La diffraction des rayons X promet un scanner à bagages capable de vous faire passer plus rapidement la sécurité
Il y a quelques années, nous nous sommes retrouvés tous les trois dans une très longue file de sécurité à l’aéroport national Reagan de Washington. Peut-être, avons-nous plaisanté, Superman pourrait-il utiliser sa vision à rayons X pour aider les employés assiégés de la Transportation Security Administration (TSA) et les masses voyageuses.
Après une discussion étrangement technique sur notre super-héros préféré, nous avons convenu que la vision à rayons X de l’homme d’acier ne serait pas vraiment en mesure de relever ce défi particulier. C’est parce que certaines menaces dissimulées ne se révèlent pas directement dans une image aux rayons X, et les trouver avec des rayons X nécessiterait un traitement informatique bien au-delà de ce que même le cerveau de Superman pourrait gérer. Mais il y a eu une prise de conscience passionnante : Nous avions le pouvoir de résoudre ce problème technique. En combinant nos compétences, nous avons commencé à mettre au point un système à rayons X bien adapté à la détection de tels objets dangereux cachés dans un bagage à main. Peut-être qu’un jour, ce système permettra de raccourcir le genre de file d’attente dans laquelle nous nous trouvions.
Le but de la sûreté aérienne est, bien sûr, de s’assurer que des objets dangereux ne se retrouvent pas dans les avions – tout en offrant une expérience acceptable aux passagers. Ce que devrait être exactement cette expérience dépend de la personne à qui vous le demandez, mais elle inclut probablement des files d’attente courtes et rapides et la capacité d’apporter tout ce que vous voulez sans avoir à fouiller dans votre sac pour exonérer votre brosse à dents électrique.
Pour faire de cette vision une réalité, la TSA aurait besoin d’un appareil capable de scanner rapidement les nombreux sacs passant par un point de contrôle de sécurité et de décider par lui-même si l’un d’entre eux contient une menace. L’approche standard actuelle utilise l’imagerie par projection de rayons X, la même technologie que les médecins utilisent pour diagnostiquer les os cassés.
L’imagerie par projection de rayons X fonctionne en dirigeant ces rayons pénétrants vers quelque chose et en mesurant la quantité d’énergie qui ressort de l’autre côté. En d’autres termes, les scanners de la TSA détectent les ombres de rayons X projetées par les objets de votre valise. La forme et le degré d’obscurité des ombres sont utilisés pour distinguer différents articles ou, dans le cas de l’imagerie médicale, pour révéler une fracture dans un os.
Bien que cette stratégie fonctionne raisonnablement bien, quiconque a joué aux ombres chinoises sait que les ombres ne sont pas toujours ce qu’elles semblent être. C’est pourquoi les scanners plus avancés utilisent la tomographie assistée par ordinateur, qui combine des images de transmission de rayons X obtenues sous de nombreux angles pour donner la forme 3D complète des objets dans votre sac. Cette tactique offre des avantages considérables, comme celui de vous permettre de laisser la plupart des objets (ordinateurs portables, iPads, clés, etc.) dans votre sac pour un seul scan.
De tels scanners avancés sont maintenant déployés dans les aéroports américains, bien que de nombreux scanners plus anciens soient encore utilisés. Leurs images 2D sont interprétées par une combinaison d’algorithmes informatiques et d’opérateurs formés, qui déterminent ensuite si vous êtes libre de continuer vers votre avion ou si vous devez faire inspecter plus soigneusement votre bagage à main par un agent.
En général, ce système fonctionne très bien pour les menaces basées sur la forme, comme les armes à feu ou les couteaux. Bien que nous puissions débattre de la question de savoir si un petit canif ou une aiguille à tricoter pourrait vraiment être utilisé comme une arme, ces scanners à rayons X à transmission détectent couramment de tels objets. Et des améliorations plus récentes, comme les algorithmes de reconnaissance d’images basés sur l’apprentissage profond, permettent l’identification automatique d’une variété de ces objets dangereux.
Tout cela est bien beau, mais que faire si la forme d’une menace potentielle ne révèle pas sa nature dangereuse ? Après tout, un explosif pourrait être façonné sous la forme d’un objet banal et inoffensif. Et il ne s’agit pas d’une simple hypothèse – un certain nombre de complots dans le monde entier ont consisté à donner à des explosifs la forme d’objets de tous les jours ou à les dissimuler dans des endroits inoffensifs tels que des bouteilles d’alcool ou de nettoyant pour lentilles de contact, des ordinateurs portables ou des chaussures. Comment la TSA peut-elle faire face à ces menaces ? La réponse est de regarder au-delà de l’ombre de l’article et d’examiner plutôt ce que nous pourrions appeler son empreinte matérielle.
On sait depuis plus d’un siècle que les rayons X peuvent révéler la structure atomique d’un matériau grâce à un processus connu sous le nom de diffraction des rayons X. Pour cela, il faut mesurer les rayons qui rebondissent sur les atomes ou les molécules de la cible et ricochent dans différentes directions. La façon dont les rayons X se diffusent dépend des détails de l’espacement interatomique et du degré de cristallinité du matériau.
La diffraction des rayons X peut, par exemple, distinguer facilement le charbon, le graphite et le diamant, bien que ces substances soient chimiquement identiques – elles sont toutes composées de carbone. Elle peut même identifier différents liquides, qui n’ont pas de cristallinité mais présentent des espacements interatomiques différents en fonction de la taille et de la répulsion des molécules. Ainsi, un scanner basé sur cette technique pourrait, par exemple, déterminer si la bouteille que quelqu’un a fourrée dans son bagage à main était remplie d’eau ou de nitroglycérine.
L’utilisation des mesures de diffraction des rayons X pose toutefois un problème technique épineux. Pour commencer, le signal diffracté est plus faible de plusieurs ordres de grandeur que le signal transmis. Il est donc plus difficile de le mesurer. Il est également beaucoup plus difficile à interpréter. Par conséquent, même si une telle empreinte digitale (plus correctement appelée tomographie par diffraction des rayons X) garantirait à peu près le succès de l’identification des menaces, la technologie requise a eu par le passé un coût important, non seulement sur le plan financier, mais aussi en termes de complexité, de temps de balayage et d’autres facteurs.
L’essentiel de nos efforts au cours des dernières années a consisté à trouver comment combiner de manière pratique les mesures de diffraction des rayons X avec l’imagerie traditionnelle par transmission. Nous n’avons pas encore terminé, mais nous sommes allés assez loin dans le développement de ce qui devrait être la prochaine génération de scanners de bagages d’aéroport.
Depuis plus de 30 ans, les chercheurs tentent d’utiliser la diffraction des rayons X pour cartographier les différences de structure atomique d’un endroit à l’autre d’un objet étendu. Des progrès ont été réalisés, notamment dans les communautés médicales et des sciences des matériaux, mais les systèmes construits à cet effet étaient compliqués, coûteux et lents. C’est pourquoi les systèmes basés sur ces principes ne scannent pas encore les sacs dans les aéroports.
La faible luminosité des signaux diffractés est un problème, certes, mais qui est relativement simple à résoudre. Premièrement, vous avez besoin d’une forte source de rayons X, ce qui pourrait être dangereux dans un cadre médical mais n’est vraiment pas un problème pour un scanner de bagages. Ensuite, le capteur d’images utilisé doit être plus sensible que la norme, mais là encore, ce n’est pas difficile à mettre en place. Le problème le plus contrariant est que les signaux diffractés proviennent de tous les points du sac. Et chaque pixel de votre détecteur enregistre tous ces différents signaux à la fois.
L’astuce pour démêler ces signaux qui se chevauchent – afin de pouvoir dire lequel des rayons X diffusés provient de votre ordinateur portable et lequel de votre bouteille d’eau, par exemple – consiste à placer un élément supplémentaire dans le système, un élément qui affecte les signaux de rayons X de manière contrôlée. Cet élément, appelé ouverture codée, est en fait une plaque de matériau hautement absorbant percée d’une série de trous. Ces trous sont disposés selon un schéma spécifique. Les rayons X peuvent passer à travers les trous mais sont bloqués par le matériau absorbant.
La raison d’utiliser une telle ouverture codée est plus facile à comprendre à l’aide d’une expérience de pensée. Imaginez que le bagage à scanner est composé de centaines de minuscules sources de rayons X, dont chacune peut être allumée et éteinte sur commande. Si vous allumez une seule source, les rayons X qu’elle émet passeront par les trous de l’ouverture codée et continueront jusqu’au capteur d’images placé à une certaine distance derrière elle. Si vous aviez la vision à rayons X de Superman, vous verriez un motif de taches projetées sur le plan du capteur d’images.
Mais allumez plutôt une autre de ces minuscules sources de rayons X, située à un endroit différent du sac. Le motif des taches projetées sur le plan de l’image sera désormais différent. Les taches seront plus grandes ou plus petites et situées à des endroits différents. Le même principe s’applique aux ombres chinoises, dont les ombres changent de taille et de position en fonction de l’endroit où se trouve la marionnette par rapport à la source lumineuse et au mur.
Donc, l’ouverture codée affecte les rayons X provenant de chaque emplacement différent dans le sac d’une manière unique, ce qui revient à les étiqueter avec un code-barres. Cela fonctionne même si les rayons X provenant de différentes régions du sac frappent le détecteur en même temps. Des calculs astucieux sont nécessaires, mais les signaux générés par les rayons X passant par l’ouverture codée et arrivant au détecteur peuvent être démêlés, ce qui permet au scanner de distinguer les rayons X provenant de différentes parties du sac. Ce processus est beaucoup plus facile si le scanner capture également les images traditionnelles de transmission des rayons X, qui vous donnent une assez bonne idée de l’endroit où les objets pertinents sont positionnés dans le sac.
En utilisant cette approche de l’ouverture codée, nous avons précédemment construit ce que nous appellerons un scanner préprototype, qui avait une configuration simple et utilisait des composants bon marché sur étagère. Avec lui, nous avons pu identifier différents plastiques, liquides et solides à une résolution supérieure à 1 centimètre.
Passer au niveau supérieur implique de concevoir un scanner qui combine entièrement les mesures de transmission et de diffraction des rayons X et qui utilise des détecteurs de pointe. Il devrait être considérablement plus rapide, plus précis et moins coûteux que ce que nous avons construit auparavant. Ce scanner devrait pouvoir être commercialisé et utilisé dans les aéroports du monde entier.
Pour comprendre les possibilités de ce système et des systèmes connexes, nous avons eu besoin de simulations numériques détaillées, qui nous ont aidés à comparer les configurations possibles et à identifier les meilleures. Comme première étape pour effectuer de telles évaluations, nous avons développé un logiciel qui nous a permis de créer des sacs virtuels de manière entièrement automatisée. En l’exécutant avec une puissance de calcul suffisante – soit localement sur des grappes à haute performance, soit en utilisant des ressources en nuage appropriées – nous pouvons créer des centaines, des milliers, voire des millions de sacs virtuels, représentatifs du type d’objets que les voyageurs transportent chaque jour à l’aéroport. Nous pouvons maintenant faire passer ces sacs virtuels dans notre logiciel de simulation, qui modélise la physique des rayons X pertinente (à la fois pour la transmission et la diffusion) et crache des estimations haute-fidélité des mesures que vous obtiendriez avec un scanner d’une conception particulière.
La capacité de générer de nombreux scans virtuels contrôlables et ultra-réalistes pour des configurations de système arbitraires nous a permis de quantifier l’amélioration d’une conception de scanner par rapport à une autre et ce que serait la performance de détection fondamentale d’un type de mesure donné. Comme avantage secondaire, ce même logiciel nous permet de générer des ensembles de données pour former et valider les algorithmes d’apprentissage automatique que les scanners exécuteront pour reconnaître les images et détecter les menaces.
Donc, même si les nouveaux scanners à bagages à tomographie assistée par ordinateur continuent de se déployer dans les aéroports des États-Unis, nous nous efforcerons d’ouvrir la voie à un tout nouveau type de scanner, capable d’identifier un article dangereux sur la base de son empreinte digitale spécifique au matériau, et pas seulement du type d’ombres de rayons X qu’il projette.
Nous sommes ravis à l’idée de pouvoir contribuer à l’amélioration de la sécurité dans un secteur aussi essentiel au fonctionnement du monde moderne. Nous sommes tellement déterminés à faire la différence que nous nous sommes associés à notre collègue Anuj Kapadia, de la faculté de radiologie de l’université de Duke, pour créer Quadridox, une société dont l’objectif est de transformer nos réflexions sur la sécurité en solutions concrètes. Et il se pourrait même que la diffraction des rayons X ait un avenir au-delà du contrôle des bagages. La capacité d’identifier des matériaux spécifiques se révélera très probablement utile pour d’autres applications, comme la détection de drogues illicites dans le courrier, voire le diagnostic du cancer. En fin de compte, cependant, nous nous contenterions d’un avenir où la seule raison pour laquelle vous devez ouvrir votre sac à un point de contrôle de l’aéroport est de prendre une gorgée de votre bouteille d’eau.
Cet article est paru dans le numéro imprimé de juillet 2020 sous le titre « The All-Seeing Baggage Scanner. »
A propos des auteurs
Joel Greenberg et Michael Gehm font partie du département de génie électrique et informatique de l’université Duke. Greenberg est un professeur de recherche associé et Gehm est un professeur associé. Amit Ashok est professeur associé de sciences optiques à l’université d’Arizona.
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