刘彦韬1,2,3,4李昕1,2尚嘉宣1,2章志明1,2,3,4
1.中国科学院高能物理研究所北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心；
2.中国科学院大学核科学与技术学院；
3.济南中科核技术研究院；
4.国家原子能机构核技术（核探测与核成像）研发中心
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引言
自1895年德国物理学家W.C.Rntgen发现X射线以来，利用X射线的强穿透能力进行透射成像，就作为一项重要的无损检测技术在医学诊断、工业检测、安全检查、科研考古等领域被广泛应用。其中，基于多角度X射线透射图像的计算机断层成像(CT)技术更被视为当今综合性能最优的无损检测手段，能够以二维断层或三维立体形式，直观、清晰、准确地复现出物体内部结构、材质和微小缺陷等，空间分辨可达微米甚至纳米量级。然而在透射成像时必须将射线源和探测器分置于被测物体两端，X射线必须完全穿透整个物体才能成像，因此在一些特殊应用场景例如地下埋藏物搜寻、墙体隐藏物探测、大型厚重物体的亚表面缺陷检测等，经常存在设备放不下、射线穿不透、目标检不出等问题，难以开展原位检测。
图1典型透射图像与散射图像对比(安检应用)
基于对探测布局灵活，对低原子序数材料灵敏，支持原位实时三维成像等独特优势，CSI(含CST)设备在许多领域也有重要应用，但受其成像原理机制影响，也普遍存在射线利用率低、空间分辨一般、图像信噪比差等问题，制约了该技术发展及应用。这主要由于散射射线方向杂乱，在特定方向上的散射探测器所能接收的信号量不足同等规格透射探测器的1%，大多数成像系统依赖针孔或平行孔准直器等进行射线定位，进一步限制散射射线利用率等。本文试图通过通俗语言使读者们了解CSI(含CST)基本原理和技术特点，然后穿插一些典型案例介绍不同CSI(含CST)成像机制及其在医学诊断、工业检测、安全检查、科研考古等领域的应用情况。
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康普顿散射成像基本原理
典型的CSI探测几何如图2所示，一束经适当准直的X/γ射线入射被测物体并在体素dV处发生散射，散射射线经准直后被在散射角θ方向上的探测器所接收。假定体素dV内的电子密度为ρe，原子序数为Z，密度为ρ，入射光子流强为Φ，入射光子能量为E0，散射光子能量为Es，在散射角θ方向上的微分散射截面为dσKN(θ)/dΩ，电子静止质量为m=511keV，电子经典半径为r0=2.82fm，光速为c=3.0×108m/s。
图2康普顿散射成像的探测几何示意图
对于自由静止电子，根据能动量守恒原理可知Es仅与E0和θ有关，如(1)式所示，与物质材料无关。当θ固定时，无论E0多大，Es存在一个理论上限。散射射线的角分布如(2)式和图3所示，当E0较小时，前向散射和背散射事例发生几率大体相当，随着E0增大，背散射事例发生几率会显著减少。因此从能量上限和角分布两方面来看，在CSI应用中，当确保X/γ射线能够到达样品检测所需深度时，入射X/γ射线能量选取均不宜过高。
图3不同入射射线能量下的散射射线角分布变化图
对于低Z材料，忽略多次散射影响，在散射角θ方向上的散射射线强度(计数率)dN可近似表达为(3)式，
这表明在扣除入射路径和散射路径上造成的X/γ射线总衰减量影响后，散射射线强度与对应体素内的电子密度成正比。由于低Z材料(除氢元素外)密度与电子密度基本成比例，因此宏观上散射射线强度能够大致反映出该处材料密度分布，这就是CSI的物理基础。
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3.1逐点扫描散射成像
3.2飞点扫描散射成像
图4德国的飞点扫描散射断层成像系统(ComScan)原理图及壁画研究应用示例
3.3直接推扫散射成像
图5美国物理光学公司的直接推扫散射断层成像系统与三维无损检测应用示例
图6本团队开发的直接推扫散射断层成像系统及成像效果示例
3.4编码孔径散射成像
直接推扫CSI技术显著提升了射线源利用率，然而由于探测器端需要采用针孔或平行孔准直器等进行散射射线定位，浪费了大量散射射线事例，因此整体成像效率与飞点扫描CSI仍在同一量级上，那么是否有办法进一步提升散射射线利用率呢？为了突破针孔或平行孔准直器对于散射射线利用率的限制，2003年加拿大A.A.Faust等人借鉴X射线天文学和核安全监测领域常用的编码孔径技术提出了编码孔径CSI的概念并于2009年研制出手持式编码孔径CSI原理样机完成仿真地雷成像实验，空间分辨约6mm，能量分辨约8%@60keV。编码孔径技术简单理解就像是小孔成像的加强版，如图7所示，首先利用特殊图样的编码孔阵列进行信号调制，形成多个相互叠加的倒立投影图像，再利用相应解码算法对编码图像进行滤波重建，重新获得高信噪比、高分辨率的解码图像，可以提升散射射线利用率1~2个量级。
图7编码孔径成像原理
图8本团队开发的编码孔径推扫散射成像系统及成像效果示例
3.5龙虾眼聚焦散射成像
除了通过编码孔径技术可以提升射线利用率外，国际上还流行通过一些特殊光学元件直接对X射线聚焦的方式，其中最为典型的当属龙虾眼聚焦结构。龙虾的眼睛是由成千上万个矩形细胞构成，长度大约为宽度两倍，可将一定角度内的可见光反射聚焦形成明亮图像，使其在昏暗的环境下也能快速定位猎物。1975年德国天文学家W.K.H.Schmidt率先模拟龙虾眼睛提出一种由两排平面反射镜阵列按正交结构叠加而成的X射线聚焦结构，而后美国学者J.R.P.Angel又提出一种由排列于球面上的多个矩形单元构成，更加接近真实龙虾眼的聚焦结构，具有结构紧凑、灵敏度高、信噪比高等优点。但由于X射线的强穿透力，这些结构仅能对10keV以下的软X射线实现聚焦，无法在硬X射线成像领域应用。本世纪初美国物理光学公司开发了一种长条空心金属微通道板并成功实现对60keV作用的硬X射线聚焦并提出龙虾眼聚焦CSI概念，直接使用锥束X射线照射被测物体，再利用金属微通道板将背散射光子汇聚到闪烁屏上，实现无需扫描的凝视成像。他们在美国国土安全部资助下还成功研制一款手持式龙虾眼X射线成像仪LEXID并实际用于安全检查等，取得良好效果(图9)。
图9美国物理光学公司的龙虾眼聚焦散射成像系统及成像效果示例
3.6能量解析散射成像
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总结与展望
CSI技术探测布局灵活，对低原子序数材料灵敏，支持原位实时三维成像，在诸多领域均有重要应用。本文简要介绍各种CSI成像机制原理和当前面临的主要技术瓶颈限制。目前飞点扫描CSI和直接推扫CSI是两条主要技术路线，也有很多成功案例可以借鉴，但着眼未来发展，编码孔径推扫CSI如果在X射线源结构、编码方式选择和图像重建算法等方面有所突破的话，有望成为下一代高性能成像系统的优选方案。