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                    專題
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                    《科學通報》

                    開博時間:2019-09-06 16:50:00

                    《科學通報》是主要報道自然科學各學科基礎理論和應用研究方面具有創新性、高水平和重要意義的研究成果。報道及時快速,文章可讀性強,力求在比較寬泛的學術領域產生深刻影響。

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                    你身邊的“透視眼”

                    2020-11-26 12:28:00

                      你了解身邊的安檢“透視眼”嗎? 你對X射線在安檢中的應用了解多少? 無所不能的X射線在保衛你的安全。

                      《科學通報》發表清華大學陳志強等撰寫的封面文章“X 射線安全檢查技術研究新進展”,對X射線安檢技術做了全面的介紹和論述, 并對新技術的研究及應用進行了展望。

                      A

                      你看新聞了嗎?英國又發生了好幾次恐怖襲擊,死了好多人。

                      B

                      是啊,從“911”事件以來,恐怖主義襲擊嚴重影響了全球安全形勢,你看看這是歐洲2014年的恐怖活動分布圖。在這樣的背景下,各國都在尋求最有效的安檢手段,我最近就了解了很多 X 射線安檢技術,它可是我們身邊的安全衛士!

                      A

                      等等,你是指我們在醫院用來拍片的 X 射線?它也可以用來安檢?

                      B

                      是的,X射線以其無損穿透的特點,早在1897年就被巴黎火車站用于行李檢測。隨著科技 的進步,現在有了多種多樣的檢測手段,用于檢查貨物、車輛、行李箱和人體所攜帶的爆炸物和違禁品。

                      A

                      那我們平時在地鐵車站使用的包裹安檢儀是不是就是使用X射線?它是什么原理啊?

                      B

                      是啊,就是X射線透視成像原理。X射線穿過物體時主要發生瑞利散射、康普頓散射、光電效應和電子對效應等相互作用,造成射線強度的衰減。 衰減程度隨著被穿透物質的成分和穿透路徑長度的不同,服從指數規律。在透視成像中,圖像的對比度主要由路徑上物質的質量衰減系數、物質密度以及X射線的透射距離這3個因素決定。這種特點使得透視成像對于高密度、強X射線吸收能力的物質具有顯著的辨識能力,對實現行李物品中的金屬類違禁品, 特別是槍支、刀具、手雷、雷管等物品的檢查具有重要作用。另外,不知你注意到沒有,X射線安檢儀的圖像是彩色的?

                      彩色的安檢圖像——X射線雙能透視成像

                      A

                      瞎說,醫院的 X 光片都是黑白的,哪有彩色的,又不是照相機。

                      B

                      這就是新技術之一:X射線雙能透視成像。你看,左圖是傳統方法的圖像,右圖是雙能成像的圖像

                      

                      好神奇,怎么做到的?

                      B

                      由于X射線透視圖像同時反映了物體成分及透射厚度,傳統單能X射線源的透視成像較難實現這些物理量的有效區分。而采用雙能X射線進行探測,通過物質對高、低能兩種X射線的不同衰減情況,可以一定程度上消除透射厚度的影響,實現對物質成分的粗略估計。

                      雙能透視系統能夠很好地實現對不同物質的分類,根據原子序數(混合物計算其等效原子序數)將其分為有機物、有機/無機混合物、無機物及重金屬等不同類別,通過算法可以為這幾類物質賦予不同的顏色,從而獲得豐富的安檢圖像信息。

                      A有了顏色之后,這個圖好看多了。

                      B

                      可不只是好看,這個功能是有實際安檢意義的。從上面單/雙能透視成像圖像的對比,不難看出,雙能圖像的分類著色使不同物質更容易區分,有效降低了辨識難度,對于提升查驗準確率有著非常顯著的效果。你看下面這個圖。

                      A

                      一瓶雪碧,一盆火,還有一個彩色安檢圖像?

                      B

                      著火的就是那瓶“雪碧”。

                      A

                      啥?這就是“雪碧”啊,還能點著?

                      B

                      我們的X射線安檢設備對這三個雪碧瓶子自動標上了有機物特有的橙色。從包里拿出來的時候,現場的安檢員和你想法一樣,就是“雪碧”嘛??砷_蓋以后發現一點就著,最后證明是被人偷換成了違禁品“甲醛”。

                      三維安檢圖像——X射線CT成像

                      A

                      這可真是眼見不一定為實啊,還是X射線安檢設備厲害。

                      B

                      說到眼見不一定為實,你看這兩張圖有什么區別?


                      A

                      右邊圖里有一把刀,左邊這個東西亂七八糟的,是什么看不出來。

                      B

                      其實這是同一個包的兩個不同視角的X 射線透視圖像,你要是只看左邊那個視角的話,這個刀就檢測不出來了,可能被恐怖分子帶上交通工具,傷害其他人。

                      A

                      那我們可不可以多照幾個角度?

                      B

                      聰明,這就是我們X射線安檢CT的基本原理。通過很多角度的掃描以及復雜的數學運算,我們可以得到整個物體的切片圖像。這些切片圖像可以組合成3D圖像。它通過對目標物體進行全方位的三維掃描,利用計算機重建獲得被檢物體內部三維結構信息,有效提升了違禁品識別率和查驗效率。X射線CT技術在成像模式、掃描速度和可靠性等方面的突出優勢,被公認是傳統X射線透視成像的替代技術,成為目前機場、海關等用于行包檢查的新手段。


                      A

                      哇,那是不是和醫院里的CT一樣咯?

                      B

                      基本原理是一樣的, 但對于安檢掃描,由于待檢物質材料種類繁多、形狀尺寸各異,CT重建圖像中往往會受到難穿透物質的影響,形成各種偽影。同時,安檢快速掃描成像的需求也對CT重建的運算速度提出了很高的要求。因此安檢CT針對圖像重建方法有特殊要求,主要是在偽影消除、缺失數據補償以及快速重建等方面。

                      此外,為了滿足不斷增長的客、貨運檢查需求,安檢CT成像研究和系統設計的難點是怎樣獲得更高的掃描速度和更精確的物質識別能力。分布式光源的靜態CT技術和多能譜成像是下一代安檢CT的發展趨勢。

                      剛才說了這么多,都是利用的X射線穿過物體時的衰減信息,其實X射線還具備很多其他的信息,比如說相位信息,散射信息,都可以用來成像。

                      X射線相襯成

                      A

                      呃,好多專業名詞…你知不知道有個詞叫“不明覺厲”,說的就是現在的我…

                      B

                      傳統的X射線透視成像通過物質對X射線衰減能力的差異來獲得結構信息,但對于常見低原子序數的物質(如棉毛制品、藥物、飲料等),由于對X射線的衰減較弱,使用透視成像往往得不到令人滿意的對比度。近十多年來,X射線相襯成像方法獲得了廣泛關注,它利用X射線穿透物體時產生的相位變化進行成像。

                      對于低原子序數的物質, 其對X射線造成的相位偏移是衰減的103倍,因此通過相襯成像可以實現比衰減成像更高的圖像對比度。此外,相襯成像也可以和衰減成像一樣通過CT掃描的方式重建相位因子的空間分布,這極大地拓展了相襯成像的實際應用價值。在安全檢查中,常見易燃易爆違禁品大多由低原子序數的物質構成,因此使用相襯成像技術理論上能夠獲得更好的圖像質量和信噪比,對于提高危險品檢出、保障公共安全具有重要作用和積極意義,因此具有廣闊的應用前景。

                      你看這張 X 射線灰度圖,衰減圖像無法區分的紅豆和綠豆,而在相襯圖像中有了明顯的差別。


                      X 射線背散射成像

                      A

                      哦哦,這樣確實是把兩種物質區分開了。

                      B

                      剛才還提到了 X 射線的散射。你看下面這張圖,X 射線除了透射過去的部分,還有被物體反射回來的部分。而探測反射回來部分的 X 射線的技術,被我們稱為背散射成像技術。


                      A

                      那它又是基于什么物理原理進行成像檢測的呢?

                      B

                      X射線穿過物體時通過康普頓效應產生大量散射光子,對這些反向散射光子進行探測成像的技術稱為背散射成像。如下圖, 成像時散射光子探測器和射線源設置于物體的同一側以避免透射射線的干擾,并配有準直器或成像孔徑以獲得清晰的圖像。

                      背散射成像的關鍵在于“飛點掃描”技術, 它通過設置在飛輪上的筆束準直器產生筆束X射線,并使飛輪按照一定的速度旋轉,使射線束沿豎直方向周期性掃描,結合物體運動(或掃描裝置運動)最終實現對目標物體的二維逐列掃描成像。由于散射光子在傳播路徑上會進一步受物體阻擋而發生衰減,而高原子序數的物質造成的這種衰減會更加顯著。因此具有較低原子序數的物質在背散射圖像中具有更高的亮度,這使得背散射對有機物和無機物的區分更加容易,同時也更有助于爆炸物這類具有低原子序數的材料的檢出。

                        

                      A

                      真厲害,背散射成像系統的隱蔽性是打擊恐怖活動的利器啊。感覺今天聽到了好多之前沒有聽說過的東西。

                      B

                      科學家們基于X射線與物質不同的相互作用機理,已經研究和開發了各種安全檢測技術,在航 空,鐵路,邊防等領域都顯示出巨大的應用潛力。X射線技術在公共安全領域將發揮更加重要的作用。相信在他們的努力下,未來還會有越 來越先進的X射線安檢設備誕生,它們將進一步提升我們的安全檢測能力。

                    文/陳志強, 張麗, 金鑫

                    本文來自《科學通報》

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