使用同時的並且近似的透射和反向散射成像的x射線檢測的製作方法

2023-09-10 09:05:00 2

專利名稱：使用同時的並且近似的透射和反向散射成像的x射線檢測的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過穿透性輻射來檢測物體的方法和系統，更具體地，涉及 通過基本同時的透射探測器和散射探測器來檢測物體。
背景技術：
多年來，標準x射線透射成像系統已被用於安全、醫學和檢測應用。典 型地，使用x射線的錐形波束並利用x射線膠片作為探測介質來獲得醫學透 射x射線圖像。最近，x射線扇形波束和線性分段探測器陣列被結合使用，
以產生在X射線源和探測器陣列之間穿過扇形波束被傳送的物體的二維圖
像。這還是用於諸如機場之類的安全應用的用於檢查小袋子或包裹的標準方
法。使用單端點能量x射線管和其中每個陣列單元僅包含一個探測器通道的
探測器陣列所獲得的透射圖像可以是單能圖像。
使用在兩端點能量之間交替的x射線源，或可替代地通過採用雙能分段
探測器陣列，可以獲得作為入射輻射的能量的函數的基於差分透射或散射的 圖像。這種陣列的每個陣列單元具有兩個探測器通道。 一個探測器通道對於
較低能量的x射線敏感，而第二通道(通常還包含x射線濾波器)優先探測
較高能量的x射線。通過取得來自低能量通道和高能量通道的兩個信號的比
率，可以獲得雙能透射圖像，這使得可以判斷圖像中的每個位置處的材料的
平均有效原子序數Z。這允許將材料粗略地分為低Z (有機)、中Z或高Z (金屬)材料。然後，這些信息可以被疊加在黑白透射圖像上，典型的是使 用彩色顏料，以生成向操作員傳達材料識別信息的彩色圖像。
在最近的二十年裡，反向散射x射線成像被用於提供對隱藏在袋子和包
5裹、甚至大貨物貨櫃和車輛中的有機材料的更可靠的探測和成像的方法。
這些系統一般使用x射線的掃描筆形波束，也稱為"飛點(flying spot)"， 而不是使用x射線的扇形波束。通過在物體的每個部分相繼被波束照射時測 量從波束當中康普頓散射出的x射線能量的量，來生成反向散射圖像。典型 地，在已經被優化以用於探測相對低能量散射x射線的大面積探測器中探測 康普頓散射的x射線。在傳送物體經過掃描波束的同時，通過對與被掃描物 體接觸的筆形波束進行光柵掃描，獲得物體的完整的二維反向散射圖像。因 為較低x射線能量(低於約250 keV)的康普頓散射傾向於對物體的有機區 域最為^t感，所以該方法可用於重點關注這些區域。
x射線透射和反向散射技術的組合先前已經在例如美國專利 No.6,151,381 ( "Gated Transmission and Scatter Detection"，其中，透射和反 向散射成像使用獨立的源和臨時選通的源)和No.6，546,072 ("Transmission-Enhanced Scatter Imaging"，其中，透射和反向散射圖像使用 同一源)中被揭示。上述兩個專利通過引用結合在本文中。使用透射和反向 散射成像的系統要麼具有用於這兩個形態所需的相同的源光譜(在二者使用 單一的源的情況下)，要麼必須對付串擾問題，尤其是由於來自碰撞到散射 探測器上的典型較高能量或較高通量的透射扇形波束的散射光子而導致的 串擾問題。

發明內容
根據本發明的優選實施例，提供用於檢測物體的方法和系統。該系統具 有兩個穿透性輻射源，第一源發射扇形波束且第二源發射穿透性輻射的掃描 波束。該系統具有用於測量來自透射過物體的扇形波束的穿透性輻射的強度 的探測元件的分段陣列，以及用於探測由該物體從掃描筆形波束散射出的穿 透性輻射的至少一個散射探測器。最後，該系統具有用於形成可以向操作員 顯示的描述透射和散射特徵的至少一個圖像的處理器。
在其他實施例中，該分段探測器陣列可以是雙能探測器陣列，且該反向 散射探測器可以被校準以使得它們優先探測從掃描波束散射出的x射線。衰 減阻擋層可以以減少串擾的方式布置在透射成像子系統和散射成像子系統 之間。
該系統可以使用軟體算法提供透射和散射圖像的縱橫比和尺寸的調節，使得被檢測的物體的尺寸和形狀在兩個圖像中看上去相似。散射圖像中串擾 的貢獻可以以硬體或軟體方式從散射圖像減去。在某些實施例中，測量掃描 筆形波束不照射物體時的散射探測器信號，以判斷串擾的貢獻，且從掃描筆 形波束照射物體時的散射探測器信號中減去所測量出的信號。
根據本發明的另外其他實施例， 一個或多個散射探測器可優先探測一個 能量範圍中的散射的X射線，且一個或多個散射探測器可優先探測另一能量 範圍中的X射線。然後，可以組合來自兩組探測器的信號，以提取關於被成 像的物體的有效原子序數的附加信息。


參考下面結合附圖的詳細描述可以更加容易地理解本發明的上述特徵，
在附圖中
圖1是根據本發明的實施例的具有探測器準直儀的透射和散射成像檢測 系統的示意性說明圖2示出了根據本發明的實施例的透射和散射成像檢測系統中的x射線 衰減柔性阻擋層的插入；以及
圖3是具有準直儀和探測器屏蔽的透射和散射成像檢測系統的另 一 實施 例的示意性說明圖。
具體實施例方式
本發明的實施例提供用於克服透射和散射成像形態之間的串擾問題的 方法和系統。這些方法和系統還提供以軟體方式處理圖像，使得即使通過不 同源來執行成像，在不同位置處對物體進行檢測，呈現給操作員的透射和散 射圖像的縱橫比也是有可比性的。
本文就x射線輻射來描述了本發明的實施例，然而，應當理解，所主張 的本發明的教導和保護範圍延伸到包括伽馬射線等的任意類型的穿透性輻 射。
通過將使用扇形波束和分段探測器陣列的x射線透射成像系統與使用掃
描筆形波束的散射成像系統相組合，獲得了結合兩種技術的優點的強大的成 像系統。透射圖像是高解析度圖像，其中圖像解析度由各個探測器陣列單元
的尺寸決定。通過使用雙能x射線源或雙能探測器陣列，透射圖像還可以顯
7示被成像的物體的有效原子序數Z。反向散射圖像的解析度由用於掃描物體
的筆形波束的寬度決定波束越窄，解析度越高。然而，當波束的寬度減小 時，波束中的x射線的數目也減少，減少了可用光子的統計量且增加了反向 散射圖像的外觀粒度。因此在圖像質量和解析度之間對所使用的波束的尺寸 進行折衷。
參考圖1，描述結合了分離的透射成像子系統和反向散射成像子系統的 緊湊的成像系統10。諸如包裹或袋子之類的被;險測物體20首先在傳送帶23 上傳送並經過x射線扇形波束25,且通過測量透射過物體到達分段透射探測 器陣列30中的每個探測器單元的x射線強度來形成透射圖像。當物體20被 進一步傳送而經過系統的檢測隧道時，該物體經過反向散射成像系統的光柵 掃描筆形波束35的平面。通過測量置於傳送帶23下或探測隧道的側壁或頂 壁上的散射探測器40所探測到的康普頓散射的輻射強度來形成反向散射圖 像。>
減少成像子系統之間的串擾
將透射和散射形態結合到一個緊湊的成像系統的主要技術挑戰是兩個 成像系統之間的x射線的洩漏。由於產量和成本的實際原因，優選地，同時 激勵透射x射線扇形波束和反向散射x射線筆形波束。這意味由物體20從 透射扇形波束25散射出(或者離開檢測系統本身的任意表面)的x射線將 在反向散射探測器40中被探測到。類似地，由物體20從筆形波束35散射 出的x射線也將在透射探測器陣列30中被探測到。因為相對於透射探測器 元件而言反向散射探測器較大，並且因為透射子系統使用扇形波束而不是筆 形波束，所以串擾(或洩漏)問題幾乎只是單向的即，從透射扇形波束散 射出的輻射進入反向散射探測器。串擾本身表現為反向散射圖像中較亮的雲 狀區域，或者在其更加極端的表現中，表現為反向散射圖像中的垂直條帶。
我們已經發現，將諸如準直儀、反向散射探測器的精細設計和放置以及 透射成像子系統與反向散射成像子系統之間的x射線衰減阻擋層之類的特徵 結合到系統硬體中，可以減少x射線"串擾"的影響。
準直儀50的示例在圖1中示出。準直儀50被設計成，使得反向散射探 測器的視場("FOV")被限制為探測來自包含反向散射成像子系統的筆形波 束的平面的反向散射。從透射成像子系統的扇形波束散射出的x射線不能經 過準直儀，因此不會對反向散射信號產生負面影響。如圖1中所示的反向散
8射探測器，如果在右方設置角度準直儀則會產生這種角度準直儀也會減少來
自掃描筆形波束35的真實反向散射信號的問題。因而，對於右側的反向散 射探測器，使用與筆形波束35平行的單個準直儀。然而，從透射扇形波束 散射出的x射線仍可以進入該探測器，這會降低反向散射圖像的質量。
為了進一步減少x射線束之間的不希望的"串擾"，減少透射和反向散 射成像子系統之間的不希望的串擾的第二方法是，在這兩個子系統之間放置 諸如鉛簾60之類的x射線衰減柔性阻擋層，例如，如圖2所示。該阻擋層
(或多個阻擋層)也可以包括使得它們彈回到閉合位置的裝有彈簧的擺式 門。在該實施例中，透射扇形波束的被散射出的x射線在它們進入反向散射 探測器之前被該衰減阻擋層阻隔。優選地，簾(或其他阻擋層)的長度應使 得它不能被物體20推動或拉動到包含扇形束或筆形波束的平面。我們已經 發現這種屏蔽減少了散射到反向散射探測器中的透射波束x射線的影響。 串擾減去法
除了如上所述的減少x射線串擾的硬體方法，可以將由於來自透射成像 系統的殘餘串擾而導致在反向散射探測器中引入的信號減去，以將該引入的 信號從反向散射信號中去除。這是通過在反向散射筆形波束暫時關閉時測量 來自反向散射探測器的信號來完成的。例如，掃描筆形波束可以使用包含許 多孔徑的旋轉調製盤來生成。當每個孔徑被x射線管照射時，從孔徑中就會 出現x射線筆形波束，當調製盤旋轉時該x射線筆形波束掃過探測隧道。在 一個孔徑剛剛離開照射區域且剛好在下一孔徑進入照射區域之前的短時間 隔中，筆形波束基本關閉。在該"波束關閉"短時間隔期間，來自反向散射 探測器的信號主要是由於來自始終被激勵的透射扇形波束的串擾。該信號被 用於測量被散射進入用於該掃描線的散射探測器的透射扇形波束通量的強 度，然後，可以將其從反向散射圖像的該掃描線中減去，以去除串擾信號。 該減法可以在數字採集電子電路中完成，或在稍後向操作員顯示圖像之前的 處理中完成。該減法可以使用具有相關存儲器的處理器執行，該相關存儲器 包含由處理器執行以進行包括上述減法的操作的指令。在本說明書中和任意 所附權利要求中使用的術語"存儲器"應包括但不限於固態存儲器、諸如硬 盤的磁性介質或包含可以被處理器執行的指令的任意其他設備。
在本發明的其他實施例中，通過準直儀、屏蔽和優選的散射探測器取向 的組合，來消除透射成像子系統和反向散射成像子系統之間的串擾，如圖3
9的系統100中所示。應注意以下在圖1的系統上的改進
(a) 反向散射探測器140的有源表面可以被調整角度以朝向點143,反向 散射信號從該點143發出。這種幾何結構使得能夠最大化地探測來自反向散 射波束135的反向散射信號，同時能夠最小化地探測來自透射波束的串擾。 該幾何結構還消除了左邊探測器上的準直儀的需要。反向散射探測器的所有 其他表面175可以鑲有諸如鉛之類的屏蔽材料，以最小化雜散的x射線的探 測。
(b) 單個垂直儀150防止右邊反向散射探測器的有源表面探測來自透射波 束125的被散射的輻射。
(c) 透射波束附近的傳送帶123下面的鉛屏蔽170屏蔽了左邊反向散射探 測器140使其不探測來自透射波束的散射輻射。
(d) 透射探測器前面的準直儀180防止從離開透射探測器正面的透射波束 散射出的輻射到達反向散射探測器140。
縱橫比修正
因為通過兩種不同方法獲得透射圖像和反向散射圖像，所以一般而言， 圖像將具有不同的縱橫比。因此，在這兩個圖像其中每一個中，同一物體看 上去將具有十分不同的形狀和尺寸。為了使其不困擾操作員，本發明包括用 於調節透射或反向散射圖像中的任一個(或二者)的縱橫比，使它們在被呈 現給操作員時看上去具有相同的尺寸和形狀的軟體方法。典型地，物體的寬 度(沿著傳送方向)在透射和反向散射圖像中是相似的。然而，在兩個圖像 中，物體的高度(垂直於傳送方向)通常不同。為了修正這點，可將已知的 尺度調節因子應用於圖像之一，以確保每個圖像中圖像的高度相同。可替代 地，可以採用判斷每個圖像中的物體的高度的軟體算法，並相應地對圖像進 行尺度調整。
至此描述的本發明的所有實施例僅旨在舉例，且對於本領域技術人員而 言很多變形和修改是顯而易見的。例如，儘管上面描述了反向散射成像，在 本發明的其他實施例中，可以採用其他類型的散射成像。另一例子將是僅包 含一個x射線源的系統，其中透射扇形波束和掃描筆形波束均從同一源提取。 所有這種變形和修改旨在落在任意所附權利要求所限定的本發明的範圍內。
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權利要求
1. 一種用於檢測物體的系統，該系統包括a. 第一輻射源，其發射穿透性輻射的扇形波束；b. 探測器元件的分段陣列，其用於測量由所述第一輻射源透射過所述物體的穿透性輻射的強度；c. 第二輻射源，其發射穿透性輻射的掃描筆形波束；d. 至少一個散射探測器，其用於探測由所述物體從所述掃描筆形波束散射出的穿透性輻射；以及e. 處理器、存儲器和顯示器，所述存儲器包含使所述處理器執行以下步驟的指令從來自所述散射探測器的測量信號中減去背景信號，所述背景信號是在所述掃描筆形波束不照射所述物體時由所述散射探測器測量的，由此形成修正後的測量散射信號，以及在所述顯示器上顯示所述修正後的測量散射信號和來自所述探測器元件的分段陣列的測量透射信號，以用於檢測所述物體。
2. 根據權利要求1所述的系統，其中發射所述扇形波束的所述第一輻 射源和發射所述掃描筆形波束的所述第二輻射源是同 一輻射源。
3. 根據權利要求1所述的系統，其中所述至少一個散射探測器包括用 於使穿透性輻射準直以使得來自所述掃描筆形波束的穿透性輻射被優先探 測的裝置。
4. 根據權利要求1所述的系統，其中所述至少一個散射探測器包括基 本平坦的表面，該平坦的表面對入射輻射敏感，該平坦表面的特徵在於該表 面的法線，其中該表面的法線指向所述掃描筆形波束入射到所述物體的入射 點。
5. 根據權利要求4所述的系統，其中所述散射探測器的不同於所述平 坦的表面的至少一個表面被屏蔽，以減少來自所述扇形波束的穿透性輻射的 探測。
6.根據權利要求1所述的系統，還包括置於所述扇形波束和所述至少 一個散射探測器之間的阻擋層，以減少由所述扇形波束引起的來自所述散射 探測器的測量信號。
7. 根據權利要求1所述的系統,束布置的簾。
8. 根據權利要求1所述的系統， 束布置的擺式屏蔽。
9. 根據權利要求1所述的系統， 束布置的屏蔽。其中所述阻擋層是平行於所述扇形波 其中所述阻擋層是平行於所述扇形波 其中所述阻擋層是平行於所述扇形波
10. 根據權利要求1所述的系統，其中所述存儲器還包括使所述處理器 執行以下步驟的指令調節測量透射信號和修正後的測量散射信號的縱橫比 和尺寸，以使得所述物體的尺寸和形狀在該測量透射信號的顯示和該修正後 的測量散射信號的顯示中看上去相似。
11. 根據權利要求1所述的系統，其中所述探測器元件的分段陣列包括 測量第一能量範圍中的輻射的第一組元件和測量第二能量範圍中的輻射的 第二組元件。
12. 根據權利要求11所述的系統，其中所述存儲器還包括使所述處理 器執行以下步驟的指令使用來自所述第一組元件的測量和來自所述第二組 元件的測量來判斷所述物體的至少一部分的有效原子序數，以及在所述顯示 器上顯示所述物體的至少一部分的圖像，示出該部分的有效原子序數。
13. 根據權利要求1所述的系統，其中所述探測器元件的分段陣列包括 準直儀，其用來減小從所述探測器的分段陣列散射的和入射到所述散射探測 器上的扇形波束穿透性輻射。
14. 一種用於才企測物體的系統，該系統包^":a. 第一輻射源，其發射穿透性輻射的扇形波束；b. 探測器元件的分段陣列，其用於測量從所述第一輻射源透射過所述 物體的穿透性輻射的強度，該陣列包括準直儀以攔截由該陣列散射的輻射；c. 第二輻射源，其發射穿透性輻射的掃描筆形波束；d. 至少一個散射探測器，其用於探測由所述物體從所述掃描筆形波束 散射出的穿透性輻射，該散射探測器還包括用於攔截從所述扇形波束散射的 輻射的裝置，以及e. 處理器、存儲器和顯示器，所述存儲器包含使所述處理器執行以下 步驟的指令從來自所述散射探測器的測量信號中減去背景信號，所述背景信號 是在所述第二輻射源不照射所述物體時由所述散射探測器測量的，由此 形成》務正後的測量散射信號，以及在所述顯示器上顯示所述修正後的測量散射信號和來自所述探測 器元件的分段陣列的測量透射信號，以用於探測所述物體。
15. 根據權利要求14所述的系統，其中發射所述扇形波束的所述第一 輻射源和發射所述掃描筆形波束的所述第二輻射源是同一輻射源。
16. 根據權利要求14所述的系統，其中所述探測器元件的分段陣列包 括測量第一能量範圍中的輻射的第一組元件和測量第二能量範圍中的輻射 的第二組元件，其中所述存儲器還包括使所述處理器執行以下步驟的指令調節所述測量透射信號和所述修正後的測量散射信號的縱橫比和尺寸， 以使得所述物體的尺寸和形狀在該測量透射信號的顯示和該修正後的測量 散射信號的顯示中看上去相似，以及使用來自所述第一組元件的測量和來自所述第二組元件的測量來判斷 所述物體的至少一部分的有效原子序數，以及在所述顯示器上顯示所述物體的至少一部分的圖像，示出該部分的有效 原子序數。
全文摘要
一種用於袋子和包裹的x射線成像檢測系統。使用扇形波束和分段探測器來進行透射成像，同時使用掃描筆形波束來進行散射成像，兩個波束同時起作用。通過屏蔽、散射探測器設計、布置和取向以及圖像處理的組合來消除波束之間的串擾。圖像處理減去從透射波束散射到散射探測器中的測量輻射，以減少串擾。
文檔編號G01N23/20GK101501477SQ200780029927
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月7日 優先權日2006年8月11日
發明者彼得·J·羅思柴爾德, 傑弗裡·R·舒伯特, 阿倫·D·佩爾斯 申請人:美國科技工程公司