X射线衍射成像系统及操作其的方法
【专利说明】X射线衍射成像系统及操作其的方法
[0001]关于联邦赞助研究&开发的声明
本发明是根据由国家安全部(DHS )授予的合同号HSHQDC-11-C-00014在美国(U.S.)政府支持下完成的。美国政府在本发明中可以具有某些权利。
【背景技术】
[0002]本文所述的实施例一般地涉及采用X射线衍射成像(XDI)的系统，并且更特别地涉及一种通过多个邻接体素(contiguous voxel)中的信号的聚合来识别对象的XDI系统。
[0003]已知安全检测系统在旅行检查点处用来针对隐藏的武器、麻醉药和/或爆炸物而检查携带和/或托运行李。至少某些已知安全检测系统包括X射线成像系统。在X射线成像系统中，X射线源通过诸如手提箱之类的对象或容器朝着检测器发射X射线，并处理检测器输出以识别容器中的一个或多个对象和/或一个或多个材料。
[0004]至少某些已知XDI系统通过测量材料中的微晶的晶格平面之间的d间距而与由其它已知X射线成像系统提供的辨别力相比提供了改善的材料辨别力。此外，X射线衍射可根据可用来识别容器中的诸如液体之类的其它材料的分子干涉函数(molecularinterference funct1n)来提供数据。
[0005]已知的多检测器反转扇形射束(MIFB) XDI系统以x射线多源为特征，其发射许多多色X射线束，使得从多个不同的方向照射每个对象体素。这些系统测量非均匀延伸对象的组成体素的空间分辨X射线衍射轮廓(profile)。此类MIFB XDI系统生成三维(3-D)体积图或图像，其中，图像内的每个体素包括多色能谱，即用于源自于每个体素的相干散射信号的动量传递轮廓。这些已知MIFB XDI系统中的某些使用相对小的体素来改善较小对象特征的视觉分辨率。然而，如每个体素测量的光子的数目所定义的，来自每个体素的信号水平是非常低的。一般地，XDI系统的性能在每个体素存在少于100个光子时显著地下降。在某些已知XDI系统中，光子计数在每个体素0与25个光子之间的范围中。
[0006]因此，由于这些低信号水平，难以建立用于单独体素中的准确材料表征的可靠光谱。感兴趣的对象通常占用多个邻接体素，并且此类感兴趣对象可相互接近和/或邻近地定位。来自邻近或附近体素的信号的简单聚合可提供足以准确地识别感兴趣物质的材料光谱。然而，如果组合体素的选择包括具有从不同材料散射的光子的体素，则结果得到的光谱将是混合体，并且识别材料可能是不可能的。另外，接近和/或邻近的感兴趣对象的视觉辨别可能难以生成。
【发明内容】
[0007]在一个方面，提供了一种执行在其中包括多个对象的容器的安全检查的计算机实现方法。该方法使用包括被耦合到存储器设备的至少一个处理器的计算设备。该方法包括用多色X射线来照射容器并使用计算设备来重构容器内的多个散射截面的四维(4-D)体素化表示。该4-D体素化表示包括多个体素。前三个维度表示多个体素中的每个体素的空间位置，并且第四维度表示定义容器的动量传递光谱的多个动量传递值。该方法还包括通过作为动量传递光谱的函数而确定所述多个体素中的每个体素处的单个值来生成至少一个三维(3-D)图像。该方法还包括将所述多个体素分段成邻接体素的多个段。所述多个段中的每个段包括多个邻接体素。所述多个段的至少一部分至少部分地映射到所述多个对象中的至少一个对象上。该方法还包括通过使用所述多个段的所述至少一部分作为用于聚合的指导计算所述多个邻接体素的所述至少一部分范围内的聚合动量传递光谱。该方法还包括将聚合动量传递光谱分类为威胁和非威胁中的一个并基于聚合动量传递光谱将所述至少一个对象辨别为威胁段和非威胁段中的一个。
[0008]在另一方面，提供了一种X射线衍射成像(XDI)系统。该XDI系统包括被配置成用多色X射线来照射在其中包括多个对象的容器的至少一个X射线源。该系统还包括被配置成在多色X射线已经通过容器之后检测散射X射线的至少一个检测器。该系统还包括被耦合到所述至少一个检测器的计算设备。该计算设备包括至少一个处理器和被耦合到所述至少一个处理器的存储器设备。所述至少一个处理器被配置成重构容器内的多个散射截面的四维(4-D )体素化表示，其中，4-D体素化表示包括多个体素。前三个维度表示所述多个体素中的每个体素的空间位置，并且第四维度表示定义容器的动量传递光谱的多个动量传递值。所述至少一个处理器还被配置成通过作为动量传递光谱的函数而确定所述多个体素中的每个体素处的单个值来生成至少一个三维(3-D)图像。所述至少一个处理器还被配置成将所述多个体素分段成邻接体素的多个段。所述多个段中的每个段包括多个邻接体素。所述多个段的至少一部分至少部分地映射到所述多个对象中的至少一个对象上。所述至少一个处理器还被配置成通过使用所述多个段的所述至少一部分作为用于聚合的指导而计算所述多个邻接体素的所述至少一部分范围内的聚合动量传递光谱。所述至少一个处理器还被配置成将聚合动量传递光谱分类为威胁和非威胁中的一个并基于聚合动量传递光谱将所述至少一个对象辨别为威胁段和非威胁段中的一个。
[0009]在另一方面，提供了一种具有在其上面包含计算机可执行指令的一个或多个计算机可读存储介质。在被至少一个处理器执行时，该计算机可执行指令引起所述至少一个处理器重构容器内的多个散射截面的四维(4-D)体素化表示。该4-D体素化表示包括多个体素。前三个维度表示所述多个体素中的每个体素的空间位置，并且第四维度表示定义容器的动量传递光谱的多个动量传递值。所述计算机可执行指令还引起所述至少一个处理器通过作为动量传递光谱的函数而确定所述多个体素中的每个体素处的单个值来生成至少一个三维(3-D)图像。所述计算机可执行指令还引起所述至少一个处理器将所述多个体素分段成邻接体素的多个段。所述多个段中的每个段包括多个邻接体素。所述多个段中的至少一部分至少部分地映射到所述多个对象中的至少一个对象上。所述计算机可执行指令还引起所述至少一个处理器通过使用所述多个段的所述至少一部分作为用于聚合的指导计算所述多个邻接体素的所述至少一部分范围内的聚合动量传递光谱。所述计算机可执行指令还引起所述至少一个处理器将聚合动量传递光谱分类为威胁和非威胁中的一个并基于聚合动量传递光谱而将所述至少一个对象辨别为威胁段和非威胁段中的一个。
【附图说明】
[0010]图1 一24示出了本文所述的系统和方法的示例性实施例。
[0011 ] 图1是X-Y平面中的示例性X射线衍射成像(XDI)系统的示意图； 图2是包括多个对象的示例性容器的示意图；
图3是使用图1中所示的XDI系统来执行包括多个对象的容器的安全检查的示例性方法的流程图；
图4是示例性图像、即图2中所示的容器的四维(4-D)体素化表示的示意图；
图5是来自图3的方法的继续；
图6是通过确定图4中所示的4-D体素化表示中所示的每个体素处的散射强度的单个值而生成的图2中所示的容器的示例性三维(3-D)图像的示意图；
图7是来自图5的方法的继续；
图8是通过对图6中所示的图像进行滤波生成的图2中所示的容器的示例性图像的示意图；
图9是来自图7的方法的继续；
图10是通过对图8中所示的图像进行阈值化(thresholding)而生成的图2中所示的容器的示例性图像的示意图；
图11是来自图9的方法的继续；
图12是通过对图10中所示的图像进行标记而生成的图2中所示的容器的示例性图像的不意图；
图13是来自图11的方法的继续；
图14是具有正交的X、y和ζ轴的图12中所示的图像的示意图；
图15是来自图13的方法的继续；
图16是通过段围绕正交的y轴和ζ轴的旋转而投射在X轴上的邻接体素的段的强度的和的图形表不;
图17是具有通过那里延伸的分离平面的邻接体素的段的示意图；
图18是来自图15的方法的继续；
图19是具有邻接体素的分离段的图2中所示的容器的示例性图像的示意性表示；
图20是用于某些实施例的来自图18的方法的继续；
图21是还用于某些另外实施例的来自图18的方法的继续；
图22是来自图20和21的方法的继续；
图23是使用图1中所示的XDI系统的示例性图像的示意性和图形视图；以及图24是在图1中所示的计算设备内的数据库的示例性配置，以及其它相关计算部件，其可用来用如本文所述的XDI系统来执行容器的安全检查。
【具体实施方式】
[0012]本文所述的X射线衍射成像(XDI)系统促进以适当的高检测概率(PD)和低假警报(即错误肯定(false positive))概率(PFA)进行感兴趣材料的节约成本的增强识别。具体地，与许多已知的安全扫描系统相反，如本文所述的XDI安全筛选系统促进多个邻接体素到可包括感兴趣材料的段中的分段。分段之前的初始步骤包括生成用于每个体素的散射强度值并对用于每个体素的信号进行滤波，从而降低噪声水平并改善包括单个材料的那些体素的均匀性。该分段过程包括将具有小于基于感兴趣材料的预定阈值的散射强度的体素滤出，从而留下在中间具有遗漏体素的邻接体素。该分段过程还包括标记步骤，其中，保持某些体素并忽视(即排除)某些体素。连接保持的体素，并且连接的体素形成“岛”，即被排除体素之间的邻接体素的段。该分段过程还包括将邻接体素的已分段的段分离成较小的单独对象。此外，该分段过程包括通过将其中的体素的光谱进行聚合来计算用于每个对象的光L曰。
[0013]因此，如本文所述的XDI安全筛选系统促进根据将邻接体素的光谱聚合而通过高级图像分段来进行单独对象的分辨和/或到威胁/非威胁物质中的分类。具体地，本文所述的XDI安全筛选系统通过将具有预定关联特性的体素接合、忽视没有此类特性的体素并将接合的体素分离来促进相互接近和/或邻近地定位的感兴趣的对象/物质的改善的分辨。更具体地，本文所述的系统促进将要接合哪些体素的改善的确定。因此，增强了客舱行李筛选(CBS)和寄舱行李筛选(HBS)系统中的物质的高效且有效的检测，诸如感兴趣的液体物质的类别。
[0014]图1是在X-Y平面中的示例性X射线衍射成像(XDI)系统100的示意图。在本示例性实施例中，XDI系统100是多检测器反转扇形射束X射线衍射成像(MIFB XDI)系统。替换地，系统100是能够实现如本文所述的系统100的操作