用于貨物和運(yùn)輸容器的計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】用于貨物和運(yùn)輸容器的計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本公開(kāi)要求于2014年5月6日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/989, 503號(hào)的優(yōu)先 權(quán)，其整體內(nèi)容通過(guò)引用合并于此。
[0003] 政府許可權(quán)利
[0004] 本發(fā)明是在美國(guó)國(guó)土安全部，采購(gòu)業(yè)務(wù)辦公室，S&T采購(gòu)部門資助的合同號(hào) HSHQDC-11-C-00011下通過(guò)政府支持而進(jìn)行的。美國(guó)政府在本發(fā)明中具有某些權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0005] 在海關(guān)和安全應(yīng)用中通常使用X射線成像系統(tǒng)進(jìn)行包括包裹、行李、郵件、貨盤、 容器、物料和諸如機(jī)械或交通工具的離散物體的貨物的篩選和檢查。在處置捆扎貨物或者 將物料搗實(shí)到托盤上或大的容器中的情況下，常常有利的是，使用X射線成像系統(tǒng)來(lái)檢查 或篩選貨盤和容器，而不需要將這些結(jié)構(gòu)拆分成組成元件。相似地，常常有利的是，在海關(guān)、 安全或非破壞性測(cè)試應(yīng)用中，篩選大的離散物體、物體的群組或者大塊物料，而不拆分或分 解。典型地，對(duì)于貨物或其他物品以及貨盤或相似尺寸的物料，使用ISOkV至450kV的范圍 中的X射線生成器的X射線成像系統(tǒng)用于以單視圖形式或者越來(lái)越多地以雙視圖形式獲取 投影線掃描X射線圖像。這種成像系統(tǒng)可以以雙能量成像能力操作，并且提供關(guān)于被成像 物料的有效原子序數(shù)和密度或厚度的某種有限信息。然而，當(dāng)前的商用技術(shù)固有地受限于 物體和物料的區(qū)分，因?yàn)樗峁┑耐队皥D像信息得自沿著X射線源和各個(gè)檢測(cè)器之間的穿 過(guò)物體的視線路徑的多色頻X射線波束與所有物料的交互。因此得到的X射線投影圖像具 有有限的效用，因?yàn)閳D像的給定區(qū)域中的多個(gè)物體或特征并不是相對(duì)于深度而被單獨(dú)地解 析，而是彼此覆蓋并且形成圖像集群。近來(lái)使用雙視圖X射線線掃描系統(tǒng)的趨勢(shì)部分地減 輕了該集群限制，其提供了額外的近正交視圖。然而，對(duì)于許多貨物、物體或物料，所關(guān)注的 內(nèi)容物、組分或成分不太可能在這兩個(gè)視圖中的一個(gè)視圖中被充分隔離，以備視覺(jué)識(shí)別或 者有效地支持使用自動(dòng)化系統(tǒng)的檢測(cè)或分析，所述自動(dòng)化系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成標(biāo)記威脅、武器、違 禁品或其他特性。相似地，對(duì)于被設(shè)計(jì)成從雙視圖協(xié)同地充分利用獨(dú)立信息的視覺(jué)方法和 使用圖像的分析方法二者，非常難于適當(dāng)?shù)刈R(shí)別、檢測(cè)和分析目標(biāo)物體和特性。對(duì)于視覺(jué)檢 查系統(tǒng)和自動(dòng)化檢測(cè)或分析系統(tǒng)二者，典型地在用于大部分應(yīng)用的適當(dāng)?shù)男阅芩?，不?使用單視圖或雙視圖X射線線掃描系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高的檢測(cè)或區(qū)分概率以及低的誤警報(bào)率。
[0006] 對(duì)于諸如航空手提行李安全的一些篩選和檢查應(yīng)用，操作系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)已 進(jìn)展到使用計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)來(lái)提供高解析度三維體積信息并且極大地克服了以上提 及的限制。典型地，采用了使用安裝X射線源和一個(gè)或更多個(gè)檢測(cè)器陣列的旋轉(zhuǎn)托臺(tái)的螺 旋掃描CT系統(tǒng)。通常多個(gè)檢測(cè)器行形成典型地約60度的檢測(cè)器弧上的部分環(huán)。在大部分 高級(jí)系統(tǒng)中要檢查的袋子或物品在傳送器上線性通過(guò)旋轉(zhuǎn)托臺(tái)上的孔隙，并且可以以每小 時(shí)幾百個(gè)袋子的高檢測(cè)和低誤警報(bào)性能進(jìn)行篩選。然而，該技術(shù)不易于縮放成捆扎貨物或 容器貨物的尺寸。提供以充足角速度旋轉(zhuǎn)的適當(dāng)?shù)耐信_(tái)孔隙和安裝高電壓和高功率X射線 生成器系統(tǒng)所需的機(jī)械設(shè)計(jì)是成本高昂的。
[0007] 相似地，使用在與傳送器行進(jìn)方向基本上正交的平面中置于檢查隧道周圍的可切 換X射線源的陣列的各種形式的用于手提行李檢查和安全的固定CT系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)已取得相 當(dāng)大的進(jìn)展。檢測(cè)器陣列可以散布在同一圖像平面中或者剛好在平面外，并且通過(guò)X射線 源之間的快速切換和預(yù)定檢測(cè)器元件的讀出來(lái)完成適用于CT重建的數(shù)據(jù)獲取。然而，這些 系統(tǒng)配置也不易于縮放成捆扎貨物的特性，因?yàn)閷?duì)于大型篩選系統(tǒng)而言主要成本驅(qū)動(dòng)器是 X射線生成器子組件。高電壓、高功率和可切換X射線源的陣列不是商用的，并且如果進(jìn)行 開(kāi)發(fā)，對(duì)于這些應(yīng)用而言很可能是成本高昂的。
[0008] 在當(dāng)前的安全和海關(guān)X射線篩選中，成像、視覺(jué)化信息、檢測(cè)和分析能力被綁定到 所使用的系統(tǒng)類型。例如，對(duì)于捆扎貨物，廣泛部署的技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)允許操作員至多以 典型地一個(gè)或兩個(gè)觀看視角來(lái)觀看投影的透射圖像，具有與上文討論的X射線透射技術(shù)相 關(guān)聯(lián)的成像和分析限制。對(duì)于手提和隨身行李，如上文所述，更精密的成像技術(shù)是可用的， 其提供3D體積CT成像，其中可以通過(guò)各種手段，包括以渲染表面形式、切片形式、易于通過(guò) 繞任意軸旋轉(zhuǎn)來(lái)操縱并且使用許多其他工具來(lái)顯示和視覺(jué)化，來(lái)觀看成像信息。這樣的系 統(tǒng)提供的體積3D數(shù)據(jù)還支持有效的自動(dòng)化圖像分析方法，其可以突出顯示威脅、目標(biāo)物體 和其他特性。然而，為手提和隨身行李提供的CT技術(shù)沒(méi)有被廣泛采用用于大的和捆扎的貨 物，主要是因?yàn)榫哂羞m當(dāng)?shù)牟僮魈匦院托阅艿奶峁┻@種信息所需的物理傳感器系統(tǒng)不能以 充分成本有效的方式獲得。
[0009] 本發(fā)明的實(shí)施例繞開(kāi)當(dāng)前商用的CT篩選和檢查技術(shù)的設(shè)計(jì)限制并且提供關(guān)于超 出當(dāng)前可用技術(shù)的尺寸的較大的物體和貨盤的成本有效和操作有效的三維體積成像信息。 其他實(shí)施例提供了來(lái)自CT和透射X射線成像的二維和三維數(shù)據(jù)集的改進(jìn)的視覺(jué)化，以便利 物體識(shí)別和所關(guān)注的內(nèi)容物、組分或成分的分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例包括用于對(duì)貨物或運(yùn)輸容器的內(nèi)容物、組分和/或 成分成像的成像系統(tǒng)以及相關(guān)的方法。另外的實(shí)施例包括用于基于來(lái)自貨物或運(yùn)輸容器的 圖像數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維模型的系統(tǒng)以及相關(guān)的方法。
[0011] 根據(jù)本實(shí)施例的成像系統(tǒng)包括發(fā)射X射線或伽馬射線波束的X射線或伽馬射線 源、具有多個(gè)檢測(cè)器的隧道、以及可平移平臺(tái)。檢測(cè)器均接收一部分波束?？善揭破脚_(tái)支承 貨物或運(yùn)輸容器并且移動(dòng)通過(guò)隧道，使得貨物或運(yùn)輸容器與多個(gè)檢測(cè)器接收到的部分波束 交叉?？善揭破脚_(tái)也可以旋轉(zhuǎn)并且以多個(gè)角度移動(dòng)通過(guò)隧道。
[0012] 該成像系統(tǒng)還可以包括計(jì)算機(jī)和圖形接口。當(dāng)貨物或運(yùn)輸容器與部分波束交叉 時(shí)，計(jì)算機(jī)可以接收來(lái)自部分波束的由多個(gè)檢測(cè)器收集的信息。計(jì)算機(jī)還可以基于該信息 重建貨物或運(yùn)輸容器的三維圖像。圖形接口可以顯示三維圖像。
[0013] 另外的實(shí)施例包括用于基于來(lái)自貨物或運(yùn)輸容器的圖像數(shù)據(jù)，諸如多個(gè)檢測(cè)器收 集的信息中的圖像數(shù)據(jù)，創(chuàng)建三維模型的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括處理器和存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器存儲(chǔ) 用于如下操作的指令：接收表示從寬豎直波束角度收集的信息的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以 生成三維體積模型以及輸出三維體積模型。
[0014] 這些和其他實(shí)施例可以包括額外的特征，諸如下文描述的特征。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 本專利或申請(qǐng)文件包含至少一幅彩色制成的視圖。在請(qǐng)求并支付必要的費(fèi)用之 后，官方將提供具有彩色示圖的該專利或?qū)＠暾?qǐng)公布的副本。
[0016] 當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參照下面的詳細(xì)描述將更好地理解本發(fā)明的這些和其他 特征和優(yōu)點(diǎn)。這些附圖不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明，而是旨在僅是說(shuō)明性的。
[0017] 圖1是示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的整體X射線成像幾何特征和貨物運(yùn)動(dòng)功能的示 圖。
[0018] 圖2A是在豎直橫截面中示出圖1和圖2B的中心扇形波束的X射線檢測(cè)器板布局 的示圖。
[0019] 圖2B是示出圖1的X射線成像系統(tǒng)的準(zhǔn)直的示圖。
[0020] 圖3是示出包括貨物運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的圖1的實(shí)施例的自頂而下的布局的示圖。
[0021] 圖4是示出包括貨物運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的圖3的實(shí)施例的透視圖。
[0022] 圖5是圖示圖4的貨物運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的元件的框圖。
[0023] 圖6是本發(fā)明的實(shí)施例的掃描處理流程圖。
[0024] 圖7是示出并入?yún)^(qū)域成像檢測(cè)器的本發(fā)明的另一實(shí)施例的整體X射線成像幾何特 征和貨物運(yùn)動(dòng)功能的示圖。
[0025] 圖8是示出并入與預(yù)準(zhǔn)直器和檢測(cè)器陣列的豎直部分對(duì)準(zhǔn)地豎直升高X射線源的 機(jī)構(gòu)的本發(fā)明的替選實(shí)施例的整體X射線成像幾何特征和貨物運(yùn)動(dòng)功能的示圖。
[0026] 圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于獲取、處理、重建、存儲(chǔ)和顯示X射線 數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和操作員控制接口的框圖。
[0027] 圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的操作員控制面板的圖示。
[0028] 圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的遠(yuǎn)程操作員控制面板的圖示。
[0029] 圖12示出了在貨盤以相對(duì)檢測(cè)器陣列的固定角度從系統(tǒng)入口到出口的單次平移 過(guò)檢（pass)之后，使用圖1至4中圖示的實(shí)施例獲取的X射線透射圖像。
[0030] 圖13示出了使用圖1至4中所示的實(shí)施例獲取的重建體積X射線數(shù)據(jù)的圖像渲 染。提供與圖13相似的觀看視角，并且從貨盤以相對(duì)檢測(cè)器陣列的四個(gè)離散角度的四次過(guò) 檢得到重建體積圖像。
[0031] 圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的重建以及預(yù)處理和后處理的方法的流程圖。
[0032] 圖15是示出在將數(shù)據(jù)從單個(gè)扇形波束投影到虛擬檢測(cè)器空間之后的圖1的實(shí)施 例的平行扇形波束幾何特征的示圖。
[0033] 圖16是圖示根據(jù)圖15的實(shí)施例的、將扇形波束檢測(cè)器投影到虛擬檢測(cè)器空間以 及均勻重新采樣的視圖。
[0034] 圖17是根據(jù)圖15的實(shí)施例的將立體像素（體積元素）陰影或占地面積投影到檢 測(cè)器元件以計(jì)算前向投影期間的貢獻(xiàn)的2D示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于對(duì)運(yùn)輸物體的內(nèi)容物、組分和/或成分成像的X射線透 射和計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)以及相關(guān)的方法，還涉及用于分析得到的圖像信息并且對(duì)其視覺(jué) 化的方法。更具體地，實(shí)施例涉及運(yùn)輸容器和物體的X射線和X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描檢查， 以確定諸如爆炸物、武器和易燃物的威脅物料的存在與否，識(shí)別諸如非法藥品的違禁品的 存在與否和/或在非破壞性測(cè)試應(yīng)用中檢查物料。實(shí)施例還說(shuō)明了從均得自X射線源、X射 線扇形波束和X射線檢測(cè)器陣列的多個(gè)圖像創(chuàng)建空間良好解析的三維圖像數(shù)據(jù)集以幫助 識(shí)別以上提及的所關(guān)注的物體或物料的系統(tǒng)和方法。
[0036] 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，空間解析三維X射線圖像數(shù)據(jù)集支持自動(dòng)化物體分割方 法以及基于物體、區(qū)域或體積的洪斯費(fèi)爾德（Hounsfield)數(shù)值、CT數(shù)值或密度特性的自動(dòng) 化物體威脅/非威脅或警報(bào)/非警報(bào)區(qū)分方法的有效實(shí)現(xiàn)。這些方法可以用在本發(fā)明的實(shí) 施例中并且可以擴(kuò)展到使用三維X射線圖像數(shù)據(jù)集的雙能量重建的場(chǎng)景、物體和物料的特 征化，其可以提供體積原子序數(shù)和/或密度信息