關于材料的非侵入性鑒別的方法和設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種存取與用于不同材料的多個模型有關的信息以及可行性標準的控制電路，所述控制電路通過以下方式來處理物體的成像信息(例如由非侵入性成像設備提供)以利于鑒別構成所述物體的材料：使用所述多個模型來根據成像信息的部分鑒別候選材料，并且然后使用所述可行性標準，通過避開至少一種不太可能的材料和材料組合來減少所述候選材料，從而產生有用的材料鑒別信息。
【專利說明】關于材料的非侵入性鑒別的方法和設備
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是2011年10月20日提交的美國專利申請?zhí)?3/277，833的繼續(xù)申請(continuation)并且要求所述申請的權益,所述申請的內容以在此引用方式全部并入本文。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明總體上涉及材料的鑒別，并且更具體地說涉及通過使用非侵入性成像方法的材料鑒別。
【背景技術】
[0004]使用穿透能量(如X射線等)來捕獲給定物體的輻射檢測視圖在本領域中是熟知的。這種輻射檢測視圖經常包含具有隨著密度、路徑長度和/或構成正被成像的物體的構成材料的組成的變化而相對變暗或變亮(或另外相對彼此成對比)的區(qū)段的圖像。這進而可以用于提供另外目測檢測被遮蔽的物體的視圖。
[0005]輻射檢測視圖的使用存在無數應用。然而，在至少一些應用設置中，僅僅確定遮蔽物體的存在或形狀可能并不足以解決所有附帶需求。在安全應用設置中，例如，存在嚴重安全問題的物體可以與其它完全無害的物體共享一個相同的形狀。在此類物體的密度相似的情況下，可能無法從此類數據中辨別哪個構成威脅以及哪個不構成威脅。類似的問題會出現在一些模態(tài)下:在兩個物體的密度和路徑長度乘積大致相同，而它們由不同材料形成的情況下。作為在這方面的簡單說明，三英寸厚的鋼片使用射線照相術可能看起來與1.75英寸厚的鉛片大致相同，雖然這兩種材料具有顯著不同的密度。
[0006]現有技術建議不同的材料可以通過使用兩種不同的基函數(即，用于使一個類別的給定成員代表(精確地或近似地)作為其加權和的函數)來區(qū)分彼此。在這些方面的具體實例建議使用與軟組織和骨空間有關的信息作為二維方法來同樣代表其它材料。雖然可用于幫助區(qū)分一些材料與少量選擇性的其它材料，但是問題空間的度量會推翻這種方法。例如，假設95個(左右)潛在目標元素，那么應根據假設采用95個(左右)相應的基函數來得到真正強健的機制，用以明確地鑒別所有95個(左右)元素。然而，適應這種需求會要求過量的處理時間和/或處理資源。

【發(fā)明內容】
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]以上需求至少部分通過提供下文詳細描述中描述的與材料的非侵入性鑒別有關的方法和設備，尤其是在結合附圖進行研究時得到滿足，其中:
[0008]圖1包含一系列圖；
[0009]圖2包含一系列圖；[0010]圖3包含一系列圖；
[0011]圖4包含一系列圖；以及
[0012]圖5包含根據本發(fā)明的不同實施方案配置的方塊圖。
[0013]附圖中的元件出于簡單和清楚起見而說明并且不必按比例繪制。例如，附圖中的一些元件的尺寸和/或相對位置相對于其它元件來說可能被夸大來幫助改進對本發(fā)明的不同實施方案的理解。而且，在商業(yè)可行實施方案中有用或必要的通用但容易理解的元件通常不進行描繪，以便于幫助減少對本發(fā)明的這些不同實施方案的視圖的阻擋。某些行為和/或步驟可以特定的發(fā)生順序來描述或描繪，而本領域技術人員將理解實際上并不要求相對于順序來說的這種特定性。本文使用的術語和表達具有普通的技術含義，就像上文闡述由本【技術領域】技術人員賦予此類術語和表達的含義一樣，除非本文另外闡述了不同的具體意義。
【具體實施方式】
[0014]一般來說，根據這些不同的實施方案，控制電路存取與用于不同材料的多個模型有關的信息以及可行性標準，所述控制電路通過以下方式來處理物體的成像信息(例如由非侵入性成像設備提供)以利于鑒別構成所述物體的材料:使用所述多個模型來根據成像信息的部分來鑒別候選材料并且然后使用可行性標準，通過避開至少一種不太可能的材料和/或材料組合來減少所述候選材料，從而產生有用的材料鑒別信息。
[0015]通過一種方法，上述非侵入性成像設備包括使用不同的成像模態(tài)(包括例如有源X射線成像和無源輻射監(jiān)測兩者；或作為另一個實例，計算斷層照相術和磁共振成像兩者)來產生所述物體的重疊部分的多個圖像的多模態(tài)設備。通過另一種方法，上述非侵入性成像設備包括使用多個光譜波道的單模態(tài)設備(包括例如用多種能量的X射線成像)。通過又另一種方法，上述非侵入性成·像設備包括其中一種或多種模態(tài)使用多個光譜波道的多模態(tài)設備(例如，無源輻射監(jiān)測和多能量有源X射線成像兩者)。(如本文所使用，對“光譜波道”的這種參考將被理解成包括允許光源光譜、外部光譜修正(通過過濾等)以及檢測器響應特征的任何選擇或組合的有源成像模態(tài)。用于無源成像模態(tài)的光譜波道例如可以是外部光譜修正和檢測器響應特征的組合。)
[0016]通過一種方法，上述多個模型包括多個材料成像模型,每個材料成像模型提供針對特定模態(tài)和特定光譜波道應呈現的多種不同材料的成像信息的預測結果。通過一種方法，這些材料通過各自對應于不同基函數的多個值來描述。
[0017]通過一種方法，這些基函數可以包含基礎材料。在存在一些類別的材料(例如)以及一些成像任務的情況下，一組材料(真實或虛擬)形成那種類別的基礎，如果那種類別材料成員中的任何材料可以表示為取自所述組的材料的加權和的話。更具體來說，針對與成像任務相關的任何材料特性，所述類別材料成員中材料的那種特性可以代表(精確地或近似地)作為取自那組的材料的那種特性的加權組合(通常是和)，其中相同的權重(或相同權重的函數)用于所有的特性?！疤匦浴笨梢砸庵笜肆繑?如原子量)或更復雜的函數或曲線(如能量相關衰減曲線)。通過說明并且不意圖在這些方面具有任何限制，這可以包括使用四個值，每個值用于四種不同基礎材料中的每種基礎材料。
[0018]通過一種方法，上述基礎材料中的一種或多種基礎材料對應于一種假想的材料(即，包含數學構造，在真實世界中不物理地存在(并且類似地無法物理地存在)的“材料”)。作為在這些方面的一個說明性實例，在真實世界材料僅可允許正特性時，至少一種這種基礎材料可適應負特性。
[0019]上述可行性標準可以包括(例如并且至少部分)與物理上不可能的材料和/或在至少一種其它特定材料不存在的情況下不太可能存在的材料有關的限制條件。通過另一種方法，替代上文或與其結合，可行性標準可以至少部分包括將材料鑒別信息的多個部分(例如像彼此相鄰的部分)限制成彼此相似(直到并且包括單個圖像像素)。
[0020]經過如此配置，通過可獲得非侵入性成像設備提供的圖像可以明顯利用來促進鑒別多種多樣材料中的任何材料，而使用比可能另外預期少得多的計算能力和資源。通過一種方法，僅四種或五種基礎材料的使用在許多富有挑戰(zhàn)性的應用設置中基本上容許可靠地區(qū)分任何可合理獲得的元素。(如本文所使用，對“鑒別”的這種參考將被理解成包括具體地且分類型地確定確切材料以及僅使存疑材料的范圍縮小至小范圍的候選材料(如，小范圍的周期表)的材料區(qū)分)。還有可能這種鑒別事實上并未鑒別出單獨的原樣候選材料，而是鑒別出(例如)一系列材料的可能性。例如，這種鑒別可能包括以下結論:90%的存疑材料來自于Z=24 ( 即，鉻)至Z=30 (即，鋅)，而未指定這種材料范圍的每個或任一個的相對
fio )
[0021]在對下文詳細描述進行徹底回顧和研究之后，這些和其它益處可以變得更清楚。與這些教導中的許多相一致的說明性過程現將更詳細地呈現。將理解的是，鑒于下文描述的特殊性，不意圖具有特殊限制性。
[0022]每個元素與X射線相互作用的方式可以具有的特征在于元素的質量衰減曲線μ z(E)，其中Z是元素的原子序數并且E是能量。這些衰減曲線是熟知的并且公布(例如)在NIST XCOM數據庫中?；衔锏乃p曲線通過構成元素的衰減曲線的加權和來非常近似地逼近。也就是說，水具有與(H的2*相對權重)* μ H(E) +(O的相對權重Rytj(E)非常接近成比例的μ-(E)。材料的混·合物也趨向于遵循這種線性和規(guī)則。對于投影模態(tài)(即，沿著一些射線投影物體的模態(tài)，如X射線射線照相術)，遮蔽物體也趨向于遵循類似的線性和規(guī)則。例如，在射線照相術中，成像系統實際上對P XtXyz(E)敏感，其中P是密度并且t是路徑長度。因此，例如，對于位于鋼體后方的水體來說，檢測器響應于P #Xt水X μΗ20(Ε) + Ρ鋼Xt鋼X μ鋼(E)，其中μ H20(E)和μ鋼(E)自身是可以表示為加權和的復式(compound)。
[0023]通過一種方法，本發(fā)明涵蓋設計一小組基函數A并且通過相對低維矢量c來描述每種材料，其中
【權利要求】
1.一種設備，包括: 非侵入性成像設備，具有至少一個模態(tài)，所述至少一個模態(tài)具有至少一個光譜波道； 存儲器，所述存儲器已經在其中存儲: -用于不同材料的多個模型； -可行性標準； 控制電路，可操作地耦合到所述非侵入性成像設備和所述存儲器，并且被配置為通過以下方式處理由所述非侵入性成像設備提供的物體的成像信息，以利于鑒別構成所述物體的材料: -使用所述多個模型來鑒別用于所述成像信息的部分的候選材料； -使用所述可行性標準，通過避開至少一種不太可能的材料或材料組合來減少所述候選材料，以便產生材料鑒別信息。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述非侵入性成像設備包括多光譜設備，所述多光譜設備使用不同的光譜波道來產生所述物體的重疊部分的多個圖像。
3.根據權利要求1所述的設備，其中所述多個模型包括多個材料成像模型，所述多個材料成像模型各自提供所述成像信息針對特定模態(tài)和特定光譜波道應呈現的多種不同材料 的預測結果。
4.根據權利要求3所述的設備，其中所述材料通過各自對應于不同基函數的多個值來描述。
5.根據權利要求4所述的設備，其中所述多個值包括四個值，每個值用于四個不同基函數中的每個基函數。
6.根據權利要求4所述的設備，其中所述不同基函數中的至少一個基函數對應于假想的材料。
7.根據權利要求4所述的設備，其中所述不同基函數中的至少一個基函數將適應正系數和負系數兩者。
8.根據權利要求1所述的設備，其中所述可行性標準至少部分地包括與在至少一種其它特定材料不存在的情況下不太可能存在的材料有關的限制條件。
9.根據權利要求1所述的設備，其中所述可行性標準至少部分地包括與物理上不可能的材料有關的限制條件。
10.根據權利要求1所述的設備，其中所述材料鑒別信息的所述部分包括所述材料鑒別信息的像素。
11.根據權利要求1所述的設備，其中所述可行性標準至少部分地包括將所述材料鑒別信息的多個部分限制成彼此相似。
12.根據權利要求11所述的設備，其中所述成像信息的其它部分至少包括所述材料鑒別信息的彼此相鄰的部分。
13.根據權利要求11所述的設備，其中將所述材料鑒別信息的多個部分限制成彼此相似包括使用與矢量值、矢量幅度和矢量方向中的至少一項有關的相似性限制條件。
14.根據權利要求1所述的設備，其中所述控制電路被進一步配置為: 通過從第二材料描述符減去第一材料描述符以恢復隱藏在由所述第一材料組成的物體后方的物體的材料描述符，來實現虛擬層去除。
15.根據權利要求1所述的設備，其中所述控制電路被進一步配置為: 通過經由成像模型饋入真實或虛擬模態(tài)和真實或虛擬光帶的所述材料鑒別信息，來形成所述真實或虛擬模態(tài)的所述真實或虛擬光帶的虛擬圖像。
16.—種方法,包括: 在控制電路處: 使用用于不同材料的多個模型來鑒別用于由非侵入性成像設備提供的成像信息的部分的候選材料； 使用可行性標準，通過避開至少一種不太可能的材料或材料組合來減少所述候選材料，以便產生材料鑒別信息。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述多個模型包括多個材料成像模型，所述多個材料成像模型各自提供所述成像信息針對特定模態(tài)和特定光譜波道應呈現的多種不同材料的預測結果。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述材料通過各自對應于不同基函數的多個值來描述。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述多個值由四個值組成，每個值用于四個不同基函數中的每個基函數。
20.根據權利要求18所述的方法，其中所述不同基函數中的至少一個基函數對應于假想的材料。
21.根據權利要求16所述`的方法，其中所述可行性標準至少部分地包括與物理上不可能的材料有關的限制條件。
22.根據權利要求16所述的方法，其中所述材料鑒別信息的所述部分包括所述材料鑒別信息的像素。
23.根據權利要求16所述的方法，其中所述可行性標準至少部分地包括將所述材料鑒別信息的多個部分限制成彼此相似。
【文檔編號】A61B6/00GK103874463SQ201280050794
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年10月22日 優(yōu)先權日:2011年10月20日
【發(fā)明者】K·M·霍爾特 申請人:瓦里安醫(yī)療系統公司