專利名稱：利用表面法線探測ct目標的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及計算機層析X-射線攝影(CT)掃描儀，并特別涉及應用CT技術的行李掃描系統(tǒng)。
背景技術：
眾所周知，在將行李裝上飛機之前，可以采用多種X-射線行李掃描系統(tǒng)對行李進行檢測，以探測行李或箱子中易爆物和其它違禁物品的存在。測量物體密度的常用技術是用X-射線照射物體，并測量物體所吸收的輻射，所吸收輻射的大小可以相應地指示出物體的密度。由于許多易爆物的一個特征是，它們處在與可在行李中發(fā)現(xiàn)的其它物品不同的密度范圍內，因此，適合采用X-射線裝置對易爆物進行探測。
目前采用的多數(shù)X-射線行李掃描系統(tǒng)為“線掃描儀”型，它包括一個固定的X-射線源，一個固定的線探測器陣列，以及一個在行李通過掃描儀時、用以在X-射線源和探測器陣列之間傳輸行李的輸送帶。X-射線源產生一個X-射線束，該X-射線束穿過行李，部分地被行李所衰減，以及隨后被探測器陣列所接收。在每一個測量間隔期間，探測器陣列產生代表X-射線束所穿過的行李平面區(qū)段密度的積分數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)被用于形成一個二維圖像的一個或多個光柵線。在輸送帶傳輸行李通過靜止的X-射線源和探測器陣列時，掃描儀產生代表行李密度的二維圖像。通常，該密度圖像由操作人員顯示，以用于分析。
已知，采用雙重能量的X-射線源技術可以提供除了密度以外的關于物體化學性質的其它信息。使用雙重能量X-射線源的技術包括測量物體對兩種不同能量水平的X-射線的吸收特性。這些測量除了可以指示出物體的密度外，還可以指示出物體的原子序數(shù)。例如，在Alvarez，Robin等人的“X-射線計算機斷層攝影技術中的能量選擇圖像重構”(Phys.Med.Biol.1976，Vol.21，No.5,733-744)以及美國專利No.5,132,998中，分別描述了這種關于X-射線CT圖像的能量選擇圖像重構的雙重能量X-射線技術。
這種雙重能量技術的一種推薦用途是用作行李掃描儀，以用于探測行李中易爆物的存在。易爆物的一個普遍特點是，其原子序數(shù)處在一個已知范圍內，從而適合于采用雙重能量X-射線源進行探測。在題為“改進的雙重能量電源”(Attorney Docket No.ANA-094)的待批美國專利申請系列No.08/671,202中，描述了一種這樣的雙重能量源，該專利被轉讓給了與本發(fā)明相同的受讓人，并在這里全部引入作為參考。
塑料易爆物由于其可塑性以及可以制成難于探測的幾何形狀，從而給行李掃描系統(tǒng)提出了一個特別的挑戰(zhàn)。大多數(shù)能夠顯著危害一架飛機的易爆物的重量至少為1磅，并且其長、寬和高也足夠大，從而無論易爆物在行李中的取向如何，都可以很容易地被X-射線掃描系統(tǒng)探測到。然而，一個足以危害一架飛機的塑料易爆物可以制成在一個方向上的尺寸極小、而在另外兩個方向上的尺寸相對較大的相對薄的薄片。由于難于在圖像中看到易爆物(特別是當物體被放置成薄片在通過系統(tǒng)時平行于X-射線束的方向時)，因此，探測塑料易爆物可能是困難的。
因此，對可疑行李的探測需要特別專心的操作人員。這種對注意力的特殊需求將會導致操作人員極度疲勞，而疲勞以及任何注意力的分散都有可能導致可疑的行李袋通過系統(tǒng)而未被探測到。
因此，為設計出一種更好的行李掃描儀，已經作出了大量的努力。例如，在美國專利Nos.4,759,047(Donges等人)；4,884,289(Glockmann等人)；5,132,988(Tsutsui等人)；5,182,764(Peschmann等人)；5,247,561(Kotowski)；5,319,547(Krug等人)；5,367,552(Peschmann等人)；5,490,218(Krug等人)以及德國專利DE 31 503 06 A1(HeimannGmbH)中，分別描述了類似的設計。
如在美國專利Nos.5,182,764(Peschmann等人)和5,367,522(Peschmann等人)(以下稱‘764和’552號專利)中所描述的那樣，這些設計中的至少一種已經被商業(yè)開發(fā)，并在以下稱之為“無幻影機械”(Invision Machine)。該無幻影機械包括一個第三代類型的CT掃描儀，該掃描儀通常包括有分別緊固在一個環(huán)形臺或盤中沿直徑方向的相對兩側上的一個X-射線源和一個X-射線探測器系統(tǒng)。所述盤可旋轉地安裝在一個機架支撐件內，從而在X-射線從X-射線源開始穿過放置在盤的開口內的物體而到達探測器系統(tǒng)的同時，盤可以在操作中連續(xù)地繞一個旋轉軸旋轉。
探測器系統(tǒng)可以包括一個線性探測器陣列，其布置成以一圓弧狀排列成一個單一序列，圓弧的曲率中心位于X-射線源的焦點(即位于X-射線源內且X-射線從其發(fā)出的點)處。X-射線源產生一個由焦點發(fā)出的X-射線扇形射線束或扇束，其穿過一個平面影像場，然后被探測器所接收。CT掃描儀包括一個由X，Y和Z軸所定義的坐標系，其中，當盤繞旋轉軸旋轉時，各坐標軸在盤的旋轉中心處彼此相交并相互垂直。該旋轉中心通常稱為“等中心”。Z軸由旋轉軸確定，而X和Y軸則由平面影像場所確定，并位于其中。因此，扇形束被定義為在點源(即焦點)和受到X-射線束照射的探測器陣列的探測器接收表面之間所確定的空間體積。由于探測器線性陣列的接收面在Z-軸方向上的尺寸相對較小，因此扇形束在該方向上相對較薄。每個探測器產生一個代表投射到探測器上的X-射線強度的輸出信號。由于X-射線被其路途上的所有物質部分地削弱，因此每個探測器所產生的輸出信號代表了放置在X-射線源和該探測器之間的影像場內所有物質的密度。
隨著盤的旋轉，探測器陣列被周期性地采樣，在每個測量間隔中，探測器陣列中的每個探測器產生一個代表在該間隔中被掃描物體的一部分的密度的輸出信號。在任一測量間隔中，一個單一序列探測器陣列中所有探測器產生的所有輸出信號的集合稱為一個“投影”，而在投影產生時，盤的角方位(和X-射線源和探測器陣列的相應角方位)稱為“投影角”。在每個投影角位置上，被稱為“射線”的由焦點到每個探測器的X-射線路徑在橫截面上從一個點源開始到探測器的接收表面區(qū)域逐漸增加，由于探測器接收表面的面積大于射線所穿過的物體的任何橫截面的面積，因此，其被視為是放大了的密度測量結果。
當盤環(huán)繞著被掃描的物體旋轉時，對應于多個投影角，掃描儀產生多個投影。利用公知算法，可以由在每個投影角位置上收集的所有投影數(shù)據(jù)產生一個目標物體的CT圖像。該CT圖像代表了物體的一個二維“切片”的密度，該切片在盤旋轉通過不同的投影角時被扇形束所穿過。CT圖像的分辨率部分地取決于扇形束平面內每個探測器接收表面區(qū)域的寬度，在這里，探測器的寬度被定義為在與扇形束的寬度方向相同的方向上所測量到尺寸，而探測器的長度在這里被定義為沿平行于掃描儀旋轉軸或Z-軸而垂直于扇形束的方向上所測量到的尺寸。
行李掃描儀的一個重要的設計依據(jù)是掃描儀掃描行李物品的速度。作為任一主要機場的實用設備，行李掃描儀應能以很快的速度(例如，約為每小時七百件行李包或更快一些)掃描大量的行李包。為達到這一速度，掃描儀必須以約每5秒鐘掃描一個平均尺寸的行李包或再小一些的速度進行掃描。因此，無幻影機器存在的一個問題在于，′764和′552號專利中所描述的類型的掃描儀需要用相對較長的時間(例如，盤旋轉一圈需要約0.6到2.0秒)來產生一個單片CT圖像的數(shù)據(jù)。此外，對于每個圖像來說，穿過行李包的射線束切片越薄，圖像的分辨率越好，因此，為探測到僅為幾個毫米厚的塑料易爆物，CT掃描儀應提供具有足夠高的分辨率的圖像。如果產生每個切片CT圖像的數(shù)據(jù)需要0.6到2.0秒，假定行李包的平均長度約為70cm，那么，在所希望的每小時通過700個行李包的情況下，由于行李包必須移動和在每個掃描位置上停止，一個傳統(tǒng)的CT行李掃描儀僅能為每個行李包產生平均約二到三個CT圖像。顯然，在分配給一個合理的快速通過量的規(guī)定時間內，不能對整個行李包進行掃描。對每個行李包僅能產生二到三個CT圖像將會留下多數(shù)物品未被掃描，從而不能提供精確或完整的掃描。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種行李掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)基本上克服了已有技術中的缺點。本發(fā)明的行李掃描系統(tǒng)能夠在行李傳輸通過掃描儀時，不需要操作人員的干預，每小時約能掃描七百個行李包。
一方面，本發(fā)明提供了CT掃描儀中的一種裝置和方法，通過使掃描儀的數(shù)據(jù)重構窗口適應于每個被掃描物體(例如每件行李)的尺寸，從而大大提高了掃描儀的通過量。在這一方面，本發(fā)明使重構窗口適應于掃描儀視場內行李包的大小和位置，該重構窗口確定了由掃描數(shù)據(jù)進行重構、以產生一個圖像的像素的數(shù)目。CT機掃描視場，以產生通過掃描儀的物體的掃描數(shù)據(jù)。物體在視場內的大小及其位置被確定。利用目標物體的大小和位置，視場中的兩部分像素被標識出來。第一部分像素被重構，以產生目標物體的圖像，而被標識的第二部分像素是不必重構的。
因此，在本發(fā)明的這一方面，僅對那些提供了關于被掃描的行李包的信息的像素(即第一部分像素)在圖像重構時進行處理。那些與行李包無關的像素(即第二部分像素)不予重構。無關的像素可能包括那些位于行李包輸送系統(tǒng)下面的部位，以及鄰近和位于行李包上方的部位。通過有效地舍棄那些不提供涉及行李包信息的像素，重構時的處理量明顯地減少了，從而縮短了重構時間，以及提高了行李包的掃描通過量。
在一個實施例中，視場中的行李包的大小和位置可通過探測行李包的邊界予以確定。這可利用現(xiàn)有技術中所熟知的邊界定位方法，通過分析掃描數(shù)據(jù)來確定物體邊界而得以實現(xiàn)。在一個實施例中，對平行的投影數(shù)據(jù)進行分析以確定邊界。在另一個實施例中，掃描儀包括一個獨立傳感器，用以探測行李包的邊界。該傳感器可以是一個聲學傳感器，諸如一個高頻超聲波范圍的探測器，或者可以是一個光學傳感器，其可以包括一個或多個光學設備諸如激光，發(fā)光二極管，或紅外探測器。這些方法的任何一個返回表示行李包邊界的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用以指示行李包的中心，以及從而指示出其在掃描儀視場中的位置。
在一個實施例中，被標識為與行李包無關的像素不予重構，而所有與行李包有關的像素被重構，以產生行李包的完整圖像。這一方法可以為每個行李包提供完整的圖像(無論其尺寸大小如何)，并得到提高了的掃描通過量。然而，由于行李包的尺寸變化范圍很廣，因此，其處理量以及行李包的通過量是難于監(jiān)視和控制的?？赡艽嬖谶@樣的情況，即行李包的通過量可以減少，例如掃描儀要連續(xù)地處理大批特殊的大行李包時。于是，在另一個實施例中，為重構窗口的總體尺寸設定了一個上限。通過設定一個將被重構的最大像素數(shù)目可以做到這一點。該最大像素窗口能夠適應行李包的確定大小、位置和體積，從而在預先設定的像素重構范圍內，可以產生盡可能好的行李包圖像。這一方法在產生行李包的有效圖像的同時，可以確保將行李包的掃描通過量維持在一個可控制的水平上。
通過從圖像重構處理過程中略去與所分析的行李包無關的像素，本發(fā)明的適應性重構窗口提供了明顯的優(yōu)越性。例如，消除了明顯不必要的數(shù)據(jù)處理過程，從而縮短了重構時間，并根據(jù)繁忙的商用機場對行李包通過量的要求，增加了行李包的通過量。
在另一方面，本發(fā)明提供一種系統(tǒng)和方法，用以在一個CT系統(tǒng)中實施校準或“空”掃描，以根據(jù)個別探測器中響應的變化對系統(tǒng)進行校定。由于通常難于從行李掃描儀的視場中移去障礙物(如輸送機系統(tǒng))，因此難于按照在傳統(tǒng)CT機上進行空掃描的相同方式很容易地實施空掃描。本發(fā)明的掃描儀在實現(xiàn)空校準掃描的同時，對存在于視場中的障礙物可以進行補償。
在一個實施例中，校準是通過首先在障礙物存在于視場中的情況下進行一次視場掃描、并采集出一整組數(shù)據(jù)的方式進行的。設定一個校準閾值，以及對每個探測器選擇出超出閾值的視域數(shù)據(jù)，用以計算該探測器的校準偏離值。低于閾值的值被舍棄。在一個實施例中，閾值設定得足夠高，從而可以得出超過閩值的任何數(shù)據(jù)值都是沒有穿過視場中障礙物的放射線的結論，于是，其可以適當?shù)赜糜诳招省τ诿總€探測器，來自未受阻視域中的被選擇數(shù)據(jù)值可用于為該探測器計算出空校準值。在一個實施例中，取所選擇的值的平均值，以計算空校準值。于是，空校準值在隨后的實際物體掃描中作為一個標準，以對探測器之間的響應變化進行補償。
通過將空掃描校準數(shù)據(jù)施加于一閾值上，可以識別出與未受阻射線路徑有關的數(shù)據(jù)。這使得空校準可以在不從視場中移去障礙物的情況下進行。這一點在行李掃描儀中特別重要，因為，在行李掃描儀中，掃描連續(xù)地進行，因此導致從視場中移去障礙物(如輸送器)以在行李包之間進行空掃描是極其困難的。然而，這一方法在醫(yī)用CT領域也是十分有利的。雖然在一定程度上，從一個醫(yī)用CT掃描機中移去一個患者平臺比從行李掃描儀中移去輸送器較為方便，但是，不必移去患者平臺即可進行醫(yī)用CT空掃描對醫(yī)用CT也將是一種顯著的改善。因此，本發(fā)明的空掃描在醫(yī)用CT領域提供了很大的優(yōu)越性。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種方法和裝置，用于從三維空間中一個物體的CT圖像數(shù)據(jù)中識別出一個例如片狀物的目標物體。眾所周知，塑料易爆物可制成薄片形狀，因為易爆物薄片的厚度可能小于傳統(tǒng)CT掃描儀的分辨率，由此這種片狀易爆物采用傳統(tǒng)的CT技術是難于探測到的。在本發(fā)明中，可對一個目標物體的圖像數(shù)據(jù)進行分析，以確定目標物體的形狀是否為一個片狀物，以及是否可能是一個塑料易爆物。
在本發(fā)明的裝置和方法中，通過分析目標物體表面附近的圖像數(shù)據(jù)，可以分析出目標物體是否為一個片狀物。所分析的目標物體在三維空間中由其邊界或表面所確定。在沿著目標物體表面諸點的每一個點上，計算出一個表面法線，并被投射返回到目標物體中。在沿著由表面法線投射返回的線中的許多點上，可以形成目標物體的CT數(shù)據(jù)，并得到目標物體的密度?？梢圆捎脙炔宸ㄓ嬎愠雒總€點上的數(shù)據(jù)。設定進入目標物體的一個最大距離，并產生直到最大距離處的密度。將最大距離選擇為大于片狀物預期的最大厚度。
在產生所有密度之后，對于每個法線，產生一個進入目標物體的距離，在該距離處密度發(fā)生衰減。通常，如果密度在小于最大距離處衰減，則該密度測量結果可能表示有一個薄的目標物體存在，它可能是一個片狀物。而當直到最大距離處仍沒有可感知的衰減發(fā)生時，則表明目標物體比一個片狀物厚。
計算出的衰減距離可以被編輯成一個分布圖，例如一個條形圖(histogram)。隨后，可以對該條形圖進行分析，以確定目標物體的形狀。在小于最大距離的衰減距離處出現(xiàn)條形圖的峰值可以表明，目標物體的主要部分具有等于衰減距離的厚度。這可用于指示出一個片狀物。而在最大距離處出現(xiàn)條形圖的峰值可以表明，目標物體的主要部分具有比一個片狀物的預期厚度大的厚度。這可用于指示出目標物體不是一個片狀物。
采用表面法線和條形圖識別薄片形狀的目標物體的方法提供了優(yōu)于其它識別片狀物方法的優(yōu)越性。例如，在一個已有方法中，目標物體的形狀是通過計算其表面積與其體積之比進行分析的。高的比值表明一個薄的目標物體，例如一個片狀物。然而，該方法的不很精確之處在于，它對整個物體只計算出一個數(shù)值，該數(shù)值解釋起來是不確定的。某些具有大的表面積而體積相對較小的目標物體可能被錯誤地指示為薄片形狀。與之相對照，本發(fā)明可以環(huán)繞整個目標物體，在許多點上進行分析。通過對遍及整個目標物體的厚度分布進行統(tǒng)計分析，可以得到目標物體形狀的更為精確的結論。
在另一方面，本發(fā)明提出了為CT系統(tǒng)中“無照電流”(即探測器在沒有X-射線時所產生的電流)提供補償?shù)难b置和方法，特別是，對探測器無照電流隨溫度的變化進行補償。根據(jù)本發(fā)明，進行一個校準操作，以表征出無照電流隨溫度的變化。利用這一變化，產生一組探測器偏離值。每一個偏離值為一個特定的溫度確定了無照電流或偏離電流。在一個實施例中，對每一個探測器產生一組偏離值。在另一個實施例中，一組偏離值用于所有的探測器。在隨后對一個目標物體或區(qū)域進行實際掃描時，利用偏離值來調整探測器所產生的數(shù)據(jù)信號。在掃描該區(qū)域的同時，對探測器的溫度進行檢測。對于每個探測器，將與當前檢測到的溫度相應的偏離值施加到探測器所產生的信號上，以調整由探測器檢測到的目標物體的密度，從而補償了隨溫度變化的探測器無照電流。
在一個實施例中，校準時溫度的變化是通過將偏離-對-溫度的數(shù)據(jù)點擬合到一組參數(shù)方程中進行描述的。在另一個實施例中，該變化是由一個常系數(shù)泰勒級數(shù)多項式描述的。該系數(shù)可由最小二乘誤差分析法得出。
通過將隨溫度而變化的偏離應用到探測器數(shù)據(jù)中，本發(fā)明的行李掃描系統(tǒng)可以提供比已有系統(tǒng)更為精確的無照電流補償。既然在多數(shù)情況下，行李掃描系統(tǒng)是連續(xù)運轉的，因而，在行李掃描環(huán)境下，溫度效應比在醫(yī)用環(huán)境下更為重要。因此，為保持所產生圖像的質量和系統(tǒng)探測目標物品的能力，隨溫度而變化的偏離就變得很重要。于是，本發(fā)明通過應用隨溫度變化的偏離，從而提供了更為精確的CT行李掃描儀。
附圖的簡要描述結合附圖，通過以下對優(yōu)選實施例所作的更為詳細的說明，本發(fā)明的前述和其它目的、特性及優(yōu)越性將會更加明顯。各附圖中，相同的參考標號表示相同的部件。附圖不必按比例繪制，其重點在于說明本發(fā)明的原理。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個行李掃描系統(tǒng)的透視圖。
圖2為圖1所示系統(tǒng)的橫截面端視圖。
圖3為圖1所示系統(tǒng)的橫截面徑向視圖。
圖4為本發(fā)明的行李掃描儀的一個實施例的示意性電氣和機械方框圖。
圖5為本發(fā)明的行李掃描儀的視場圖像示意圖，示出了處于視場內，位于傳輸系統(tǒng)上的一個行李包。
圖6為疊加在笛卡爾坐標系統(tǒng)上的本發(fā)明的行李掃描儀視場的示意性圖表。
圖7為本發(fā)明行李掃描系統(tǒng)的一個實施例的示意性簡化方框圖，它利用傳感器來識別行李包的邊界。
圖8A為一個傳統(tǒng)CT掃描儀的射線源、探測器陣列和視場的幾何形狀的示意圖。
圖8B為圖8A所示視場的一次掃描中，一個單個探測器所獲得的數(shù)據(jù)信號的示意圖。
圖9A為本發(fā)明的行李掃描儀的一個實施例的幾何形狀的示意圖。
圖9B為圖9A所示視場的一次掃描中，一個單個探測器所獲得的數(shù)據(jù)信號的示意圖。
圖10為一個三維目標物體的三維CT圖像的示意圖。
圖11為沿一個薄的目標物體和一個厚的目標物體的CT圖像表面法線的密度分布圖。
圖12A為一個薄的目標物體的密度衰減距離的條形圖。
圖12B為一個厚的目標物體的密度衰減距離的條形圖。
附圖的詳細描述圖1，2和3分別示出了根據(jù)本發(fā)明所構造的行李掃描系統(tǒng)100的透視圖、端部橫截面視圖和徑向橫截面視圖。該系統(tǒng)提供了增強了的探測目標物體如片狀易爆物)存在的能力，而可以無論它們的取向如何。該系統(tǒng)還提供了快速和徹底的CT行李掃描，從而使系統(tǒng)能夠以相對高速和高概率地探測目標物體的方式對行李包進行可靠的掃描。系統(tǒng)100包括一個輸送系統(tǒng)110，用于沿箭頭114所示方向連續(xù)地輸送行李或箱子112，使之通過CT掃描系統(tǒng)120的中心孔。輸送系統(tǒng)110包括馬達驅動的輸送帶，用以支撐行李。圖中，輸送系統(tǒng)110被表示為具有許多單獨的輸送段122；然而，也可以采用其它形式的輸送系統(tǒng)。CT掃描系統(tǒng)120包括一個置于一個機架支撐125內的環(huán)形臺或盤124，用以繞一個旋轉軸127(如圖3所示)旋轉，該旋轉軸優(yōu)選為平行于行李112的行進方向114?？梢酝ㄟ^任何適宜的驅動機構繞旋轉軸127驅動盤124，例如，采用一個帶116和馬達驅動系統(tǒng)118，或者，可以采用其它適宜的驅動機構，如在1995年12月5日授予GilbertMcKenna的題為“X-射線層析攝影掃描系統(tǒng)”(Attorney DocketNo.ANA-30CON)的美國專利No.5,473,657中所描述的那樣，該專利被轉讓給本發(fā)明的受讓人，并在這里全部被引入作為參考。轉動臺124確定了一個中心孔126，輸送系統(tǒng)110通過該孔輸送行李112。
系統(tǒng)120包括一個X-射線管128和一個探測器陣列130，探測器陣列130布置在臺124中沿直徑方向的相對兩側。探測器陣列130可以是一個二維陣列，如在題為“用于計算機層析X射線攝影掃描系統(tǒng)的區(qū)域探測器陣列”(Attorney Docket No.ANA-137)的待批美國專利申請中所描述的那樣，該申請與本申請在同一日提出，并在這里全部被引入作為參考。系統(tǒng)120還包括用以接收和處理由探測器陣列130所產生的信息的一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)134，和一個X-射線管控制系統(tǒng)136，用以為X-射線管128提供動力并控制其操作。系統(tǒng)120還優(yōu)選地具有一計算機系統(tǒng)(未示出)，用以處理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)134輸出的信號，以及產生用于操作和控制系統(tǒng)120所需的信號。計算機系統(tǒng)還可包括一個監(jiān)視器，用以顯示包括所產生的圖像在內的信息。既然用于X-射線CT圖像的能量-選擇重構的雙重能量X-射線技術在除了指示物體的密度外還可以指示出其原子序數(shù)方面特別有用，因此，X-射線管控制系統(tǒng)136可以采用雙重能量的X-射線管控制系統(tǒng)，例如在以上引入的美國專利申請系列No.08/671,202中所描述的雙重能量的X-射線管控制系統(tǒng)，盡管這并不意味著本發(fā)明局限于該類型的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)120還包括保護屏138，該保護屏可由鉛制成，例如，用以防止放射線在機架125以外傳播。
在一個實施例中，X-射線管128產生一個金字塔形的X-射線束132(通常被稱為“錐形射束”)，該射束穿過一個三維圖像場，通過輸送系統(tǒng)110的輸送，使行李112從其中通過。錐形射束132在穿過布置在圖像場中的行李以后被探測器陣列130所接收，而陣列130又產生表示行李112暴露部分密度的信號。因此，射束確定了一個掃描體積空間。臺124繞其旋轉軸127旋轉，于是在行李112由輸送系統(tǒng)110連續(xù)地輸送穿過中心孔126時，使X-射線源128和探測器陣列130環(huán)繞行李以圓弧形軌跡運動，從而產生相應于多個投影角的多個投影。
利用公知的方式，來自探測器陣列130的信號首先被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)134所采集，并在隨后由計算機系統(tǒng)(未示出)用CT掃描信號處理技術進行處理。經處理的數(shù)據(jù)可在監(jiān)視器上顯示，和/或還可進一步由計算機系統(tǒng)進行分析，以確定可疑物品的存在。例如，所采集的數(shù)據(jù)可以用于確定該數(shù)據(jù)是否意味著有具有片狀易爆物密度(在采用雙重能量系統(tǒng)時，還包括分子量)的物品存在。如果出現(xiàn)這種數(shù)據(jù)，可以通過適當?shù)姆绞较虿僮魅藛T或系統(tǒng)的監(jiān)視器顯示出這樣的物品已被探測到，例如，可以在一個監(jiān)視器140的屏幕上顯示出來，發(fā)出可聽到的或可視的警報，和/或提供一種自動彈出設備，用以將可疑的行李包從輸送帶上移出，以便作進一步的檢查，或使輸送帶停止，從而使可疑的行李包可以被檢查和/或移出。
如上所述，探測器陣列130可以是二維陣列探測器，它能夠提供X和Y軸方向的掃描數(shù)據(jù)，以及Z軸方向的掃描數(shù)據(jù)。在每一個測量區(qū)間，陣列130的多個探測器行從多個相應的投影中產生數(shù)據(jù)，并同時掃描行李112的一個體區(qū)域。探測器行的尺寸和數(shù)目優(yōu)選地選擇為是掃描儀所要求的分辨率和通過量的函數(shù)，而掃描儀所要求的分辨率和通過量反過來又是旋轉臺124的旋轉速率和輸送系統(tǒng)110的速度的函數(shù)。這些參數(shù)優(yōu)選地選擇為在臺124旋轉一整圈所需的時間內，輸送系統(tǒng)110剛好將行李112向前推過，從而在臺的一次轉動中，使探測器陣列130所掃描的體區(qū)域是連續(xù)的，并與臺的下一次轉動時探測器陣列130所掃描的體區(qū)域不重疊(或部分重疊)。
輸送系統(tǒng)110連續(xù)地(優(yōu)選為恒速)將行李物品112輸送通過CT掃描系統(tǒng)120，同時臺124在行李物品通過時以恒定轉速繞行李物品連續(xù)轉動。通過這種方式，系統(tǒng)120對整個行李物品實施一螺旋形立體CT掃描。行李掃描裝置100優(yōu)選地至少采用由陣列130所提供的一部分數(shù)據(jù)和螺旋重構算法，以便在行李物品經過系統(tǒng)時產生整個行李物品的立體CT圖像。在一個實施例中，系統(tǒng)100對數(shù)據(jù)實施一種盤旋切片重構(NSR)，如在1997年4月10日提出的待批美國專利申請系列No.08/831,558中所描述的那樣，該申請題為“盤旋切片CT圖像重構裝置和方法”(Attorney Docket NO.ANA-118)，并在這里被引入作為參考。因而，系統(tǒng)100對每個行李包提供了一個完整的CT掃描，而不是僅提供行李物品中所選擇部分的CT掃描，而且不需要一個預篩選設備。由于二維探測器陣列130可使系統(tǒng)在臺124的每次旋轉過程中，同時掃描每個行李包中的相對較多部分的物品，因此系統(tǒng)100還提供了快速掃描功能。
圖4為本發(fā)明的行李掃描系統(tǒng)100的一個實施例的機械/電氣方框圖。掃描儀100的機架包括兩個主要部件，即盤124和框架(未示出)。盤124為旋轉部件，其載有X-射線裝置、探測器裝置130、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)134、高壓電源和監(jiān)視器/控制裝置的一部分、電源裝置和數(shù)據(jù)鏈接裝置。所述框架支撐著整個系統(tǒng)100，它包括有行李裝卸輸送系統(tǒng)110。盤124通過一個雙斜接滾珠軸承卡盤機械連接在框架上。盤124可通過一個由DC伺服馬達505驅動的帶子以恒定速率轉動。機架還包括位于盤和框架組件上的X-射線保護屏。
在一個實施例中，行李輸送系統(tǒng)110包括一個以恒定速率驅動的單個輸送帶，以滿足特定的通過量需要，該通過量的需要在一個實施例中，包含每小時處理675個行李包的需求。輸送帶可由一個高扭矩、低速裝置驅動，以便在荷載發(fā)生改變的條件下提供恒定的速度。一種低衰減的石墨碳環(huán)氧樹脂材料可用作X-射線下的輸送器基座部分。輸送器的總長度應設計成可容納三個平均長度的行李包。環(huán)繞著輸送器設置一個通道，以滿足箱式X-射線系統(tǒng)的安全需要。
在一個實施例中，208伏、三相、30安培的輸入電能作為可向整個系統(tǒng)提供的主電源。該輸入電能可由系統(tǒng)所在地的飛機場提供。電能由構架通過一系列的框架電刷輸送，這些框架電刷可以與聯(lián)結在盤124上的金屬環(huán)形成連續(xù)的緊密接觸。盤124上的低壓電源501為DAS134、X-射線冷卻系統(tǒng)和各種監(jiān)視器/控制計算機和電子器件提供電能?？蚣苌系牡蛪弘娫礊橹貥嬘嬎銠C和各種監(jiān)視器/控制電子器件提供電能。輸送帶馬達503、機架馬達505，高壓電源和X-射線冷卻劑泵的電能可直接由主電源供應。
高壓電源為X-射線管128提供電能。電源可在陰極/陽極兩端提供雙電壓，其可調制成540Hz的頻率。驅動波形可為正弦波。該電源還可為X-射線絲提供電能。電源的電流對于兩種電壓均可保持基本上恒定不變。
X-射線裝置包括一個雙極、固定陽極X-射線管128、一個熱交換系統(tǒng)507、一個準直儀509、保護屏、X-射線傳感器和一個調整/安裝板。準直儀可提供散布范圍為6°的61°扇形角的錐形射束。熱交換系統(tǒng)507包括一個泵、輻射器、風扇和自來水管道。熱傳導液體可為高介電油?？捎靡粋€調整板將管128連接在盤124上，以減少場地更換時的復雜程度和時間。可以包括一個X-射線傳感器，以提供X-射線密度反饋。
雙重能量X-射線照射行李，X-射線的一部分穿過并照射到探測器裝置130上。探測器裝置130可由閃爍器、光電二極管、安裝襯底、防散射板和一個機械安裝柱組成。還可以包括一個帶有溫度傳感器521的柱加熱器。探測器裝置130可以進行由X-射線轉換成可視光子以及接著轉換為電流的模擬轉換。防散射板可由高原子序數(shù)的材料制成，并與X-射線成一角度，以減少照射到閃爍器上的散射輻射量。閃爍器由足夠厚的鎢酸鎘晶體制成，從而可以幾乎完全吸收所有的X-射線。閃爍器將X-射線轉換為可視光子。晶體除底部以外所有側面都可圍以光學反射材料。因此，可視光子可由晶體底部穿出。光電二極管可用光學透明粘合劑粘接在晶體底部。光電二極管發(fā)射出電流，該電流隨著行李包的X-射線的衰減而呈對數(shù)方式降低。光電二極管可以連接在一個陶瓷襯底上，襯底的尺寸可設計成可以放置數(shù)個探測器。該電氣襯底可用導線焊接和用環(huán)氧樹脂連接到一個帶有與DAS 134相連接的連接器的印刷電路上。每個探測器襯底隨后可機械連接在安裝柱上，該柱在Z方向上具有扇形射束半徑和投影。該柱隨后可剛性緊固在盤124上。
DAS 134可對探測器電流采樣，將放大的電壓多路傳輸?shù)揭唤M16位模-數(shù)轉換器，并將數(shù)字輸出多路傳輸?shù)椒?接觸的串行數(shù)據(jù)鏈路511中。DAS 134可由盤124的角位置觸發(fā)。
非-接觸鏈路511和513將高速數(shù)字DAS數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像重構處理器515，并將低速監(jiān)視器/控制信號在盤和框架控制計算機之間來回地進行傳輸。數(shù)據(jù)鏈路511可基于一個RF發(fā)送器和接收器。傳輸協(xié)議可以是能夠傳輸達350兆位/秒的TAXITM?？刂奇溌?13可基于無線LAN技術，它可包括安裝在框架和盤計算機中的相類同的PCMCIA插板。插板可具有發(fā)送器和接收器電子器件，并能模擬標準的以太網(Ethernet)卡。于是，為低速監(jiān)視器和控制通訊建立了一個點對點的網絡。
對于不同的高、低能量，圖像重構器均將來自DAS 134的數(shù)字線積分轉換成一組行李包切片的二維圖像。可以通過一個螺旋-錐形-射束解法進行CT重構。重構器可以包括有嵌入軟件、一個高速DAS出口、一個數(shù)組處理器、一個基于DSP的旋轉器，一個基于ASIC的返回投射器、圖像存儲器、UART控制接口、和一個用于圖像數(shù)據(jù)的SCSI輸出接口。數(shù)組處理器可以進行數(shù)據(jù)修正和內插。重構器可以是自主機型的，并可以將經由UART接口接收到的基于行李包信息的圖像向框架計算機傳輸。
監(jiān)視器和控制系統(tǒng)可以是基于PC的嵌入式控制系統(tǒng)。所有子系統(tǒng)都被監(jiān)控，以取得關鍵的狀態(tài)信息。該系統(tǒng)還可控制運動系統(tǒng)，可檢測行李信息，可控制環(huán)境(例如溫度、濕度等)，可檢測盤124的角位置和啟動DAS和HVPS。該系統(tǒng)還可具有一個可視信號和鍵盤接口，以用于工程診斷和控制。另外，還可以包括一個用于現(xiàn)場使用的控制面板。
本發(fā)明的CT行李掃描儀具有可使圖像重構窗口適應于待掃描行李包的能力，以提高系統(tǒng)的行李通過量。在重構行李包圖像之前，本發(fā)明的系統(tǒng)能夠識別出需重構以產生目標物體圖像的像素以及不需要重構的像素。重構的像素為與正在掃描中的行李包的密度相關的那些像素。與行李包無關的像素不予重構，并被有效地剔除。剔除掉的像素包括輸送帶下面區(qū)域的像素，以及行李包附近和上面的像素。通過從重構處理中略去相當數(shù)量的像素，處理的時間減少了，其結果是，行李的通過量增加了。
圖5為掃描儀視場350的示意圖，用以說明本發(fā)明的自適應重構窗口。所示視場350包括有輸送帶110，其上放置有一個高為h、寬為w的行李包112。視場中還包括輸送帶110下面的區(qū)域351、行李包112上面的區(qū)域352和行李包112的相對側面區(qū)域353。這些區(qū)域351，352和353由本發(fā)明的系統(tǒng)所掃描，并從中采集到掃描數(shù)據(jù)。然而，既然行李包112并不在這些區(qū)域內，這些區(qū)域的圖像像素對涉及行李包的信息沒有貢獻，因而，它們在行李包的圖像重構處理中被剔除。
圖6為疊加在x，y笛卡爾坐標系統(tǒng)上的本發(fā)明的行李掃描儀視場的圖形表示。正被掃描的行李包112的圖像可看作由一個矩形像素陣列357所產生。行李包可被看作具有N個像素寬和M個像素高，每個像素具有相等的高和寬的尺寸p(通常按毫米計)。因此，行李包112的寬w可由w＝Np給出，行李包112的高h可由h＝Mp給出。通過確定被掃描的行李包的實際高和寬，需重構的像素357的數(shù)目可通過N×M算出。需重構的像素的位置也可由將行李包的中心放置在坐標x0，y0處而被確定。
通過定位行李包112的邊界，可以確定高h，寬w和x0，y0。如圖6所示，行李包的底和頂分別由坐標y1和y2給出，行李包的左和右邊分別由坐標x1和x2給出。中心354由x0，y0標出，其中x0＝(x2-x1)/2和y0＝(y2-y1)/2。高h由h＝y(tǒng)2-y1給出，而寬w由w＝x2-x1給出。像素列數(shù)N和像素行數(shù)M可利用已知的像素尺寸p分別由寬w和高h確定。
根據(jù)所確定的行李包的高，寬和位置，總的像素數(shù)目N×M將如上所述地算出。在一個實施例中，總的數(shù)目的像素被重構，以產生一個行李包的圖像。在另一個實施例中，為保證可接收和可控制的行李包通過量，像素的重構被限制在一個預定的最大數(shù)目的重構像素中。系統(tǒng)所需的行李包通過量被用于確定每個行李包的最大重構像素數(shù)目。在一個實施例中，該最大像素數(shù)目設定為25,000。重構行李包圖像所需的總的像素數(shù)目N×M與所預設的像素極限相比較。如果N×M小于該極限，則N×M個像素被重構。然而，如果N×M超過該極限，則將重構該特殊行李包的窗口調整為符合該極限的最優(yōu)重構窗口。
如上所述，由掃描儀視場內的行李包的邊界位置導出高、寬、中心位置和像素尺寸N和M。邊界的確定可以采用若干種可能方法中的任何一種。在一個實施例中，分析掃描數(shù)據(jù)本身，以確定邊界位置x1，x2，y1，y2。這可以通過檢查由掃描數(shù)據(jù)產生的平行投影數(shù)據(jù)的方式實現(xiàn)。在另一個實施例中，掃描機上的一個分立傳感器被用來探測行李包的邊界。
圖7為本發(fā)明的行李掃描系統(tǒng)100的一個實施例的簡化方框圖，其中使用了用以確定行李包邊界的分立傳感器。圖7所示的系統(tǒng)100包括有CT掃描儀120，以及承載著行李包112通過掃描儀120的輸送帶系統(tǒng)110。采用了一個或多個可安裝在掃描儀120上的傳感器360，用以在行李包112進入掃描儀120時檢測其邊界。傳感器360可包括一個或多個激光器和光接收器，以探測邊界?；蛘撸瑐鞲衅?60可包括紅外探測器和/或發(fā)光二極管與光探測器的組合，以檢測邊界。另外，傳感器360可包括高頻超聲轉換器，作為邊界探測器來檢測行李包112的邊界。
傳感器的輸出被輸送到處理輸出量的傳感器輸出處理電路370中，以確定出行李包的邊界。掃描儀120中探測器所產生的探測器信號被送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)134中，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)134對探測器的輸出進行處理，并產生相應的信號，同時將其輸送到一個處理系統(tǒng)364中。處理系統(tǒng)364還接收來自識別行李包邊界的傳感器處理電路370的輸出。處理系統(tǒng)364從探測器數(shù)據(jù)中產生圖形數(shù)據(jù)，以產生行李包112的圖像。
本發(fā)明的CT行李掃描系統(tǒng)還提供了校準系統(tǒng)的功能，使得其能夠對不同的探測器響應的變化作出補償。該校準是通過對系統(tǒng)的視場進行一次校準或“空”掃描而實現(xiàn)的。在一個傳統(tǒng)的醫(yī)用CT系統(tǒng)中，進行空掃描時，所有的障礙物，如患者使用的臺子，都從視場中移開。隨后進行一次視場的完整掃描，并對探測器采集到的數(shù)據(jù)進行分析。在行李掃描儀中，如本發(fā)明的掃描儀中，視場中的障礙物(如輸送帶系統(tǒng))是不容易移動以進行空掃描的。本發(fā)明的系統(tǒng)允許在視場中不移去障礙物的情況下進行空掃描。
圖8A和8B示出了傳統(tǒng)的空掃描過程。圖8A示意性示出了傳統(tǒng)的CT掃描儀的布局。掃描儀包括一個源204和探測器陣列202，它們同時繞一個旋轉中心203沿箭頭206所示的逆時針方向旋轉。源204和探測器陣列202可以看作是繞旋轉中心轉過一系列的視域v。在每個視域v上，采集到相應于陣列202中的探測器的一系列樣本s。通常，視場包括一個圓形窗口200，該窗口對于來自源204的X-射線是半透明的。
圖8B為由一個單個探測器或樣本s所獲得的整個視域v范圍內的數(shù)據(jù)信號的示意圖。如圖所示，由于從視場中移去了障礙物，以及由于窗口200是圓形的，從而在整個視域上呈現(xiàn)出恒定的密度，概括地說，每個探測器在所有視域上所接收到的數(shù)據(jù)信號為一常量。在一個傳統(tǒng)的空掃描中，陣列202中的每個探測器得到一個如圖8B所示的數(shù)據(jù)組。為每個探測器計算出一個校準因子，從而當將這些因子應用在探測器上時，其響應是等同的。在該理想情況下，由于每個探測器的數(shù)據(jù)信號不隨視域而變，因此，計算出來的每個探測器的校準因子是與視域無關的。即，施加在由一個探測器所采集的數(shù)據(jù)上的校準因子在探測器采集數(shù)據(jù)的每個視域上是相同的。其結果是，每個探測器僅與一個獨立的校準因子有關。然而，實際上，探測器的響應并不是精確地與視域無關。由于引力和其它效應的影響，圖8B中繪出的線實際上并不是平的。因而，校準因子是與視域有關的。因此，對于每個探測器，需計算出每個視域的校準因子，從而需要一個大的校準表，這需要耗費相當大的存儲空間。
圖9A示意性地示出了本發(fā)明的行李掃描系統(tǒng)100的掃描布局。如圖9A所示，其布局與圖8A所示的傳統(tǒng)布局不同。在行李掃描儀100中，輸送帶系統(tǒng)110位于視場內，并在空校準掃描時保留為視場內的一個障礙物。另外，機器孔126也不是傳統(tǒng)機器中的圓形孔。與傳統(tǒng)掃描系統(tǒng)中的圓形窗口200相對照，本發(fā)明的機器還可包括一個非圓形的窗口220。這些因素結合在一起，在一次空掃描過程中產生一個依賴于視域的探測器響應，其結果如圖9B所示，其中，示出了在本發(fā)明的行李掃描儀的視場內進行一次空校準掃描時，由一個單個探測器或樣本s在所有視域v上所產生的數(shù)據(jù)信號曲線?？梢岳斫猓瑘D9B所示的曲線形狀僅僅表示了一個不平坦的依賴于視域的探測器響應，它并不精確地表示任一探測器的實際響應。
為進行有效的空校準掃描，希望僅使用那些射線不穿過障礙物的視域。在本發(fā)明中，對圖9B所示的關于每個探測器的數(shù)據(jù)進行分析，并選擇出未被障礙物阻擋的射線數(shù)據(jù)，以用于計算出探測器的校準調整值。在一個實施例中，這是通過設置一個探測器信號閾值T，并根據(jù)數(shù)據(jù)值相對于T跌落的位置對數(shù)據(jù)值進行處理。閾值T可以這樣設置，以使得高于閾值T的數(shù)據(jù)值可以被認為是由穿過視場的未受阻射線產生的。隨后，可以僅僅利用那些超過閾值T的數(shù)據(jù)值來計算校準因子。
例如，如圖9B所示，兩個視域223和225范圍內所產生的數(shù)據(jù)值超出閾值T。這些視域被認為是由未受阻的射線穿過給定探測器樣本s的視場所產生的。因此，僅僅利用這兩個視域范圍內所產生的數(shù)據(jù)值來計算該探測器的校準因子。在一個實施例中，對高于閾值T的數(shù)據(jù)值取平均值，且用該平均值確定該探測器或樣本s的校準因子。這將導致為該探測器確定一個單一校準因子，而且該單一校準因子可用于該探測器在所有視域上采集到的所有數(shù)據(jù)。也就是說，校準與視域無關。
因此，盡管由于視場中障礙物的存在，探測器的響應與視域有關，但是，由于本發(fā)明將受阻視域和未受阻視域區(qū)別開來，其結果是，為探測器產生一個與視域無關的校準因子。這在存儲校準因子和在隨后掃描實際目標物體時調整數(shù)據(jù)值方面，節(jié)省了大量存儲空間和計算時間。
在實際掃描中，掃描數(shù)據(jù)被標準化，以得出在空校準掃描情況下為每個探測器所計算的校準因子。對于每個視域和樣本的每個投影，可根據(jù)PVS＝ln(AVS/DVS)計算出標準化的值，其中，PVS為在特定的視域v和探測器樣本s時的投影數(shù)據(jù)，AVS為在視域v和樣本s上校準時所得到的校準因子，DVS為在視域v上由探測器樣本s所采集的實際數(shù)據(jù)。應予指出的是，如上所述，在一個實施例中，在所有的視域v上AVS是相同的。
閾值T可以用多種不同的方法進行計算。在一種方法中，最大數(shù)據(jù)值(在圖9B中用參考標號227表示)可乘以一常數(shù)因子，以計算出閾值T。優(yōu)選地，該因子是略小于1的分數(shù)，例如0.95。選擇這樣一個相對高的閾值提供了一種高的可信度，即，在計算校準因子時，僅使用那些與未受阻射線有關的數(shù)據(jù)值。
本發(fā)明還包括在目標物體的三維CT圖形數(shù)據(jù)中，檢測目標物體(特別是片狀目標物體)形狀的裝置和方法。假定目標物體為邊界或一個外表面所確定，同時圖像中的每個像素代表了目標物體在該像素上的密度。圖10為一個目標物體300的三維CT圖像的示意圖。為便于說明，目標物體300以二維形式示出。然而，應該理解，本發(fā)明適用于三維目標物體。
根據(jù)本發(fā)明，沿目標物體300表面對一系列的點302進行識別和分析。給定三維空間內確定該表面的像素，采用如計算該表面梯度的方法可以在任何給定位置上確定出一個表面法線矢量N。在每個點302處，可確定出一個表面法線矢量N。對于每個法線矢量N，一個法向線304投射回目標物體300中。隨后可以確定出沿著法向線304的一系列點306，同時，一個來自目標物體CT數(shù)據(jù)的密度值被賦予每個數(shù)據(jù)點306。為沿法向線304在每個點306處確定出密度，可在像素值之間插入內插值。設定一個最大厚度TMAX，以確定沿著法向線304的最大距離，該法向線上的數(shù)據(jù)點306將被計算。最大厚度TMAX應選擇為大于片狀物的預期最大厚度。
確定并分析出沿著法向線304的各點306的密度分布。圖11為沿著法向線304的數(shù)據(jù)點306在兩種情況下的樣本分布。在一種分布中(以310表示)，進入目標物體300向外并超出最大厚度TMAX，密度ρ相對為一常量。在用312表示的分布中，密度函數(shù)在一定距離TR處衰減。該衰減距離TR表示目標物體300相應于表面法向線304處的厚度。因此，在該特定的表面法線N處，目標物體300相對較薄。在沒有衰減的地方，如曲線310所示，目標物體在相應的點302處相對較厚。事實上，其至少和預先設定的最大厚度TMAX一樣厚。
沿目標物體300表面上許多位置302重復這一步驟，并對如圖11所示的分布進行分析，從而賦予每個表面法線N以一TR值。TR值可以是沿著曲線，密度發(fā)生衰減時的點的對應值，如圖11所示?；蛘?，TR值可以按關于表面法線N的曲線312的平均值進行計算。在分布不發(fā)生衰減時，如曲線310所示，TR可設為最大厚度TMAX。
隨后，即可產生關于所有TR值的條形(統(tǒng)計分布)圖，例如，如圖12A和12B所示。圖12A示出一個條形圖，其中，目標物體300可確認為一片狀物。在該例子中，TMAX設定為10mm，而條形圖中的峰值發(fā)生在約4mm處。這表明沿表面的各點302中，大部分點的衰減值TR是在4mm處。由于大部分的厚度基本上低于最大值TMAX，從而可以得出目標物體300為一個片狀物的結論。
為分析該條形圖，可設定一個閾值T。如果曲線的峰值超過該閾值，如圖12A所示，那么即可斷定該峰值指示出一個片狀物，該片狀物沿著水平軸在峰值處具有例如4mm的厚度。曲線在TMAX(10mm)處的微小升起，表明相當數(shù)量的測量位置處其厚度超出最大厚度TMAX。這主要是由于沿著片狀物的薄的邊緣測量，從而趨向于指示出延伸到目標物體縱深處的高密度。但是，從統(tǒng)計上看，在4mm處的峰值遠高于10mm處的升起，從而，指示了一個片狀物。
圖12B表示在目標物體300不是片狀物的情況下所產生的條形圖。如圖12B所示，在最大厚度TMAX(10mm)處條形圖出現(xiàn)一個峰值，它表示測量結果的大部分顯示了一個超過預期的片狀物最大厚度的厚度。因此，可以斷定，目標物體300不是片狀物。截去TMAX處的分布的方法，降低了處理時間，并消除了相應于沿片狀物邊緣的表面法線進行計算的問題。
在一個實施例中，統(tǒng)計分析可以在一個處理器上自動進行?？梢宰詣拥卦跅l形圖上搜索峰值。通過與一個已有數(shù)據(jù)集合或數(shù)據(jù)庫相比較，利用峰值的位置和形狀，即可確定出目標物體是否為一個片狀物。
本發(fā)明的CT掃描系統(tǒng)還具有補償依賴于溫度的“無照電流”探測器的偏離電流(或簡言之“偏離”)的能力。無照電流是在X-射線源關閉，即在探測器未接收到X-射線時由探測器產生的電流。在通常的目標物體掃描中，這一殘留或無信號電流引起所獲得的掃描數(shù)據(jù)的誤差。無照電流除導致誤差外，還依賴于溫度(隨溫度變化)，并且在探測器之間各不相同?？梢哉{整對無照電流偏離的補償，從而減少其不精確性。
在本發(fā)明中，可以為每個探測器計算出依賴于溫度的偏離(值)。在一個實施例中，在實際掃描之前，進行一種校準操作，以表征出偏離對溫度的依賴。在校準操作中，在探測器溫度循環(huán)變化的同時，測量探測器發(fā)出的電流。得到許多探測器的許多數(shù)據(jù)點，即偏離(值)與溫度的關系。在一個實施例中，得到每個探測器的數(shù)據(jù)點。在另一個實施例中，僅使用了所有探測器數(shù)據(jù)點的一個子集。隨后，這些偏離(值)的平均值被用于每個探測器中。
在得到依賴于溫度的表征后，即可進行實際的掃描過程。在探測器附近配置溫度傳感器，以在進行掃描時檢測探測器的溫度。將當前溫度與儲存的溫度依賴函數(shù)相比較，以得出施加在從掃描探測器中得到的數(shù)據(jù)上的偏離(值)。在一個實施例中，在X-射線源關閉的情況下，在行李包之間進行周期性的掃描。這些周期性的無照電流掃描是在已知的溫度T1下進行的。隨后，在進行實際掃描時，檢測到溫度T2。將無照電流掃描溫度T1與當前掃描溫度T2之差應用在校準操作時所得到的存儲起來的溫度依賴函數(shù)上，以確定出應用于探測器數(shù)據(jù)上的適當偏離(值)。
為解釋本發(fā)明的溫度依賴偏離函數(shù)，令x為所分析的一個單獨通道的溫度依賴偏離。偏離對溫度的依賴可由下述泰勒級數(shù)展開式給出x(T)≈α0+α1T+α2T2， (1)其中T為通道的溫度，αi，I＝0，1，2，為常數(shù)。
αi的值利用校準操作確定。偏離的溫度依賴校準不是經常需要的，或許僅僅一年一次，或者是在替換一個失效的探測器的時候財需要進行。校準時，探測器的溫度發(fā)生變化，從而在代表了掃描儀典型操作范圍內的許多溫度下進行偏離量的測量。令xi為在溫度Ti時測量到的偏離，其中I＝0，1，…，N-1，N為測量次數(shù)。N的典型值為5。αi的值利用如下的最小二乘誤差估算令C為αi的矩陣，如C=α0α1α2---(2)]]>矩陣C可由C＝A-1B(3)求出，其中A=<xi,1><xi,Ti><xi,Ti2>---(4)]]>和B=<1,1><Ti,1><Ti2,1><1,1><Ti,Ti><Ti2,Ti><1,1><Ti,Ti2><Ti2,Ti2>---(5)]]>其中<αi,βi>=Σi=0N-1αiβi-----(6)]]>在掃描儀工作過程中，探測器的偏離是周期性地測量的。在通常操作情況下，每小時一次地進行偏離測量。令T1為測量偏離時的溫度。并令x(T1)為該第一個溫度時的偏離。在掃描過程中一定時間后，探測器的溫度將為T2。在該第二溫度下的偏離值x(T2)，可由式(1)求出，即x(T2)≈x(T1)+α1(T2-T1)+α2(T22-T12)(7)
實際上，在具有D個探測器的情況下，僅對探測器總數(shù)D的一個小的子集進行探測器溫度的測量。令N為溫度讀數(shù)的個數(shù)，通常其值為5。溫度讀數(shù)由溫度傳感器測得，例如，如圖4中所示的5個溫度傳感器521。令di為進行溫度測量的探測器，其中I＝0，1，...，N-1，此外，其中N為溫度讀數(shù)的個數(shù)。令Tdi為在探測器di處測量所得的溫度。探測器j處的溫度Tj(其中j＝0，1，...，D-1)可通過N個讀數(shù)進行二次多項式估算。溫度關系式的參數(shù)形式為Tj＝β0+β1j+β2j2， (8)其中βi為常數(shù)，其可由以下最小二乘誤差計算求得令F=β0β1β2---(9)]]>矩陣F可由下式求出F＝D-1E (10)其中D=<Tdi,1><Tdi,di><Tdi,di2>---(11)]]>和E=<1,1><di,1><di2,1><1,di><di,di><di2,di><1,di2><di,di2><di2,di2>---(12)]]>探測器di的溫度可以利用熱電偶和電阻溫度探測器(RTD)測量。
雖然已參照其優(yōu)選實施例特別顯示和描述了本發(fā)明，但本技術領域的技術人員應該了解，可以在形式上和細節(jié)上作出各種改變，而不脫離由下述權利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種校準計算機X-射線層析攝影(CT)掃描系統(tǒng)的方法，所述CT掃描系統(tǒng)包括一個射線源和一個探測器陣列，該探測器陣列用以接收穿過CT掃描系統(tǒng)視場的射線，并產生與探測器所接收到的射線相關的信號，所述信號用以產生關于視場掃描的掃描數(shù)據(jù)，所述方法包括進行視場的校準掃描，以為探測器陣列中的每個探測器產生校準掃描數(shù)據(jù)；為校準掃描數(shù)據(jù)設定一個校準閾值；對于每個探測器，選擇超過校準閾值的校準掃描數(shù)據(jù)值；和利用所選擇的校準掃描數(shù)據(jù)值計算每個探測器的探測器校準值，所述探測器校準值在隨后的掃描中用于校準探測器所采集的掃描數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，視場的校準掃描是在視場內有一個障礙物的情況下進行的。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述障礙物包括移動目標物體使之通過CT掃描系統(tǒng)的輸送機。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，為陣列中的每個探測器設定一個校準閾值。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，校準閾值的設定應使所選擇的校準掃描數(shù)據(jù)值與未受阻地穿過視場的射線相關。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，為每個探測器計算探測器校準值的步驟包括對為每個探測器選擇的校準掃描數(shù)據(jù)值取平均值。
7.一種計算機X-射線層析攝影(CT)掃描系統(tǒng)，包括一個射線源，用以使射線照射穿過CT掃描系統(tǒng)的視場；一個探測器陣列，用以接收所述射線，并產生與探測器所接收到的射線相關的信號，所述信號用以產生視場掃描時的掃描數(shù)據(jù)；用于進行視場校準掃描的裝置，以為探測器陣列中的每個探測器產生校準掃描數(shù)據(jù)；為校準掃描數(shù)據(jù)設定校準閾值的裝置；為每個探測器選擇超過校準閾值的校準掃描數(shù)據(jù)值的裝置；和利用所選擇的校準掃描數(shù)據(jù)值為每個探測器計算探測器校準值的裝置，所述的探測器校準值在隨后的掃描中用以校準探測器所采集到的掃描數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權利要求7所述的CT掃描系統(tǒng)，其特征在于，視場的校準掃描是在視場中具有一個障礙物的情況下進行的。
9.根據(jù)權利要求8所述的CT掃描系統(tǒng)，其特征在于，障礙物包括用于移動目標物體使之通過CT掃描系統(tǒng)的輸送機。
10根據(jù)權利要求7所述的CT掃描系統(tǒng)，其特征在于，為陣列中的每個探測器設定一個校準閾值。
11.根據(jù)權利要求7所述的CT掃描系統(tǒng)，其特征在于，校準閾值的設定應使所選擇的校準掃描數(shù)據(jù)值與未受阻地穿過視場的射線相關。
12.根據(jù)權利要求7所述的CT掃描系統(tǒng)，其特征在于，用于為每個探測器計算探測器校準值的裝置包括對該探測器所選擇的校準掃描數(shù)據(jù)值取平均值的裝置。
13.在一種CT掃描系統(tǒng)中，具有一個射線源，用于放射出穿過一個區(qū)域的射線，以及一個探測器陣列，用以接收在掃描該區(qū)域時來自該區(qū)域的射線，并產生代表所接收的射線的探測器信號，一種補償由探測器產生并與探測器所接收的射線無關的電流的方法，所述的方法包括改變探測器的溫度；測量在探測器溫度變化過程中探測器所產生的電流；表征出電流隨溫度的變化情況；利用電流隨溫度的變化，產生一組探測器偏離信號，以在掃描該區(qū)域時應用在所產生的探測器信號上；掃描該區(qū)域，以產生探測器信號；檢測探測器的溫度；和將相應于檢測溫度的探測器偏離信號施加在探測器信號上，以對電流進行補償。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，探測器陣列中的每個探測器被賦予一個相應的偏離信號。
15.根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，表征電流隨溫度的變化包括將所述變化擬合到一參數(shù)方程中。
16.根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，表征電流隨溫度的變化包括利用探測器偏離信號產生一種最小二乘法估算。
17.一種CT掃描系統(tǒng)，包括一個射線源，用以使射線穿過一個區(qū)域；一個探測器陣列，用以接收在掃描該區(qū)域時來自該區(qū)域的射線，并產生代表所接收的射線的探測器信號；和用于補償由探測器產生并與探測器所接收的射線無關的電流的裝置，所述的用于補償電流的裝置包括改變探測器溫度的裝置；測量在探測器溫度改變時所產生的電流的裝置；表征出電流隨溫度改變的裝置；利用電流隨溫度的變化產生一組探測器偏離信號的裝置；掃描該區(qū)域以產生探測器信號的裝置；檢測探測器溫度的裝置；和將相應于所測溫度的探測器偏離信號施加于探測器信號中，以對電流進行補償?shù)难b置。
18.根據(jù)權利要求17所述的CT掃描系統(tǒng)，其特征在于，探測器陣列中的每個探測器被賦予一個相應的偏離信號。
19.根據(jù)權利要求17所述的CT掃描系統(tǒng)，其特征在于，用于表征電流隨溫度變化的裝置包括將所述變化擬合到一參數(shù)方程中的裝置。
20.根據(jù)權利要求17所述的CT掃描系統(tǒng)，其特征在于，用于表征電流隨溫度變化的裝置包括利用探測器偏離信號產生一最小二乘估算的裝置。
21.在三維圖像空間的一個目標物體CT圖像數(shù)據(jù)中探測一個目標物體的方法，包括在沿著目標物體表面的許多點上，計算出垂直于目標物體表面并延伸進入目標物體中的法線；在沿著每個進入目標物體的法線上的許多點上，由CT圖像數(shù)據(jù)確定出目標物體的密度；和利用沿著每個法線的密度，產生代表目標物體在每個法線處的厚度讀數(shù)。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其特征在于，還包括產生與每個法線相關的厚度分布數(shù)據(jù)；和對分布數(shù)據(jù)進行分析，以確定出目標物體的形狀。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法，其特征在于，對分布數(shù)據(jù)進行分析，以確定出目標物體是否為片狀物。
24.根據(jù)權利要求22所述的方法，其特征在于，產生一種分布數(shù)據(jù)包括產生一個與所述法線相關的厚度的厚度條形圖。
25.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括設定進入將被確定其密度的目標物體的最大距離，其中，該最大距離與被測目標物體的最大預期厚度相關。
26.在三維圖像空間中一個目標物體的CT圖像數(shù)據(jù)中探測一個目標物體的裝置，包括用于在沿著目標物體表面的許多點上，計算出垂直于目標物體表面并延伸進入目標物體內的法線的裝置；用于在沿著每個進入目標物體的法線上的許多點上，由CT圖像數(shù)據(jù)確定目標物體的密度的裝置；和用于利用沿著每個法線的密度，產生代表目標物體在每個法線處的厚度讀數(shù)的裝置。
27.根據(jù)權利要求26所述的裝置，其特征在于，還包括用于產生與每個法線相關的厚度分布情況的裝置；和用于對分布情況進行分析，以確定目標物體形狀的裝置。
28.根據(jù)權利要求27所述的裝置，其特征在于，所述用于分析的裝置確定處目標物體是否具有片狀物的形狀。
29.根據(jù)權利要求27所述的裝置，其特征在于，用于產生分布情況的裝置包括用于產生與法線相關的厚度的厚度條形圖的裝置。
30.根據(jù)權利要求29所述的裝置，其特征在于，還包括用于分析厚度條形圖中峰值的裝置，以確定目標物體是否具有片狀物的形狀。
31.在一種CT掃描機械中，一種處理關于CT掃描機械視場中的一個目標物體的掃描數(shù)據(jù)的方法，所述的視場確定了許多圖像像素，這些圖像像素可以由掃描數(shù)據(jù)重構，以產生視場的圖像，所述的方法包括對視場進行掃描，以為視場產生掃描數(shù)據(jù)；探測目標物體的尺寸；探測視場中目標物體的位置；和利用探測到的目標物體的尺寸和位置，識別出視場中的第一部分和第二部分，所述第一部分將被重構，以產生目標物體的圖像；所述第二部分在產生目標物體圖像過程中不被重構。
32.根據(jù)權利要求31所述的方法，其特征在于，還包括重構視場中的第一部分，以產生目標物體的圖像。
33.根據(jù)權利要求31所述的方法，其特征在于，探測目標物體的尺寸包括從視場的掃描數(shù)據(jù)中探測目標物體的邊界。
34.根據(jù)權利要求31所述的方法，其特征在于，探測視場中的目標物體的位置包括從視場的掃描數(shù)據(jù)中探測目標物體的邊界。
35.根據(jù)權利要求31所述的方法，其特征在于，識別視場的第一和第二部分包括對需重構的像素數(shù)目設定一個界限。
36.一種用于處理CT掃描機械視場中一個目標物體的CT掃描數(shù)據(jù)的裝置，所述的視場確定了許多圖像像素，這些像素可由掃描數(shù)據(jù)重構，以產生一個視場圖像，所述裝置包括用于掃描視場的裝置，以產生視場的掃描數(shù)據(jù)；用于探測視場中目標物體的大小和位置的裝置；和利用探測到的目標物體的大小和位置，識別視場的第一和第二部分的裝置，所述第一部分在產生目標物體的圖像時將被重構，所述第二部分在產生目標物體的圖像時不予重構。
37.根據(jù)權利要求36所述的裝置，其特征在于，還包括用于重構視場的第一部分、以產生目標物體圖像的裝置。
38.根據(jù)權利要求36所述的裝置，其特征在于，用于探測目標物體的大小和位置的裝置包括從視場的掃描數(shù)據(jù)中探測目標物體邊界的裝置。
39.根據(jù)權利要求36所述的裝置，其特征在于，用于探測目標物體大小和位置的裝置包括用以探測目標物體邊界的傳感器。
40.根據(jù)權利要求36所述的裝置，其特征在于，用于識別視場的第一和第二部分的裝置包括對需重構的像素數(shù)目設定一個界限的裝置。
全文摘要
通過從重構過程中排除掉不相關的數(shù)據(jù),CT掃描儀(120)對行李包(112)的檢查可以達到每小時約700個行李包(112)的通過量。通過使用一個閾值,可以在視場中具有物品,如系統(tǒng)的輸送機(110)的情況下進行校準“空掃描”。掃描儀可以識別目標物體的形狀,從而可更好地探測片狀易爆物。系統(tǒng)可對無照電流和依賴于溫度的電流偏離進行補償。
文檔編號G01B15/02GK1276870SQ98810020
公開日2000年12月13日 申請日期1998年9月4日 優(yōu)先權日1997年10月10日
發(fā)明者伯納德·M·戈登, 卡爾·R·克勞福德, 戴維·A·謝弗, 埃里克·貝利, 漢斯·J·威登, 克里斯托弗·C·魯思 申請人:模擬技術公司