АНАЛИЗ ЭНЕРГИЙ ПРИ ОБРАТНОМ РАССЕЯНИИ ДЛЯ КЛАССИФИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВАНИИ ПОЗИЦИОННОЙ НЕКОММУТАТИВНОСТИ
BACKSCATTER ENERGY ANALYSIS FOR CLASSIFICATION OF MATERIALS BASED ON POSITIONAL NON-COMMUTATIVITY

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США №61/440491, поданной 8 февраля 2011 г. и включенной сюда посредством ссылки.
Область техники
[0002] Настоящее изобретение относится к системам и способам классификации материалов относительно их эффективных атомных чисел на основании регистрации проникающего излучения, рассеянного от них в обратном направлении.
Уровень техники
[0003] Системы досмотра, применяющие обратное рассеяние рентгеновского излучения, используемы больше 25 лет для обнаружения органических материалов, скрытых в багаже, грузовых контейнерах, в транспортных средствах и на теле людей. Поскольку органические материалы в виде некоторого объема предпочтительно рассеивают рентгеновское излучение (посредством комптоновского рассеяния), а не поглощают его, эти материалы видны как более яркие объекты на изображениях обратного рассеяния. Однако поскольку интенсивность обратного рассеяния сложным образом зависит от расстояния до объекта, его положения, формы и толщины, а также от количества промежуточного материала, затеняющего объект, трудно использовать интенсивность обратного рассеяния для дополнительной классификации органического материала.
[0004] В рамках проводившегося в течение многих лет моделирования были предприняты попытки обнаружения надежного способа использования измерений обратного рассеяния с двумя значениями энергии (или несколькими значениями энергии) для помощи при идентификации скрытых материалов, вместо использования лишь измеренного значения интенсивности. Один способ состоит в чередовании значений энергии источника рентгеновского излучения и рассмотрении относительной интенсивности обратного рассеяния от объекта в изображении обратного рассеяния при двух значениях этой энергии. Отношение R интенсивности при низкой энергии к интенсивности при высокой энергии рентгеновского излучения, рассеянного в обратном направлении, может быть использовано для классификации материала объекта. Другой способ состоит в использовании лишь одного источника, но с изменением во времени фильтрации пучка таким образом, чтобы пучки с чередующимися спектрами энергии падали на исследуемый объект. Примеры описаны, например, в патентах США №6249567 (Rotschild и др.) и №6459764 (Chalmers и др.), причем оба патента включены в настоящую заявку посредством ссылки.
[0005] Еще один способ, известный в области облучения исследуемого объекта пучками с разной энергией, состоит в использовании одного источника рентгеновского излучения и датчиков с разрешением по энергии фотонов, посредством чего энергия каждого рассеянного в обратном направлении фотона рентгеновского излучения характеризуется при его регистрации. В этом случае отношение R может быть определено как отношение измеренной интенсивности в диапазоне энергий с низкой средней энергией фотона к интенсивности в диапазоне энергий с высокой средней энергией фотона.
[0006] Может быть показано, что в каждом из предшествующих вариантов отношение R сильно зависит от расстояния от датчиков до облученного объекта и в несколько меньшей степени от формы облученного объекта. Это происходит потому, что энергия рассеянного в обратном направлении рентгеновского излучения сильно зависит от угла рассеяния, диапазон значений которого в этом случае определен телесным углом датчиков относительно точки рассеяния. Поскольку телесный угол зависит от расстояния D между датчиками и точкой рассеяния, отношение R также зависит от расстояния D. Кроме того, поскольку датчики, обычно, смещены на некоторое расстояние от плоскости пучка, количество покрывающего материала в объекте, через который должно пройти рассеянное излучение (от точки рассеяния до датчиков), также зависит от расстояния до объекта. Этот эффект весьма заметен, например, для плоского листа стали, где для падающего пучка с тормозной разностью потенциалов 225 кВ, средняя энергия рассеянного рентгеновского излучения, попадающего на датчики (смещение от оси луча составляет 12 дюймов) может претерпевать изменение от 72 кэВ при рассеянии от объекта, расположенного на расстоянии в несколько футов, до лишь 63 кэВ для объекта на расстоянии 10 футов. Это означает, что излучение, рассеянное от листа стали, расположенного рядом с датчиками, значительно жестче по сравнению с излучением, рассеянным от более отдаленного стального листа.
[0007] Зависимость отношения R от формы облученного объекта возникает вследствие переменной длины пути в объекте, через который рассеянное рентгеновское излучение должно пройти перед выходом из объекта и достижением датчиков. Например, это расстояние меньше для сферических объектов по сравнению с прямоугольными. Для объектов, содержащих материал с более высоким значением Z (который преимущественно поглощает рентгеновское излучение с более низкой энергией), это приводит к пониженному значению R для прямоугольных объектов по сравнению со сферическими.
[0008] Таким образом, фактически отсутствует надежный способ использования разрешения по энергии при обратном рассеянии рентгеновского излучения объектом для классификации объекта по атомному числу.
[0009] Общая концепция использования анализа рассеянного в обратном направлении рентгеновского излучения при разных энергиях для экранирования персонала, при котором происходит изменение во времени спектра энергий в исходном пучке рентгеновского излучения посредством использования периодически изменяемого фильтра, была описана в патенте США №7561666 (изобретатель Annis), включенном в настоящую заявку посредством ссылки, однако изобретение Annis ограничено случаем, при котором рассеивающий объект экранирован не промежуточным слоем, сильно ослабляющего излучение материала, а экранирован материалом с высоким значением Z, что обычно имеет место при экранировании материалов в металлическом чемодане или в транспортном средстве. При обычных значениях энергии рентгеновского излучения, на которых работают томографы, основанные на обратном рассеянии рентгеновского излучения, то есть 40-110 кэВ, классификация материалов по необходимости довольно грубая, причем все классифицируемые объекты попадают в какой-либо диапазон из только трех или четырех диапазонов значений атомного числа. Сюда могут входить органические материалы, алюминий, металлы (например, сталь или медь и т.д.) и материалы с высоким значением Z (например, свинец). Обычно, кроме того, относительная яркость сигнала обратного рассеяния уже способна обеспечивать адекватное различение этих категорий материалов для томографов, и основанное на различных энергиях разрешение сигнала обратного рассеяния является излишним.
[0010] Более полезной была бы возможность проведения различия между различными органическими материалами, например между тканями человеческого организма и взрывчатыми веществами. Однако при попытке достижения этого посредством способов, описанных Annis, энергия в конечной точке в диапазоне низких энергий должна быть очень малой (только приблизительно 30 кэВ или меньше), что делает применение этих способов проблематичным для приемлемого дли практического применения сканера тела вследствие высокого ослабления рентгеновского излучения в этом диапазоне энергий промежуточной одеждой между источником рентгеновского излучения и телом исследуемого человека.
[0011] Кроме того, идеи изобретения Annis нигде не обращаются к вопросу, лежат ли сильнорассеивающие объекты, например органические материалы, перед или позади сильноослабляющей структурной особенности, например листа материала с высоким значением Z, например стального кузова автомобиля.
[0012] Определение
При использовании в настоящем описании и в любых прилагаемых пунктах формулы изобретения термин «расположение», используемый в контексте материала в исследуемом объекте, должен иметь отношение к относительному расстоянию этого материала от отправного контрольного положения, например от источника основного облучающего пучка рентгеновского излучения.
Раскрытие изобретения
[0013] В соответствии с различными вариантами реализации настоящего изобретения предложены способы для получения характеристик областей в исследуемом объекте, в котором обеспечена возможность расположения рассеивающего материала с низким значением Z и материала с более высоким значением Z вдоль одной линии зрения. Эти способы включают следующие этапы:
a. сканирование исследуемого объекта проникающим излучением, испускаемым источником, характеризуемым распределением энергий;
b. регистрация проникающего излучения, рассеянного исследуемым объектом, путем создания сигнала первого датчика, различающего материалы с высоким и низким эффективным атомным числом при первом наборе условий относительно распределения энергий проникающего излучения;
c. регистрация проникающего излучения, рассеянного исследуемым объектом, путем создания сигнала второго датчика, различающего материалы с высоким и низким эффективным атомным числом при втором наборе условий относительно распределения энергий проникающего излучения;
d. создание разностного изображения на основании функции сигналов первого и второго датчиков и
e. определение расположения материалов с низким значением Z и высоким значением Z по одной линии зрения относительно источника на основании по меньшей мере созданного разностного изображения.
[0014] В соответствии с другими вариантами реализации настоящего изобретения сканирование исследуемого объекта проникающим излучением может включать последовательное сканирование исследуемого объекта проникающим излучением, характеризуемым первым распределением энергий и вторым распределением энергий. Кроме того, может быть выполнена операция определения относительного расположения области с низким атомным числом и области с высоким атомным числом в исследуемом объекте на основании по меньшей мере значений соответствующих областей в разностном изображении датчика, определение которых, при необходимости, полностью или частично основано на сегментации. Проникающее излучение, используемое в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, может представлять собой рентгеновское излучение.
[0015] В соответствии с альтернативными вариантами реализации настоящего изобретения может быть создана система для получения характеристик областей в исследуемом объекте. Система содержит источник проникающего излучения для создания пучка проникающего излучения и сканер для сканирования исследуемого объекта проникающим излучением. Система также содержит средства различения энергий для различения рассеянного проникающего излучения, зарегистрированного при первом наборе условий относительно распределения энергий рассеянного проникающего излучения, и рассеянного проникающего излучения, зарегистрированного при втором наборе условий относительно распределения энергий рассеянного проникающего излучения. Наконец, система содержит формирователь изображений для создания первого изображения на основании функции излучения, зарегистрированного при первом или втором наборе условий относительно распределения энергий, и формирователь разностных изображений для создания разностного изображения на основании функции излучения, зарегистрированного при первом наборе условий, и излучения, зарегистрированного при втором наборе условий относительно распределения энергий.
[0016] В других вариантах реализации настоящего изобретения средства различения энергий могут содержать первый датчик, характеризуемый первым распределением отклика в виде функции зарегистрированной энергии, и второй датчик, характеризуемый вторым распределением отклика в виде функции зарегистрированной энергии. Источник проникающего излучения может представлять собой рентгеновскую трубку.
[0017] В других вариантах реализации настоящего изобретения первый и второй датчики могут быть расположены на соответствующих сторонах источника проникающего излучения или в противном случае первый и второй датчики могут быть расположены на каждой стороне источника проникающего излучения.
Краткое описание чертежей
[0018] Описанные выше особенности настоящего изобретения будут более понятными при обращении к последующему подробному описанию изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
[0019] На фиг.1 схематически показана использующая несколько значений энергии система обратного рассеяния в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.
[0020] На фиг.2 показана блок-схема, отображающая последовательность операций по созданию изображения в рассеянном излучении в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения.
[0021] На фиг.3 показана блок-схема, отображающая последовательность операций по созданию изображения в рассеянном излучении в соответствии с другими вариантами реализации настоящего изобретения.
[0022] На фиг.4А показано обычное изображение обратного рассеяния при энергии 140 кэВ для испытательного фантома, выполненное посредством сцинтилляционного датчика на основе оксисульфида гадолиния (GOS). На фиг.4B показано разностное изображение, полученное посредством вычитания изображения обратного рассеяния для того же самого фантома, выполненного посредством сцинтилляционного датчика на основе фторзамещенного хлорида бария (BFC), из изображения, выполненного посредством сцинтилляционного датчика на основе оксисульфида гадолиния по фиг.4A.
[0023] На фиг.5A и 5B схематично показаны альтернативные конфигурации датчика рассеянного излучения в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.
[0024] На фиг.6 показано значение отношения неотфильтрованного сигнала к отфильтрованному сигналу датчика обратного рассеяния при рассеянии от пластика, расположенного позади стальной пластины с толщиной 1 мм и перед ней.
[0025] На фиг.7 показано изображение, полученное при обратном рассеянии рентгеновского излучения в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения и показывающее более высокую интенсивность рассеяния вследствие наличия органических элементов на внешней поверхности транспортного средства и наличия опасных органических элементов, спрятанных в транспортном средстве.
Подробное описание вариантов реализации изобретения
Определения:
[0026] В этом описании и в любых приложенных пунктах формулы изобретения термины «высокое атомное число Z» и «низкое атомное число Z» должны быть понимаемы относительно друг друга, то есть термин «высокое атомное число Z» относится к материалу или к линии зрения, характеризуемым некоторым значением эффективного атомного числа Z, превышающим значение этого числа для материала или линии зрения, упоминаемым в том же самом контексте как имеющие «низкое атомное число Z».
[0027] Для эвристического удобства величина «Z», если иначе не описано или не определено контекстом, означает «эффективное атомное число», характеризующее область неоднородного материала, содержащую несколько элементов. «Эффективное атомное число» равно среднему атомному числу, причем среднее представляет собой число, обычно используемое при описании взаимодействия вещества с рентгеновским излучением.
[0028] При использовании в этом описании и в приложенных пунктах формулы изобретения термин «изображение» означает любое многомерное представление, образованное в осязаемой или иной воспринимаемой форме или иначе, посредством чего скалярное значение некоторой характеристики связано с каждой точкой из множества точек, соответствующих пространственным координатам объекта в физическом пространстве, хотя не обязательно связано с ними взаимно однозначным способом. Примеры таких характеристик включают уровень сигнала датчика или скалярную функцию уровней сигнала датчика. Кроме того, например, изображение может представлять собой графическое отображение пространственного распределения некоторой характеристики, например атомного числа, в одном или нескольких цветах. Кроме того, таким изображением может быть массив чисел в машинной памяти или в голографической среде. Аналогичным образом «создание изображения» относится к воспроизведению установленной физической характеристики посредством одного или нескольких изображений.
[0029] При использовании в этом описании и в приложенных пунктах формулы изобретения термин «функция» в приложении к нескольким переменным использован в самом широком математическом смысле, включая линейные или нелинейные комбинации переменных, причем функция может быть представлена в аналитической форме или иным образом, быть непрерывной или иной, дифференцируемой или иной, или может быть получена из справочной таблицы. Функция нескольких переменных может не зависеть от одного или большего количества переменных.
[0030] При использовании в приложенных пунктах формулы изобретения связанный с пикселем термин «значение» должен иметь отношение к скалярному значению описанной величины или характеристики, к которой имеет отношение изображение. Таким образом, такое «значение» могло бы количественно представлять измеренную яркость сигнала рассеяния, связанного с этим пикселем, или это могло бы быть значение, представляющее собой функцию от одной или нескольких измеренных величин. «Значение» может также быть связано с областью или подобластью, причем в этом случае этот термин имеет отношение к значению, усредненному по пикселям изображения, связанного с этой областью или подобластью. Это среднее число может быть взвешенным средним числом, причем это среднее не ограничено средним арифметическим или любым конкретным типом среднего числа.
[0031] При использовании в этом описании и в приложенных пунктах формулы изобретения термин «разностное изображение» относится к изображению, полученному посредством комбинации результатов восприятия с использованием двух различных приемов, имеющих отношение к одному и тому же пространству изображения. Эта комбинация может быть получена посредством вычитания (с выполнением «чистого разностного изображения») или посредством другой формы линейной комбинации или иначе посредством нелинейной комбинации или комбинации любой разновидности величин, связанных соответственно с каждым вариантом считывания. Таким образом, например, справочная таблица может быть использована для создания разностного изображения, основанного на первом значении, связанном с конкретным пикселем, или областью пикселей, считываемых в ходе реализации первого способа, и на втором значении, связанном с соответствующим пикселем, или областью пикселей, считываемых в ходе реализации второго способа.
[0032] Хотя приведенное здесь описание относится для эвристического удобства лишь к «обратному рассеянию», следует иметь в виду, что описанные в настоящей заявке система и способы могут быть выполнены при рассеянии в любых, отличных от обратного, направлениях относительно направления распространения падающего пучка проникающего излучения. Использование описанных в настоящей заявке системы и способов в отношении рассеяния в любом направлении не выходит за пределы объема настоящего изобретения и любых приложенных к нему пунктов формулы изобретения.
[0033] Распределения энергий проникающего излучения могут быть обозначены здесь с точки зрения удобства обозначений посредством указания на их окончательную испущенную энергию фотона (часто называемую энергией фотона «в конечной точке»). Таким образом, например, рентгеновская трубка, испускающая тормозное излучение вследствие электронов, тормозимых потенциалом в 100 кВ, испускает рентгеновское излучение с энергией меньше 100 кэВ, и спектр испущенного излучения может быть охарактеризован здесь как «пучок с энергией 100 кэВ», а изображение зарегистрированного излучения, рассеянного от этого пучка, может быть названо как «изображение рассеянного пучка с энергией 100 кэВ».
Описание вариантов реализации изобретения
[0034] Хотя для удобства примеры реализации настоящего изобретения могут быть описаны здесь с точки зрения разрешения по энергии после взаимодействия проникающего излучения с исследуемым объектом (то есть используя датчики с разной чувствительностью к фотонам с разной энергией или датчики с разрешением по энергии), следует иметь в виду, что изменение спектра энергии падающего пучка или посредством изменения спектра лишь одного источника (например, посредством изменения энергии в конечной точке, или посредством фильтрации пучка или иначе), или посредством использования нескольких источников равнозначно в рамках настоящего изобретения.
[0035] Система в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения теперь показана со ссылками на фиг.1. Система обратного рассеяния с несколькими значениями энергии, обозначенная в целом позицией 100, использована для снятия характеристик исследуемого объекта 110, который может, например, быть транспортным средством или грузовым местом и т.д. Источник 102 проникающего излучения, например рентгеновская трубка, испускает проникающее излучение в виде пучка 106 посредством коллиматора 104, который также способен модулировать пучок 106 другими способами как во времени, так и по спектру. Пучок 106 падает на рассеивающийся материал 112 в исследуемом объекте 110 после прохождения материала 114 с высоким значением Z, который может, например, представлять собой стальной корпус транспортного средства. Иногда пучок 106 сначала падает, вдоль линии зрения, на материал 113 с низким значением Z, наложенный на материал 114 с высоким атомным числом Z. Взаимодействие с рассеивающим материалом 112 приводит к возникновению рассеянного проникающего излучения 116, часть которого перехватывает один или несколько датчиков 122a-122d рассеяния. Датчики рассеяния 122a-122d могут обладать различными спектральными чувствительностями, например датчики 122b и 122d могут предпочтительно регистрировать фотоны более высокой энергии, чем датчики 122а и 122c. Аналогичным образом наложенный материал 113 приводит к возникновению рассеянного в обратном направлении излучения 115, снова регистрируемого датчиками рассеяния 122a-122d. Следует иметь в виду, что все реальные материалы образуют комптоновское рассеяние фотонов, так что материал 114 с высоким значением Z также рассеивает. Однако вследствие пониженного самопоглощения рассеянного излучения в материале со значением Z именно этот материал с низким значением Z, например органический материал, образует более яркие (более интенсивные) сигналы рассеяния в практических ситуациях. Сигналы рассеяния, созданные датчиками рассеяния 122a-122d после регистрации рассеянного проникающего излучения 115 и 116, попадают на процессор 130, обрабатывающий сигналы, как дополнительно описано ниже, с получением изображений, которые могут быть выведены на экран, как также описано ниже.
[0036] В других описанных ниже вариантах реализации настоящего изобретения падающий пучок 106 проникающего излучения может иметь изменяющийся во времени спектр, например он способен иметь спектр с более высокой средней энергией во время части цикла, и спектр с более низкой средней энергией во время другой части цикла. Сигнал обратного рассеяния, связанный с датчиком с большей чувствительностью к высокой энергии, или непосредственно или посредством разделения по времени для переменного во времени источника, может быть назван «сигналом обратного рассеяния при высокой энергии», а зарегистрированное излучение, которому соответствует этот сигнал, может быть названо здесь «обратным рассеянием при высокой энергии». С учетом соответствующих различий сигнал обратного рассеяния, связанный с датчиком с большей чувствительностью к низкой энергии, или непосредственно или посредством разделения по времени для переменного во времени источника, может быть назван «сигналом обратного рассеяния при высокой энергии», а зарегистрированное излучение, которому соответствует этот сигнал, может быть названо здесь «обратным рассеянием при низкой энергии».
[0037] Значение отношения R интенсивности обратного рассеяния с низкой энергией к интенсивности обратного рассеяния с высокой энергией зависит не только от расстояния от датчиков до облученного объекта и формы объекта, но также сильно зависит от толщины и состава любого покрывающего материала, расположенного между облученным объектом 112 и источником 102 рентгеновского излучения и между объектом 112 и датчиками 122a-122d. Органические покрывающие материалы 113 обычно уменьшают интенсивность обратного рассеяния, приходящую от облученного объекта 112, хотя и оставляя значение R относительно неизменным. Однако покрывающие материалы 114 с высоким значением Z предпочтительно поглощают компоненты рассеянного излучения с низкой энергией, что приводит к пониженному значению R по сравнению со случаем отсутствия у облученного объекта покрывающего материала с высоким значением Z.
[0038] Вследствие этого последнего эффекта обратное рассеяние при двух значениях энергии (или обратное рассеяние при большем количестве значений энергии) обеспечивает возможность в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, определенной степени классификации материала в случае, при котором идентифицируемый объект первым облучен пучком рентгеновского излучения, а обратное рассеяние от облученного объекта способно достигнуть датчиков обратного рассеяния, не проходя ни через какое существенное количество покрывающего материала. Кроме того, предпочтительно, чтобы расстояние от объекта до датчиков обратного рассеяния и его положение относительно них были известными, так что R могло быть исправлено соответствующим образом. В рамках настоящего изобретения расстояние до датчиков и положение рассеивателя 112 относительно датчиков 122a-122d обратного рассеяния могут стать известными при использовании любых средств определения положения, включая, например, и без ограничений совместно проводимое пропускание рентгеновского излучения или получение изображения при рассеянии в боковом направлении, измерение импульсного рассеяния с разрешением по времени, анализ интенсивности рассеяния, получение изображения в диапазоне миллиметровых волн и т.д.
[0039] В большинстве приемлемых для практического применения вариантов обследования, при которых интересующие материалы скрыты в некоторой внешней оболочке 110 (например, чемодан или сторона транспортного средства), описанная выше неопределенность в значительной степени исключает возможность использования анализа обратного рассеяния при двух энергиях (или при большем количестве энергий) для идентификации материала. Исключения представляют собой случаи использования безоболочечных взрывчатых веществ в самодельных взрывных устройствах без затеняющего материала с высоким значением Z, или скрытия материалов под одеждой человека. В этом последнем случае одежда человека лишь слабо взаимодействует с пучком рентгеновского излучения, и скрытый материал обладает доминирующим влиянием на форму спектра обратного рассеяния, как описано в патенте США №7561666 (Annis).
[0040] Существует, однако, полностью отличное от других практическое применение, предоставляющее собой методику анализа обратного рассеяния по энергиям, дающее в соответствии с настоящим изобретением уникальную возможность, а именно возможность анализа обратного рассеяния при двух значениях энергии (или при большем количестве значений энергии), помогающего при сегментации и/или фильтрации особенностей в изображениях обратного рассеяния от транспортных средств или от других объектов, что, в свою очередь, позволяет автоматическим алгоритмам обнаружения угрозы более точно определять, какие особенности соответствуют угрожающим элементам в противоположность неопасным элементам.
[0041] Система обратного рассеяния, предназначенная, например, для досмотра персонала, описана в патенте США №7809109 (Mastronardi и др.), включенном в настоящую заявку посредством ссылки. Система обратного рассеяния, предназначенная для досмотра пакетов и багажа, описана в патенте США №7555099 (Rotschild и др.), включенном в настоящую заявку посредством ссылки. Система обратного рассеяния, предназначенная для досмотра транспортных средств, описана в патенте США №7593506 (Cason и др.), также включенном в настоящую заявку посредством ссылки. Конфигурации, описанные в любой из предшествующих систем, предоставляют собой анализ материала посредством обратного рассеяния при нескольких энергиях в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.
[0042] Угрожающие элементы могут быть распознаны оператором, для которого, как показано на фиг.4A и 7, изображения обратного рассеяния представлены на экране. Кроме того, алгоритмы пакета программного обеспечения «Operator Assist» (содействие оператору) могут быть использованы для автоматизации, полностью или частично, последовательности операций при идентификации угрожающих элементов. Пакет «Operator Assist» описан в докладе Ahmed и др.: «Историческое сопоставление транспортных средств посредством сканированных изображений рентгеновского излучения», представленном на конференции IEEE Worshop on Applications of Computer Vision, Кона, Гавайи, 5-7 января 2011 г., причем этот доклад включен в настоящую заявку посредством ссылки.
[0043] Способы и системы, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, могут быть эффективно использованы при досмотре, например, транспортных средств посредством обратного рассеяния рентгеновского излучения. Алгоритмы пакета «Operator Assist», выполняющие автоматический поиск угрожающих элементов в изображениях транспортного средства, должны определять, возникают ли более яркие части транспортного средства, показывающие повышенный уровень рассеяния вследствие наличия органических элементов 701 на внешней стороне транспортного средства (например, ручки дверей, поддерживающие структуры для внешних зеркал, пластмассовые декоративные накладки и т.д.), или вследствие органических угрожающих элементов 703, скрытых в транспортном средстве, как показано на фиг.7. При этом не может быть использована абсолютная яркость обратного рассеяния от исследуемой области, поскольку тонкие слои органических материалов на внешней стороне транспортного средства могут обеспечивать такую же яркость, как и более толстые угрожающие элементы в транспортном средстве.
[0044] При известном уровне техники различие между органическими элементами на внешней поверхности транспортного средства и такими элементами в транспортном средстве проводят на основании местоположения ярких областей относительно сегментированного изображения транспортного средства. Алгоритм сегментации разделяет изображение транспортного средства на области, представляющие собой двери транспортного средства, шины, окна и т.д. При попадании яркой части изображения внутрь этих сегментированных областей в ожидаемом положении (например, в ожидаемом месте нахождения ручек дверей в области дверей) она не будет распознана как угроза. Недостаток такого подхода состоит в необходимости учета большого разнообразия различных типов и марок транспортных средств и изменения местоположения и интенсивности ярких областей в обратном рассеянии.
[0045] В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения можно различать яркие участки изображения, соответствующие объектам на внешней поверхности стального кузова транспортного средства, и яркие участки внутри, не обращаясь к предыдущим предположениям о сегментации, а выясняя, вместо этого, указывает ли сопоставление изображения при использовании одного значения энергии фотона с разностным энергетическим изображением, что материал с низким значением Z расположен внутри, а не снаружи оболочки из материала с высоким значением Z. После идентификации материалов с низким значением Z вне транспортного средства можно затем предположить, что любая скрытая угроза на транспортном средстве будет размещена в стальном корпусе, что дает возможность алгоритму пакета «Operator Assist» игнорировать все те яркие участки транспортного средства, которые были идентифицированы как возникшие вследствие наличия объектов на внешней стороне. Это сильно упрощает алгоритм пакета «Operator Assist», ибо теперь следует рассматривать только те яркие участки изображения, которые были идентифицированы как возникшие от объектов, расположенных в транспортном средстве. При использовании сегментированного изображения транспортного средства остающиеся яркие части изображения могут быть сопоставлены с ожидаемыми положениями мягких объектов рассеивания, расположенных в кузове транспортного средства. В число таких объектов могли, например, входить водитель и несколько пассажиров, а также внутренние резервуары с текучей средой, например с жидкостью для мытья ветрового стекла. Отметим, что одно исключение для этого способа представляют собой угрожающие элементы, скрытые позади пластмассовых бамперов транспортных средств. В этом случае границы областей бампера могут быть определены на основе сегментированного изображения, и эти области могут затем быть проанализированы посредством другого алгоритма.
[0046] Способы, соответствующие вариантам реализации настоящего изобретения, теперь описаны со ссылками на блок-схемы по фиг.2 и 3. На фиг.2 показана последовательность операций, при которой операция 202 облучения объекта пучком рентгеновского излучения выполнена с, по существу, постоянным спектром. (Следует иметь в виду, что в рамках любого варианта реализации настоящего изобретения источник может быть модулирован по времени). На этапе 204 выполнена регистрация сигналов посредством нескольких датчиков рассеянного излучения или, таким образом, что один датчик предпочтительно регистрирует рассеяние с высокой энергией, а второй датчик предпочтительно регистрирует рассеяние с низкой энергией. На этапе 206 происходит расчет отношения сигналов обратного рассеяния, полученных для низкой и высокой энергий. Следует иметь в виду, что при использовании здесь термин «отношение» включает взвешенные или скорректированные отношения, логарифмические разности и т.д.
[0047] После расчета отношения величины сигнала рассеяния при низкой энергии к величине сигнала рассеяния при высокой энергии на этапе 208 происходит сравнение этого отношения с пороговым значением с целью определения, расположен ли облучаемый объект позади барьера с высоким значением Z или перед ним. Следует иметь в виду, что обратное отношение тоже может быть сравнено с пороговым значением. Отметим, что это отношение представляет собой лишь один пример сравнения двух сигналов обратного рассеяния, причем может быть использована любая функция этих двух сигналов, или линейная или нелинейная.
[0048] В предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения сравнение значения отношения R с пороговым значением происходит попиксельно в пределах изображения, обеспечивая возможность проведения определения для каждого пикселя изображения. Однако в реальных системах, используемых для досмотра транспортных средств, интенсивность рентгеновского излучения обычно недостаточна для обеспечения возможности расчета значения R для одиночного пикселя с необходимой точностью вследствие ограниченного числа рассеянных фотонов, которые могут быть зарегистрированы в течение времени интегрирования для одиночного пикселя. Поэтому может быть проанализирована подобласть изображения, содержащая много пикселей (например, область 10×10 пикселей), а значение R вычислено на основании суммированных сигналов обратного рассеяния от всех пикселей в подобласти.
[0049] В различных вариантах реализации настоящего изобретения пороговое значение, с которым сравнивают значение отношения R для определения того, расположен ли рассеиватель 112 с низким значением Z (показанный на фиг.1) за материалом 114 с высоким значением Z или перед ним, может быть определено на эмпирической основе и задано процессором 130 или может быть отрегулировано оператором или может быть вычислено (на этапе 210) в ходе досмотра на основании измерении или вычислении (этап 212) расстояния до рассеивателя 112.
[0050] Обратившись теперь к фиг.3, можно видеть блок-схему последовательности операций, напоминающую блок-схему по фиг.2, за исключением того, что в этом случае энергия в пучке рентгеновского излучения модулирована по времени (например, посредством изменения энергии фотона в конечной точке или посредством изменения фильтрации пучка) вместо использования разной чувствительности датчиков рассеяния к энергии.
Демонстрация работы в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения
[0051] Далее представлены результаты, основанные на испытаниях с получением изображения обратного рассеяния с двумя значениями энергии с использованием источника 102 рентгеновского излучения с одним значением энергии и пары датчиков 122a и 122c, расположенных с каждой стороны источника рентгеновского излучения. Один из используемых датчиков представляет собой сцинтилляционный датчик на основе фторзамещенного хлорида бария (BFC), причем k-край для бария расположен при 37,4 кэВ. Второй датчик представляет собой сцинтиллятор на основе оксисульфида гадолиния (GOS), причем k-край для гадолиния расположен при 50,2 кэВ. Таким образом, датчик на основе фторзамещенного хлорида бария более чувствителен при регистрации рентгеновского излучения с низким значением энергии, чем гадолиниевый датчик, и создает относительно более высокие сигналы регистрации при рассеянии от органических материалов, чем датчик на основе оксисульфида гадолиния, хотя датчик на основе фторзамещенного хлорида бария создает сравнительно более низкие сигналы, чем датчик на основе оксисульфида гадолиния, при рассеянии от материалов с высокими значениями атомного числа (металлов).
[0052] Разность откликов при регистрации датчиками на основе фторзамещенного хлорида бария и оксисульфида гадолиния можно видеть на фиг.4A и 4B. На фиг.4А показано изображение обратного рассеяния при энергии 140 кэВ, полученное посредством датчика на основе оксисульфида гадолиния, а на фиг.4B показано разностное (оксисульфид гадолиния - фторзамещенный хлорид бария) нормированное изображение обратного рассеяния от идентичных объектов. Сигналы от этих двух датчиков взяты с весом, так что органические области 402 в разностном изображении (фиг.4B) видны темными (в отличие от обычных изображений обратного рассеяния, где они представлены как яркие области 404). Это означает, что области 412 с высоким значением Z будут ярче в разностном изображении (фиг.4B), поскольку сигнал от датчика на основе фторзамещенного хлорида бария слабее сигнала от датчика на основе оксисульфида гадолиния для этих областей. Области открытого пластика и стали видны более темными и яркими соответственно в разностном изображении. Однако сахарные пакеты 422 в нижнем правом углу остались яркими в разностном изображении, поскольку они скрыты позади тонкой стальной пластины.
[0053] Таким образом, фиг.4A и 4B показывают оба случая применения описанного здесь обратного рассеяния, специфичного для данного значения энергии. Неспрятанные материалы или яркие 412 (указывая на материал с высоким значением Z) или темные 402 (указывая на материал с низким значением Z) на разностном изображении (фиг.4B), в зависимости от их атомного числа. Однако в соответствии с описанным здесь вторым вариантом использования обратного рассеяния, специфичного для данной энергии, органические материалы, скрытые позади стали (например, пакеты сахара 422 в нижнем правом углу на фиг.4А), также яркие на разностном изображении (фиг.4B). Сопоставление фиг.4A и 4B, например, позволяет определить, расположены ли органические материалы, относительно яркие на обычном изображении обратного рассеяния, позади (яркие на обоих изображениях) или перед (яркие на фиг.4A и темные на фиг.4B) стали или другого материала с высоким значением Z. Таким образом, расположение материала с низким значением Z относительно материала с высоким значением Z некоммутативно относительно его внешнего вида в комбинации изображения обратного рассеяния по фиг.4A и разностного изображения по фиг.4B.
[0054] Ниже со ссылками на фиг.5A и 5B описаны другие варианты реализации настоящего изобретения. В вариантах реализации в соответствии с обеими фигурами 5A и 5B источник 102 (показанный на фиг.1) расположен выше плоскости страницы, так что пучок 106 направлен к странице. На фиг.5A датчик обратного рассеяния 502, расположенный слева от источника 102 рентгеновского излучения, более чувствителен к обратному рассеянию при низкой энергии, чем второй датчик обратного рассеяния 504, расположенный справа от источника 102 рентгеновского излучения. В качестве примера такой ситуации можно использовать два датчика на основе фторозамещенного хлорида бария, причем правый датчик 504 содержит передний фильтр, через который рассеянное рентгеновское излучение должно пройти перед регистрацией. Обычными вариантами фильтра для источника рентгеновского излучения с тормозной разностью потенциалов в 225 кВ может быть железо толщиной 0,5 мм, олово толщиной 0,2 мм или медь толщиной 0,75 мм. Отношение R интенсивности нефильтрованного сигнала датчика к фильтрованному сигналу датчика может быть использовано для получения характеристик каждого пикселя в изображении обратного рассеяния.
[0055] Недостаток показанной на фиг.5A конфигурации датчика состоит в том, что интенсивности 115 и 116 рассеянных пучков (показанные на фиг.1), падающих на переднюю поверхность двух датчиков, могут быть весьма различными вследствие эффектов затенения или поглощения в сканируемом элементе (или объекте) 110. Например, форма объекта может быть такой, что рассеянное рентгеновское излучение должно проходить через большее количество покрывающего материал для попадания на левый (без фильтра) датчик 502, чем на правый (с фильтром) датчик 504. Это привело бы к меньшему значению отношения R, чем в противном случае, что, возможно, может приводить к неверному выводу о нахождении рассеивающего объекта 113 позади, а не впереди, стального объекта 114 с высоким значением Z.
[0056] Предпочтительная конфигурация датчика показана на фиг.5B. В этой конфигурации и датчик 514 с фильтром и датчик 512 без фильтра расположены с обеих сторон источника 102 рентгеновского излучения, что в значительной степени уменьшает воздействие любых эффектов затенения или поглощения, поскольку вышеупомянутые эффекты оказывают одинаковое воздействие на элементы датчика как с фильтром, так и без него.
[0057] Было проведено моделирование для пучка с тормозной разностью потенциалов в 225 кВ, воздействующего на пластиковые цели переменной толщины, расположенные позади стального листа толщиной 1 мм, на расстояниях от 1 до 7 футов. Датчики содержали фторзамещенный хлорид бария в конфигурации, показанной на фиг.5B, при наличии медного фильтра толщиной 0,75 мм на фильтруемых элементах датчика. Результаты показаны на фиг.6. Можно заметить, что при использовании порогового значения R=2,75 пиксели изображения, соответствующие рассеянию от пластика, расположенного перед стальным листом, могут быть отделены от пикселей, соответствующих рассеянию от непокрытой стали, или от органического материала, скрытого позади стального листа. Это подтверждает, например, что показанная на фиг.5 В геометрия датчика дает возможность ранее описанному и основанному на сегментации алгоритму пакета «Operator Assist» сортировать яркие области изображения на области, отображающие элементы, внутренние относительно стального корпуса транспортного средства, и области, отображающие элементы, внешние относительно этого стального корпуса.
[0058] Описанные варианты реализации настоящего изобретения представляют собой лишь примеры, причем многочисленные вариации и модификации очевидны для специалистов в данной области техники. Все такие вариации и модификации не должны выходить за пределы объема настоящего изобретения, определенного в приложенных пунктах формулы изобретения.
[0059] При включении в представленные в настоящей заявке примеры конкретных комбинаций операций способа или элементов системы совершенно понятно, что эти операции и эти элементы могут быть скомбинированы по-другому для достижения той же самой цели при досмотре рентгеновским излучением. Кроме того, отдельные элементы системы могут удовлетворять требованиям отдельно выраженных элементов формулы изобретения. Описанные здесь варианты реализации настоящего изобретения предназначены быть просто примерами; вариации и модификации ясны специалистам в данной области техники. Все такие вариации и модификации не должны выходить за пределы объема настоящего изобретения, определенного в приложенных пунктах формулы изобретения.