查）。

5 结语

安检CT经过了近30年的发展，已在机场、海关实现了广泛的应用。由于被检物种类繁多，安检CT面对海量的待检物品，会着重根据扫描形成的图像质量、密度分析等方式进行识别。并且，安检CT旋转扫描，三维成像，能够有效分辨物质密度和有效原子序数，精准定位，降低误识率，在爆炸物和毒品检测角度具有明显优势，能够弥补现有通道式X光机的不足。