■ 文/ 公安部檢測中心 梅楠 井冰 蘆朋

關鍵字：安檢 計算機斷層掃描 X射線 CT 爆炸物探測

1 引言

近十幾年來，隨著科學技術的發(fā)展和制造水平的提升，以通道式X光機為主的安全檢查設備在機場、海關、車站、公檢法機構、大型活動現(xiàn)場等場所得到了廣泛的應用，對預防和制止爆炸、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?。┮詼\色顯示。在通道式X光機的透視成像圖中，刀具、棍棒、槍支等金屬危險品具有較為明顯的輪廓和顏色，容易被識別出；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，難以被有效識別。通道式X光機進行安全檢查時，還存在空間分辨率有限、無法分辨出復雜背景中疊放的物質(zhì)、無法測定物質(zhì)的真實密度、也無法準確測定物質(zhì)的有效原子序數(shù)等問題。因此，在實際使用中經(jīng)常配合痕量爆炸物探測設備、痕量毒品探測設備和液體檢測設備共同使用。

上世紀90年代，美國的Invision公司和L-3Comm研發(fā)出了基于X射線的計算機斷層成像安檢設備，并相繼通過美國聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）的認證，開啟了基于X射線的計算機斷層成像技術在安檢領域的應用。2018年12月，國家標準GB/T 37128-2018《X射線計算機斷層成像安全檢查系統(tǒng)技術要求》正式發(fā)布，從功能、性能、電氣安全、電磁兼容適應性和環(huán)境適應性等多個角度規(guī)范了X射線的計算機斷層成像設備，使得安檢計算機斷層掃描（Computed Tomography， CT）設備的設計、制造、驗收和使用有據(jù)可查，也為安檢CT設備的廣泛應用奠定了基礎。

2 X射線成像技術在安檢中的應用

2.1 X射線

1895年，德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)了一種穿透力極強的射線，命名為X射線。X射線是波長介于紫外線和γ射線之間的一種電磁波，波長在10-8cm左右，除具有光的一切特性外，還具有穿透、電離、熱以及化學等作用和效應。X射線波長極短，其光子具有很大的能量。當X射線照射到物體上時，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射線具有很強的穿透性。X射線的波長越短，光子的能量越大，X射線的穿透性越強。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，X射線的這種穿透作用在安檢領域獲得了應用。X射線的電磁波譜如圖1所示：

圖1 電磁波譜

當一束入射X射線穿過物體后，因與物體的相互作用，其強度會被減弱，主要是物體對X射線的吸收和散射的結果。吸收是物體將入射X射線的能量轉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)學模型

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

其中，I和I0分別是透射和入射X射線的強度，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)?？珊喕癁椋?/p>

式中 μ是材料的線性衰減系數(shù)，該式子通常稱為Lambert-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。

考慮一個非均勻的物體（物體由多個具有不同衰減系統(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小的尺寸單元，當單元尺寸足夠小時，認為單元尺寸內(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）兩邊同時除以I0后取對數(shù)，可得：

當d趨近于0時，式（4）的累加變成在物體長度上的積分，

式（5）中p是投影測量值，dl為微分單元長度。式（5）說明，入射X射線強度與出射X射線強度之比經(jīng)過對數(shù)運算后，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射線穿過測物體的某一個截面后被探測器組吸收，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。隨著設備的傳動裝置帶動物體向前移動，X射線可以依次穿過物體的每一個截面，探測器也就探測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射線安全檢查設備可以利用得到的物體的二維灰度圖像來判斷出行李包裹中物體的大致形狀。

雙能量X射線透射技術是在單能X射線透射的基礎上，采用兩個能級的射線束對物體透射，這兩個能級的射線束一般來說是由一個射線源產(chǎn)生，通過開關切換即可產(chǎn)生不同能級的X射線束，并分別采用不同的探測系統(tǒng)得到相應能級的衰減數(shù)據(jù)，由于不同材質(zhì)，不同密度的物質(zhì)對不同能級X射線的衰減程度是不一樣的，因此會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，背散射技術可用于探測物品的材料和形狀。

2.5 X射線成像技術的對比

表1 幾種常見X射線成像技術對比

3 計算機斷層成像技術

3.1 CT的數(shù)學原理

1917年，奧地利數(shù)學家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技術的理論基礎。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。它說明：如果知道一個物體空間的內(nèi)部斷層分布函數(shù)在各個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，其特點是運算量小、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為等距探測器扇束投影形成示意圖。

設(r,θ)為被檢切片內(nèi)任一點的位置，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的經(jīng)預處理和卷積計算后的各投影數(shù)據(jù)加權求和。

h(s)為斜坡卷積函數(shù)，為等效投影：

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

歸納起來主要包括投影加權、卷積濾波、加權反投影三步：

1）正弦圖中的每一行一維投影信號每個點進行一次加權。

2）正弦圖中的每一行一維投影信號和濾波器進行卷積。

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

3.2 CT技術的發(fā)展

CT技術首先應用于醫(yī)學領域，工業(yè)領域的CT直到上世紀70年代才開始逐漸研究和應用，而安檢領域的CT誕生于上世紀90年代，主要用于爆炸物和毒品的探測。根據(jù)掃描方式的不同，CT機經(jīng)過了5代的發(fā)展，其更新?lián)Q代的驅動力是縮短檢測時間并且提高檢測精度。

第一代CT機采用的是單細束平移—旋轉的掃描方式。由一個X射線管和一個探測器組成的掃描裝置圍繞被檢測物體做平移—旋轉運動。每平移一次獲得一個探測數(shù)據(jù)，完成直線移動后，系統(tǒng)再旋轉1°移動到下一個角度，再進行同步平移掃描，如此反復直到旋轉180°。這種掃描方式的缺點是射線利用率低，掃描速度慢，一個斷層掃描的時間長達4～5分鐘。

第二代CT機采用的是窄扇束平移—旋轉方式。射線源與探測器運動方式與第一代相同，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°，探測器個數(shù)為3～52個。一次平移掃描就可以同時獲取多個探測數(shù)據(jù)，一次斷層掃描的時間減少到20s。

3)GB/T 12343.1—2008 《國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機采用的是寬扇束旋轉—旋轉掃描方式。一個X射線源發(fā)出的寬扇束X射線由排列成圓弧狀的探測器陣列接收，射線源和探測器陣列圍繞一個公共圓心旋轉。探測器個數(shù)為300～800個，能覆蓋整個被檢測物體。一次斷層掃描的時間減少到2～3s。

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

第五代CT機又稱螺旋CT。在掃描過程中，X射線源連續(xù)地圍繞被測物旋轉，與此同時，承載被測物的輸送機皮帶勻速地向機架的掃描孔內(nèi)推進（或勻速地離開），這樣X射線束在被測物表面勾畫出一條螺旋線軌跡，稱為螺旋CT。螺旋形CT掃描速度與輸送機皮帶速度同步，確保掃描覆蓋整個被測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）僅有一層探測器；而多層螺旋CT的探測器沿z軸方向呈多層排列。對于多層螺旋CT，每次掃描可同時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X射線束，單層螺旋CT只有一層探測器，通過準直器后的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。

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

對層厚選擇，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，同時也取決于不同探測器陣列的組合，因此多層螺旋CT掃描中，同樣的掃描時間，保持原來覆蓋長度的條件下，采用更薄的探測器層厚完成檢查，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技術的應用現(xiàn)狀

經(jīng)過了十年的發(fā)展，CT技術在某些方面已相當成熟，設備結構經(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展。

CT最引人注目的應用是在醫(yī)學領域，不僅可對骨骼進行三維成像，還可對各組織器官如（顱腦、心臟、肺臟、肝臟等）甚至血管進行三維成像，對疾病的預防、診斷、治療方面具有重要的臨床意義。

工業(yè)CT在無損檢測與無損評價領域得到了廣泛應用，它在無損狀態(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、準確、直觀地展現(xiàn)被檢物體內(nèi)部的結構特征、裝配情況、材料的密度、有無缺陷、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技術，但與常規(guī)的射線檢測技術相比，又有其獨特的優(yōu)點，工業(yè)CT給出被測物體的斷層掃描圖像，從圖像上可以直觀地看到目標細節(jié)的空間位置、形狀、大小。不受周圍細節(jié)特征的遮擋，圖像容易識別和理解。

4 CT在安檢中的應用

4.1 安檢CT的特點

安檢CT的主要特點是能夠有效識別爆炸物和毒品。爆炸物和毒品的特征信息（密度、有效原子序數(shù)等）被預先存在安檢CT的數(shù)據(jù)庫中，在進行物品掃描時，安檢CT將測得的物質(zhì)特征信息與數(shù)據(jù)庫中特征信息進行比對，比對成功即發(fā)出危險品告警，實現(xiàn)了智能分析報警功能。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為危險品和密度和有效原子序數(shù)分布圖。

圖5 危險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的主要特點是：

1）被檢物種類復雜，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，同時關注空間分辨、圖象質(zhì)量及密度識別；

3）在結構上，采用被檢物平移、射線源和探測器旋轉的掃描方式，掃描速度要求高；

4）系統(tǒng)具有智能分析及報警功能，輔以人工分析。

與傳統(tǒng)的X光機相比，安檢CT的主要特點是：

1）檢測時無需開箱，實現(xiàn)行李的快速、三維成像檢查；

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

3）可準確計算被檢測物質(zhì)的密度以及有效原子序數(shù)，識別爆炸物和毒品；

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）漏報率和誤報率極低。

4.2 安檢CT設備的組成

以螺旋式安檢CT為例，整個設備由滑環(huán)系統(tǒng)、輸送機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機重建和三維顯示系統(tǒng)組成。其中，滑環(huán)系統(tǒng)為整個螺旋式安檢CT的核心，如圖6所示。

圖6 安檢CT的滑環(huán)系統(tǒng)

滑環(huán)是一種將電信號從靜態(tài)結構傳輸?shù)絼討B(tài)結構的電機裝置，可被應用于傳輸功率或信號的轉動系統(tǒng)?；h(huán)實際上是一個圓形寬帶狀封閉的銅條制成的同心環(huán)。其一面與探測器、控制器、控制電路以及檢測電路相連接并固定于機架的旋轉部分，另一面則與一組固定的碳刷頭緊密接觸，每個碳刷頭對應一個滑道。當滑環(huán)轉動時，電流或信號從電刷導通至環(huán)上。在安檢CT中，射線源和探測器都固定在滑環(huán)上，需要通過滑環(huán)提供電源和數(shù)據(jù)通信的接口，且在高速的旋轉過程中，射線源和探測器均應該連續(xù)穩(wěn)定工作。

HSDCD(High Speed Data Capacitive Device)是德國Schleifring公司發(fā)明的專利技術，采用非接觸方式，其傳輸速率最高可達3.2Gbps。目前GE公司采用此項技術并應用于醫(yī)用CT中，傳輸速率為850Mbps。通過類似電容耦合的原理，在極窄的兩個天線間來實現(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：設備運營維護成本高、單次檢查射線劑量大、設備占地面積大且不便于移動、滑環(huán)等核心部件無法國產(chǎn)、包裹通過率較低、單次成像數(shù)據(jù)量大（需要較大存儲空間）、通道孔徑有限（無法對大型物體如車輛等進行快速通過檢查）。

5 結語

安檢CT經(jīng)過了近30年的發(fā)展，已在機場、海關實現(xiàn)了廣泛的應用。由于被檢物種類繁多，安檢CT面對海量的待檢物品，會著重根據(jù)掃描形成的圖像質(zhì)量、密度分析等方式進行識別。并且，安檢CT旋轉掃描，三維成像，能夠有效分辨物質(zhì)密度和有效原子序數(shù)，精準定位，降低誤識率，在爆炸物和毒品檢測角度具有明顯優(yōu)勢，能夠彌補現(xiàn)有通道式X光機的不足。