靜態(tài)CT行包安檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

唐利華，張國(guó)光，張 健，閆 平，張 雨

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413)

傳統(tǒng)的螺旋CT是通過旋轉(zhuǎn)滑環(huán)從各角度掃描物體，以獲得物體的透射信息，其設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵限制是繞物體旋轉(zhuǎn)時(shí)可施加到X射線源上的最大加速度。高壓絕緣子上的機(jī)械壓力和流過陽(yáng)極的冷卻油均受此影響。受環(huán)上過高的離心加速度及高壓絕緣材料的應(yīng)力限制，螺旋CT正逐漸接近其轉(zhuǎn)速的極限[1]。為解決該問題，可考慮使用另一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。Zhang等[2]提出了一種不同于螺旋CT的掃描方法，這種掃描方法提出了一種在真空室內(nèi)集成多個(gè)線性陣列陰極的新型X射線源。若以適當(dāng)?shù)膾呙桧樞驅(qū)υ摱嘟裹c(diǎn)X射線管中的各X射線源進(jìn)行脈沖控制，則無需任何物理運(yùn)動(dòng)即可獲得投影數(shù)據(jù)，這種掃描稱為靜態(tài)掃描。

靜態(tài)CT通過射線源高速切換，可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于每秒幾十轉(zhuǎn)等效轉(zhuǎn)速，是螺旋CT轉(zhuǎn)速的幾倍甚至幾十倍，這樣不但減少了噪聲和振動(dòng)，也避免了過高的向心加速度，使整體系統(tǒng)更為安全、可靠。另外，靜態(tài)CT的能耗只有傳統(tǒng)螺旋CT的一半左右。靜態(tài)CT在高速安檢的情況下，結(jié)合人工智能大數(shù)據(jù)，可智能識(shí)別安檢違禁品，極大地提高了安檢效率。本文介紹安檢用靜態(tài)CT技術(shù)的基本原理，對(duì)基于超順排碳納米管技術(shù)的冷陰極X射線源、基于光子計(jì)數(shù)技術(shù)的多能譜X射線成像技術(shù)和安檢用靜態(tài)CT系統(tǒng)圖像重建算法等進(jìn)行研究。

1 基于超順排碳納米管技術(shù)的冷陰極X射線源

2002年，文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)了碳納米管的超順排陣列，與普通陣列相比，超順排碳納米管陣列具有更直的碳納米管、更整齊的排列、較好的場(chǎng)發(fā)射性能和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)(圖1)。使用超順排碳納米管陣列制作的場(chǎng)發(fā)射器件易于操作，且可輕松集成到真空電子設(shè)備中[4]。本文研制一款以超順排碳納米管陣列作為冷陰極的X射線管，并進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)陽(yáng)極電壓低于130 kV時(shí)，研制的冷陰極X射線管可穩(wěn)定工作。當(dāng)陰極和柵極之間電勢(shì)差為940 V時(shí)，此冷陰極X射線管達(dá)到發(fā)射電流1.0 mA。陰極場(chǎng)發(fā)射的伏安特性曲線如圖2所示。通過小孔成像原理，測(cè)出了該X射線管的焦點(diǎn)尺寸，大小為0.6 mm×1.6 mm，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖1 碳納米管粉末(a)、普通陣列(b)和超順排陣列(c)的SEM圖像[5]

圖2 陰極場(chǎng)發(fā)射的伏安特性曲線

研制的冷陰極X射線管是一款場(chǎng)致發(fā)射X射線管，超順排碳納米管陣列陰極在柵極施加的電場(chǎng)引發(fā)下，發(fā)射出電子。電子被陽(yáng)極電場(chǎng)加速后，撞擊到鎢靶上產(chǎn)生張角為80°×20°的扇形束X射線。冷陰極X射線管和高壓系統(tǒng)全部浸入絕緣油中以實(shí)現(xiàn)高壓絕緣和冷卻。

該X射線源使用兩組高壓電源系統(tǒng)，一組電源是+160 kV單極性電源，可在0～160 kV之間連續(xù)調(diào)節(jié)。另一組電源是-3 kV單極性電源，可使用直流模式也可使用脈沖模式。該冷陰極X射線源可瞬間開關(guān)，開關(guān)時(shí)間在μs級(jí)別，脈沖模式可在5～100 ms之間連續(xù)可調(diào)?？刂葡到y(tǒng)通過管電流的反饋，可自動(dòng)調(diào)節(jié)柵極電壓，以保持管電流恒定。

2 基于光子計(jì)數(shù)技術(shù)的多能譜X射線成像技術(shù)

在電荷積分式探測(cè)器的成像系統(tǒng)中，高能光子對(duì)投影數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)更大，但系統(tǒng)所得到的圖像對(duì)比度很低，導(dǎo)致無法區(qū)分密度差異很小的物質(zhì)。在基于光子計(jì)數(shù)技術(shù)的多能譜X射線成像技術(shù)中，不同的光子能量可具有不同的權(quán)重，從而有效地提高了圖像對(duì)比度[6]。探測(cè)器可設(shè)置探測(cè)的能量閾值，以有效地識(shí)別和消除噪聲，相應(yīng)的成像方法稱為能量加權(quán)成像[7]，它在改善安全檢查成像的圖像質(zhì)量中起著重要作用，因此，可期望其在多種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更好的圖像質(zhì)量并改善材料的辨別能力[8-10]。本文研發(fā)一款基于硅酸釔(YSO：Ce)晶體和硅光電倍增管(SiPM)的基于光子計(jì)數(shù)技術(shù)的多能譜X射線探測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行測(cè)試。

2.1 探測(cè)器陣列和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

探測(cè)器是布置成線性陣列的光子計(jì)數(shù)型三能譜X射線探測(cè)器，其由YSO：Ce、SiPM和數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)組成。YSO：Ce晶體使用硅油與SiPM進(jìn)行光學(xué)耦合。YSO：Ce晶體將X射線光子轉(zhuǎn)換為可見光，從而在SiPM中生成電子脈沖，來自SiPM的電脈沖連接到前置放大器的輸入。DAQ系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的3個(gè)能量閾值對(duì)放大的脈沖數(shù)進(jìn)行分類和計(jì)數(shù)，并將3個(gè)能量段的X射線強(qiáng)度傳輸?shù)街鳈C(jī)，所有能量閾值均可編程。

1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器模塊板上裝有4個(gè)線性排列的YSO：Ce探測(cè)器陣列，該模塊還包含電源電路、數(shù)據(jù)采集控制電路、讀取和傳輸電路及用于芯片配置的控制器。圖3為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器模塊板(配備4個(gè)YSO：Ce探測(cè)器陣列，4×16像素，間距為1.2 mm×1.6 mm)和主板，最多可將10塊模板放在一起以構(gòu)建掃描臂，掃描臂的有效長(zhǎng)度是102.6 mm的倍數(shù)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)器模塊板(a)和主板(b)

利用X射線照射尺寸為1.2 mm×1.6 mm×5.0 mm的線性YSO：Ce探測(cè)器，測(cè)試其計(jì)數(shù)率，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。當(dāng)X射線管電流在0.2～0.5 mA之間時(shí)，輸出的計(jì)數(shù)率線性增大，計(jì)數(shù)率在2.5×106s-1時(shí)達(dá)到飽和。

溫度漂移(溫漂)通常是指環(huán)境溫度變化時(shí)引起晶體管參數(shù)的變化。這可能導(dǎo)致靜態(tài)工作點(diǎn)和電路動(dòng)態(tài)參數(shù)不穩(wěn)定，甚至?xí)柚闺娐氛９ぷ?。該探測(cè)器系統(tǒng)具有溫漂修正系統(tǒng)，溫漂修正系統(tǒng)會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度的變化自動(dòng)調(diào)整偏差值，以確保探測(cè)器工作的穩(wěn)定性。

圖4 計(jì)數(shù)率隨X射線管電流的變化和線性回歸

2.2 三能譜X射線成像技術(shù)

傳統(tǒng)電荷積分式探測(cè)器是通過能量積分獲取透射數(shù)據(jù)的，而三能譜X射線成像技術(shù)是通過1次掃描，根據(jù)預(yù)設(shè)的3個(gè)能量閾值對(duì)放大的脈沖數(shù)進(jìn)行分類和計(jì)數(shù)，并將3個(gè)能量段的X射線強(qiáng)度傳輸至主機(jī)。主機(jī)依據(jù)3個(gè)能量段獲取的數(shù)據(jù)重構(gòu)出3個(gè)能量段的圖像。圖5為光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器與傳統(tǒng)高低能探測(cè)器的比較。由于物質(zhì)對(duì)不同能量X射線衰減系數(shù)不同，在不同能量下得到的圖像會(huì)有不同的光密度分布。根據(jù)能量加權(quán)成像方法，經(jīng)計(jì)算可分別給出被攝物品近似的等效原子序數(shù)。

采用管電壓為160 kV、管電流為1 mA的X射線，對(duì)該探測(cè)系統(tǒng)成像效果進(jìn)行測(cè)試，得出3幅不同能量段的行李箱圖像(圖6)。圖6a、b、c分別為行李箱的低、中、高能段X射線透射圖像。在低能段的透射圖像中，水和塑料瓶等低密度物質(zhì)可清晰地顯示；在高能段的圖像中，低密度物質(zhì)成像較模糊。根據(jù)能量加權(quán)成像方法，經(jīng)計(jì)算可分別給出被攝物品近似的等效原子序數(shù)。

a——傳統(tǒng)高低能探測(cè)器；b——光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器

圖6 行李箱的三能譜成像

3 靜態(tài)CT圖像重建技術(shù)

靜態(tài)CT系統(tǒng)的掃描方式實(shí)質(zhì)上為螺旋掃描，重建的第1步是通過修正得到與旋轉(zhuǎn)軸垂直的切片投影數(shù)據(jù)，可采用4π插值方法獲得該數(shù)據(jù)，然后采取等角扇形束重建方法進(jìn)行重建圖像，則：

f(x,y)=

其中：h″(γ)為濾波函數(shù)；γ為射線與中心射線形成的角度，即探測(cè)器角度；β為中心射線與y軸的夾角，即投影角度(或視角)；L為射線源到重建點(diǎn)(γ，φ)的距離；D為射線源到中心的距離；q(γ,β)為扇形束投影[11]。

在CT系統(tǒng)中，圖像重建算法通常需完備的投影數(shù)據(jù)，在很多實(shí)際應(yīng)用中，由于受數(shù)據(jù)采集時(shí)間或成像系統(tǒng)掃描的幾何位置約束，只能在有限角度范圍或在較少的投影角度得到數(shù)據(jù)，這些都屬于數(shù)據(jù)不完全問題[12]，本系統(tǒng)即屬于這種情況。利用基于壓縮傳感理論的稀疏角度重建算法，可在原有掃描方式上直接減少掃描角度數(shù)量，從而有效降低掃描過程總的照射劑量和掃描時(shí)間，也有利于在快速成像應(yīng)用中獲得更好的成像效果[12-15]。在稀疏角度重建問題中，選擇使用基于TV最速下降和凸集投影約束相結(jié)合的ASD-POCS算法[16-18]。

使用Matlab軟件模擬擁有不同數(shù)量球管的靜態(tài)CT系統(tǒng)成像效果。設(shè)定每個(gè)射線源的扇形束射線張角為60°、射線源環(huán)的直徑為1 m、有效成像視野直徑為0.5 m，則使用20個(gè)球管的靜態(tài)CT系統(tǒng)，重建圖像的形狀基本可分辨出，球管數(shù)量越多，重建圖像空間分辨率越高(圖7)。

圖7 不同數(shù)量球管的shepp-logan頭模型重建圖像

4 結(jié)論

本文研制了一款基于超順排碳納米管技術(shù)的冷陰極X射線管，在130 kV以下，該X射線管可穩(wěn)定工作。設(shè)計(jì)了一款直流和脈沖雙模式冷陰極X射線源，開關(guān)時(shí)間在μs級(jí)別，脈沖模式可在5～100 ms之間連續(xù)可調(diào)。研發(fā)了一款由YSO：Ce、SiPM和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的三能譜光子計(jì)數(shù)型X射線探測(cè)系統(tǒng)，計(jì)數(shù)率在2.5×106s-1時(shí)達(dá)到飽和，得到3個(gè)能譜的成像結(jié)果。討論了靜態(tài)CT圖像重建的算法，提出了一種可行的解決途徑。使用Matlab軟件模擬了擁有不同數(shù)量球管的靜態(tài)CT系統(tǒng)成像效果，靜態(tài)CT系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究為最終研制靜態(tài)CT系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。