你了解身边的安检“透视眼”吗? 你对X射线在安检中的应用了解多少? 无所不能的X射线在保卫你的安全。

　　《科学通报》发表清华大学陈志强等撰写的封面文章“X 射线安全检查技术研究新进展”，对X射线安检技术做了全面的介绍和论述, 并对新技术的研究及应用进行了展望。

　　A

　　你看新闻了吗?英国又发生了好几次恐怖袭击，死了好多人。

　　B

　　是啊，从“911”事件以来，恐怖主义袭击严重影响了全球安全形势，你看看这是欧洲2014年的恐怖活动分布图。在这样的背景下，各国都在寻求最有效的安检手段，我最近就了解了很多 X 射线安检技术，它可是我们身边的安全卫士!

　　A

　　等等，你是指我们在医院用来拍片的 X 射线?它也可以用来安检?

　　B

　　是的，X射线以其无损穿透的特点，早在1897年就被巴黎火车站用于行李检测。随着科技 的进步，现在有了多种多样的检测手段，用于检查货物、车辆、行李箱和人体所携带的爆炸物和违禁品。

　　A

　　那我们平时在地铁车站使用的包裹安检仪是不是就是使用X射线?它是什么原理啊?

　　B

　　是啊，就是X射线透视成像原理。X射线穿过物体时主要发生瑞利散射、康普顿散射、光电效应和电子对效应等相互作用，造成射线强度的衰减。 衰减程度随着被穿透物质的成分和穿透路径长度的不同，服从指数规律。在透视成像中，图像的对比度主要由路径上物质的质量衰减系数、物质密度以及X射线的透射距离这3个因素决定。这种特点使得透视成像对于高密度、强X射线吸收能力的物质具有显著的辨识能力，对实现行李物品中的金属类违禁品, 特别是枪支、刀具、手雷、雷管等物品的检查具有重要作用。另外，不知你注意到没有，X射线安检仪的图像是彩色的?

　　彩色的安检图像——X射线双能透视成像

　　A

　　瞎说，医院的 X 光片都是黑白的，哪有彩色的，又不是照相机。

　　B

　　这就是新技术之一：X射线双能透视成像。你看，左图是传统方法的图像，右图是双能成像的图像

　　好神奇，怎么做到的?

　　B

　　由于X射线透视图像同时反映了物体成分及透射厚度，传统单能X射线源的透视成像较难实现这些物理量的有效区分。而采用双能X射线进行探测，通过物质对高、低能两种X射线的不同衰减情况，可以一定程度上消除透射厚度的影响，实现对物质成分的粗略估计。

　　双能透视系统能够很好地实现对不同物质的分类，根据原子序数(混合物计算其等效原子序数)将其分为有机物、有机/无机混合物、无机物及重金属等不同类别，通过算法可以为这几类物质赋予不同的颜色，从而获得丰富的安检图像信息。

　　A有了颜色之后，这个图好看多了。

　　B

　　可不只是好看，这个功能是有实际安检意义的。从上面单/双能透视成像图像的对比，不难看出，双能图像的分类着色使不同物质更容易区分，有效降低了辨识难度，对于提升查验准确率有着非常显著的效果。你看下面这个图。

　　A

　　一瓶雪碧，一盆火，还有一个彩色安检图像?

　　B

　　着火的就是那瓶“雪碧”。

　　A

　　啥?这就是“雪碧”啊，还能点着?

　　B

　　我们的X射线安检设备对这三个雪碧瓶子自动标上了有机物特有的橙色。从包里拿出来的时候，现场的安检员和你想法一样，就是“雪碧”嘛。可开盖以后发现一点就着，最后证明是被人偷换成了违禁品“甲醛”。

　　三维安检图像——X射线CT成像

　　A

　　这可真是眼见不一定为实啊，还是X射线安检设备厉害。

　　B

　　说到眼见不一定为实，你看这两张图有什么区别?

　　A

　　右边图里有一把刀，左边这个东西乱七八糟的，是什么看不出来。

　　B

　　其实这是同一个包的两个不同视角的X 射线透视图像，你要是只看左边那个视角的话，这个刀就检测不出来了，可能被恐怖分子带上交通工具，伤害其他人。

　　A

　　那我们可不可以多照几个角度?

　　B

　　聪明，这就是我们X射线安检CT的基本原理。通过很多角度的扫描以及复杂的数学运算，我们可以得到整个物体的切片图像。这些切片图像可以组合成3D图像。它通过对目标物体进行全方位的三维扫描，利用计算机重建获得被检物体内部三维结构信息，有效提升了违禁品识别率和查验效率。X射线CT技术在成像模式、扫描速度和可靠性等方面的突出优势，被公认是传统X射线透视成像的替代技术，成为目前机场、海关等用于行包检查的新手段。

　　A

　　哇，那是不是和医院里的CT一样咯?

　　B

　　基本原理是一样的， 但对于安检扫描，由于待检物质材料种类繁多、形状尺寸各异，CT重建图像中往往会受到难穿透物质的影响，形成各种伪影。同时，安检快速扫描成像的需求也对CT重建的运算速度提出了很高的要求。因此安检CT针对图像重建方法有特殊要求，主要是在伪影消除、缺失数据补偿以及快速重建等方面。

　　此外，为了满足不断增长的客、货运检查需求，安检CT成像研究和系统设计的难点是怎样获得更高的扫描速度和更精确的物质识别能力。分布式光源的静态CT技术和多能谱成像是下一代安检CT的发展趋势。

　　刚才说了这么多，都是利用的X射线穿过物体时的衰减信息，其实X射线还具备很多其他的信息，比如说相位信息，散射信息，都可以用来成像。

　　X射线相衬成

　　A

　　呃，好多专业名词…你知不知道有个词叫“不明觉厉”，说的就是现在的我…

　　B

　　传统的X射线透视成像通过物质对X射线衰减能力的差异来获得结构信息，但对于常见低原子序数的物质(如棉毛制品、药物、饮料等)，由于对X射线的衰减较弱，使用透视成像往往得不到令人满意的对比度。近十多年来，X射线相衬成像方法获得了广泛关注，它利用X射线穿透物体时产生的相位变化进行成像。

　　对于低原子序数的物质, 其对X射线造成的相位偏移是衰减的103倍，因此通过相衬成像可以实现比衰减成像更高的图像对比度。此外，相衬成像也可以和衰减成像一样通过CT扫描的方式重建相位因子的空间分布，这极大地拓展了相衬成像的实际应用价值。在安全检查中，常见易燃易爆违禁品大多由低原子序数的物质构成，因此使用相衬成像技术理论上能够获得更好的图像质量和信噪比，对于提高危险品检出、保障公共安全具有重要作用和积极意义，因此具有广阔的应用前景。

　　你看这张 X 射线灰度图，衰减图像无法区分的红豆和绿豆，而在相衬图像中有了明显的差别。

　　X 射线背散射成像

　　A

　　哦哦，这样确实是把两种物质区分开了。

　　B

　　刚才还提到了 X 射线的散射。你看下面这张图，X 射线除了透射过去的部分，还有被物体反射回来的部分。而探测反射回来部分的 X 射线的技术，被我们称为背散射成像技术。

　　A

　　那它又是基于什么物理原理进行成像检测的呢?

　　B

　　X射线穿过物体时通过康普顿效应产生大量散射光子，对这些反向散射光子进行探测成像的技术称为背散射成像。如下图, 成像时散射光子探测器和射线源设置于物体的同一侧以避免透射射线的干扰，并配有准直器或成像孔径以获得清晰的图像。

　　背散射成像的关键在于“飞点扫描”技术， 它通过设置在飞轮上的笔束准直器产生笔束X射线，并使飞轮按照一定的速度旋转，使射线束沿竖直方向周期性扫描，结合物体运动(或扫描装置运动)最终实现对目标物体的二维逐列扫描成像。由于散射光子在传播路径上会进一步受物体阻挡而发生衰减，而高原子序数的物质造成的这种衰减会更加显著。因此具有较低原子序数的物质在背散射图像中具有更高的亮度，这使得背散射对有机物和无机物的区分更加容易，同时也更有助于爆炸物这类具有低原子序数的材料的检出。

　　总   结

　　A

　　真厉害，背散射成像系统的隐蔽性是打击恐怖活动的利器啊。感觉今天听到了好多之前没有听说过的东西。

　　B

　　科学家们基于X射线与物质不同的相互作用机理，已经研究和开发了各种安全检测技术，在航 空，铁路，边防等领域都显示出巨大的应用潜力。X射线技术在公共安全领域将发挥更加重要的作用。相信在他们的努力下，未来还会有越 来越先进的X射线安检设备诞生，它们将进一步提升我们的安全检测能力。

文/陈志强, 张丽, 金鑫

本文来自《科学通报》