专利名称：用于分选目的物的计算机层析x射线照相术的装置和方法
技术领域：
本发明涉及下述与本申请具有相同受让人的美国共同悬而未决申请，其全部内容在这里被引入作为参考文献“旋转切片CT图像再现的装置和方法”，Gregory L.Larson等人1997年4月9日提出，美国申请序列号No.08/831,558,(Attorney Docket No(代理人档案号).ANA-118)；“计算机层析X射线照相术扫描驱动系统及测定”，AndrewP.Tybinkowski等人1997年10月10日提出，美国申请序列号No.08/948,930,(Attorney Docket No.ANA-128)；“在阻挡目的物的情况下用于计算机层析X射线照相扫描的空气校准扫描”，David A.Schafer等人1997年10月10日提出，美国申请序列号No.08/948,937,(Attorney Docket No.ANA-129)；“带有用于无照电流温度补偿的计算机层析X射线照相术扫描的装置和方法”，Christopher C.Ruth等人1997年10月10日提出，美国申请序列号No.08/948,928,(Attorney Docket No.ANA-131)；“利用非-平行切片的计算机层析X射线照相术扫描的目标探测”，Christopher C.Ruth等人1997年10月10日提出，美国申请序列号No.08/948,491,(Attorney DocketNo.ANA-132)；“利用目标的表面法线探测目标的计算机层析X射线照相术扫描”，Christopher C.Ruth等人1997年10月10日提出，美国申请序列号No.08/948,929,(Attorney Docket No.ANA-133)；“在计算机层析X射线照相术扫描系统中利用非-平行切片的平行处理设计”，Christopher C.Ruth等人1997年10月10日提出，美国申请序列号No.08/948,697,(Attorney Docket No.ANA-134)；
“利用非-平行切片数据生成平行投射的计算机层析X射线照相术扫描的装置和方法”，Christopher C.Ruth等人1997年10月10日提出，美国申请序列号No.08/948,492,(Attorney DocketNo.ANA-135)；“利用适配再现窗口的计算机层析X射线照相术扫描的装置和方法”，Bernard M.Gordon等人1997年10月10日提出，美国申请序列号No.08/949,127,(Attorney Docket No.ANA-136)；“用于计算机层析X射线照相术扫描系统的面积探测器阵列”，David A.Schafer等人1997年10月10日提出，美国申请序列号No.08/948,450,(Attorney Docket No.ANA-137)；“用于计算机层析X射线照相术扫描器的封闭回路空气调节系统”，Eric Bailey等人1997年10月10日提出，美国申请序列号No.08/948,692,(Attorney Docket No.ANA-138)；“用于将系统作为一个旋转装置的旋转参数的函数的功能进行控制的量测和控制系统”，Geoffery A.Legg等人1997年10月10日提出，美国申请序列号No.08/948,493,(Attorney DocketNo.ANA-139)；和“用于计算机层析X射线照相术扫描器的旋转能量屏蔽”，Andrew P.Tybinkowski等人1997年10月10日提出，美国申请序列号No.08/948,698,(Attorney Docket No.ANA-144)；该申请还涉及下述待批的美国专利申请，所有这些申请都在相同的时间提出并授予与本申请相同的受让人，其全部内容在这里被引入参考文献“用于在计算机层析X射线照相术数据中侵蚀目的物的装置和方法”，Sergy Simanovsky等人提出，(Attorney Docket No.ANA-150)；“用于在计算机层析X射线照相术数据中联合相关目的当前装置和方法”，Ibrahim M.Bechwati等人提出，(Attorney DocketNo.ANA-153)；“用于在计算机层析X射线照相术数据中探测片状目的物的装置和方法”，Sergey Simanovski等人提出，(Attorney DocketNo.ANA-151)；“用于在计算机层析X射线照相术数据中利用依赖于密度的物质阈值分选目的物的装置和方法”，Ibrahim M.Bechwati等人提出，(Attorney Docket No.ANA-154)；“用于在计算机层析X射线照相术数据中校准目的物密度的装置和方法”，Ibrahim M.Bechwati等人提出，(Attorney DocketNo.ANA-152)；“用于在计算机层析X射线照相术数据中利用多密度范围进行目的物的密度识别的装置和方法”，Sergy Simanovski等人提出，(Attorney Docket No.ANA-149)；“用于在计算机层析X射线照相术数据中探测液体的装置和方法”，Muzaffer Hiraoglu等人提出，(Attorney Docket No.ANA-148)；“用于在计算机层析X射线照相术数据中对目的物进行最优化相测的装置和方法”，Muzaffer Hiraoglu等人提出(Attorney DocketNO ANA-147)；“用于在计算机层析X射线照相术数据中探测目的物的多级装置和方法”，Muzaffer Hiraoglu等人提出，(Attorney DocketNo.ANA-146)；“用于分选目的物的计算机层析X射线照相术的装置和方法”，Sergy Simanovski等人提出，(Attorney Docket No.ANA-155)；“用于在计算机层析X射线照相术数据中利用侵蚀和扩张目的物探测目的物的装置和方法”，Sergy Simanovski等人提出，(Attorney Docket No.ANA-160)。
本发明总体上说涉及计算机X射线层析照相(CT)扫描器并特别涉及在应用CT技术的行李扫描系统中探测目标的装置和方法。
如所周知的应用各种X-射线行李扫描系统在将行李装上民用飞机之前探测行李，或箱子中爆炸性物质和其它违禁物品的存在。因为许多爆炸性物品的特点为具有与其它可在行李中发现的物品不同的密度范围，爆炸性物品适合于使用X-射线装置进行探测。通常量测物品密度的技术为将物品用X-射线照射并量测物品吸收放射线的总量，吸收性是密度的表征。
目前所使用的多数X-射线行李扫描系统为“线扫描器”型的并包括一个固定的X-射线源，一个固定的线探测器阵列，和一个在行李通过扫描器时用以在源和探测器阵列之间传输行李的传送带。X-射线源生成X-射线束，该X-射线束穿过行李并部分地被行李所削弱且随后被探测器阵列所吸收。在每一个量测间隔，探测器阵列生成代表X-射线束所穿过的行李平面区段密度的总体数据，这一数据被用以形成一个二维图像的一个或多个光栅线。在传送带传输行李通过固定的源和探测器阵列时，扫描器生成代表行李密度的二维图像，如固定的探测器阵列所探测到的。通常将密度图像予以显示供操作人员进行分析，或由计算机进行分析。于是，探测可疑行李需要非常专心的操作人员。对于这种专注的要求导致操作人员非常疲劳，而疲劳以及任何精力分散可导致可疑的箱包通过系统而未被探测到。
如所周知的使用双重能量的X-射线源以提供除单独的密度量测以外的关于物品化学性质的另外的信息。使用双重能量的X-射线源的技术包括在两种不同能量水平的X-射线的情况下量测物品的X-射线吸收特性。这些量测提供了除物品密度信号之外的物品原子序数的指标。例如，在Alvarez等人的论文“X-射线计算机层析照相技术中选择-能量的图像再现”，Phys.Med.Biol.1976,Vol.21,No.5,733-744；和美国专利No.5,132,998中描述了关于X-射线CT图像的选择-能量再现的双重能量X-射线技术。
这种双重能量技术的一种推荐的用途是用以探测行李中爆炸性物品的存在的行李扫描器。爆炸性物品的特点通常在于原子序数有一个已知的范围从而适合于使用双重能量X-射线源进行探测。在题为“改进的双重能量电源”(Attorney Docket No.ANA-094)的待批美国专利申请系列No.08/671,202中描述了一种这样的双重能源，该专利授予与本发明相同的受让人并在这里全部引入作为参考文献。
某些爆炸性物品给行李扫描系统带来特殊的挑战，因为由于其可塑性，这些爆炸性物品可以制成难于探测的几何形状。能够明显危害一架飞机的多数爆炸物长，宽，和高足够大从而无论爆炸物在行李中的方向如何都可以很容易地被X-射线扫描系统探测到。某些爆炸物的另一个问题为它们可隐藏在一个目的物中，如一个电子设备，例如一个可折叠的台式电脑。另外，一个能力足以危害一架飞机的爆炸物可以制成相对薄的一个方向的尺寸极小而另外两个方向的尺寸较大的片状物。探测爆炸物可能是困难的，因为难于在图像中看到爆炸物品，特别是物品的放置使薄的片状物在其通过系统时垂直于X-射线束的方向。
一个利用CT技术的系统通常包括一个第三代类型的CT扫描器，该扫描器通常包括分别紧固在一个环状台或盘沿直径的相对侧上的一个X-射线源和一个X-射线探测器系统。盘可旋转地安装在一个门架支撑内从而使盘可以在操作中连续地绕一个旋转轴旋转同时X-射线由源穿过放置在盘的开口内的目的物到探测器系统。
探测器系统包括一个线性探测器阵列以一个圆弧的形状排成一个单独的行，圆弧的曲率中心位于X-射线源的焦点，即，位于X-射线源内且X-射线由其发出的点。X-射线源生成一个由焦点发出的X-射线的扇形射线束，或扇形束，穿过一个平面影像场，为探测器所接受。CT扫描器包括一个由X-,Y-和Z-轴所定义的坐标系，其中的坐标轴当盘绕旋转轴旋转时在盘的旋转中心彼此相交并相互垂直。该旋转中心通常称为“等中心”。确定Z-轴为旋转轴而X-和Y-轴由平面影像场所确定并位于其中。因此扇形束被确定为由点源，即，焦点，和受到X-射线束照射的探测器阵列的探测器接受表面之间所确定的空间体积。由于探测器线性阵列的接受面的尺寸沿Z-轴方向相对较小，扇形束在该方向上相对较薄。每个探测器生成一个代表投射到探测器上的X-射线强度的输出信号。由于X-射线部分地被其路途上的所有物体所削弱，每个探测器所生成的输出信号代表了放置在X-射线源和该探测器之间的影像场内所有物体的密度。
当盘旋转时，对探测器阵列周期地进行采样，在每个量测间隔里探测器阵列中的每个探测器生成一个代表在该间隔中被扫描的目的物的一部分的密度的输出信号。任一量测间隔中探测器阵列的一个单独行中所有探测器生成的所有输出信号的集合称为“投影”，而在投影生成时盘的角方位(和X-射线源和探测器阵列的相应的角方位)称为“投影角”。在每个投影角，由焦点到每个探测器的X-射线的路径，称为“射线”，在由点源到探测器的接受面的面积的过程中路径的横截面在增加，由于探测器接受面的面积大于射线所穿过的目的物任何横截面积，因此认为放大了密度的量测结果。
当盘环绕被扫描的目的物旋转时，扫描器在相应的一些投影角上生成一些投影。利用周知的算法，可由汇集每个投影角时的所有投影数据生成目的物的CT图像。该CT图像代表了目的物的一个二维“切片”的密度，该切片在盘旋转通过不同的投影角时为扇形束所穿过。CT图像的分辨率部分地取决于扇形束的平面内每个探测器接受面积的宽度，在这里探测器的宽度被定义为在同一方向内所量得的扇形束宽度的大小，而探测器的长度在这里被定义为沿平行于扫描器旋转轴或Z-轴的扇形束的垂直的方向所量得的大小。
提出了一些利用CT技术的行李扫描器。这些设计中的一种，在美国专利Nos.5,182,764(Peschmann等人)和5,367,522(Peschmann等人)(以下称‘764和‘552号专利)中所描述的，已有商业开发并在以下称之为“无幻影机械”。该无幻影机械包括一个第三代类型的CT扫描器，该扫描器通常包括分别紧固在一个环状台或盘沿直径的相对侧上的一个X-射线源和一个X-射线探测器系统。盘可旋转地安装在一个门架支撑内从而使盘可以在操作中连续地绕一个旋转轴旋转同时X-射线由源穿过放置在盘的开口内的目的物到探测器系统。
行李扫描器的一个重要的设计依据是扫描器能以扫描一个行李物品的速度。作为任一主要机场的实用设备，行李扫描器应能以很快的速度扫描大量的袋子。无幻影机械的一个问题是在‘764和‘552号专利中所描述的CT扫描器使用了相对较长的时间，例如，盘旋转一圈需要由约0.6到2.0秒以生成CT图像一个单独切片的数据。再有，对于每个图像来说穿过箱包的射束切片越薄图像的分辨率越好。为提供探测塑料爆炸物所需的分辨率CT扫描器的图像约仅为几个毫米厚。于是，为提供适宜的分辨率，需要许多圈。为适应箱包的高通过量速度，一个传统的CT行李扫描器例如无幻影机械仅能为每个箱包生成几个CT图像。显然，在合理的快速通过量的规定时间内不能对整个箱包进行扫描。对每个箱包仅能生成二到三个CT图像将会遗留多数物品未被扫描从而不能提供能以识别箱包中所有可能有威胁的目的物的扫描。
为提高通过量，无幻影机械使用了一种预-筛选的方法，该方法由一个单独的投影角生成整个箱包的一个二维投影图像。被识别为可能包含有威胁物品的投影区域即可进行全扫描或人工的检查。利用这一预-筛选和有选择的区域扫描的方法时，整个箱包不进行扫描，因而使可能有威胁的物品未经扫描就通过了。对于其方向横跨用以形成预-筛选投影的射线传播方向的片状物品尤其如此，其中片状物品覆盖了箱包面积的相对较大的部分。
在2001年7月25日 申请日期1999年1月25日 优先权日1998年2月11日
发明者卡尔·R·克劳福德, 穆扎费尔·希拉格鲁, 易卜拉欣·M·贝什瓦提, 谢尔盖·西马诺夫斯基 申请人:模拟技术公司