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CT技术在安检领域的应用与原理
2018-04-24 10:44:17 来源：
[摘要]本文阐述了CT技术检测爆炸物的基本原理，并结合当前的国际安全局
势的现状，对其在爆炸物检测领域中的应用和发展现状作了详细介绍。 关键词:计算机断面成像；爆炸物;安全鉴定;密度;探测
3.2 三维成像
CT技术得到数据是断层的二维图像，但在实际应用中往往希望得到物体的三维结构图像。三维成像技术可以分为两大类，一类是真三维重建技术，即直接从投影数据进行三维重建， 其理论可以参考Alschuler的专著[2]；另一类是将多幅二维CT图像叠堆出被检物体的三维结构，这实际上是一种显示技术，即如何利用有限的断层数据得到更加接近实际的光滑物体表面。滑环连续螺旋扫描方式的出现， 对三维显示技术提供了有力的支持。 3.3 分辨率
CT图像的质量通常可以用空间分辨率和密度分辨率两个量来表征[3]。 空间分辨率是CT系统鉴别和区分物体结构微小差别能力的度量，它定量的表示能分辨两个细节特征的最小间隔。 通常射线源焦点和探测器的尺寸越小，射线束有效宽度越小，这系统的空间分辨率越高。最新CT系统的空间分辨率已达到了0.3mm以下。 密度分辨率表征CT图像再现材料密度变化的能力，通常用图像上可以识别的最小物体对比度定量。 密度分辨率与空间分辨率是相互制约的，在辐射剂量一定的情况下，空间分辨率高，则密度分辨率低，反之亦然。
此外，医用CT中，由于生物体的运动效应，还有时间分辨率(temporal resolution)的概念。
3.4 伪影
伪影是与物体的物理结构不相符合的图像特征。由于CT图像上的每一点都是经过大量的运算得到的， 因此对微弱的信号误差也十分敏感。引起伪影的原因主要有两大类：
一是与CT本身的技术原理有关；
二是与CT设备的硬件工艺水平及软件技术有关。
以下是常见的引起伪影的原因及其克服方法：
部分体积效应：减小扫描层厚度；对图像进行光滑滤波处理
4 CT技术的发展及其在爆炸物检测中的应用
4.1 CT技术在医学领域的应用
CT技术自问世以来首先在医学领域得到了广泛的应用。
1971年9月，英国EMI公司中心研究室主任豪斯菲尔德（Hounsfield）研究成功第一台用于临床的头颅XCT机。医用CT经历了五代发展过程，其主要目的都是为了提高图像的清晰度，降低数据获取时间，
降低由投影数据到建立图像矩阵的时间，以及减小检查过程中的剂量。
鉴于计算机断层装置在医学上的重大贡献，豪斯菲尔德博士（英国）和科玛克博士（Cormack）（美国）获得者1979年诺贝尔医学奖。
经过短短三十多年，医用CT技术已经发展到了第五代，扫描方式也从第一代的笔束射线源平移/旋转方式发展到了目前的多层螺旋扫描方式。多层CT扫描速度较常规CT有大幅度提高，
以西门子最新的64层螺旋CT——SOMATOM Sensation 64为例：
西门子医疗系统集团在2004年5月7日首次对外发布了全球第一组64层CT的临床图像，这组图像是在弗里德里希-亚力山大大学德国爱尔兰根-纽伦堡分部采集。
该设备每次在超大范围旋转时，都能捕捉到亚毫米级的图像，其机架旋转速度为0.37 秒，得到的心脏、神经和身体图像，其空间分辨率达到0.4mm。现在最快的超高速CT（UFCT）设备单圈扫描时间更是缩短到了数十个毫秒。
准确而高效的优点使得CT已经成为医疗诊断的重要手段。 医疗CT的特点是：
1)检查对象主要为人体器官，采用低能射线； 2)以成像为主，关注空间分辨及图象质量；
3)在结构上，采用人体平移、射线源和探测器旋转的扫描方式（图3中箭头2），扫描速度要求很高；
4)检查结果以人工分析为主。
4.2 CT技术在工业领域的应用
CT技术的另一个成熟应用是在工业上进行无损检测。七十年代末，CT技术开始被投入于工业应用研究；
八十年代初，美国研制专门应用的工业CT系统，检查对象主要针对大型固体火箭发动机和小型精密工件。
与医疗CT相比，工业CT的主要特点是：
检测高密度和大尺寸物体，因而采用较高能量的X射线源；以成像为主，关注空间分辨及图像质量
在结构上，主要由被测物体完成扫描运动（图3中箭头1）扫描速度要求不高；检查结果以人工分析为主。
4.3 CT技术在爆炸物检测中的应用
随着公共安全越来越受到各国政府的关注，安检产品正在逐步成为CT技术应用的新领域。九十年代初，美国在医学CT扫描器的基础上开始研制爆炸物检查系统(Explosive Detection Systems，EDS),并于1994年推出第一台CT型EDS产品,该系统类似于医疗CT，所要面对的是千差万别的行李物品，因此在硬件组成上包括X光机、探测器、电子学系统等都有着其自身的特点。
采用CT技术的爆炸物检测装置具有很强的密度分辨能力和空间分辨能力，由于大部分的爆炸物的密度是确定的（在1.5-3g/cm3范围内），结合其空间形状信息，
CT可以准确地发现并定位行李中隐藏的爆炸物。表1列举了常见的爆炸物属性[4]。
CT装置将测量所得的可疑物密度值与事先预存在数据库中的已知爆炸物的密度值进行对比，一旦发现两者相符就发出警报，实现智能分析及报警功能。
与医疗CT与工业CT相比，安检CT的主要特点是：
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；以成像为主，同时关注空间分辨、图象质量及密度识别；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；系统具有智能分析及报警功能，辅以人工分析。
表1常见的爆炸物种类及其参数
此外，对物体检查的高通过率是CT能应用于安全检查的最基本使用要求，这促使安检CT采用最先进的CT技术（例如螺旋锥束扫描）；由于安检物品断面尺寸大于人体，且处于连续检查的工作环境，使得安检CT的硬件技术在许多环节超过了对医学CT的要求，如桶架系统（gantry），射线源（能量和流强的提高、X光机球管冷却、X射线束流稳定性等）、滑环系统、数据采集及传输系统等；安检CT有密度分辨、自动检查分析、智能识别及示警的特殊要求，检查对象又具有复杂性和多样性，这对算法及软件提出了更高的要求。
5.FAA与EDS
FAA对爆炸物检测技术及产品的评价已成为国际认可的标准。FAA认证是为了向美国机场安全提供产品推荐，其对CT型EDS有一套专门的认证标准，只有符合标准设备的才能在美国国内机场安装。爆炸物检测产品的最重要性能指标就是检查的通过率和误报率，这也是美国FAA对该类产品认证的最重要依据。1993年9月，FAA颁布了对行李检查EDS系统认证的标准，标准涉及以下方面：
可探测爆炸物种类
可探测到的爆炸物量阈值
通过率，即每小时检查行李量
对爆炸物的探测率
容许的最大误报率
设备自动报警
X射线EDS技术分两大类：CT型EDS和非CT型EDD。CT型EDS是FAA认证的爆炸物检测系统，非CT型EDD不被FAA认证、但授予资质，准予应用的爆炸物检测设备。截止目前，全球通过FAA认证的EDS产品有三种，均以CT为核心探测技术；通过FAA许可使用的EDD产品核心技术主要是伪CT或真双能等。国际许多公司及科研机构把爆炸物探测技术研究作为今后的一个重大科研方向，从各种技术角度深入研究。目前为止，CT技术是国际市场上进行爆炸物探测最成熟、探测性能最好的一种技术。
6.CT型EDS产品一览
1994年年初，美国的Invision公司的CTX5000在FAA技术中心接受测试，并成为第一种通过FAA认证的EDS产品。该产品是从医用CT的原型改造而成的，其通过率为120/小时。1998年，CTX5500通过认证，它是CTX5000的升级版。
2000年1月，对eXaminer3DX6000的第二次测试通过，L-3 Com成为第二家获得FAA的EDS认证的公司。
如图5所示，eXaminer3DX6000的总体形式为螺旋锥束、多层CT，总尺寸：2380(W)×2194(H)×6451(L)，重量3050kg，通过率～500/hr，误报率宣称<20%。
此后L-3Com公司陆续有新型号产品通过FAA测试。2000年3月，软件改进版的CTX9000通过测试；2000年同期，CTX2500（小机场单机版本，低通过率，低成本）通过认证；2000年年底，eXaminer 3DX3000通过认证；2002年6月，VCT 30通过认证；2003年8月，eXaminer 3DX1000通过认证。
7.CT型EDS面临的挑战与发展
目前世界上的CT型EDS系统主要安装在各大机场，数量也达到了数千套。受日益增加的航空客流量影响和反恐形势所提出的更高要求， CT型EDS系统的检查通过率面临着严峻的挑战。为了不影响机场的正常运行和旅客的行程安排，必须有足够的安检CT以对付客流高峰。然而由于该产品造价高昂，单纯依靠大量的采购是不现实的。为了解决这个矛盾，全新的针对航空安全的全面解决方案应运而生。
7.1面向航空安全的全面解决方案
在图6所示的多层检查系统结构中，每一层都是一种单独的设备。所有的被检行李全部通过第一层X射线透视系统，如发现异常则转移到第二层非CT型EDD系统，再次检查确认后如仍有异常则转入第三层CT型EDS系统，若无爆炸物则通过，否则人工开箱处理。CT型EDS系统是这种方式中最后的自动检测设备，也是整个检查体系中的核心。由于其他两种设备的成本相对低廉，因此通过采用多种设备相结合的检查方式，可以有效的解决满足通过率和控制成本之间的矛盾。
最新的CT型EDS系统将普通的X射线透视装置与CT型扫描装置集成为一体，组成一个具有预扫描功能的爆炸物检测系统。当被检行李通过X射线透视装置时，如果发现可疑物，系统自动记录其位置并启动CT对该部位进行扫描。采用预扫描方式可以大大提高系统的通过率，因为不再需要对整个行李进行CT扫描了。
7.2 CT型EDS技术与其它技术的结合
误报率是CT型EDS系统的另一个被广泛关注的性能指标。因爆炸物种类繁多，其密度也不完全是确定值，因此经常发生误报漏报的情况。据报道，美国目前机场已经部分安装的CT型EDS系统的误报率高达20-30%。世界各国的公司和研究机构都在尽力解决这个问题。 目前来看，双能CT扫描系统是一个很有希望解决误报率的方案，如图7所示。在实施方法中, 通常采用一高、一低两个不同能量的X射线, 测试被检测物的光电散射和康普顿散射全吸收截面。看这被检测物的光电散射和康普顿散射全吸收截面的变化规律及它们之间的变化系数差等。用这些测得的数据与数据库中各种爆炸物和毒品的标准样品的数据对比, 如果它与某种危险品的数据基本一样, 则可确定为此种危险品。将双能技术与CT技术结合在一起，就可以同时得到物质的三维密度和原子序数的信息，这将大大的降低系统的误报率。
8 结论
爆炸物是威胁公共安全的重要因素，而CT技术已经证明是检测爆炸物的一个有效手段，因此CT在爆炸物检测领域有着广泛的市场和良好的应用前景，针对CT型EDS系统的研究和开发也必将越来越受到世界各国的重视。CT技术也将不断的发展与创新，以适应日新月异的国际安全检测领域。
国外已有该领域的产品问世并投入运行，但仍有不少问题有待解决。目前国内这方面属于空白，无论从核心硬件还是软件算法及智能识别方法，都面临新的挑战。为了国家和人民生命财产的安全，需要加大投入力度，争取早日开发出爆炸物检测领域的CT型EDS产品。
参考文献：
[1] Cormack AM.“RepresentationofaFunction by Its Line Integrals with Some Radiological Applications”[J].Journal of Applied Physics，1964, Vol.35，No.10,p2908.
[2] Alschuler M D，Chang T, Chu A. Proc Soc Photo-Opt Instrum Eng[D].1979, p287.
[3] Dennis M J. Industrial Computed Tomography in Metals Handbooks [D].Vol.17：Nondestructive Evaluation and Quality Control，ASM，Metals Park OH，1989.
[4] 孟祥承.爆炸物及毒品的探测技术[J].2003,Vol 23，No.4，p371.
作者简介： 吴万龙(1971-),男,获清华大学工程硕士学位，高级工程师,现在清华同方威视科技有限公司从事特异物质检测技术研究和安检产品的开发。
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