静态CT行包安检系统关键技术研究

唐利华，张国光，张 健，闫 平，张 雨

(中国原子能科学研究院 核技术应用研究所，北京 102413)

传统的螺旋CT是通过旋转滑环从各角度扫描物体，以获得物体的透射信息，其设计中的一个关键限制是绕物体旋转时可施加到X射线源上的最大加速度。高压绝缘子上的机械压力和流过阳极的冷却油均受此影响。受环上过高的离心加速度及高压绝缘材料的应力限制，螺旋CT正逐渐接近其转速的极限[1]。为解决该问题，可考虑使用另一种系统结构。Zhang等[2]提出了一种不同于螺旋CT的扫描方法，这种扫描方法提出了一种在真空室内集成多个线性阵列阴极的新型X射线源。若以适当的扫描顺序对该多焦点X射线管中的各X射线源进行脉冲控制，则无需任何物理运动即可获得投影数据，这种扫描称为静态扫描。

静态CT通过射线源高速切换，可实现相当于每秒几十转等效转速，是螺旋CT转速的几倍甚至几十倍，这样不但减少了噪声和振动，也避免了过高的向心加速度，使整体系统更为安全、可靠。另外，静态CT的能耗只有传统螺旋CT的一半左右。静态CT在高速安检的情况下，结合人工智能大数据，可智能识别安检违禁品，极大地提高了安检效率。本文介绍安检用静态CT技术的基本原理，对基于超顺排碳纳米管技术的冷阴极X射线源、基于光子计数技术的多能谱X射线成像技术和安检用静态CT系统图像重建算法等进行研究。

1 基于超顺排碳纳米管技术的冷阴极X射线源

2002年，文献[3]发现了碳纳米管的超顺排阵列，与普通阵列相比，超顺排碳纳米管阵列具有更直的碳纳米管、更整齐的排列、较好的场发射性能和稳定的结构(图1)。使用超顺排碳纳米管阵列制作的场发射器件易于操作，且可轻松集成到真空电子设备中[4]。本文研制一款以超顺排碳纳米管阵列作为冷阴极的X射线管，并进行测试。当阳极电压低于130 kV时，研制的冷阴极X射线管可稳定工作。当阴极和栅极之间电势差为940 V时，此冷阴极X射线管达到发射电流1.0 mA。阴极场发射的伏安特性曲线如图2所示。通过小孔成像原理，测出了该X射线管的焦点尺寸，大小为0.6 mm×1.6 mm，符合设计目标。

图1 碳纳米管粉末(a)、普通阵列(b)和超顺排阵列(c)的SEM图像[5]

图2 阴极场发射的伏安特性曲线

研制的冷阴极X射线管是一款场致发射X射线管，超顺排碳纳米管阵列阴极在栅极施加的电场引发下，发射出电子。电子被阳极电场加速后，撞击到钨靶上产生张角为80°×20°的扇形束X射线。冷阴极X射线管和高压系统全部浸入绝缘油中以实现高压绝缘和冷却。

该X射线源使用两组高压电源系统，一组电源是+160 kV单极性电源，可在0～160 kV之间连续调节。另一组电源是-3 kV单极性电源，可使用直流模式也可使用脉冲模式。该冷阴极X射线源可瞬间开关，开关时间在μs级别，脉冲模式可在5～100 ms之间连续可调。控制系统通过管电流的反馈，可自动调节栅极电压，以保持管电流恒定。

2 基于光子计数技术的多能谱X射线成像技术

在电荷积分式探测器的成像系统中，高能光子对投影数据的贡献更大，但系统所得到的图像对比度很低，导致无法区分密度差异很小的物质。在基于光子计数技术的多能谱X射线成像技术中，不同的光子能量可具有不同的权重，从而有效地提高了图像对比度[6]。探测器可设置探测的能量阈值，以有效地识别和消除噪声，相应的成像方法称为能量加权成像[7]，它在改善安全检查成像的图像质量中起着重要作用，因此，可期望其在多种应用中实现更好的图像质量并改善材料的辨别能力[8-10]。本文研发一款基于硅酸钇(YSO：Ce)晶体和硅光电倍增管(SiPM)的基于光子计数技术的多能谱X射线探测系统，并进行测试。

2.1 探测器阵列和数据获取系统

探测器是布置成线性阵列的光子计数型三能谱X射线探测器，其由YSO：Ce、SiPM和数据采集(DAQ)系统组成。YSO：Ce晶体使用硅油与SiPM进行光学耦合。YSO：Ce晶体将X射线光子转换为可见光，从而在SiPM中生成电子脉冲，来自SiPM的电脉冲连接到前置放大器的输入。DAQ系统根据预设的3个能量阈值对放大的脉冲数进行分类和计数，并将3个能量段的X射线强度传输到主机，所有能量阈值均可编程。

1个标准探测器模块板上装有4个线性排列的YSO：Ce探测器阵列，该模块还包含电源电路、数据采集控制电路、读取和传输电路及用于芯片配置的控制器。图3为标准探测器模块板(配备4个YSO：Ce探测器阵列，4×16像素，间距为1.2 mm×1.6 mm)和主板，最多可将10块模板放在一起以构建扫描臂，扫描臂的有效长度是102.6 mm的倍数。

图3 标准的探测器模块板(a)和主板(b)

利用X射线照射尺寸为1.2 mm×1.6 mm×5.0 mm的线性YSO：Ce探测器，测试其计数率，测试结果如图4所示。当X射线管电流在0.2～0.5 mA之间时，输出的计数率线性增大，计数率在2.5×106s-1时达到饱和。

温度漂移(温漂)通常是指环境温度变化时引起晶体管参数的变化。这可能导致静态工作点和电路动态参数不稳定，甚至会阻止电路正常工作。该探测器系统具有温漂修正系统，温漂修正系统会根据环境温度的变化自动调整偏差值，以确保探测器工作的稳定性。

图4 计数率随X射线管电流的变化和线性回归

2.2 三能谱X射线成像技术

传统电荷积分式探测器是通过能量积分获取透射数据的，而三能谱X射线成像技术是通过1次扫描，根据预设的3个能量阈值对放大的脉冲数进行分类和计数，并将3个能量段的X射线强度传输至主机。主机依据3个能量段获取的数据重构出3个能量段的图像。图5为光子计数型探测器与传统高低能探测器的比较。由于物质对不同能量X射线衰减系数不同，在不同能量下得到的图像会有不同的光密度分布。根据能量加权成像方法，经计算可分别给出被摄物品近似的等效原子序数。

采用管电压为160 kV、管电流为1 mA的X射线，对该探测系统成像效果进行测试，得出3幅不同能量段的行李箱图像(图6)。图6a、b、c分别为行李箱的低、中、高能段X射线透射图像。在低能段的透射图像中，水和塑料瓶等低密度物质可清晰地显示；在高能段的图像中，低密度物质成像较模糊。根据能量加权成像方法，经计算可分别给出被摄物品近似的等效原子序数。

a——传统高低能探测器；b——光子计数型探测器

图6 行李箱的三能谱成像

3 静态CT图像重建技术

静态CT系统的扫描方式实质上为螺旋扫描，重建的第1步是通过修正得到与旋转轴垂直的切片投影数据，可采用4π插值方法获得该数据，然后采取等角扇形束重建方法进行重建图像，则：

f(x,y)=

其中：h″(γ)为滤波函数；γ为射线与中心射线形成的角度，即探测器角度；β为中心射线与y轴的夹角，即投影角度(或视角)；L为射线源到重建点(γ，φ)的距离；D为射线源到中心的距离；q(γ,β)为扇形束投影[11]。

在CT系统中，图像重建算法通常需完备的投影数据，在很多实际应用中，由于受数据采集时间或成像系统扫描的几何位置约束，只能在有限角度范围或在较少的投影角度得到数据，这些都属于数据不完全问题[12]，本系统即属于这种情况。利用基于压缩传感理论的稀疏角度重建算法，可在原有扫描方式上直接减少扫描角度数量，从而有效降低扫描过程总的照射剂量和扫描时间，也有利于在快速成像应用中获得更好的成像效果[12-15]。在稀疏角度重建问题中，选择使用基于TV最速下降和凸集投影约束相结合的ASD-POCS算法[16-18]。

使用Matlab软件模拟拥有不同数量球管的静态CT系统成像效果。设定每个射线源的扇形束射线张角为60°、射线源环的直径为1 m、有效成像视野直径为0.5 m，则使用20个球管的静态CT系统，重建图像的形状基本可分辨出，球管数量越多，重建图像空间分辨率越高(图7)。

图7 不同数量球管的shepp-logan头模型重建图像

4 结论

本文研制了一款基于超顺排碳纳米管技术的冷阴极X射线管，在130 kV以下，该X射线管可稳定工作。设计了一款直流和脉冲双模式冷阴极X射线源，开关时间在μs级别，脉冲模式可在5～100 ms之间连续可调。研发了一款由YSO：Ce、SiPM和数据采集系统组成的三能谱光子计数型X射线探测系统，计数率在2.5×106s-1时达到饱和，得到3个能谱的成像结果。讨论了静态CT图像重建的算法，提出了一种可行的解决途径。使用Matlab软件模拟了拥有不同数量球管的静态CT系统成像效果，静态CT系统关键技术的研究为最终研制静态CT系统提供了技术基础。