CT技术在安检领域应用综述

第21卷 第1期 CT理论与应用研究 Vol.21, No.1 2012年3月（157-165） CT Theory and Applications Mar., 2012
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CT技术在安检领域应用综述
郑金州1，鲁绍栋2
1.解放军总医院，北京100853
2.解放军北京卫戍区，北京100740
摘要：在现有的安检技术中，X光CT技术是比较成熟、有效的手段之一。

第一代X光CT安检机
存在着较高的误报及漏报，CT技术的发展可以有效地解决这一问题。

X光CT安检机与普通X射
线安检机相比，有很多优点，技术有了本质上的提高，尤其是实现了三维成像和能够测定物体
密度及原子序数，有效解决了普通X射线安检机成像的重影问题，能够自动与危险品的物理特
征进行比对，减少人为因素的影响，既减轻安检人员的劳动强度，又能保证安检效果。

关键词：双能；图像重建；三维成像
文章编号：1004-4140（2012）01-0157-09 中图分类号：TP391.41 文献标识码：A
近年来，随着科学技术的迅速发展，各种恐怖主义势力在实施恐怖活动中，高科技技术的含量越来越高，方法更加诡异多样，因此机场、地铁等高密度人员场所的公共安全面临越来越多的挑战。

传统的技术手段已无法满足安检防爆的需要[1]，利用高科技手段加强安检工作迫在眉睫。

自从1972年Hounsfield发明了第一台计算机断层成像（Computed Tomography，CT），CT技术给医学诊断和工业无损检测带来了革命性的影响[2]。

1988年美国泛美航空公司103次航班在苏格兰洛克比发生空难后，美国政府开始要求在机场部署爆炸物探测系统[3]。

在安检领域的检测手段中，CT技术是比较成熟并逐渐成为重要的技术手段。

由于CT技术能够使得安检无需开箱，实现行李的快速、三维成像检查，有效地识别隐藏的物体，其漏报率和误报率远低于其他准实时成像检测系统，因此，该技术具有独特的技术优势[4]。

1994年，美国Invision公司首款CT安检机投入市场[5]。

香港机场和广州白云机场分别于1997年和2004年配备了CT安检设备[6]。

2010年我国同方威视技术股份有限公司研制的CT安检机用于人民大会堂的安检工作[7]。

1 CT技术原理
CT作为医学影像学检查方法之一，自从1972年应用于临床以来[8]，在临床上有着不可替代的作用，随着微电子工业和计算机技术的飞速发展，CT机产品日新月异。

一般临床所提及的CT，指的是以X光为放射源建立的断层图像，称为X光CT。

事实上，任何足以形成影像，并以计算机建立断层图的系统，均可称之为CT；因此除X光CT外，还有超声波CT （Ultrasonic-CT）、电阻抗CT（EICT）、正电子发射CT（PETCT）、单光子发射CT（SPECT）
收稿日期：2011-12-08。

CT 理论与应用研究 21卷 158
以及核磁共振CT（MRICT）等[9]，本文讨论的技术仅限于X 光CT。

1.1 CT 的基本思想
CT 的思想可追溯到1917年奥地利数学家Radon 发明的雷唐变换[10]
，其基本思想：取一理想的能发出极细射线的X 射线源，在其对面放置一检测器，测出X 射线源发出的强度0I （图1），以及经过物体（如人体）衰减后到达检测器的强度I ，再将射线源与检测器在观察屏幕内同步平移一定距离，每平移一步均做同样测量，如此取得一组数据，然后旋转一个小角度t N φ∆，再同步平移，取得新角度后的另一组数据，如此重复，直至旋转t N N φ次做旋转，取到180︒N φφ∆⨯=N φ组数据为止（图2）。

图1 CT 射线源与检测器示意图 图2 平移旋转扫描示意图
Fig.1 CT rays source and detector chart Fig.2 Parallel rotate scanning chart
1.2 数学模型
假设物体是均匀的，当X 射线穿过人体时会被衰减，按物体对X 射线的衰减系数μ和
物体厚度X 以指数函数关系发生变化，其关系式为式（1）[11]：
0exp()I I x μ=- （1）
其中0I 为入射射线的强度，I 为透射线强度
被检测物体通常为不均匀物质，可以将该物体分成厚度为x ∆的若干小单元，对应单元的衰减系数为i μ，入射射线强度为0I ，透射线强度为n I ，则
0121ln n n I x I μμμ⎛⎫+++= ∆⎝⎭
⎪μ⎪ （2） 通过公式（2）可以得出公式（3），通过公式（3）即可得出衰减系数[12]，
()101201exp()exp ()exp n n n n n i i I I x I x I x μμμμ-=⎛⎫⎛⎫=-∆=-∆+++=-∆⋅ ⎪ ⎝
⎭⎝⎭∑ （3）
当求出衰减系数的分布，即物体的密度的分布，据此即可重建物体图像。

因这些大量
1期郑金州等：CT技术在安检领域应用综述159的运算均在计算机中完成，故称为“计算机断层成像”。

2 CT技术的发展
CT技术首先应用于医学领域，至今，医用CT已家喻户晓，成为临床医学诊断不可缺少、最为有效的手段之一。

CT安检机属于工业CT的范畴。

工业CT技术是在20世纪70年代才开始逐渐研究的，70年代初期，曾直接将医用CT设备用于工业扫描，但始终达不到使用要求，于是各国开始了大量的研制工作，美、德、日和俄等国家在相关领域取得了一些成果。

美国自20世纪70年代末首先开始研制工业CT设备，1983年世界首台工业CT诞生。

1988年，美国ARACOR 公司研制出2MeV ICT1500。

根据扫描方式的不同，医用CT机发展经过了5代[13]，其更新换代的目的是为了缩短获得图像的时间和提高检测精度。

而工业CT仍以第二、三代扫描方式为主，其目的是为了获得更高的分辨率。

以下是医用CT机5代发展的概况：
第一代：运动方式为平移+旋转，特点是单一探测器，扫描束为直线笔型，一次平移获得240个数据，每次旋转1度，重复180次，检测一个层面需4～5min。

第二代：运动方式为平移+旋转，特点是3～52个探测器，扫描束为直线多路笔型，每次旋转3-30°，检测一个层面需20～120s。

第三代：运动方式为旋转+旋转，特点是扫描束为扇形，环形阵列探测器300～800个，每次旋转360°，检测一个层面需3～5s。

第四代：运动方式为静止+旋转，特点是扫描束为扇形，环形整圈探测器600～1500个，每次旋转360°，检测一个层面需1～5s。

第五代：动态空间重现机，特点是扫描时间缩短到50ms。

3 CT安检机与医用CT机的区别
CT安检机与医用CT机的原理是相通的[14]，但各有其特殊性。

医用CT对数据采集速度及成像速度要求较高，并不断提出新要求，但其面临的对象几乎是固定的：固定的人体组织、不变的人体形状。

CT安检机要求与医用的正好相反，对数据采集速度及成像速度要求较低，但面临的对象物理性质千差万别，形状大小相差悬殊，成像环境各不相同[15]。

医用CT机成像后将图像存储到磁盘中或打印成胶片，由医学影像专家、临床医生根据个人的经验判断影像是否存在病变。

CT安检机与其不同，CT安检机将获取的数据进行处理后获得关于被测物体的原子序数和物质密度等信息，与后台数据库中的危险品的相应参数进行对比，如比较接近，则判断该物品为疑似物品，自动标示出疑似物品的轮廓，提醒安检人员，安检人员可根据实际情况进行进一步的筛查判定。

简而言之，就是CT安检机可以具有自动判读功能，而医用CT机必须将影像经由医学专家判断后才可能得出结论。

4 CT技术的新进展及其在安检领域的应用
误报和漏报概率是衡量安检系统的一个重要指标，这一指标的好坏直接关系到用户是
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否决定使用该类产品的信心，往往也决定了该产品能否具有竞争力。

第一代CT安检机误报率高达20％～30％[15]，以至于使用户对该类产品信心不足，直接影响了产品的推广使用。

技术进步使得该问题找到了答案。

4.1 双源CT
双源（dual source）CT改变了常规CT所使用的一个X线球管和一套探测器CT的成像系统[16]，它是通过两套X线球管和两套探测器来采集CT图像，其间在X－Y平面上间隔90°，也就是说，通过机架旋转90°即可获得180°数据，使单扇区采集的时间分辨率达到83ms。

这样，在相同的时间内可以采集更多方位的信息。

通过图像重建可以获得更高质量的图像质量，即使在最快的扫描和进床速度下，也能确保极佳的图像质量[17]。

近年来，双源CT技术在安检领域得到了广泛的研究和应用。

该技术能够准确地重建物质的有效原子序数和密度信息，进而达到分辨物质种类的目的，有效地降低误报率。

4.2 螺旋CT
传统CT扫描方式是X线球管与探测器环绕被测物旋转，每旋转一个周期，采集一次二维断层数据并重建出图像。

扫描实际上是非连续进行的[18]。

扫描过程中，X射线管连续地围绕被测物旋转，与此同时，承载被测物的床体匀速地向机架的扫描孔内推进（或匀速地离开），这样X射线束在被测物表面勾画出一条螺旋线轨迹，称为螺旋CT（如图3所示）[19]。

螺旋CT是现代CT技术的主要进展之一。

自1998年以来，多层螺旋CT开始了真正意义的起步[20]，主要表现在同步扫描的能力越来越强（4层/圈—6～8层/圈—10～16层/圈—32～40层/圈—64层/圈），图像分辨率越来越高（以Z轴分辨率为例：1mm～0.75mm～0.6mm～0.33mm）[21]。

螺旋CT的关键技术在于采用了滑环技术，利用该项技术实现了连续扫描[22]。

图3 螺旋CT示意图 Fig.3 Spiral CT chart
图4 CT安检机成的三维图像
Fig.4 Three-dimensional image of CT’s
security inspector
螺旋形CT扫描速度与输送机皮带速度同步，确保扫描覆盖整个被测物以及在三维图像数据中没有任何间隙[23]。

采用三维连续流CT技术是目前在托运行李及航空安检处随身行李爆炸物及威胁探测领域中最先进的系统。

这些系统的准确度极高且误报率较低，能够在保持速度与行李输送皮带速度精确同步的情况下对箱包进行螺旋形CT扫描。

这些系统具有目前最快的行李和乘客检查速度。

只需通过机架一次，就能产生整个箱包及其内部物品的完整三维图像数据，确定是否存在爆炸物或者其他禁止物品[24]。

1期郑金州等：CT技术在安检领域应用综述161 5 CT安检机的优点
500g TNT当量的炸药爆炸即可使飞行器在空中解体[25]。

恐怖分子利用安检机制的漏洞，常将塑胶炸药伪装成日常生活用品,藏匿于行李夹层中带上飞机[26]，对飞行器的安全构成很大威胁。

因此，完善机场安检机制及提高安检能力迫在眉睫。

CT安检机在某种程度上堵塞了当前安检机制中的漏洞，提升了安检能力。

与普通X射线安检机相比，CT安检机的性能有了本质的飞跃和提高：
1）采用多角度探测和图像重建技术，实现三维立体成像，能再现被探测物体轮廓，增强了对被探测物体的准确性，有效克服了普通X射线安检机呈现二维图像会产生重影的问题[27]。

2）不但可以检测出物品的原子序数，还可探测出其密度，从而有效地降低了误判概率[28]。

3）探测物品种类扩大很多，从金属物品到常规危险品。

4）自动判读，对疑似物品自动提示，精确定位爆炸物/毒品在行李中的位置[29]，有效降低了人为因素的影响。

5）无需开包检查，缩短了安检时间，提高了通行的效率，减轻了安检人员的劳动强度。

6 CT安检机发展概况
6.1 发展背景
“911”事件对美国政府的震动使得美国政府比任何国家更加重视高技术安检设备的研发和使用，2001年美国国会决定由联邦政府接管机场安检工作[30]，把原来由各航空公司负责的机场安检工作上升为由国家机构统一管理，极大地加强了机场安检工作，彻底改变了各机场安检工作自行其事的混乱局面，从而有效地保证了机场的公共安全。

美国政府立法要求100％的托运行通过美国运输安全局（TSA）认证的CT安检（EDS）设备检查后方可登机。

欧洲也将在2012年达到100％托运行李用CT安检设备进行检查[31]。

CT安检机就是在这一大的社会背景下发展起来的。

6.2 发展概况
1994年，美国Invision公司首款CT安检机投入市场，型号为CTX5000，成为该类产品中第一个通过认证的产品[32]。

该公司2004年被GE公司收购[33]，现又被法国赛峰公司收购。

2000年美国Analogic也研发出CT安检机eXaminer 3DX6000，由美国L3通信公司销售至客户。

成立于2002年的美国Reveal公司的CT-80型安检机于2004年获得美国运输安全局的认证[34]。

该公司的产品在首都国际机场、乌鲁木齐、拉萨、重庆江北机场等和北京特警总队有使用的业绩[35－38]。

2009年，我国同方威视技术股份有限公司推出了全球首个应用大螺距技术快速检查技术的小型CT机，并率先在人民大会堂、首都机场使用[39]。

该公司XT1080CT型旅客行李爆物自动探测系统用于行李的在线检查，能有效地识别夹带在行李中的爆物等违禁品并自动报警。

该产品是我国首个通过CT安检设备行业标准的CT旅客行李爆物自动探测系统[40]。

6.3 国际权威机构的认证
为规范CT安检机行业，有关国家对CT安检机的使用实行认证制度：即产品必须取得
CT理论与应用研究 21卷 162
国家权威机构认证后才能使用。

目前有美国国土安全局TSA、以色列、欧盟等对安检机进行相关认证，只有取得这些机构的认证之后，安检机才能在机场等公共场所使用[41]。

2004年，我国民航局开始实施安全检查设备使用许可制度，但是由于缺少航空货物运输X射线安全检查设备相关标准，缺乏针对性，无法满足安检工作的需要。

2011年7月，民航货物运输安全检查设备鉴定内控标准及定期检测内控标准通过审定，为货物运输X射线安全检查设备的鉴定和定期检测提供了技术依据[42]。

7 结论
医用CT机经过了近40年的发展，技术已经比较成熟。

CT安检机所要检测的物品千差万别、形态各异，又要求有自动判读功能，所以CT安检机软、硬件要求已经超出了医用CT 机的要求[43]。

尽管爆炸物CT快速检测在安检领域扮演重要角色[44]，但还是存在一些问题，比如检测速度慢、存在漏报、误报的问题，以及受检人员担心的安检机周围辐射剂量的问题等[45－48]，这些都有待技术人员去研究和解决。

如何快速、准确地将可疑的危险品识别出来还需要解决诸多技术难题。

安检市场潜力巨大，我国政府应该组织有关技术力量并加大对相关技术研发的投入，开发出具有自主知识产权的技术和产品，尽快培养一批与国际厂商能够竞争的企业。

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Technology in Safety Inspection Domain
ZHENG Jin-zhou1，LU Shao-dong2✉
1.PLA general hospital, Beijing 100853, China
2.PLA Beijing garrison command Army 100740, China
Abstract: Among the various technologies of safety inspection, CT technique has become one of effective technologies. The first generation X-ray CT has high radio of wrong alarm and missing alarm. The new development has solved this problem. Comparing with X-ray security inspector, CT's security inspector have many advantages, because it is fundamental improvement. The fundamental improvement is three-dimensional imaging and determining density and the atomic number, overcoming the problem-double image of the X-ray security inspector. This techology can accomplish comparing physical characteristics with dangerous materials automaticly, reducing influence from human beings. The result is to lighten labor intensity of secruity staffs, also to guarantee the effect of security check. With the terrorism creeping all round the world, there is a large market for CT's security inspector.
Key words:dual energy; image reconstruction; three-dimensional imaging
作者简介：郑金州（1975－），男，2005年获得北京理工大学工学硕士学
位，目前为解放军总医院警卫局工程师，主要从事X射线成像物理、CT
成像数学算法及工程应用等方面的研究，Tel：010-********，E-mail：
zjz0125@；鲁绍栋✉（1974—），男，2005年获得解放军理工大
学通信工程学院工学硕士学位，目前为北京卫戍区司令部信息化处参谋，
主要从事X射线成像物理、计算机网络应用等方面的研究，Tel：
138********，E-mail：lsd6688@。

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