彭华X射线CT技术的介绍和安检应用

1、X射线CT技术介绍及其安检应用文/陈志强 彭华 金鑫 张金宇摘要：伴随着目前严峻的公共安全形势，随着新建机场、高铁车站的不断增加，基于X射线计算机断层扫描（CT）技术的安检设备正逐渐迎来巨大的市场需求。国内安防企业在X射线计算机断层扫描（CT）技术方面有多年的积累，在安检CT的产品研发及市场应用上取得了显著的成绩。但受制于国内外安检CT行业发展所面临的问题，已经达到并超过世界技术水平的国内同类产品仍然无法打破国际市场设置的各种壁垒，以致国内厂商海外发展艰难。关键词：X射线 安检CT技术 国内外现状前言“9.11”事件以来，各国不断受到恐怖主义的威胁，针对公共场所的恐怖极端事件频发给公共安全带来

2、了前所未有的挑战。国内的安全形势也日益严峻，2012年6月29日发生的新疆和田恐怖劫机事件、2014年3月1日发生的昆明火车站暴恐事件以及连续多起新疆暴力恐怖事件，对我国的社会稳定、公共安全、反恐手段等提出了严峻的挑战。面对国际与国内恐怖主义威胁，通过高科技手段遏制恐怖活动，从而保障公共安全和社会稳定，是当前中国乃至世界各国都在研究的重要课题，需要不断研究和开发满足需求的高水平反恐安检设备。在这种背景下，如果能够将先进的X射线计算机断层扫描（CT）技术运用到安检领域，无疑是对现有安检手段的显著提升。安防行业经过多年发展，在X射线计算机断层扫描（CT）技术方面有多年的积累，在安检CT的产品研发及

3、市场应用上取得了显著的成绩。一、CT技术介绍及其优势X射线成像一直是行李物品检查必不可缺少的重要手段。传统的X射线安检设备利用X射线穿透物体发生衰减、通过投影透视的方式进行危险品识别（称为“X射线DR技术”）。DR图像存在物品影像重叠问题，在一定程度上影响了对危险品的准确识别、增加了识别的难度。近年来伴随着恐怖威胁的不断演变，安检关注重点也由以往的金属刀具、枪支等逐渐扩展到爆炸物、液体等有机危险品的检查，这类具有密度低、形状不固定等特点的特异物质，在X射线透视图像上很难辨识，传统的DR技术已经不能完全适应安检的发展需要。X射线计算机断层扫描（CT）技术是一种先进的非损坏性探测评估技术，它通过对

4、目标物体进行多角度的投影透视扫描，利用三维重建算法，能够获取被检查物体的尺寸、形状、内部结构及密度信息，因此在医疗、工业及新兴的爆炸物检测等领域有着广泛应用。CT扫描将射线源和探测器固定在滑环两端，通过滑环旋转实现对滑环中心目标物体不同角度的透视扫描，早期CT技术受制于较为落后的CT重建算法，必须保持物体不动的情况下完成一周的扫描，重建出当前断层的结构信息之后再将物体移动到新的位置，进行下一次扫描，这种逐层扫描并重建的方式正是“断层扫描”命名的由来。然而它存在扫描时间过长、扫描效率低下的弊端，难以满足快速安检应用。在X射线计算机断层扫描（CT）技术不断变革更新的当代，20世纪末诞生了螺旋CT扫

5、描技术，先进的螺旋CT重建理论允许滑环旋转扫描的同时物体可以同步前进，重建出连续的三维结构信息，极大提高了扫描效率，标志着X射线检查技术的又一次革命。近年来，随着能谱CT技术的发展，双能X射线源、双能CT探测器的应用，使得CT扫描可以进一步得到被检物质原子序数和电子密度在三维空间的分布信息，从而实现更准确的物质成分识别（见图1）。图1 双能CT技术重建示意图如上所述，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（表1），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。CT装置将测量所得的可疑物的（密度值、有效原子序数）的数对

6、值与事先预存在数据库中的已知爆炸物的（密度值、有效原子序数）的数对值进行对比（图2），一旦发现两者相符就发出警报，实现智能分析及报警功能。这一功能预期是除了三维图像之外，支持以CT技术替代传统DR技术的重要因素。CT技术的突出优势，使其逐渐成为各类安检应用的最佳选择，在欧盟最新的行李检测设备技术标准中，螺旋CT型安检设备是目前唯一能够通过ECAC标准3这一最高等级认证的安检技术，开拓了公共安检的崭新局面。表1 高威胁爆炸物的分子量和密度列表名称分子量密度（g/cm3）TNT(梯恩梯)227.31.65BDX（黑索金）222.261.83HMX（奥克托金）296.161.96Tetryl（特屈儿

7、）287.151.73PETN（泰胺）316.21.78NG（硝化甘油）227.091.59EGDN（乙二醇二硝酸脂）152.11.49AN（硝铵）80.051.59TATP（三过氧化三丙酮）222.231.2DNB（二小苯）168.111.58Picrid Acid（苦味酸）229.221.76图2 常见物质的密度和有效原子序数分布图二、安检CT产业国内外现状伴随着目前严峻的公共安全形势，基于X射线计算机断层扫描（CT）技术的安检设备正逐渐迎来巨大的市场需求。欧盟托运行李法令中明确要求截止至2018年，欧盟所有成员国机场设备必须全部通过标准3的认证，这意味着欧洲的托运行李检查仪即将全面进入C

8、T 时代。而美国运输安全管理局（TSA）在其最新的托运行李扫描技术战略规划框架中，也提出类似的计划以保障民航安全。作为客运大国的中国，随着新建机场、高铁车站的不断增加，CT安检设备的需求也逐渐呈现上涨趋势。尽管面临安检CT蓬勃发展的巨大机遇，相应的国际市场份额却被少数几家美国企业所占领，足以见得这是一个高门槛、高技术的垄断行业。其中，美国安检CT厂商的市场业绩主要依赖于向TSA提供CT设备获得。造成这种现状的重要原因之一，是安检CT技术自身的复杂性和先进性。不同于传统的医疗临床CT技术，安检CT技术的实现具有如下关键问题：一是被检物品种类复杂，密度各异，形状各异，对重建方法的要求更高；二是安检

9、需以成像为主，同时还需要关注图象质量及违禁品的识别；三是安检具有较高的实时性要求，在大客流量的场合，单机每小时扫描的目标物体数目是医疗CT的上百倍；四是系统必须具有智能分析及报警功能，以降低人工判图的工作量、提高安检效率。因此，安检CT设备的研发难点和医疗CT存在较大的差异，是一种全新的应用领域，在很多方面甚至比医疗CT存在更大的难度。利用CT技术实现行李物品的违禁品检测需要以CT成像理论为核心，结合多个学科的相关技术协同实现。然而，构成CT系统的核心部件如X射线源、高速滑环和探测器等技术长期被国外垄断，而CT成像理论、图像处理以及物质成分识别等方法也需要足够的技术积累。受制于上述多方面的原因

10、，国内安检CT技术尚处于起步阶段，能够生产和制造安检CT系统、提供成熟的安检CT解决方案的本土企业非常少。面对国外技术封锁和市场垄断，如何突破封锁，取得技术优势，成为从根本上扭转这一困境的关键，这迫切需要在关键技术上深化研究、不断创新、取得突破。三、安防业界的安检CT技术（一）国内业界企业概况安防业界的一些企业立足于自主创新、集成创新与引进消化吸收再创新，拥有全部核心技术的自主知识产权，以健康、稳定、协调和可持续发展为目标，坚持“走出去”战略，产品及服务已遍布五大洲130多个国家和地区，涵盖民航、海关、城市轨道交通、铁路、公路、港口和重点安防机构等行业，得到世界各国用户的广泛认可，在全球市场上

11、占据重要地位。这些企业作为安检解决方案和产品的主要供应商，参与了2008年北京奥运会、2011年上海世博会、2010年广州亚运会等多项重要大型活动的安全保障工作，为主要场馆、新闻中心和物流仓储等提供千余套多种型号安检产品和技术服务。在2014年的巴西世界杯期间，还为12个球场中的9个球场提供了近600套安检设备，为赛事的顺利进行保驾护航。（二）安检CT技术安防业界一些企业与清华大学建立了优势互补的长期战略合作关系，在CT设备领域共同申请了多项发明专利，掌握了包括双能成像、大螺距扫描、违禁品识别在内的多项核心技术。CT型行李安全检查系统是业界自主研发制造的国内首个具有自主知识产权的新一代双能安检

12、CT系统。该系统采用独特的双能螺旋CT技术，自动识别藏匿在行李物品中的各类爆炸物和毒品并精确指出其在行李中的位置，同时提供独立的双能DR（透视）系统，生成高分辨率的双能透视图像，方便检查人员进行DR人工判图。对比国外主要安检厂商的CT系统，国内CT具有如下主要技术特点：1.采用独创的双能大螺距螺旋CT技术，可实现爆炸物、液体爆炸物、毒品等多种违禁品的自动识别和报警；2.拥有超高清晰的三维立体图像，可实现对行李360度无死角检查，图像更加直观生动，违禁品不易遗漏；3.除了垂直于传送带的方向以外，还可获得被检物品任意方向的截面图像，从不同方向准确显示嫌疑物品的内部结构信息，可查验任何夹藏和夹层；4

13、.拥有独立的DR成像系统，同时提供双能透视图像，可提供高分辨率的精细结构图像；5.拥有最全面的产品线布局，包含小型、中型、大型等多个系列产品，通过率最高可达1800包/小时，可为客户量身定做最佳解决方案。目前，安防业界的CT产品已经通过中国民航CAAC安检设备认证和欧盟ECAC标准3认证。在北京市经信委组织的“CT型行李安全检查系统”新产品新技术鉴定中，评审专家给予了高度评价，认为“该系统是我国具有自主知识产权的创新性成果，在行李安全检查领域的同类设备中达到了国际领先水平”。业界所研制的XT2080安检CT系统在欧盟ECAC 标准3的测试过程中，得到ECAC的高度评价，认为其“对某些爆炸物特别

14、是薄片爆炸物的检测上显示出优异的能力”。国内的安检CT产品既适用于民航机场、海关的行李、货物的安全检查，也适用于高速铁路和城市轨道交通、大型会展和重要活动等场所的安全检查。目前已有近30套安检CT产品产品成功应用于上述领域。（三）安检CT应用安检CT设备可应用在机场托运行李检查、海关检查、政府机构安检等多种场合。其中机场托运行李检查是安检CT所有应用领域中，系统最复杂、难度最高的应用场景。业界强大的集成开发能力，已为多个不同规模机场客户成功提供了托运行李整体解决方案。CT设备提供丰富的接口方式，可与所有现行的行李传输系统实现集成和交互通讯。机场使用的CT设备，将无需改造或购买新的BHS行李处理

15、系统，将为机场节省巨额费用。同时业界也开发了强大的网络分层管理系统，将分散的CT设备通过网络连接起来，可实现图像的远程集中查验、设备的远程操作和监控、信息的实时查询和统计，极大的提升机场安检流程和设备管理的工作效率。四、我国安检CT行业发展所面临的问题和解决方法建议西方多个安检CT厂商拥有先发优势，抢先一步占据中国市场，并不断利用先发优势打压国内CT厂商；同时，美国以国家安全等理由，通过认证等方式设置壁垒，阻止国内厂商进入占据全球90%的美国市场，导致国内厂商海外发展艰难。国外CT厂商不重视国内客户需求，不仅购买费用和售后服务费用居高不下；而且完全照搬国外应用，不仅不能满足国内客户真正安检需求，使用起来也非常不便。国内安检CT技术和产业的发展离不开相关企业自身的自主创新、积极进取，而同时，健康、公平、规范的产业政策环境对于产业链的形成也有着举足轻重的作用。强烈建议政府等相关机构积极采取应对措施，促进中国安检CT行业的健康发展。首先需要建立适合中国国情的安检CT产品规范和使用流程。比如针对国内液