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CN1178019A - 用于检测薄形物的x－射线计算机层析(ct)摄影系统 - Google Patents

用于检测薄形物的x－射线计算机层析(ct)摄影系统 Download PDF

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Abstract

通过用辐射扫描一个三维体积以确定表示该体积的体元的特征(S1),识别具有相近特征值的体元(S2),并确认相近体元构成的连续体元组(S3),来确定一种物体的存在。然后,如果该连续体元组一个特征值如质量(S7)和/或体积(S5)达到一个预定值,则认定该连续体元组含有该物体。

Description

用于检测薄形物的X-射线计算机层析(CT)摄影系统
                   发明背景
本发明涉及一种用于检测薄形物，例如沿着行李箱内壁放置的爆炸物的改进技术。更具体地说，本发明涉及一种利用X-射线计算机层析摄影(CT)技术检测薄形物，如爆炸物的改进技术。
由于只需比较少的爆炸物就会造成灾难性的破坏，以及塑料爆炸物可以制成几乎任何形状，所以行李箱中爆炸物的检测是一个极具挑战性的问题。最难以检测的爆炸物结构或许是层状爆炸物，即爆炸物质被制成在一个方向上具有非常小的物理尺度的薄层形状。
检测爆炸物的一种现有技术方法是使用X-射线CT技术。X-射线CT是一种通过使X-射线通过一物体并且测定通过该物体的X-射线的衰减，从而确定该物体的内部结构的技术。按照这种技术，物体被细分成许多体元，每一体元都是用于成象目的的最基本的体积单位。与行李箱中的其它物品相比较，爆炸物具有一种特殊的密度范围，例如，1.2到1.8克/立方厘米，因此其对X-射线的衰减与非爆炸物不同。
一般来说，CT系统被设计成使体元尺寸与成象中检测的最小物体尺寸大体一致。在需要高对比灵敏度的情况，这种方法显然是合理的。实际上，通常采用的体元尺寸略微小于被检测物的立体尺寸。然而由于这种方法需要大量用于图象获取和图象再现的检测器单元、观察角度位置、体元，从而大大增加了系统的成本和复杂程度。由于相对于较小的体元尺寸需要维持大致相同数量的X-射线和相同的信噪比，因此也会大大增加X-射线源的负载。
在CT图象中，如果爆炸物层的尺寸小于体元线性尺寸，由于该体元没有被爆炸物充满，使得所测得的相应体元的密度减小。图1和图2针对爆炸物密度ρ为1.5克/立方厘米的一种结构说明了这个问题。图1表示了用爆炸物完全充满的一个体元V1，其中该体元的平均密度为1.5克/立方厘米。图2表示包含一部分层状爆炸物的一个体元V2，其中爆炸物层的厚度为体元线性尺寸的20％。体元V2中的平均密度ρ减少到0.3克/立方厘米。由于常规的CT系统计算出体元V2的密度小于爆炸物应具有的密度，因此不会确认体元V2中含有爆炸物。
现有技术的困难是从手提箱的背景物质中鉴别出这样一种层状爆炸物。
发明概要
所以，本发明的一个目的是当一个物体在一个维度上较薄时测定该物体在三维体积中的存在与否。
本发明的另一个目的是提供一种检测爆炸物的改进技术。
本发明的再一个目的是提供一种使需要处理的体元数量达到最少的检测爆炸物的技术，同时，该技术用于检测层状爆炸物，例如沿行李箱壁放置的爆炸物。
本发明的又一个目的是提供一种用于爆炸物检测的低成本X-射线计算机层析摄影系统。
本发明的技术用于确定一个物体在三维体积中的存在与否，如行李箱中爆炸物的存在与否。本发明的技术用辐射扫描该三维体积以测定表示三维体积的许多体元中每个体元的特征(如密度)，并识别具有相似特征值的体元以确认具有相似值的一组相邻体元。然后，如果这一组相邻体元的特征值具有预定值，则确认这一组相邻体元包含某种物质。
通过以下对本发明的详细说明，本发明的其它目的、特征、优点将变得更加明显。
附图简介
下面将参照附图更加详细地说明本发明。在这些附图中：
图1表示平均密度ρ为1.5克/立方厘米的完全充满的一个体元V1；
图2表示平均密度ρ为0.3克/立方厘米的部分充满的一个体元V2；
图3表示根据本发明的一种适合的硬件设备的透视图；
图4表示适用于本发明的一个机架的顶视图；
图5表示一个无害的提包B1，该提包中包含若干彼此不相连接的、具有特定密度范围的小区域；
图6表示一个可疑的提包B2，该提包中包含一个较大的具有特定密度范围的区域；以及
图7表示根据本发明检测爆炸物技术的流程图。
              优选实施例详细说明
本发明基于爆炸物与行李箱中的其它物品，例如衣物相比具有特定的密度范围，和为了能够正确地引爆，许多爆炸物必须实际成为一体，就是彼此相邻的事实。根据本发明，图象处理器对相连单元进行识别和标记，以识别具有特定密度范围的区域，并将它们连接成一个单一体积。然后计算这个单一体积的尺寸，以确定如果这个体积中含有爆炸物，该单一体积是否大到足以产生重大破坏。
因为本发明比常规的CT系统便宜，所以它可以用于进行例如初步的甄别。可以通过二次检查，例如采用中子检测或人工检查来确定可疑区域是否确实是爆炸物。
按照本发明的新技术，将已有认识与图象处理和分析技术相结合，以提供一种具有较大体元的系统结构。例如，研究一个厚2毫米、密度为1.5克/立方厘米的爆炸物层。在常规的CT系统中，为了覆盖1米的观察范围，需要2毫米的体元尺寸和500个检测单元。再现500×500象素构成的图象大约需要1000个观测角度以保持系统的空间分辨率。这样的一个系统与可以使用较大体元的本发明相比是极为复杂和价格昂贵的。
图3和图4表示适用于本发明的一个优选实施例中的硬件设备。图3是一个透视图，表示一个待检测的提包B。提包B沿D方向的传送带300向机架100移动。机架100包括一个X-射线源，当提包B通过该机架时，该X-射线源向该提包发射X-射线。该机架100还包括一组X射线检测器。该检测器检测通过提包B的X-射线。从该检测器输出的信息被传送到处理器200以确定X-射线通过该提包的衰减量。处理器200包括一个相邻识别模块210和一个物体识别模块220，后面将对它们进一步详细描述。处理器200应用该衰减量值计算该提包的三维图象中的每一个体元的密度。
为了再现该提包的一个三维密度图，需要从各个角度观测该提包。因此，或者是机架100必须围绕该提包旋转，或者是必须旋转该提包。在图3和图4所显示的设备中，是机架100在旋转，因为如果旋转该提包，该提包里面的东西就会移动。
图4为机架100的顶视图。如图4所示，为了实施本发明，机架100的尺寸被设计成最大可容纳100厘米×50厘米的提包。机架100包括一个X-射线源10和一个检测器阵列20。该X-射线源10是一个140千伏峰值(kvp)，1到5千瓦的源，并具有30°的扇形扫描角度。该检测器阵列20由1280个检测器元以8×160的矩阵形式构成。每一个检测器元由一个闪烁体构成，该闪烁体与一个光二极管和相应的电流积分电路连接。本实施例的体元尺寸是0.625×0.625×1.25厘米。一个具有代表性的提包的体元数目是60。对于一个典型的提包从250个位置检测所用的全部检测时间是8秒。
有关CT扫描硬件设备和信号处理的一般背景技术可以在下述文献中找到，“计算机层析摄影技术部分I：介绍与工业应用”The Journalof The Minerals，Metals&Materials Society，David C.Copley，JeffreyW.Eberhard，和Gregory A.Mohr，第46卷，第1册，1994年1月，14-26页；“计算机层析摄影成象的原理”，Avinash C.Kah和MalcolmSlaney(IEEE出版社，1988)；以及“利用投影方法的图象再现”，Gabor T.Herman(学术出版社，1980)。这些文献的内容结合在本申请中作为参考。
按照本发明的这项新技术，可以使用大约1厘米量级的较大体元尺寸。通过一个给定体元的一个大的爆炸物层会填充该体元体积的20％，得到的该体元的平均密度为0.3克/立方厘米。这个密度对于0.2克/立方厘米的背景提包密度来说，已经足够大到可以被甄别出来。因此，在一个选定的密度范围内，例如，从0.25到1.8克/立方厘米的体元，被认为其可能含有爆炸物。在图5和图6中这些密度在一个特定范围之内的区域表示为区域R1、R2、R3和R4。下面将对图5和图6作更详细的讨论。
在识别出背景之上的区域之后，与部分识别和标记方法相关的一个三维灰度图将所有在所选择的密度范围中的实际相邻的体元连接在一起。部分识别和标记技术记载在由Berthold Klaus Paul Horn所著的Robot Vision第4章中(MIT出版社1986)。在本申请中结合此文献作为参考。
此文所述方法经过改进用于本发明，本发明使用三维灰度方法代替了二维二进制方法。通过检测确定一个体元的检测值与一个选定的基准值的差值Δ是否小于一个预设的阈值，而不是通过检测确定该体元是否为1。如果是小于预设的阈值，则就象在二进制情况下一样将该体元作为1对待。在三维情况下，用体积代替了面积。对于任何给定的体元，相邻体元被划分成一个位于所处理体元之上的平面(上平面)、一个位于同一层的平面(同平面)和一个位于该体元之下的平面(下平面)。虽然在一个平面内的扫描是一种二维光栅扫描，但是当从上到下进行扫描时，就构成了三维光栅扫描。与在二维情况一样，相邻单元的子集被用于标记图中。计算出上平面中所有体元的特征值。如果上平面中任何一个体元与基准体元的差值Δ处于阈值范围内，就指定给该体元作上标记。在所处理的体元平面内，利用与在二维情况相同的体元。与在二维情况一样，有可能对于一个单元的各个部分使用了两种不同的标记。事实上，如果相对于所处理的中心体元作上标记的两个体元仅仅是以点的形式与该中心体元相关联(而不是在一个面上或一条边上与之关联)，就会发生这种情况。在这种情况下，需要记住，两种标记是等价的，可以使用它们之中任何一个标记中心体元。通过对图象进行第二次扫描以重新标记可能是必要的。
将那些处于特定密度范围内、在三维空间中实际相邻的、密度偏差小于一个预定阈值的体元分组，并给它们做一个用于识别的标记。因为这种相邻性检测是在三维空间中完成的，所以很容易识别出任何方向任何形状的薄的区域。
接着，确定每个区域的体元数目，并且将其与一个阈值进行比较。小区域，即只包含少数体元的区域被认为是“无害”的，而不再考虑。这种情况表示在图5中，其中表示了一个“无害”的提包B1，它包括处于特定密度范围内的几个彼此不相连的小区域R1、R2、和R3。大的连续区域，即含有的体元数多于预定阈值的区域，被识别出来并认为是可疑的。这种情况表示在图6中，其中表示了一个可疑的提包B2，该提包中包括一个处于特定密度范围内的大的连续区域R4。然后，通过将检测区域中每个体元的体积与其密度相乘计算出任何可疑区域中包含的物质的质量。如果计算出的质量大于一个预定阈值，例如，1000克，那么就暂时将该区域确认为爆炸物。然后，通过一项辅助检查技术，如脉冲快速中子检测，或者是打开该提包检测进行核查工作。
现在参考图7对上述技术的实例做详细描述。图7中所示的大多数步骤是在处理器200的相邻识别模块210和物体识别模块220中完成的。根据目前具体的应用，这些模块可以用软件、硬件、或软硬件结合实现。
应当注意图7所示的技术仅仅是本发明原理的一个应用实例。那些本领域的技术人员可以理解，对图7所示技术可以作出许多改进和变型。
图7所示的实例是基于以下的一些已知信息：
(1)爆炸物的密度在1.2到1.8克/立方厘米范围之内；
(2)手提箱中的背景密度大约是0.2克/立方厘米；
(3)不希望检测数量很少，例如，100立方厘米或150克的爆炸物，以及
(4)占有部分体积的物品使密度减少的量与一个体元的填充量的缺少部分成正比。
根据具体的检测目的可以对这一已知信息做适当的修改。例如，在图7中，选择0.3到1.8克/立方厘米作为检测的密度范围。
在步骤S1中，对手提箱扫描以确定每个体元的线性衰减系数，这些系数则又表示每个体元的密度。关于扫描和确定密度的适合的技术在上述涉及CT扫描的参考文献中有记载。这个密度信息存贮在一个存贮器中以便在步骤S2到S7中进行处理，所说的步骤S2-S7共同识别手提箱的CT图象中可能的爆炸物区域。
在步骤S2中，具有相近密度范围，即在0.3到1.8克/立方厘米之间的相近密度的体元被连接起来并标记为一个连续区域。在步骤S3中，计算每个连续区域中的体元数目。在步骤S4中，将该区域中体元的数目(从步骤S3得出)乘以体元体积以确定每个连续的、或连接起来并做了标记的区域的体积。在步骤S5中，对于每个连续区域，判断该连续区域的体积是否大于一个阈值T1，例如，750立方厘米。任何体积大于阈值T1的区域都被认为是可疑的，并且继续到步骤S6处理。
在步骤S6中，通过对该可疑的连续区域中每个体元密度和体元体积的乘积求和，确定每个可疑的连续区域的质量。在步骤S7确定每个可疑的连续区域的质量(在步骤S6中求得)是否大于阈值T2，例如，1000克。如果一个可疑的连续区域的质量大于阈值T2，那么该区域就暂时被认定为爆炸物，并且继续到步骤S8处理。步骤S7可以包括启动报警装置。在步骤S8中，通过其他的检查方法，例如，通过脉冲快速中子分析或打开该提包检查，来核实是否存在爆炸物。
因为这项新技术允许使用大体元而不是2毫米的体元，所以减少了所需的检测器元的数目。例如，如果使用1厘米的体元，那么所需的检测器元的数目减少到100，观察角度的数目减少到大约200，成象尺寸减少到100×100。所以将输入数据组的大小减少到25分之一(或者更多，因为片层的厚度也可以增大)，所说数据组的大小与检测器的数目和观察角度的数目的乘积成正比。图象的再现时间也减少到125分之一，所说时间与观察角度的数目和该图象中的体元数目的乘积成正比。这些数据和计算量的显著减少使得用于提包检查的实用、可靠的CT系统更加简单。
虽然上面已经针对本发明的一些具体的应用和实施方式描述了本发明，但是本发明的范围并不仅仅局限于上述的具体应用和实施方式。对于那些本领域的技术人员来说，在掌握了上述的技术之后，在本发明的构思和范围内，可以做出许多改进、变化和应用。例如，本发明并不局限于图3和图4所示的实际结构。虽然本发明特别适用于检测行李箱中的层状爆炸物，但是一般来说，当待检测的物体在一个方向上的尺寸小于CT图象中体元的线性尺寸时，本发明就是有用的，并且可以使用，例如，检测和确定合成材料中某些分层的特性。因此，本发明范围由下列权利要求所限定。

Claims (20)

1.一种帮助确定一个物体在用多个体元表示的一个三维体积中是否存在的方法，其特征在于：所说物体至少在一个维度上小于所说体元的线性尺寸，该方法包括以下步骤：
(a)用辐射扫描所说三维体积，以确定表示所说三维体积的的多个体元中每一个的特征；
(b)识别具有相近的所说特征值的体元，以确认一组具有所说相近值的连续体元；以及
(c)如果所说连续组的特征值达到一个预定值，将所说连续的体元组确认为可能包含所说物体。
2.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于：所说物体是一种爆炸物。
3.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于：所说物体是合成材料中的一个分层。
4.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于：所说扫描包括X-射线扫描。
5.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于：所说特征是连续体元组的质量。
6.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于：所说特征是连续体元组的体积。
7.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于：所说三维体积包括行李箱中的物品。
8.一种检测爆炸物的方法，它包括以下步骤：
(a)扫描一个三维体积以确定表示所说三维体积的多个体元中每一个的密度；
(b)将所说的多个体元中具有相近密度的体元连接起来并加以标记；
(c)确定具有相近密度的每个连续区域体元的体积；
(d)将每个这样的连续区域的体积与一个第一阈值比较，将超过所说的第一阈值的各个连续区域确认为可疑区域；
(e)确定每个可疑区域的质量；以及
(f)将每个可疑区域的质量与一个第二阈值比较，将超过所说的第二阈值的各个可疑区域确认为可能包含一种爆炸物。
9.如权利要求8所述的一种方法，其特征在于：它还包括进一步检查以确定爆炸物是否存在的步骤。
10.如权利要求9所述的一种方法，其特征在于：所说的进一步检查包括人工检查。
11.如权利要求9所述的一种方法，其特征在于：所说的进一步检查包括中子检测。
12.一种帮助确定一种物体在用多个体元表示的三维体积中的存在与否的装置，其特征在于：所说物体至少在一个维度上小于所说体元的线性尺寸，该装置包括：
(a)一个扫描器，用于扫描该物体；以及
(b)一个处理器，它包括
(1)一个相邻识别模块，用于确定表示三维体积的多个体元中每一个的特征，并识别具有相近的所说特征值的体元，以确认具有所说相近值的一个连续体元组；以及
(2)一个物体识别模块，如果所说连续体元组的特征值达到预定值，该模块将所说连续体元组确认为可能含有所说物体。
13.如权利要求12所述的一种装置，其特征在于：所说物体是一种爆炸物。
14.如权利要求12所述的一种装置，其特征在于：所说物体是合成材料中的一个分层。
15.如权利要求12所述的一种装置，其特征在于：所说的扫描器是一个X-射线扫描器。
16.如权利要求12中所述的一种装置，其特征在于：所说的特征是连续体元组的质量。
17.如权利要求12中所述的一种装置，其特征在于：所说的特征是连续组的体积。
18.如权利要求12中所述的一种装置，其特征在于：所说的三维体积包括行李箱中的物品。
19.一种用于检测爆炸物的装置，它包括：
(a)一个扫描器，其用于扫描三维体积以确定表示三维体积的多个体元中每一个的密度；以及
(b)一个处理器，它包括
(1)一个相邻识别模块，用于将所说多个体元中具有相近密度的体元连接和加以标记；和
(2)一个物体识别模块，用于
(i)确定具有相近密度的每个连续区域体元的体积；
(ii)将每个这样的连续区域的体积与一个第一阈值比较，并将那些体积大于第一阈值的各个连续区域确认为可疑区域；以及
(iii)确定每个可疑区域的质量；以及
(iv)将每个可疑区域的质量与一个第二阈值比较，并将那些质量大于第二阈值的各个可疑区域确认为可能包含一种爆炸物的区域。
20.一种检测爆炸物的方法，包括以下步骤；
(a)扫描一个三维体积，以确定表示三维体积的多个体元中每一个的密度；
(b)连接并标记所说的多个体元中具有相近密度的体元；
(c)确定具有相近密度的各个连续区域体元的体积和质量中至少一个值；
(d)将具有相近密度的各个连续区域的体积和质量中至少一个的值与至少一个阈值比较，并将其值大于一个阈值的各个区域确认为可能包含一种爆炸物的区域。
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