基于X射線的計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)在安檢中的應(yīng)用

■ 文/ 公安部檢測(cè)中心 梅楠 井冰 蘆朋

關(guān)鍵字：安檢 計(jì)算機(jī)斷層掃描 X射線 CT 爆炸物探測(cè)

1 引言

近十幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和制造水平的提升，以通道式X光機(jī)為主的安全檢查設(shè)備在機(jī)場(chǎng)、海關(guān)、車站、公檢法機(jī)構(gòu)、大型活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)等場(chǎng)所得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)預(yù)防和制止爆炸、槍擊、行兇等案件發(fā)生，具有重要的意義。

通道式X光機(jī)的透視成像圖為物體在垂直于X射線平面的投影圖，投影圖中像素點(diǎn)表征射線衰減情況，難以穿透的區(qū)域（射線衰減大）以深色顯示，容易穿透的區(qū)域（射線衰減小）以淺色顯示。在通道式X光機(jī)的透視成像圖中，刀具、棍棒、槍支等金屬危險(xiǎn)品具有較為明顯的輪廓和顏色，容易被識(shí)別出；而易燃易爆的液體、固體爆炸物和毒品的透視成像圖與生活中常見的飲料、化肥、洗衣粉、奶粉等相似，難以被有效識(shí)別。通道式X光機(jī)進(jìn)行安全檢查時(shí)，還存在空間分辨率有限、無(wú)法分辨出復(fù)雜背景中疊放的物質(zhì)、無(wú)法測(cè)定物質(zhì)的真實(shí)密度、也無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定物質(zhì)的有效原子序數(shù)等問題。因此，在實(shí)際使用中經(jīng)常配合痕量爆炸物探測(cè)設(shè)備、痕量毒品探測(cè)設(shè)備和液體檢測(cè)設(shè)備共同使用。

上世紀(jì)90年代，美國(guó)的Invision公司和L-3Comm研發(fā)出了基于X射線的計(jì)算機(jī)斷層成像安檢設(shè)備，并相繼通過美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）的認(rèn)證，開啟了基于X射線的計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)在安檢領(lǐng)域的應(yīng)用。2018年12月，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37128-2018《X射線計(jì)算機(jī)斷層成像安全檢查系統(tǒng)技術(shù)要求》正式發(fā)布，從功能、性能、電氣安全、電磁兼容適應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性等多個(gè)角度規(guī)范了X射線的計(jì)算機(jī)斷層成像設(shè)備，使得安檢計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography， CT）設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收和使用有據(jù)可查，也為安檢CT設(shè)備的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 X射線成像技術(shù)在安檢中的應(yīng)用

2.1 X射線

1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了一種穿透力極強(qiáng)的射線，命名為X射線。X射線是波長(zhǎng)介于紫外線和γ射線之間的一種電磁波，波長(zhǎng)在10-8cm左右，除具有光的一切特性外，還具有穿透、電離、熱以及化學(xué)等作用和效應(yīng)。X射線波長(zhǎng)極短，其光子具有很大的能量。當(dāng)X射線照射到物體上時(shí)，除了散射和被物質(zhì)吸收的一部分之外，大部分的光子經(jīng)物質(zhì)的原子間隙中通過，因此X射線具有很強(qiáng)的穿透性。X射線的波長(zhǎng)越短，光子的能量越大，X射線的穿透性越強(qiáng)。X射線的穿透性還與被照物質(zhì)的有效原子序數(shù)和密度等信息有關(guān)，X射線的這種穿透作用在安檢領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。X射線的電磁波譜如圖1所示：

圖1 電磁波譜

當(dāng)一束入射X射線穿過物體后，因與物體的相互作用，其強(qiáng)度會(huì)被減弱，主要是物體對(duì)X射線的吸收和散射的結(jié)果。吸收是物體將入射X射線的能量轉(zhuǎn)化為熱能等其它形式的能量；而散射是X射線在物體的作用下改變了入射方向。其中，入射X射線強(qiáng)度的減弱主要是由物體的吸收所致。X射線與物體的相互作用如圖2所示：

圖2 X射線與物體的相互作用

2.2 X射線成像數(shù)學(xué)模型

對(duì)于單能X射線入射一種密度和原子序數(shù)均勻的材料，衰減模型可表達(dá)為：

其中，I和I0分別是透射和入射X射線的強(qiáng)度，L為透射材料厚度，τ 、σ和σr分別是材料的光電、康普頓和相干散射相互作用的衰減系數(shù)?？珊?jiǎn)化為：

式中 μ是材料的線性衰減系數(shù)，該式子通常稱為L(zhǎng)ambert-Beers定理。 μ是入射X光子能量的函數(shù)，μ值高的物體比 μ值低的物體使X光子衰減更多。

考慮一個(gè)非均勻的物體（物體由多個(gè)具有不同衰減系統(tǒng)的材料組成）。利用微分的思想，將物體在X射線的入射方向上分割成若干個(gè)小的尺寸單元，當(dāng)單元尺寸足夠小時(shí)，認(rèn)為單元尺寸內(nèi)材料為一種材料。如圖3所示：

圖3 X射線在非均勻物質(zhì)中的衰減示意圖

在這種情況下，式（2）可改寫為：

式（3）兩邊同時(shí)除以I0后取對(duì)數(shù)，可得：

當(dāng)d趨近于0時(shí)，式（4）的累加變成在物體長(zhǎng)度上的積分，

式（5）中p是投影測(cè)量值，dl為微分單元長(zhǎng)度。式（5）說(shuō)明，入射X射線強(qiáng)度與出射X射線強(qiáng)度之比經(jīng)過對(duì)數(shù)運(yùn)算后，表示為沿X射線入射方向上衰減系數(shù)的線積分。

2.3 單能和多能成像原理

單能量的X射線穿過測(cè)物體的某一個(gè)截面后被探測(cè)器組吸收，經(jīng)過濾波和量化后，可得到一組灰度值，這組灰度值在透視圖上代表著一列像素的灰度值。隨著設(shè)備的傳動(dòng)裝置帶動(dòng)物體向前移動(dòng)，X射線可以依次穿過物體的每一個(gè)截面，探測(cè)器也就探測(cè)到物體所有截面吸收的X射線能量值，據(jù)此可以得到物體完整的二維灰度圖像。單能X射線安全檢查設(shè)備可以利用得到的物體的二維灰度圖像來(lái)判斷出行李包裹中物體的大致形狀。

雙能量X射線透射技術(shù)是在單能X射線透射的基礎(chǔ)上，采用兩個(gè)能級(jí)的射線束對(duì)物體透射，這兩個(gè)能級(jí)的射線束一般來(lái)說(shuō)是由一個(gè)射線源產(chǎn)生，通過開關(guān)切換即可產(chǎn)生不同能級(jí)的X射線束，并分別采用不同的探測(cè)系統(tǒng)得到相應(yīng)能級(jí)的衰減數(shù)據(jù)，由于不同材質(zhì)，不同密度的物質(zhì)對(duì)不同能級(jí)X射線的衰減程度是不一樣的，因此會(huì)形成兩幅不一樣的圖像，綜合分析兩幅透視圖，就可以得到物質(zhì)內(nèi)部的相關(guān)信息。

2.4 背散射的原理

背散射電子是入射電子受到樣品中原子核散射而大角度反射回來(lái)的電子。在碰撞過程中，入射電子的能量損失較小，所以反射電子能量值接近入射電子的能量，可用于成像，而且背散射電子成像的明暗程度差異是由于原子序數(shù)的不同引起的。因此，背散射技術(shù)可用于探測(cè)物品的材料和形狀。

2.5 X射線成像技術(shù)的對(duì)比

表1 幾種常見X射線成像技術(shù)對(duì)比

3 計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)

3.1 CT的數(shù)學(xué)原理

1917年，奧地利數(shù)學(xué)家J.Radon最早提出了從投影重建圖像的概念和方法，即Radon變換。Radon變換是CT技術(shù)的理論基礎(chǔ)。Radon變換證明：某種物理參量的二維分布函數(shù)，由該函數(shù)在其定義域內(nèi)的所有線積分完全確定。它說(shuō)明：如果知道一個(gè)物體空間的內(nèi)部斷層分布函數(shù)在各個(gè)方向上的所有線積分值（即投影），那么就可以求解出該二維分布函數(shù)。

濾波反投影(filtered backprojection，F(xiàn)BP)算法是最重要的一種解析重建算法，其特點(diǎn)是運(yùn)算量小、重建速度快，且在大多數(shù)情況下重建質(zhì)量好，目前廣泛用于臨床CT，從70和80年代的平行束、扇形束CT，一直到目前的多層螺旋CT和錐束CT。此方法是把獲得的投影函數(shù)先做濾波處理，得到修正的投影函數(shù)，然后將修正過的投影函數(shù)進(jìn)行反投影和累加等處理。

以扇束濾波反投影重建算法為例，圖4為等距探測(cè)器扇束投影形成示意圖。

設(shè)(r,θ)為被檢切片內(nèi)任一點(diǎn)的位置，待重建切片射線衰減系數(shù)分布函數(shù)為f(r,θ)，如圖4。視角下的β投影值是距離S的函數(shù)，表示為p(s,β)。扇束FBP算法重建公式為：

圖4 束濾波反投影算法所用坐標(biāo)系統(tǒng)

公式的物理意義為某像素的數(shù)值等于在掃描過程中通過該點(diǎn)的經(jīng)預(yù)處理和卷積計(jì)算后的各投影數(shù)據(jù)加權(quán)求和。

h(s)為斜坡卷積函數(shù)，為等效投影：

s1為經(jīng)過待建點(diǎn)(r,θ)的射線與探測(cè)器的交點(diǎn)，U為加權(quán)因子，由圖4所示幾何關(guān)系有：

歸納起來(lái)主要包括投影加權(quán)、卷積濾波、加權(quán)反投影三步：

1）正弦圖中的每一行一維投影信號(hào)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行一次加權(quán)。

2）正弦圖中的每一行一維投影信號(hào)和濾波器進(jìn)行卷積。

3）反投影，實(shí)際是兩部分，第一是計(jì)算投影地址，第二是根據(jù)投影地址插值累加求和。

3.2 CT技術(shù)的發(fā)展

CT技術(shù)首先應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，工業(yè)領(lǐng)域的CT直到上世紀(jì)70年代才開始逐漸研究和應(yīng)用，而安檢領(lǐng)域的CT誕生于上世紀(jì)90年代，主要用于爆炸物和毒品的探測(cè)。根據(jù)掃描方式的不同，CT機(jī)經(jīng)過了5代的發(fā)展，其更新?lián)Q代的驅(qū)動(dòng)力是縮短檢測(cè)時(shí)間并且提高檢測(cè)精度。

第一代CT機(jī)采用的是單細(xì)束平移—旋轉(zhuǎn)的掃描方式。由一個(gè)X射線管和一個(gè)探測(cè)器組成的掃描裝置圍繞被檢測(cè)物體做平移—旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每平移一次獲得一個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)，完成直線移動(dòng)后，系統(tǒng)再旋轉(zhuǎn)1°移動(dòng)到下一個(gè)角度，再進(jìn)行同步平移掃描，如此反復(fù)直到旋轉(zhuǎn)180°。這種掃描方式的缺點(diǎn)是射線利用率低，掃描速度慢，一個(gè)斷層掃描的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4～5分鐘。

第二代CT機(jī)采用的是窄扇束平移—旋轉(zhuǎn)方式。射線源與探測(cè)器運(yùn)動(dòng)方式與第一代相同，但X射線管發(fā)出的是窄扇形射線束，張角為3°～15°，窄扇束之間的夾角為1°，探測(cè)器個(gè)數(shù)為3～52個(gè)。一次平移掃描就可以同時(shí)獲取多個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)，一次斷層掃描的時(shí)間減少到20s。

3)GB/T 12343.1—2008 《國(guó)家基本比例尺地圖編繪規(guī)范 第2部分：1∶250 000地形圖編繪規(guī)范》。

第三代CT機(jī)采用的是寬扇束旋轉(zhuǎn)—旋轉(zhuǎn)掃描方式。一個(gè)X射線源發(fā)出的寬扇束X射線由排列成圓弧狀的探測(cè)器陣列接收，射線源和探測(cè)器陣列圍繞一個(gè)公共圓心旋轉(zhuǎn)。探測(cè)器個(gè)數(shù)為300～800個(gè)，能覆蓋整個(gè)被檢測(cè)物體。一次斷層掃描的時(shí)間減少到2～3s。

第四代CT機(jī)采用的是寬扇束旋轉(zhuǎn)—靜止掃描方式。探測(cè)器陣列為閉合的環(huán)狀，掃描過程中X射線源圍繞被檢測(cè)物體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，探測(cè)器保持不動(dòng)。探測(cè)器個(gè)數(shù)為600～2000個(gè)。一次斷層掃描的時(shí)間減少到1s以內(nèi)。

第五代CT機(jī)又稱螺旋CT。在掃描過程中，X射線源連續(xù)地圍繞被測(cè)物旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，承載被測(cè)物的輸送機(jī)皮帶勻速地向機(jī)架的掃描孔內(nèi)推進(jìn)（或勻速地離開），這樣X射線束在被測(cè)物表面勾畫出一條螺旋線軌跡，稱為螺旋CT。螺旋形CT掃描速度與輸送機(jī)皮帶速度同步，確保掃描覆蓋整個(gè)被測(cè)物以及在三維圖像數(shù)據(jù)中沒有任何間隙。

3.3 多層（排）螺旋CT

探測(cè)器的排列是多層螺旋CT和單層螺旋CT的主要區(qū)別。顧名思義，單層螺旋CT的探測(cè)器沿z軸方向（在垂直于滑環(huán)平面的方向上）僅有一層探測(cè)器；而多層螺旋CT的探測(cè)器沿z軸方向呈多層排列。對(duì)于多層螺旋CT，每次掃描可同時(shí)獲得多層的射線衰減數(shù)據(jù)，大大提高了安檢系統(tǒng)的物體通行速度。

對(duì)X射線束，單層螺旋CT只有一層探測(cè)器，通過準(zhǔn)直器后的X線束為薄扇形；多層螺旋CT具有多層并行排列的探測(cè)器，射線源發(fā)出的射線為厚的扇束甚至錐束。因此多層螺旋CT提高了X射線的利用率。

對(duì)掃描速度，單層螺旋CT在一個(gè)掃描周期僅獲得一張斷層圖像，而多層螺旋CT一個(gè)掃描周期可獲得多張斷層圖像，因此在保持相同的層厚，覆蓋相同的長(zhǎng)度條件下，掃描時(shí)間僅為單層螺旋CT的l/層數(shù)。

對(duì)層厚選擇，單層螺旋CT的層厚選擇僅通過改變X線束的寬度來(lái)完成，線束的寬度等于層厚；多層螺旋CT的層厚不僅取決于X線束的寬度，同時(shí)也取決于不同探測(cè)器陣列的組合，因此多層螺旋CT掃描中，同樣的掃描時(shí)間，保持原來(lái)覆蓋長(zhǎng)度的條件下，采用更薄的探測(cè)器層厚完成檢查，大大提高了Z軸方向的空間分辨率，提高了重建圖像的質(zhì)量。

3.4 CT技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過了十年的發(fā)展，CT技術(shù)在某些方面已相當(dāng)成熟，設(shè)備結(jié)構(gòu)經(jīng)過了數(shù)代變化，掃描速度和重建分辨率逐漸提高。除了X-CT以外，還發(fā)展出了其他形式的CT，如單光子發(fā)射CT(SPECT)、正電子發(fā)射CT(PET)、核磁共振CT(NMR.CT)等均已付諸臨床應(yīng)用，透射CT(TCT)、反射CT(RCT)、超聲CT、微波CT的研究也取得了極大進(jìn)展。

CT最引人注目的應(yīng)用是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，不僅可對(duì)骨骼進(jìn)行三維成像，還可對(duì)各組織器官如（顱腦、心臟、肺臟、肝臟等）甚至血管進(jìn)行三維成像，對(duì)疾病的預(yù)防、診斷、治療方面具有重要的臨床意義。

工業(yè)CT在無(wú)損檢測(cè)與無(wú)損評(píng)價(jià)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它在無(wú)損狀態(tài)下獲得被檢斷面的二維灰度數(shù)據(jù)，然后以圖像形式清晰、準(zhǔn)確、直觀地展現(xiàn)被檢物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征、裝配情況、材料的密度、有無(wú)缺陷、缺陷的性質(zhì)、位置及大小。工業(yè)CT在本質(zhì)上也是一種射線檢測(cè)技術(shù)，但與常規(guī)的射線檢測(cè)技術(shù)相比，又有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)CT給出被測(cè)物體的斷層掃描圖像，從圖像上可以直觀地看到目標(biāo)細(xì)節(jié)的空間位置、形狀、大小。不受周圍細(xì)節(jié)特征的遮擋，圖像容易識(shí)別和理解。

4 CT在安檢中的應(yīng)用

4.1 安檢CT的特點(diǎn)

安檢CT的主要特點(diǎn)是能夠有效識(shí)別爆炸物和毒品。爆炸物和毒品的特征信息（密度、有效原子序數(shù)等）被預(yù)先存在安檢CT的數(shù)據(jù)庫(kù)中，在進(jìn)行物品掃描時(shí)，安檢CT將測(cè)得的物質(zhì)特征信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中特征信息進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)成功即發(fā)出危險(xiǎn)品告警，實(shí)現(xiàn)了智能分析報(bào)警功能。表2為常見爆炸物種類及參數(shù)，表3為常見毒品分子量和密度。圖5為危險(xiǎn)品和密度和有效原子序數(shù)分布圖。

圖5 危險(xiǎn)品密度和有效原子序數(shù)分布圖

表2 常見爆炸物種類及參數(shù)

表3 常見毒品種類及參數(shù)

與醫(yī)療CT與工業(yè)CT相比，安檢CT的主要特點(diǎn)是：

1）被檢物種類復(fù)雜，多為體積較小的物品，采用低能量的X射線源；

2）以成像為主，同時(shí)關(guān)注空間分辨、圖象質(zhì)量及密度識(shí)別；

3）在結(jié)構(gòu)上，采用被檢物平移、射線源和探測(cè)器旋轉(zhuǎn)的掃描方式，掃描速度要求高；

4）系統(tǒng)具有智能分析及報(bào)警功能，輔以人工分析。

與傳統(tǒng)的X光機(jī)相比，安檢CT的主要特點(diǎn)是：

1）檢測(cè)時(shí)無(wú)需開箱，實(shí)現(xiàn)行李的快速、三維成像檢查；

2）顯示內(nèi)容豐富，可以顯示被檢測(cè)物的三維圖像，能夠確定物質(zhì)厚度，有效地識(shí)別隱藏和疊壓的物體；

3）可準(zhǔn)確計(jì)算被檢測(cè)物質(zhì)的密度以及有效原子序數(shù)，識(shí)別爆炸物和毒品；

4）可精確定位爆炸物/毒品在行李中的位置，降低了人為因素的影響；

5）漏報(bào)率和誤報(bào)率極低。

4.2 安檢CT設(shè)備的組成

以螺旋式安檢CT為例，整個(gè)設(shè)備由滑環(huán)系統(tǒng)、輸送機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)重建和三維顯示系統(tǒng)組成。其中，滑環(huán)系統(tǒng)為整個(gè)螺旋式安檢CT的核心，如圖6所示。

圖6 安檢CT的滑環(huán)系統(tǒng)

滑環(huán)是一種將電信號(hào)從靜態(tài)結(jié)構(gòu)傳輸?shù)絼?dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的電機(jī)裝置，可被應(yīng)用于傳輸功率或信號(hào)的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。滑環(huán)實(shí)際上是一個(gè)圓形寬帶狀封閉的銅條制成的同心環(huán)。其一面與探測(cè)器、控制器、控制電路以及檢測(cè)電路相連接并固定于機(jī)架的旋轉(zhuǎn)部分，另一面則與一組固定的碳刷頭緊密接觸，每個(gè)碳刷頭對(duì)應(yīng)一個(gè)滑道。當(dāng)滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電流或信號(hào)從電刷導(dǎo)通至環(huán)上。在安檢CT中，射線源和探測(cè)器都固定在滑環(huán)上，需要通過滑環(huán)提供電源和數(shù)據(jù)通信的接口，且在高速的旋轉(zhuǎn)過程中，射線源和探測(cè)器均應(yīng)該連續(xù)穩(wěn)定工作。

HSDCD(High Speed Data Capacitive Device)是德國(guó)Schleifring公司發(fā)明的專利技術(shù)，采用非接觸方式，其傳輸速率最高可達(dá)3.2Gbps。目前GE公司采用此項(xiàng)技術(shù)并應(yīng)用于醫(yī)用CT中，傳輸速率為850Mbps。通過類似電容耦合的原理，在極窄的兩個(gè)天線間來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式傳輸。

4.3 安檢CT面臨的問題

從推廣和大規(guī)模使用的角度，安檢CT仍然面臨很多問題，如：設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高、單次檢查射線劑量大、設(shè)備占地面積大且不便于移動(dòng)、滑環(huán)等核心部件無(wú)法國(guó)產(chǎn)、包裹通過率較低、單次成像數(shù)據(jù)量大（需要較大存儲(chǔ)空間）、通道孔徑有限（無(wú)法對(duì)大型物體如車輛等進(jìn)行快速通過檢查）。

5 結(jié)語(yǔ)

安檢CT經(jīng)過了近30年的發(fā)展，已在機(jī)場(chǎng)、海關(guān)實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。由于被檢物種類繁多，安檢CT面對(duì)海量的待檢物品，會(huì)著重根據(jù)掃描形成的圖像質(zhì)量、密度分析等方式進(jìn)行識(shí)別。并且，安檢CT旋轉(zhuǎn)掃描，三維成像，能夠有效分辨物質(zhì)密度和有效原子序數(shù)，精準(zhǔn)定位，降低誤識(shí)率，在爆炸物和毒品檢測(cè)角度具有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有通道式X光機(jī)的不足。