用于货物和运输容器的计算机断层扫描系统的制作方法
【专利说明】用于货物和运输容器的计算机断层扫描系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本公开要求于2014年5月6日提交的美国临时专利申请第61/989, 503号的优先 权，其整体内容通过引用合并于此。
[0003] 政府许可权利
[0004] 本发明是在美国国土安全部，采购业务办公室，S&T采购部门资助的合同号 HSHQDC-11-C-00011下通过政府支持而进行的。美国政府在本发明中具有某些权利。
【背景技术】
[0005] 在海关和安全应用中通常使用X射线成像系统进行包括包裹、行李、邮件、货盘、 容器、物料和诸如机械或交通工具的离散物体的货物的筛选和检查。在处置捆扎货物或者 将物料捣实到托盘上或大的容器中的情况下，常常有利的是，使用X射线成像系统来检查 或筛选货盘和容器，而不需要将这些结构拆分成组成元件。相似地，常常有利的是，在海关、 安全或非破坏性测试应用中，筛选大的离散物体、物体的群组或者大块物料，而不拆分或分 解。典型地，对于货物或其他物品以及货盘或相似尺寸的物料，使用ISOkV至450kV的范围 中的X射线生成器的X射线成像系统用于以单视图形式或者越来越多地以双视图形式获取 投影线扫描X射线图像。这种成像系统可以以双能量成像能力操作，并且提供关于被成像 物料的有效原子序数和密度或厚度的某种有限信息。然而，当前的商用技术固有地受限于 物体和物料的区分，因为所提供的投影图像信息得自沿着X射线源和各个检测器之间的穿 过物体的视线路径的多色频X射线波束与所有物料的交互。因此得到的X射线投影图像具 有有限的效用，因为图像的给定区域中的多个物体或特征并不是相对于深度而被单独地解 析，而是彼此覆盖并且形成图像集群。近来使用双视图X射线线扫描系统的趋势部分地减 轻了该集群限制，其提供了额外的近正交视图。然而，对于许多货物、物体或物料，所关注的 内容物、组分或成分不太可能在这两个视图中的一个视图中被充分隔离，以备视觉识别或 者有效地支持使用自动化系统的检测或分析，所述自动化系统被设计成标记威胁、武器、违 禁品或其他特性。相似地，对于被设计成从双视图协同地充分利用独立信息的视觉方法和 使用图像的分析方法二者，非常难于适当地识别、检测和分析目标物体和特性。对于视觉检 查系统和自动化检测或分析系统二者，典型地在用于大部分应用的适当的性能水平，不能 使用单视图或双视图X射线线扫描系统来实现高的检测或区分概率以及低的误警报率。
[0006] 对于诸如航空手提行李安全的一些筛选和检查应用，操作系统的现有技术状态已 进展到使用计算机断层扫描系统来提供高解析度三维体积信息并且极大地克服了以上提 及的限制。典型地，采用了使用安装X射线源和一个或更多个检测器阵列的旋转托台的螺 旋扫描CT系统。通常多个检测器行形成典型地约60度的检测器弧上的部分环。在大部分 高级系统中要检查的袋子或物品在传送器上线性通过旋转托台上的孔隙，并且可以以每小 时几百个袋子的高检测和低误警报性能进行筛选。然而，该技术不易于缩放成捆扎货物或 容器货物的尺寸。提供以充足角速度旋转的适当的托台孔隙和安装高电压和高功率X射线 生成器系统所需的机械设计是成本高昂的。
[0007] 相似地，使用在与传送器行进方向基本上正交的平面中置于检查隧道周围的可切 换X射线源的阵列的各种形式的用于手提行李检查和安全的固定CT系统的开发已取得相 当大的进展。检测器阵列可以散布在同一图像平面中或者刚好在平面外，并且通过X射线 源之间的快速切换和预定检测器元件的读出来完成适用于CT重建的数据获取。然而，这些 系统配置也不易于缩放成捆扎货物的特性，因为对于大型筛选系统而言主要成本驱动器是 X射线生成器子组件。高电压、高功率和可切换X射线源的阵列不是商用的，并且如果进行 开发，对于这些应用而言很可能是成本高昂的。
[0008] 在当前的安全和海关X射线筛选中，成像、视觉化信息、检测和分析能力被绑定到 所使用的系统类型。例如，对于捆扎货物，广泛部署的技术的当前状态允许操作员至多以 典型地一个或两个观看视角来观看投影的透射图像，具有与上文讨论的X射线透射技术相 关联的成像和分析限制。对于手提和随身行李，如上文所述，更精密的成像技术是可用的， 其提供3D体积CT成像，其中可以通过各种手段，包括以渲染表面形式、切片形式、易于通过 绕任意轴旋转来操纵并且使用许多其他工具来显示和视觉化，来观看成像信息。这样的系 统提供的体积3D数据还支持有效的自动化图像分析方法，其可以突出显示威胁、目标物体 和其他特性。然而，为手提和随身行李提供的CT技术没有被广泛采用用于大的和捆扎的货 物，主要是因为具有适当的操作特性和性能的提供这种信息所需的物理传感器系统不能以 充分成本有效的方式获得。
[0009] 本发明的实施例绕开当前商用的CT筛选和检查技术的设计限制并且提供关于超 出当前可用技术的尺寸的较大的物体和货盘的成本有效和操作有效的三维体积成像信息。 其他实施例提供了来自CT和透射X射线成像的二维和三维数据集的改进的视觉化，以便利 物体识别和所关注的内容物、组分或成分的分析。
【发明内容】
[0010] 本发明的一个或更多个实施例包括用于对货物或运输容器的内容物、组分和/或 成分成像的成像系统以及相关的方法。另外的实施例包括用于基于来自货物或运输容器的 图像数据创建三维模型的系统以及相关的方法。
[0011] 根据本实施例的成像系统包括发射X射线或伽马射线波束的X射线或伽马射线 源、具有多个检测器的隧道、以及可平移平台。检测器均接收一部分波束。可平移平台支承 货物或运输容器并且移动通过隧道，使得货物或运输容器与多个检测器接收到的部分波束 交叉。可平移平台也可以旋转并且以多个角度移动通过隧道。
[0012] 该成像系统还可以包括计算机和图形接口。当货物或运输容器与部分波束交叉 时，计算机可以接收来自部分波束的由多个检测器收集的信息。计算机还可以基于该信息 重建货物或运输容器的三维图像。图形接口可以显示三维图像。
[0013] 另外的实施例包括用于基于来自货物或运输容器的图像数据，诸如多个检测器收 集的信息中的图像数据，创建三维模型的系统。该系统包括处理器和存储器。存储器存储 用于如下操作的指令：接收表示从宽竖直波束角度收集的信息的数据，对数据进行处理以 生成三维体积模型以及输出三维体积模型。
[0014] 这些和其他实施例可以包括额外的特征，诸如下文描述的特征。
【附图说明】
[0015] 本专利或申请文件包含至少一幅彩色制成的视图。在请求并支付必要的费用之 后，官方将提供具有彩色示图的该专利或专利申请公布的副本。
[0016] 当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述将更好地理解本发明的这些和其他 特征和优点。这些附图不应被解释为限制本发明，而是旨在仅是说明性的。
[0017] 图1是示出本发明的一个实施例的整体X射线成像几何特征和货物运动功能的示 图。
[0018] 图2A是在竖直横截面中示出图1和图2B的中心扇形波束的X射线检测器板布局 的示图。
[0019] 图2B是示出图1的X射线成像系统的准直的示图。
[0020] 图3是示出包括货物运动系统的图1的实施例的自顶而下的布局的示图。
[0021] 图4是示出包括货物运动系统的图3的实施例的透视图。
[0022] 图5是图示图4的货物运动系统的元件的框图。
[0023] 图6是本发明的实施例的扫描处理流程图。
[0024] 图7是示出并入区域成像检测器的本发明的另一实施例的整体X射线成像几何特 征和货物运动功能的示图。
[0025] 图8是示出并入与预准直器和检测器阵列的竖直部分对准地竖直升高X射线源的 机构的本发明的替选实施例的整体X射线成像几何特征和货物运动功能的示图。
[0026] 图9是示出根据本发明的一个实施例的用于获取、处理、重建、存储和显示X射线 数据的计算机系统和操作员控制接口的框图。
[0027] 图10是根据本发明的一个实施例的操作员控制面板的图示。
[0028] 图11是根据本发明的一个实施例的远程操作员控制面板的图示。
[0029] 图12示出了在货盘以相对检测器阵列的固定角度从系统入口到出口的单次平移 过检（pass)之后，使用图1至4中图示的实施例获取的X射线透射图像。
[0030] 图13示出了使用图1至4中所示的实施例获取的重建体积X射线数据的图像渲 染。提供与图13相似的观看视角，并且从货盘以相对检测器阵列的四个离散角度的四次过 检得到重建体积图像。
[0031] 图14是示出根据本发明的实施例的重建以及预处理和后处理的方法的流程图。
[0032] 图15是示出在将数据从单个扇形波束投影到虚拟检测器空间之后的图1的实施 例的平行扇形波束几何特征的示图。
[0033] 图16是图示根据图15的实施例的、将扇形波束检测器投影到虚拟检测器空间以 及均匀重新采样的视图。
[0034] 图17是根据图15的实施例的将立体像素（体积元素）阴影或占地面积投影到检 测器元件以计算前向投影期间的贡献的2D示意图。
【具体实施方式】
[0035] 本发明的实施例涉及用于对运输物体的内容物、组分和/或成分成像的X射线透 射和计算机断层扫描系统以及相关的方法，还涉及用于分析得到的图像信息并且对其视觉 化的方法。更具体地，实施例涉及运输容器和物体的X射线和X射线计算机断层扫描检查， 以确定诸如爆炸物、武器和易燃物的威胁物料的存在与否，识别诸如非法药品的违禁品的 存在与否和/或在非破坏性测试应用中检查物料。实施例还说明了从均得自X射线源、X射 线扇形波束和X射线检测器阵列的多个图像创建空间良好解析的三维图像数据集以帮助 识别以上提及的所关注的物体或物料的系统和方法。
[0036] 本领域技术人员应理解，空间解析三维X射线图像数据集支持自动化物体分割方 法以及基于物体、区域或体积的洪斯费尔德（Hounsfield)数值、CT数值或密度特性的自动 化物体威胁/非威胁或警报/非警报区分方法的有效实现。这些方法可以用在本发明的实 施例中并且可以扩展到使用三维X射线图像数据集的双能量重建的场景、物体和物料的特 征化，其可以提供体积原子序数和/或密度信息