CN101900694B - 基于直线轨迹扫描的双能欠采样物质识别系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于直线轨迹扫描的双能欠采样物质识别系统和方法。利用直线轨迹扫描过程中由整层的低能探测器阵列获得的低能投影数据对被检测物体进行CT重建，在CT重建图像中运用区域图像分割方法按照衰减系数对此断层图像进行区域分割并进行标记。同时，利用设置在部分低能探测器后的少数几个高能探测器得到的投影数据实现双能量物质识别成像。由于利用直线轨迹，不需要旋转，因此机械设计简单，检查通关率高；由于仅使用少量几个的双能探测器，系统成本低。

Description

基于直线轨迹扫描的双能欠采样物质识别系统和方法

技术领域

本发明涉及辐射成像技术，具体涉及一种基于直线轨迹扫描的双能欠采样物质识别系统和方法，它允许对物体进行快速的安全检查。

背景技术

近年来，由于毒品，爆炸物，武器等危险品走私现象的日益严重，使得能够低成本，快速度进行物质识别的安全检查系统在打击违禁品走私等安全领域有着十分重要的意义。

目前能够进行物质识别的安全检查系统以双能成像系统为主流，主要分为两类。一类是双能透视成像系统，但由于该系统重建的是前后物体相互重叠的图像，所以容易误报或漏报走私的违禁品。另一类是基于圆或螺旋轨迹的双能CT成像系统，此系统虽然能够解决物体重叠问题，但由于系统设计复杂，扫描时间长，成本高等因素使其不能够大范围被使用。

如图1所示，专利文献1(CN1971620A)提出了一种直线轨迹CT成像系统，使得CT成像技术用于快速安全检查成为可能。但由于CT系统自身的局限性，该专利文献所提出的方法只能够重建物体的形状信息而不能进行物质鉴别，所以在对行李箱中违禁品的物质识别问题上是无能为力的。如果将用于直线扫描轨迹的全部探测器均换成双能探测器，则系统成本将大大提高，不被接受。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于直线轨迹扫描的双能欠采样物质识别方法和系统，以低成本，快速度进行双能物质识别。

在本发明的一个方面，提出了一种基于直线轨迹扫描的双能欠采样物质识别方法，包括：对被检查物体进行直线轨迹CT扫描，通过第一层阵列探测器获得第一投影数据以重建被检测物体的CT图像，以及通过设置在部分第一层阵列探测器后的第二层探测器阵列获得第二投影数据；组合第一投影数据和第二投影数据，以获得部分角度下的双能欠采样数据；根据双能欠采样数据采用查表的方法获得光电系数积分值和康普顿系数积分值；对被检测物体的CT图像进行区域分割，得到分割后的多个区域并且计算双能射线穿过各个区域的长度；根据双能射线穿过各个区域的长度，光电系数积分值和康普顿系数积分值，利用双能前处理双效应分解重建方法求解康普顿系数和光电系数；基于康普顿系数和光电系数至少计算各分割的区域中物质的原子序数；至少基于原子序数对被检查物体的物质进行识别。

在本发明的另一方面，提出了一种基于直线轨迹扫描的双能欠采样物质识别系统，包括：射线发生装置，产生要穿透被检查物体的射线束；机械传动控制部分，包括传动装置和控制系统，用于实现对被检查物体的直线轨迹扫描；数据采集分系统，包括阵列探测器，用于获取穿透被检查物体的射线束的透射投影数据；主控制及数据处理计算机，控制上述射线发生装置，机械传动控制部分和数据采集分系统，对被检查物体进行直线轨迹CT扫描，通过第一层阵列探测器获得第一投影数据以重建被检测物体的CT图像，以及通过设置在部分第一层阵列探测器后的第二层探测器阵列获得第二投影数据；其中所述主控制及数据处理计算机包括：组合第一投影数据和第二投影数据，以获得部分角度下的双能欠采样数据的装置；根据双能欠采样数据采用查表的方法获得光电系数积分值和康普顿系数积分值的装置；对被检测物体的CT图像进行区域分割，得到分割后的多个区域并且计算双能射线穿过各个区域的长度的装置；根据双能射线穿过各个区域的长度，光电系数积分值和康普顿系数积分值，利用双能前处理双效应分解重建方法求解康普顿系数和光电系数的装置；基于康普顿系数和光电系数至少计算各分割的区域中物质的原子序数的装置；至少基于原子序数对被检查物体的物质进行识别的装置。

和传统双能透视成像系统相比，本发明实施例的方法和系统解决了透视成像中物体重叠问题。

和传统的圆或螺旋轨迹双能CT成像系统相比，本发明实施例的方法和系统利用直线轨迹扫描并仅在直线轨迹扫描的低能探测器后面增加了少量几个高能探测器进行双能数据采样即可实现对被测物体进行低成本，快速度的双能物质识别。

同时，本系统也可以应用于无损检测领域。

附图说明

从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述特征和优点将更明显，其中：

图1是描述根据现有技术的直线轨迹扫描过程的示意图；

图2是描述根据本发明实施例的基于直线轨迹的双能欠采样物质识别过程的平面示意图；

图3A是根据本发明实施例的双能欠采样物质识别系统的结构示意图；

图3B是根据本发明实施例的双能欠采样物质识别系统中的主控制和数据处理计算机的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的基于直线轨迹扫描的双能欠采样物质识别方法的详细流程图；

图5示出了光电系数积分和康普顿系数积分的查找表；以及

图6是描述计算穿过分割的区域的射线长度的示意图。

具体实施方式

下面，参考附图详细说明本发明的优选实施方式。在附图中，虽然示于不同的附图中，但相同的附图标记用于表示相同的或相似的组件。为了清楚和简明，包含在这里的已知的功能和结构的详细描述将被省略，否则它们将使本发明的主题不清楚。

图2是描述根据本发明实施例的基于直线轨迹的双能欠采样物质识别过程的平面示意图。如图2所示，根据本发明实施例的双能欠采样物质识别成像系统采用基于CT图像的双能投影欠采样物质识别方法。在本发明实施例的系统中，在数据采集分系统13中，在整层的低能探测器阵列后，设置了少数几个高能探测器单元。被检查物体在射线源11和探测器阵列之间直线运动。

这样，利用直线轨迹扫描过程中由整层的低能探测器阵列获得的低能投影数据对被检测物体进行CT重建，在CT重建图像中运用区域图像分割方法按照衰减系数对此断层图像进行区域分割并进行标记。同时，利用设置在部分低能探测器后的少数几个高能探测器得到的投影数据实现双能欠采样物质识别成像。

图3A是根据本发明实施例的双能欠采样物质识别系统的结构示意图。如图3A所示，本发明实施例的双能欠采样物质识别系统主要由如下几个部分组成。

射线发生装置11，包括X射线加速器、X光机或者放射性同位素，以及相应的辅助设备。

机械传动控制部分12，该部分包括一个传输被检查物体(或者源和探测器)的传动装置和控制系统，物体运动与源和探测器运动属于相对运动，是等价的。

数据采集分系统13，主要包括两层高低能探测器(一般是等距排列，也可以是等角排列)用于获取低能透射投影数据。其中中间的几个低能探测器的后方对应的安置几个高能探测器，获得双能投影数据。该分系统13还包括探测器上投影数据的读出电路和逻辑控制单元等。探测器可以是固体探测器，也可以是气体探测器，还可以是半导体探测器。

两层高低能探测器(由整层低能探测器单元和少数高能探测器单元组成)位于射线源对面，平行于传送带。探测器在水平方向与射线源张角尽可能大，在竖直方向覆盖物体。例如，探测器阵列放置在源的对边，要求射线水平张角θ在90度以上。

数据采集时，要求采样间隔在时间轴上是均匀的，被检查物体也要是匀速运动，并要求所有阵列探测器同步采集。

主控制及数据处理计算机14通过控制信号及数据传输线15发送和接收信号，负责CT系统运行过程的主控制，包括机械控制，电气控制，安全连锁控制等，并对由数据采集分系统13获得的投影数据进行处理，用直线滤波反投影方法重建出待测物体断层图像，分割图像以及各分块区域的原子序数和电子密度图像，并通过显示器显示出来。计算机可以是高性能的单个PC，也可以是工作站或机群。显示器可以是CRT传统显示器也可以是液晶显示器。

图3B示出了如图3A所示的主控制及数据处理计算机14的结构框图。如图3B所示，数据采集分系统13所采集的数据存储在存储器141中。只读存储器(ROM)142中存储有计算机数据处理器的配置信息和程序。随机存取存储器(RAM)143用于在处理器146工作过程中暂存各种数据。另外，存储器141中还存储有用于进行数据处理的计算机程序和预先编制的数据库，该数据库存储有各种已知物体的相关信息，光电系数积分和康普顿系数积分查找表，原子序数查找表或者原子序数分类曲线，以及物质的电子密度等信息，用于与处理器146所计算出的被检查物体中各个区域的诸如原子序数和电子密度之类的属性进行比较。内部总线144连接上述的存储器141、只读存储器142、随机存取存储器143、输入装置145、处理器146和显示装置147。

在用户通过诸如键盘和鼠标之类的输入装置145输入的操作命令后，该计算机程序中的处理器146执行预定的数据处理算法，在得到数据处理结果之后，将其显示在诸如LCD显示器之类的显示装置147上，或者直接以硬拷贝的形式输出处理结果。

下面参照附图4详细描述本发明实施例的方法的执行过程。图4是根据本发明实施例的基于直线轨迹扫描的双能欠采样物质识别方法的详细流程图。

在步骤S11，主控制及数据处理计算机14控制射线发生装置11、机械传动控制部分12、和数据采集分系统13，利用直线滤波反投影方法将在第一层探测阵列获得的投影数据采样进行CT重建，得到被检测物体的CT断层图像。同时，利用第二层少量几个探测器获得的投影数据实现双能量投影数据欠采样，进而可查表求出每对高低能投影对应的光电系数积分和康普顿系数积分值A。

如图5所示，横纵坐标P1，P2分别表示高低能情况下得到的投影，在表中的每一个坐标点处都存有与此时高低能投影数据对应的光电系数积分和康普顿系数积分A的取值。即当已知高低能投影数据时，就可通过查找此表得到与之对应的光电系数积分和康普顿系数积分A的取值。在现有文献(“A Volumetric Object Detection Framework withDual-Energy CT”IEEE NSS/MIC 2008)中公开了上述的查找表。

在步骤S12，主控制及数据处理计算机14采用基于区域分割的方法将CT重建图像根据灰度的差异分割成不同几区域并进行标记。例如，上述基于区域分割的方法是改进的单程分裂合并的分割方法。

如图6所示，l_j(i)表示第i条射线穿过第j割区域的长度；T(i)表示投影数据。这样，在步骤S13，根据步骤S11中获得的双能投影采样信息计算出第i组投影数据所对应的射束经过第j块区域的平面长度l_j(i)(如果是螺旋轨迹应计算第i组投影数据所对应的射束经过第j块区域的空间长度l_j(i))。

在步骤S14，主控制及数据处理计算机14利用双能前处理双效应分解重建方法建立方程组A＝∑a·l，其中a表示康普顿系数和光电系数。令在第二周扫描视角下共获得了M组DR双能透射数据，将CT图像共分割成N块标记区域并用T_H(i)和T_L(i)表示第i组高、低能投影数据。通过公式(1)对线性衰减系数进行双效应分解：

μ(E)＝a₁f_ph(E)+a₂f_KN(E)    ……(1)

进而，可以将高、低能透明度用下面的公式(2)和(3)来表示：

$T_H=\underset{E_H}{\∫}{D}_H\left(E\right)\exp (-\∫\mathrm{\μ}\left(E\right)\mathrm{dl})\mathrm{dE}=\underset{E_H}{\∫}{D}_H\left(E\right)\exp (-A_1{f}_{\mathrm{ph}}\left(E\right)-A_2{f}_{\mathrm{KN}}\left(E\right))\mathrm{dE}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

$T_L=\underset{E_L}{\∫}{D}_L\left(E\right)\exp (-\∫\mathrm{\μ}\left(E\right)\mathrm{dl})\mathrm{dE}=\underset{E_L}{\∫}{D}_L\left(E\right)\exp (-A_1{f}_{\mathrm{ph}}\left(E\right)-A_2{f}_{\mathrm{KN}}\left(E\right))\mathrm{dE}\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

其中f_ph(E)表示光电截面对射线能量E的依赖关系；f_KN(E)刻画康普顿界截面和光子能量的关系；D_H(E)表示高能探测器测量到的X光机射线能谱；D_L(E)表示低能探测器测量到的X光机射线能谱；a₁表示光电系数；a₂表示康普顿系数；A₁表示光电系数积分；A₂表示康普顿系数积分，即如下公式(4)所示：

A＝∫adl    ……(4)

从而构建线性方程组：

A＝∑a·l    ……(5)

具体而言，用下面的方程组(6)和(7)对a₁，a₂进行求解：

$\left[\begin{array}{ccccc}{l}_1\left(1\right)& l_2\left(1\right)& .& .& l_N\left(1\right)\\ l_1\left(2\right)& .& & & .\\ .& & .& & .\\ .& & & .& .\\ l_1\left(M\right)& .& .& .& l_N\left(M\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{1,1}}\\ a_{\mathrm{1,2}}\\ .\\ .\\ a_{1,N}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}_1\left(1\right)\\ A_1\left(2\right)\\ .\\ .\\ A_1\left(M\right)\end{array}\right]\·\·\·\·\·\·\left(6\right)$

$\left[\begin{array}{ccccc}{l}_1\left(1\right)& l_2\left(1\right)& .& .& l_N\left(1\right)\\ l_1\left(2\right)& .& & & .\\ .& & .& & .\\ .& & & .& .\\ l_1\left(M\right)& .& .& .& l_N\left(M\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{2,1}}\\ a_{\mathrm{2,2}}\\ .\\ .\\ a_{2,N}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}_2\left(1\right)\\ A_2\left(2\right)\\ .\\ .\\ A_2\left(M\right)\end{array}\right]\·\·\·\·\·\·\left(7\right)$

在步骤S15利用最小二乘的方法求解步骤S14中构建的方程组，计算得到a，即光电系数a₁和康普顿系数a₂。然后，在步骤S16，通过公式(8)和(9)求原子序数和电子密度：

$a_1\≈K_1\frac{N_A}{2}\mathrm{\ρ}{Z}^n(n\≈3)\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

$a_2\≈K_2\frac{N_A}{2}\mathrm{\ρ}\·\·\·\·\·\·\left(9\right)$

其中Z表示原子序数，ρ表示电子密度，N_A表示阿伏加德罗常数，K₁为常数即包含其它所有与射线能量和物质参数无关的系数，K₂为常数即包含其它所有与射线能量和物质参数无关的系数。这样即可求出分块区域物质的原子序数和电子密度，从而有效的对物质进行识别。例如，基于查找表方法或者分类曲线的方法利用原子序数来对被检查物体的各个区域中的物质进行识别。根据另一实施方式，可以同时使用计算的原子序数和电子密度来对物质进行识别。

如上所述，本发明实施例的基于直线轨迹的双能欠采样物质识别成像系统采用基于CT图像的双能投影欠采样物质识别方法，利用直线轨迹扫描，并仅使用少量几个的双能探测器即可实现对被检测物体进行物质识别。由于利用直线轨迹，不需要旋转，因此机械设计简单，检查通关率高；由于仅使用少量几个的双能探测器，系统成本低。

上面的描述仅用于实现本发明的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本发明的权利要求来限定的范围，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于直线轨迹扫描的双能欠采样物质识别方法，包括：

对被检查物体进行直线轨迹CT扫描，通过第一层阵列探测器获得第一投影数据以重建被检测物体的CT图像，以及通过设置在部分第一层阵列探测器后的第二层探测器阵列获得第二投影数据，其中，第一层阵列探测器为低能阵列探测器，第二层阵列探测器为高能阵列探测器；被检测物体在射线源和阵列探测器之间沿着一个方向直线运动；

组合第一投影数据和第二投影数据，以获得部分角度下的双能欠采样数据；

根据双能欠采样数据采用查表的方法获得光电系数积分值和康普顿系数积分值；

对被检测物体的CT图像进行区域分割，得到分割后的多个区域并且计算双能射线穿过各个区域的长度；

根据双能射线穿过各个区域的长度，光电系数积分值和康普顿系数积分值，利用双能前处理双效应分解重建方法求解康普顿系数和光电系数；

基于康普顿系数和光电系数至少计算各分割的区域中物质的原子序数；

至少基于原子序数对被检查物体的物质进行识别。

2.如权利要求1所述的方法，所述基于康普顿系数和光电系数至少计算各分割的区域中物质的原子序数的步骤包括计算各分割区域中物质的原子序数和电子密度，以及所述至少基于原子序数对被检查物体的物质进行识别的步骤包括基于原子序数和计算的电子密度对被检查物体的物质进行识别。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中对被检查物体的物质进行识别的步骤包括：利用查找表来确定被检查物体的各个分割区域中的物质。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中对被检查物体的物质进行识别的步骤包括：利用事先创建的分类曲线来确定被检查物体的各个分割区域中的物质。

5.如权利要求1所述的方法，还包括对分割的区域进行标记的步骤。

6.一种基于直线轨迹扫描的双能欠采样物质识别系统，包括：

射线发生装置，产生要穿透被检查物体的射线束；

机械传动控制部分，包括传动装置和控制系统，用于实现对被检查物体的直线轨迹扫描；

数据采集分系统，包括阵列探测器，用于获取穿透被检查物体的射线束的透射投影数据；

主控制及数据处理计算机，控制上述射线发生装置，机械传动控制部分和数据采集分系统，对被检查物体进行直线轨迹CT扫描，通过第一层阵列探测器获得第一投影数据以重建被检测物体的CT图像，以及通过设置在部分第一层阵列探测器后的第二层探测器阵列获得第二投影数据，其中，第一层阵列探测器为低能阵列探测器，第二层阵列探测器为高能阵列探测器；被检测物体在射线源和阵列探测器之间沿着一个方向直线运动；

其中所述主控制及数据处理计算机包括：

组合第一投影数据和第二投影数据，以获得部分角度下的双能欠采样数据的装置；

根据双能欠采样数据采用查表的方法获得光电系数积分值和康普顿系数积分值的装置；

对被检测物体的CT图像进行区域分割，得到分割后的多个区域并且计算双能射线穿过各个区域的长度的装置；

根据双能射线穿过各个区域的长度，光电系数积分值和康普顿系数积分值，利用双能前处理双效应分解重建方法求解康普顿系数和光电系数的装置；

基于康普顿系数和光电系数至少计算各分割的区域中物质的原子序数的装置；

至少基于原子序数对被检查物体的物质进行识别的装置。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述基于康普顿系数和光电系数至少计算各分割的区域中物质的原子序数的装置包括计算各分割区域中物质的原子序数和电子密度的装置，以及所述至少基于原子序数对被检查物体的物质进行识别的装置包括基于原子序数和计算的电子密度对被检查物体的物质进行识别的装置。

8.如权利要求6或7所述的系统，其中对被检查物体的物质进行识别的装置包括：利用查找表来确定被检查物体的各个分割区域中的物质的装置。

9.如权利要求6或7所述的系统，其中对被检查物体的物质进行识别的装置包括：利用事先创建的分类曲线来确定被检查物体的各个分割区域中的物质的装置。

10.如权利要求6所述的系统，还包括对分割的区域进行标记的装置。

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