——记清华大学首席研究员陈志强团队的CT技术创新之路

当前，我国已成为全球跨境电商第一大国和民航旅客运输第二大国，年国际快递包裹超 20 亿件，旅客行包达 10 亿件。海量的小件、散件包裹造成非传统安全风险急剧上升，敌对势力和不法分子通过伪装、拆解、遁藏等方式在行李包裹中夹藏枪爆、毒品、外来物种和涉税物品，给国门安全、航空安全、生态安全及税收监管带来前所未有的威胁，是国家安全面临的“世纪新挑战”。政府工作报告提出“推进国家安全体系和能力现代化”及“优化口岸营商环境、促进跨境贸易便利化”。面对新形势、新要求，如何对高通量行包货物中种类繁杂、异质异型的物品进行毫分缕析，在筑牢安全防线的同时提升出入境便利化水平，切实做到“管得住、放得开、通得快”，成为迫切需要解决的国家重大战略问题！

X射线计算机断层扫描（CT）技术是一种强大的非侵入式探测技术，它通过对目标物体进行投影透视扫描，利用三维重建算法，获取被检查物体的尺寸、形状、内部结构及密度信息，因此在安全检测等领域有着广泛应用。但由于安检CT核心技术长期被国外垄断，相应的国际市场份额被少数几家欧美企业所占领。西方安检CT厂商利用先发优势和垄断地位，制定极其高昂的售后维护费用，导致一些国内用户面临“设备买得起用不起”的窘境。

清华大学核技术及应用研究所所长、危爆物品探测技术国家工程研究中心主任陈志强从事X射线成像理论及CT装备研究近30年，长期致力于发展自主核心技术，突破国际技术封锁和垄断，先后参与和主持了多个国家级、省部级的攻关项目，在核技术应用领域的多项关键技术上取得重大突破。

清华大学首席研究员 陈志强

“每个人的科研生命是有限的，应当把有限的时间投入到解决国家重大需求的科研实践中去，要敢走别人没走过的路，解决一些实实在在的问题。”

无惧打压，国产安检CT打破美西方长期垄断

突破技术封锁，设计制造中国自己的先进安检CT，提高扫描速度、提升识别性能、降低设备成本，是我国民航安检技术领域亟需解决的问题。现有CT成像理论中，提升扫描速度的途径主要包括提高滑环转速和增加探测器，当前滑环转速已接近机械性能的极限，增加探测器排数势必会增加CT系统的硬件成本。陈志强团队经过多年摸索，先后提出大螺距扫描和高低能探测器差别化等全新的设计理念，不仅获得了媲美欧美先进CT系统的扫描速度和设备通过率，而且获得了更加清晰细腻的三维成像效果，保证了优异的识别能力，对加快我国安检CT技术性能提升、实现在安检领域的大规模应用起到了关键性作用。

“中国是全球CT设备制造商数量最多的国家，但在高端探测器等核心零部件上，却一直依赖于美国、德国的进口。换言之，国内企业一直缺乏独立打造最顶尖CT的能力。”

要想实现完全的国产化研发攻关，关键技术及核心部件必须实现自主可控。光子计数探测器可以获得三种能谱的投影数据，以此大幅提升CT设备的检测性能，但其核心技术被欧美垄断，装备一套大孔径CT系统所需探测器价格超过千万。为了打破国外技术封锁，陈志强带领团队独辟蹊径，在不增加探测器排数的前提下实现了基于能量积分型探测器的三能谱“软硬协同”信息获取新方法。同时，团队发明了“双能+”探测器研发所依赖的高灵敏度光电二极管技术及高采样率低噪声的 ADC 芯片技术，实现了探测器和关键器件的生产自主可控，有效解决了“卡脖子”难题。

敢于亮剑，为全球海关智慧监管提供中国方案

在海关行包货物查验领域，早期的单视角、双视角或多视角X射线机只能提供二维透视扫描图像，对于一些形状特征不显著的禁限品极易误判，需要经过培训的、经验丰富的关员才能分辨，检测速度慢，无法满足瞬时海量行包货物的快速精准查验需求。为此，从2010年起，陈志强便带领团队开始了能谱CT海关行包货物智能查验系统研究，创新性地提出了基于投影数据相似性的高分辨率图像重建方法，可为查验提供高清的三维彩色图像以及二维透视扫描图像，采用三维物体快速变维智能探测技术和双层次融合绘制技术，提升了禁限品在三维图像中的视觉优先级别，实现了禁限品自动探测和扫描速度的大幅提升！

另一方面，现有的CT安检设备由于自身重量大、占地面积大，无法部署于结构紧凑的流水线式出入境口岸查验体系。团队经过协同攻关，提出了全新的货物实时验放智能解决方案。在跨境电商物流中心，高清薄壁大通道智能CT系统实现了批量部署，智能图单比对技术和集约式验放系统使机检图像和申报单据实现自动对比，高效识别各类瞒报商品，提高税收征管质量；在航空口岸，新型的先期机检模式在旅客提取托运行李前就完成非侵入式检查，实现托运行李免排队、免搬箱、免过机、零等待；人包关联无感通关技术解决了通关过程中嫌疑人包的跟踪和拦截难题，有效提升通关效率。

勇攀高峰，动植物国境检疫CT达成国际首创

国际贸易的繁荣也增大了外来动植物、疫病入境的可能，据权威机构统计，我国每年因遭受外来物种入侵承受的经济损失超2000亿元人民币。如何有效地实施动植物查验也是当前国境检疫亟待解决的重要问题。与安检不同的是，动植物对检测辐射剂量的敏感性更强，CT成像噪声大，且品类繁多、形状多样，密度、原子序数等物理属性和大部分食品、日用品非常接近，仅凭单一数值特征很难有效检出。针对以上难点，陈志强团队开发了全新的低剂量图像重建技术，实现了在扫描剂量仅为传统剂量1/3的情况下，获得高质量的CT图像。此外，团队首次提出使用深度神经网络来实现动植物识别，设计了一种检疫专用CT增强显示技术，最大程度上强化有机物的成像效果，解决了传统方法对动植物无法有效识别的难题。本项目的成功研制改变了动植物检验检疫传统监管业务和查验模式，研究成果迅速转化落地，获得国际、国内高度赞誉与好评。

响应需求，非接触式安检模式为疫情防护保驾护航

“科研不是一成不变的定律，而是要根据形势不断精进的，每个阶段都有该去攻克的难题。”

疫情期间，为减少安检过程中的人员接触，降低交叉感染风险，团队以多能X射线螺旋CT扫描技术、多维信息感知及动态跟踪技术为基础，首创非接触式旅检行包精准智能查验系统。与传统X光机相比，可以实现行包自动分拣、远程集中判图、自动报警、自助开包、笔记本剥离、实时数据统计、人包绑定、托盘自动回转及消毒等功能，在疫情防控期间协助完成旅检行包的非接触式全智能查验。目前，该系统已在南京禄口机场、广州白云机场和深圳宝安机场的实际使用过程中展现出比传统通道更精确的报警率、更低的开包率和更少的误报次数。

智能化监管 “小突破”，国家安全效能“大提升”

从单一视角到双视角、多视角成像；从二维成像到三维成像；从单能、双能到精准的能谱成像；从灰色图像到彩色图像；从形状分辨到物质属性识别；从低速单机成像到高通量在线成像；从人工查验到AI智能验放……陈志强一直奋战在科研及成果转化一线，亲历了辐射成像在安检领域从无到有，并发展到全球领先的完整过程。面对国家和社会不断提出的新需求，陈志强团队研制开发的精准、轻巧、快速的“高通量行包货物能谱CT精准查验系统”，将推进行包货物智能化监管的“小突破”，助力海关监管工作效能的“大提升”。“这是我们的责任与使命，也是一个新的开始。”他与他的团队将继续攻关前沿技术，立足自主创新，推动辐射成像技术在守护国家安全领域再结硕果。（文/王世华）