彭華X射線CT技術(shù)的介紹和安檢應(yīng)用

1、X射線CT技術(shù)介紹及其安檢應(yīng)用文/陳志強(qiáng) 彭華 金鑫 張金宇摘要：伴隨著目前嚴(yán)峻的公共安全形勢，隨著新建機(jī)場、高鐵車站的不斷增加，基于X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)的安檢設(shè)備正逐漸迎來巨大的市場需求。國內(nèi)安防企業(yè)在X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)方面有多年的積累，在安檢CT的產(chǎn)品研發(fā)及市場應(yīng)用上取得了顯著的成績。但受制于國內(nèi)外安檢CT行業(yè)發(fā)展所面臨的問題，已經(jīng)達(dá)到并超過世界技術(shù)水平的國內(nèi)同類產(chǎn)品仍然無法打破國際市場設(shè)置的各種壁壘，以致國內(nèi)廠商海外發(fā)展艱難。關(guān)鍵詞：X射線 安檢CT技術(shù) 國內(nèi)外現(xiàn)狀前言“9.11”事件以來，各國不斷受到恐怖主義的威脅，針對公共場所的恐怖極端事件頻發(fā)給公共安全帶來

2、了前所未有的挑戰(zhàn)。國內(nèi)的安全形勢也日益嚴(yán)峻，2012年6月29日發(fā)生的新疆和田恐怖劫機(jī)事件、2014年3月1日發(fā)生的昆明火車站暴恐事件以及連續(xù)多起新疆暴力恐怖事件，對我國的社會(huì)穩(wěn)定、公共安全、反恐手段等提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。面對國際與國內(nèi)恐怖主義威脅，通過高科技手段遏制恐怖活動(dòng)，從而保障公共安全和社會(huì)穩(wěn)定，是當(dāng)前中國乃至世界各國都在研究的重要課題，需要不斷研究和開發(fā)滿足需求的高水平反恐安檢設(shè)備。在這種背景下，如果能夠?qū)⑾冗M(jìn)的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)運(yùn)用到安檢領(lǐng)域，無疑是對現(xiàn)有安檢手段的顯著提升。安防行業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，在X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)方面有多年的積累，在安檢CT的產(chǎn)品研發(fā)及

3、市場應(yīng)用上取得了顯著的成績。一、CT技術(shù)介紹及其優(yōu)勢X射線成像一直是行李物品檢查必不可缺少的重要手段。傳統(tǒng)的X射線安檢設(shè)備利用X射線穿透物體發(fā)生衰減、通過投影透視的方式進(jìn)行危險(xiǎn)品識(shí)別（稱為“X射線DR技術(shù)”）。DR圖像存在物品影像重疊問題，在一定程度上影響了對危險(xiǎn)品的準(zhǔn)確識(shí)別、增加了識(shí)別的難度。近年來伴隨著恐怖威脅的不斷演變，安檢關(guān)注重點(diǎn)也由以往的金屬刀具、槍支等逐漸擴(kuò)展到爆炸物、液體等有機(jī)危險(xiǎn)品的檢查，這類具有密度低、形狀不固定等特點(diǎn)的特異物質(zhì)，在X射線透視圖像上很難辨識(shí)，傳統(tǒng)的DR技術(shù)已經(jīng)不能完全適應(yīng)安檢的發(fā)展需要。X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)是一種先進(jìn)的非損壞性探測評估技術(shù)，它通過對

4、目標(biāo)物體進(jìn)行多角度的投影透視掃描，利用三維重建算法，能夠獲取被檢查物體的尺寸、形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及密度信息，因此在醫(yī)療、工業(yè)及新興的爆炸物檢測等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。CT掃描將射線源和探測器固定在滑環(huán)兩端，通過滑環(huán)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對滑環(huán)中心目標(biāo)物體不同角度的透視掃描，早期CT技術(shù)受制于較為落后的CT重建算法，必須保持物體不動(dòng)的情況下完成一周的掃描，重建出當(dāng)前斷層的結(jié)構(gòu)信息之后再將物體移動(dòng)到新的位置，進(jìn)行下一次掃描，這種逐層掃描并重建的方式正是“斷層掃描”命名的由來。然而它存在掃描時(shí)間過長、掃描效率低下的弊端，難以滿足快速安檢應(yīng)用。在X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)不斷變革更新的當(dāng)代，20世紀(jì)末誕生了螺旋CT掃

5、描技術(shù)，先進(jìn)的螺旋CT重建理論允許滑環(huán)旋轉(zhuǎn)掃描的同時(shí)物體可以同步前進(jìn)，重建出連續(xù)的三維結(jié)構(gòu)信息，極大提高了掃描效率，標(biāo)志著X射線檢查技術(shù)的又一次革命。近年來，隨著能譜CT技術(shù)的發(fā)展，雙能X射線源、雙能CT探測器的應(yīng)用，使得CT掃描可以進(jìn)一步得到被檢物質(zhì)原子序數(shù)和電子密度在三維空間的分布信息，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的物質(zhì)成分識(shí)別（見圖1）。圖1 雙能CT技術(shù)重建示意圖如上所述，采用CT技術(shù)的爆炸物檢測裝置具有很強(qiáng)的密度分辨能力和空間分辨能力，由于大部分的爆炸物的密度是確定的（表1），結(jié)合其空間形狀信息，CT可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并定位行李中隱藏的爆炸物。CT裝置將測量所得的可疑物的（密度值、有效原子序數(shù)）的數(shù)對

6、值與事先預(yù)存在數(shù)據(jù)庫中的已知爆炸物的（密度值、有效原子序數(shù)）的數(shù)對值進(jìn)行對比（圖2），一旦發(fā)現(xiàn)兩者相符就發(fā)出警報(bào)，實(shí)現(xiàn)智能分析及報(bào)警功能。這一功能預(yù)期是除了三維圖像之外，支持以CT技術(shù)替代傳統(tǒng)DR技術(shù)的重要因素。CT技術(shù)的突出優(yōu)勢，使其逐漸成為各類安檢應(yīng)用的最佳選擇，在歐盟最新的行李檢測設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，螺旋CT型安檢設(shè)備是目前唯一能夠通過ECAC標(biāo)準(zhǔn)3這一最高等級(jí)認(rèn)證的安檢技術(shù)，開拓了公共安檢的嶄新局面。表1 高威脅爆炸物的分子量和密度列表名稱分子量密度（g/cm3）TNT(梯恩梯)227.31.65BDX（黑索金）222.261.83HMX（奧克托金）296.161.96Tetryl（特屈兒

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（硝銨）80.051.59TATP（三過氧化三丙酮）222.231.2DNB（二小苯）168.111.58Picrid Acid（苦味酸）229.221.76圖2 常見物質(zhì)的密度和有效原子序數(shù)分布圖二、安檢CT產(chǎn)業(yè)國內(nèi)外現(xiàn)狀伴隨著目前嚴(yán)峻的公共安全形勢，基于X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)的安檢設(shè)備正逐漸迎來巨大的市場需求。歐盟托運(yùn)行李法令中明確要求截止至2018年，歐盟所有成員國機(jī)場設(shè)備必須全部通過標(biāo)準(zhǔn)3的認(rèn)證，這意味著歐洲的托運(yùn)行李檢查儀即將全面進(jìn)入C

8、T 時(shí)代。而美國運(yùn)輸安全管理局（TSA）在其最新的托運(yùn)行李掃描技術(shù)戰(zhàn)略規(guī)劃框架中，也提出類似的計(jì)劃以保障民航安全。作為客運(yùn)大國的中國，隨著新建機(jī)場、高鐵車站的不斷增加，CT安檢設(shè)備的需求也逐漸呈現(xiàn)上漲趨勢。盡管面臨安檢CT蓬勃發(fā)展的巨大機(jī)遇，相應(yīng)的國際市場份額卻被少數(shù)幾家美國企業(yè)所占領(lǐng)，足以見得這是一個(gè)高門檻、高技術(shù)的壟斷行業(yè)。其中，美國安檢CT廠商的市場業(yè)績主要依賴于向TSA提供CT設(shè)備獲得。造成這種現(xiàn)狀的重要原因之一，是安檢CT技術(shù)自身的復(fù)雜性和先進(jìn)性。不同于傳統(tǒng)的醫(yī)療臨床CT技術(shù)，安檢CT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)具有如下關(guān)鍵問題：一是被檢物品種類復(fù)雜，密度各異，形狀各異，對重建方法的要求更高；二是安檢

9、需以成像為主，同時(shí)還需要關(guān)注圖象質(zhì)量及違禁品的識(shí)別；三是安檢具有較高的實(shí)時(shí)性要求，在大客流量的場合，單機(jī)每小時(shí)掃描的目標(biāo)物體數(shù)目是醫(yī)療CT的上百倍；四是系統(tǒng)必須具有智能分析及報(bào)警功能，以降低人工判圖的工作量、提高安檢效率。因此，安檢CT設(shè)備的研發(fā)難點(diǎn)和醫(yī)療CT存在較大的差異，是一種全新的應(yīng)用領(lǐng)域，在很多方面甚至比醫(yī)療CT存在更大的難度。利用CT技術(shù)實(shí)現(xiàn)行李物品的違禁品檢測需要以CT成像理論為核心，結(jié)合多個(gè)學(xué)科的相關(guān)技術(shù)協(xié)同實(shí)現(xiàn)。然而，構(gòu)成CT系統(tǒng)的核心部件如X射線源、高速滑環(huán)和探測器等技術(shù)長期被國外壟斷，而CT成像理論、圖像處理以及物質(zhì)成分識(shí)別等方法也需要足夠的技術(shù)積累。受制于上述多方面的原因

10、，國內(nèi)安檢CT技術(shù)尚處于起步階段，能夠生產(chǎn)和制造安檢CT系統(tǒng)、提供成熟的安檢CT解決方案的本土企業(yè)非常少。面對國外技術(shù)封鎖和市場壟斷，如何突破封鎖，取得技術(shù)優(yōu)勢，成為從根本上扭轉(zhuǎn)這一困境的關(guān)鍵，這迫切需要在關(guān)鍵技術(shù)上深化研究、不斷創(chuàng)新、取得突破。三、安防業(yè)界的安檢CT技術(shù)（一）國內(nèi)業(yè)界企業(yè)概況安防業(yè)界的一些企業(yè)立足于自主創(chuàng)新、集成創(chuàng)新與引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，擁有全部核心技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以健康、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，堅(jiān)持“走出去”戰(zhàn)略，產(chǎn)品及服務(wù)已遍布五大洲130多個(gè)國家和地區(qū)，涵蓋民航、海關(guān)、城市軌道交通、鐵路、公路、港口和重點(diǎn)安防機(jī)構(gòu)等行業(yè)，得到世界各國用戶的廣泛認(rèn)可，在全球市場上

11、占據(jù)重要地位。這些企業(yè)作為安檢解決方案和產(chǎn)品的主要供應(yīng)商，參與了2008年北京奧運(yùn)會(huì)、2011年上海世博會(huì)、2010年廣州亞運(yùn)會(huì)等多項(xiàng)重要大型活動(dòng)的安全保障工作，為主要場館、新聞中心和物流倉儲(chǔ)等提供千余套多種型號(hào)安檢產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。在2014年的巴西世界杯期間，還為12個(gè)球場中的9個(gè)球場提供了近600套安檢設(shè)備，為賽事的順利進(jìn)行保駕護(hù)航。（二）安檢CT技術(shù)安防業(yè)界一些企業(yè)與清華大學(xué)建立了優(yōu)勢互補(bǔ)的長期戰(zhàn)略合作關(guān)系，在CT設(shè)備領(lǐng)域共同申請了多項(xiàng)發(fā)明專利，掌握了包括雙能成像、大螺距掃描、違禁品識(shí)別在內(nèi)的多項(xiàng)核心技術(shù)。CT型行李安全檢查系統(tǒng)是業(yè)界自主研發(fā)制造的國內(nèi)首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代雙能安檢

12、CT系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用獨(dú)特的雙能螺旋CT技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別藏匿在行李物品中的各類爆炸物和毒品并精確指出其在行李中的位置，同時(shí)提供獨(dú)立的雙能DR（透視）系統(tǒng)，生成高分辨率的雙能透視圖像，方便檢查人員進(jìn)行DR人工判圖。對比國外主要安檢廠商的CT系統(tǒng)，國內(nèi)CT具有如下主要技術(shù)特點(diǎn)：1.采用獨(dú)創(chuàng)的雙能大螺距螺旋CT技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)爆炸物、液體爆炸物、毒品等多種違禁品的自動(dòng)識(shí)別和報(bào)警；2.擁有超高清晰的三維立體圖像，可實(shí)現(xiàn)對行李360度無死角檢查，圖像更加直觀生動(dòng)，違禁品不易遺漏；3.除了垂直于傳送帶的方向以外，還可獲得被檢物品任意方向的截面圖像，從不同方向準(zhǔn)確顯示嫌疑物品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，可查驗(yàn)任何夾藏和夾層；4

13、.擁有獨(dú)立的DR成像系統(tǒng)，同時(shí)提供雙能透視圖像，可提供高分辨率的精細(xì)結(jié)構(gòu)圖像；5.擁有最全面的產(chǎn)品線布局，包含小型、中型、大型等多個(gè)系列產(chǎn)品，通過率最高可達(dá)1800包/小時(shí)，可為客戶量身定做最佳解決方案。目前，安防業(yè)界的CT產(chǎn)品已經(jīng)通過中國民航CAAC安檢設(shè)備認(rèn)證和歐盟ECAC標(biāo)準(zhǔn)3認(rèn)證。在北京市經(jīng)信委組織的“CT型行李安全檢查系統(tǒng)”新產(chǎn)品新技術(shù)鑒定中，評審專家給予了高度評價(jià)，認(rèn)為“該系統(tǒng)是我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新性成果，在行李安全檢查領(lǐng)域的同類設(shè)備中達(dá)到了國際領(lǐng)先水平”。業(yè)界所研制的XT2080安檢CT系統(tǒng)在歐盟ECAC 標(biāo)準(zhǔn)3的測試過程中，得到ECAC的高度評價(jià)，認(rèn)為其“對某些爆炸物特別

14、是薄片爆炸物的檢測上顯示出優(yōu)異的能力”。國內(nèi)的安檢CT產(chǎn)品既適用于民航機(jī)場、海關(guān)的行李、貨物的安全檢查，也適用于高速鐵路和城市軌道交通、大型會(huì)展和重要活動(dòng)等場所的安全檢查。目前已有近30套安檢CT產(chǎn)品產(chǎn)品成功應(yīng)用于上述領(lǐng)域。（三）安檢CT應(yīng)用安檢CT設(shè)備可應(yīng)用在機(jī)場托運(yùn)行李檢查、海關(guān)檢查、政府機(jī)構(gòu)安檢等多種場合。其中機(jī)場托運(yùn)行李檢查是安檢CT所有應(yīng)用領(lǐng)域中，系統(tǒng)最復(fù)雜、難度最高的應(yīng)用場景。業(yè)界強(qiáng)大的集成開發(fā)能力，已為多個(gè)不同規(guī)模機(jī)場客戶成功提供了托運(yùn)行李整體解決方案。CT設(shè)備提供豐富的接口方式，可與所有現(xiàn)行的行李傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成和交互通訊。機(jī)場使用的CT設(shè)備，將無需改造或購買新的BHS行李處理

15、系統(tǒng)，將為機(jī)場節(jié)省巨額費(fèi)用。同時(shí)業(yè)界也開發(fā)了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)分層管理系統(tǒng)，將分散的CT設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，可實(shí)現(xiàn)圖像的遠(yuǎn)程集中查驗(yàn)、設(shè)備的遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控、信息的實(shí)時(shí)查詢和統(tǒng)計(jì)，極大的提升機(jī)場安檢流程和設(shè)備管理的工作效率。四、我國安檢CT行業(yè)發(fā)展所面臨的問題和解決方法建議西方多個(gè)安檢CT廠商擁有先發(fā)優(yōu)勢，搶先一步占據(jù)中國市場，并不斷利用先發(fā)優(yōu)勢打壓國內(nèi)CT廠商；同時(shí)，美國以國家安全等理由，通過認(rèn)證等方式設(shè)置壁壘，阻止國內(nèi)廠商進(jìn)入占據(jù)全球90%的美國市場，導(dǎo)致國內(nèi)廠商海外發(fā)展艱難。國外CT廠商不重視國內(nèi)客戶需求，不僅購買費(fèi)用和售后服務(wù)費(fèi)用居高不下；而且完全照搬國外應(yīng)用，不僅不能滿足國內(nèi)客戶真正安檢需求，使用起來也非常不便。國內(nèi)安檢CT技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開相關(guān)企業(yè)自身的自主創(chuàng)新、積極進(jìn)取，而同時(shí)，健康、公平、規(guī)范的產(chǎn)業(yè)政策環(huán)境對于產(chǎn)業(yè)鏈的形成也有著舉足輕重的作用。強(qiáng)烈建議政府等相關(guān)機(jī)構(gòu)積極采取應(yīng)對措施，促進(jìn)中國安檢CT行業(yè)的健康發(fā)展。首先需要建立適合中國國情的安檢CT產(chǎn)品規(guī)范和使用流程。比如針對國內(nèi)液