CN102854208A - 一种可甄别深度信息的射线背散射成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可甄别深度信息的射线背散射成像系统，包括射线源、第一准直器、多组探测器、多个第二准直器以及至少一挡光板；本发明通过调整该射线源与该多组探测器的相对位置，以及多个该第二准直器和该挡光板的约束，造成该多组探测器的探测几何角不同，通过比较不同组探测器中对应位置的探测单元所收集的背散射射线的强度的差异，可判断射线在该被测物体中发生康普顿散射效应的深度信息；通过比较同组探测器中不同位置的探测单元所收集的背散射射线的强度的差异，可获取射线在该被测物体中发生康普顿散射效应的横向信息；通过该射线源与该多组探测器所构成的整体与被测物体形成的相对运动，可连续推扫，从而获得完整的多层背散射图像。

Description

一种可甄别深度信息的射线背散射成像系统

技术领域

本发明涉及图像检测技术领域，尤其涉及一种可甄别深度信息的射线背散射成像系统。

背景技术

X射线背散射成像技术（以下简称背散射成像），是一种基于康普顿散射的新型非侵入性成像技术，现已被应用于工业探伤、藏物搜索、边防安检等领域。相比于其他成像技术，背散射成像具有三个优点。（1）射线源和探测器位置摆放灵活，特别是可以同时放置于被测物体同侧，因此背散射成像适于探测传统X射线透射技术难以穿透的大型物体以及藏在墙体内部或地下的物体。（2）背散射成像对低原子序数的元素如碳、氢和氧等尤其敏感，因此特别适于发现藏在金属掩体后的有机违禁品如汽油、炸药和毒品等。（3）背散射成像对外界温度湿度条件不敏感，可在恶劣环境中使用。但是现有的背散射成像受限于自身探测几何和物理因素的影响，信噪比低，进而影响到成像质量。为了改善信噪比，通常采取提高射线能量和强度、增大探测面积以及延长采样时间的措施。

如中国专利（CN101113960B）中的一种背散射探测装置所述，X射线源发出60°扇束，经过切轮准直器形成笔形射线束。切轮准直器下方的旋转驱动装置带动切轮准直器绕X射线源旋转，使光斑周而复始的从下到上或从上到下扫描，当一个角度扫描完成，下一个准直孔正好进入入射面，同时被测物平行于切轮准直器的轴向方向前进，由此形成连续的扫描射线，以实现“飞点扫描”。其背散射探测器组包含若干背散射探测器单元，并被放置于射线源与被测物之间以接收被物体散射后形成的背散射X射线。根据切轮准直器的旋转速率和被测物的前进速率可以唯一计算出“飞点”的时间序列以及所对应的物体上的具体位置，因此通过计算机处理后就可以得到物体的背散射图像。但是，现有的“飞点”扫描设备虽然技术成熟，但存在几个缺陷：（1）“飞点”扫描设备的机械结构复杂，需要专门的旋转驱动装置带动切轮准直器才能工作，故障率较高；（2）对X射线的利用率低，同等条件下仅有线扫描的千分之几至百分之几，探测单元往往因接受信号不足而显著降低信噪比；（3）为了提高信噪比，通常要延长采样时间，同时扫描速度还受限于机械旋转装置，不适合高通量场合下的应用。

孙光智等所著的“Development of a type of a one-dimensionalposition-sensitive scintillator–fiber detector for X-ray backscatter imaging”（一种基于一维位置灵敏闪烁光纤探测器的X射线背散射成像系统的研制）（Nuclear Instruments and Methods in Physics A 594（2008）61-65），揭示了一种一维的位置灵敏背散射探测器。该X射线源被前置的狭缝准直器准直成扇束后直接照射物体。被物体散射后形成的背散射X射线通过平行孔准直器加以定位后被一排位置灵敏的探测器单元同时接收。被测物在传送带的带动下前进，由此得到物体的背散射图像。该一维的位置灵敏背散射探测器，能够不依赖于旋转驱动装置，结构较为简单，且稳定性强，扫描速度快，适于高通量场合下的应用。但是，该一维的位置灵敏背散射探测器，无法测量物体所处的深度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可甄别深度信息的射线背散射成像系统，以解决现有的背散射成像无法判断被测物体所处的深度的问题。

本发明一种射线背散射成像系统，其特征在于，包括，射线源、第一准直器、多个探测器、多个第二准直器、移动装置以及至少一挡光板；该移动装置使该射线源和该多个探测器作为一个整体与物体进行相对移动；该射线源与该第一准直器的入射侧对应，该第一准直器的射出侧朝向一第一指定方向，该第一准直器用于将该射线源发出的射线准直成扇形射线面，该扇形射线面对相对运动的该物体进行扫描；该扇形射线面在该物体处发生背散射后的射线,与各该第二准直器的入射侧分别形成不同的入射角度，并使得发生背散射后的射线能够射入该多个第二准直器中的至少一个；该多个第二准直器的数量与该多个探测器的数量相等，该多个探测器与该多个第二准直器的射出侧一一对应设置；所述至少一挡光板设置在该发生背散射后的射线的路径上，用于与该多个第二准直器配合，对该发生背散射后的射线进行约束，使得该多个探测器接收到的该发生背散射后的射线的强度产生差异信息，进而判断康普顿散射效应发生的深度信息。

本发明一种射线背散射成像系统的一实施例，其中，该多个第二准直器并排设置，该多个探测器与该多个第二准直器对应并排设置，该多个第二准直器的入射侧面向一第二指定方向，该第一指定方向与该第二指定方向成一夹角，该夹角为大于等于10°小于等于90°；任意两相邻的该第二准直器之间均设置有一该挡光板，用于根据扇形射线面在该物体处发生背散射的深度的差异，对部分发生背散射的射线进行阻挡和吸收。

本发明一种射线背散射成像系统的一实施例，其中，该夹角为60°。

本发明一种射线背散射成像系统的一实施例，其中，还包括，该多个第二准直器以及该至少一挡光板通过一挡光外壳固定在一起，每一该挡光板上均设置有一滑动部件，该滑动部件伸出该挡光外壳，该挡光外壳上开设有供该滑动部件滑动的滑孔，该滑动部件能够沿该滑孔带动该挡光板滑动，以调整该挡光板的位置。

本发明一种射线背散射成像系统的一实施例，其中，还包括，还包括一第一支架以及一第二支架；该移动装置为一传动带；该第一支架以及第二支架分别沿该传动带的传动方向前后设置；该射线源固定在该第一支架上，该第一准直器与该射线源固定；该多个探测器固定在该第二支架上，该多个第二准直器固定在该多个探测器上；其中，该第一指定方向以及该第二指定方向均朝向该传动带上的该物体经过的位置；该扇形射线面与传动带的交线，与传动带的传动方向垂直。

本发明一种射线背散射成像系统的一实施例，其中，该探测器为两个，该第二准直器对应为两个，一该挡光板设置在两该第二准直器之间，并能够对两该第二准直器的入射侧的部分发生背散射的射线进行阻挡和吸收；扇形射线面与该挡光板下端的延长面所形成的交线至该挡光板的下端的距离为第一距离，该挡光板下端的延长面与扇形射线面所形成的交线与该多个探测器的入射侧端面的距离为第二距离，第一距离为第二距离的二分之一至三分之二。

本发明一种射线背散射成像系统的一实施例，其中，一供电装置，与该多个探测器连接，用于向该多个探测器供电。

本发明一种射线背散射成像系统的一实施例，其中，该第二准直器为平行孔准直器、汇聚孔准直器或发散孔准直器。

本发明一种射线背散射成像系统的一实施例，其中，该第一准直器为扇面准直器或狭缝准直器。

本发明一种射线背散射成像系统的一实施例，其中，该探测器包括光收集器件、光传输器件、光电探测器件以及前端电子学电路；该光收集器件由硅酸钇镥、锗酸铋或碘化钠闪烁晶体材料加工而成；该光传输器件为光学玻璃或有机玻璃制成的光导或光纤；该光电探测器件是位置灵敏型的光电倍增管、微通道板或硅光电二极管，或非位置灵敏型的光电倍增管。

本发明一种射线背散射成像系统的一实施例，其中，该挡光板的材料为钨或铅。

本发明一种射线背散射成像系统的一实施例，其中，该射线源为X射线源或γ射线源。

综上所述，本发明通过设置多个探测器以及多个第二准直器，通过调整该射线源与该多组探测器的相对位置，以及多个该第二准直器和该挡光板的约束，造成该多组探测器的探测几何角不同，通过比较不同组探测器中对应位置的探测单元所收集的背散射射线的强度的差异，可判断射线在该被测物体中发生康普顿散射效应的深度信息；通过比较同组探测器中不同位置的探测单元所收集的背散射射线的强度的差异，可获取射线在该被测物体中发生康普顿散射效应的横向信息；通过该射线源与该多组探测器所构成的整体与被测物体形成的相对运动，可以连续推扫，从而获得完整的多层背散射图像。

附图说明

图1所示为本发明射线背散射成像系统的一实施例的结构示意图；

图2所示为两第二准直器与挡光板连接的结构图；

图3所示为本发明射线背散射成像系统另一实施例的结构示意图；

图4所示为本发明射线背散射成像系统实现康普顿散射效应的深度信息判断功能的原理图。

具体实施方式

图1所示为本发明射线背散射成像系统的一实施例的结构示意图，如图1所示，该射线背散射成像系统包括：移动装置5、第一支架501、第二支架502、射线源6、第一准直器7、探测器205和探测器206、第二准直器102和第二准直器103、一挡光板101以及供电装置11。

如图1所示，该射线背散射成像系统的具体结构如下所述。本实施例的移动装置5为一传动带5。第一支架501以及第二支架502分别沿传动带5的传动方向前后设置。射线源6固定在第一支架501上。第一准直器7与射线源6匹配固定。第一准直器7的射出侧斜下朝向传动带5的一第一指定方向，第一指定方向可以是第一准直器7的射出侧朝向传动带5上物体10所处的待测位置，第一准直器7用于将射线源6发出的射线准直成扇形射线面13，图1中，第一指定方向即为扇形射线面13射出的方向。探测器205和探测器206固定在第二支架502上，探测器205与探测器206竖向并排设置。供电装置11与探测器205与探测器206连接。第二准直器102和第二准直器103分别固定于探测器205与探测器206入射侧端面，其中，第二准直器102与探测器206对应设置，第二准直器103与探测器205对应设置；第二准直器102与第二准直器103之间设置有一伸出的挡光板101。扇形射线面13与挡光板101的下端1011的延长面14形成一交线，图1中，挡光板101的下端1011的延长面14为第二指定方向，该交线与传动带5的传动方向垂直，被测物体10在传动带5带动下经过该交线。扇形射线面13入射被测物体10后，在被测物体10中发生康普顿散射效应形成背散射射线（全空间各个方向均有）；部分背散射射线射入第二准直器102和/或第二准直器103，并经过第二准直器102和/或第二准直器103准直后，射入对应的探测器205和/或探测器206。

其中，本实施例的移动装置5可以替换装置替换传动带5，例如使用车载等方式，使得射线源6、探测器205与探测器206作为一整体与物体10产生相对运动。同样，本实施例中所述的第一支架501以及第二支架502，主要用于固定射线背散射成像系统的各部件，因此，也可以采用其他方式的支撑架的结构。第一指定方向与第二指定方向之间的夹角A可以根据具体情况选择，理论上可以大于等于0°小于等于90°，实际上一般为大于等于10°小于等于90°。本领域技术人员亦可对上述的背散射成像系统的组成结构，进行其他方式的替换，而至少应使得射线源6、探测器205与探测器206作为一整体与物体10产生相对运动。

图2所示为两第二准直器与挡光板连接的结构图，参考图1以及图2，第二准直器102以及第二准直器103均为平行孔准直器，即均由平行排列的若干准直片108构成，准直片108的材料、长度、厚度和排列间距都会影响准直效果。在实际实施中，通常使用钨或铅等作为准直片108的材料。准直片108过短或过薄以及排列间距过稀疏均起不到约束射线的作用，进而影响图像分辨率，而准直片108过长或过厚以及排列间距过密集均会降低探测效率，进而影响图像信噪比。因此在能够保证有效准直的前提下，可以尽量减少准直片108的长度、厚度和数目。第二准直器102与第二准直器103之间的挡光板101的材料为主要为钨或铅，挡光板101的厚度应保证能够有效阻止射线穿过。

如图1所示，对于一种较佳实施方式，第一指定方向与第二指定方向所成的夹角A约为60°。扇形射线面13与挡光板101的下端1011的延长面14所成的交线至挡光板101的下端1011的距离为第一距离，该交线至探测器205以及探测器206的入射侧端面2011的距离为第二距离，第一距离约为第二距离的二分之一至三分之二。准直片108的主体材料为钨合金，长度为5-10mm，厚度为0.2-0.4mm。挡光板101的主体材料为铅，厚度为1-3mm。挡光板101与探测器205及206入射侧端面固定，且第一距离不可调整。

如图2所示，对于一种更佳实施方式，挡光外壳104的侧面107设置有滑孔106，挡光板101上设置有一滑动部件105，滑动部件105伸出滑孔106，滑动部件105能够沿滑孔106滑动，并带动挡光板101沿滑动部件105的滑动方向滑动，在挡光板101滑动至所需位置后，该滑动部件105与滑孔106固定，以调整上述的第一距离。其中，该滑动部件105可以为一个紧固螺母，通过紧固螺母与滑孔106固定。挡光板101与探测器205及206入射侧端面之间不固定，使得第一距离可以调整。

图3所示为本发明射线背散射成像系统另一实施例的结构示意图，如图3所示，本实施例是上述实施例的一种更为优化的实施方式。本实施例在上述实施例的基础上进一步包括，高速电子学数据采集和处理系统8和图像计算机9；供电装置11包括高压供电装置3以及低压供电装置4；探测器205以及探测器206包括光收集器件201、光传输器件202、光学探测器件203以及前端电子学电路204。

参考图3，射线源6为X射线源或γ射线源，下面以射线源6为X射线源为例，光收集器件201将接收到的背散射X射线转换为可见光，光传输器件202将可见光进行适当分配后传输到光电探测器件203上，光电探测器件203将光信号转换为便于处理的电流信号后传输到前端电子学电路204上，前端电子学电路204将电流信号前置放大成电压信号。光收集器件201可用硅酸钇镥、锗酸铋、碘化钠闪烁晶体或其他类似闪烁晶体或光敏半导体材料加工而成，光传输器件202为由光学玻璃或有机玻璃制成的光导、光纤或其他传输器件，光电探测器件203可用位置灵敏型的光电倍增管、微通道板、硅光电二极管或其他基于光电效应的半导体光电探测器件，也可用非位置灵敏型的光电倍增管或其他基于光电效应的半导体光电探测器件，前端电子学电路204为前置放大器和信号成形电路。当采用非位置灵敏型的光电探测器件203时，为确定X射线位置，光传输器件202是必需的；当采用位置灵敏型的光电探测器件203时，光传输器件202是非必需的但有益于克服探测器205以及探测器206的探测单元由于拼接造成的探测死区等问题。

探测器205以及探测器206可以通过探测器外壳（未图示）包裹，探测器外壳除了起到支撑探测器205以及206和连接第二准直器102以及103的作用外，还应起到屏蔽电磁干扰和“直穿”X射线干扰的作用。因此探测器外壳应保证充分接地并且在探测器外壳靠近光收集器件201和光电探测器件203的一端四周额外添加一层金属屏蔽层（未图示）。

参考图3，光电探测器件203通过高压供电装置3驱动，前端电子学电路204通过低压供电装置4驱动。低压供电装置4还为高压供电装置3提供低压驱动。

参考图3，高速电子学数据采集和处理系统8通过同轴电缆连接探测器205与探测器206。高速电子学数据采集和处理系统8用于并行接收探测器205与探测器206输出的模拟信号，并将模拟信号加工成数字信号送入图像计算机9。图像计算机9通过配套的扫描控制软件可以进行实时成像。被测物体10随着传动带5不断移动，就可以同时实现双层背散射图像的获取。通过双层背散射图像的对比，可以判断X射线在被测物体10中发生康普顿散射效应的深度信息，最终提高图像识别能力。

图4为本发明射线背散射成像系统实现康普顿散射效应的深度信息判断功能的原理图。参考图1至图4，被测物体10置于传动带5上，并经传动带5传动至扇形射线面13与挡光板101的下端1011的延长面14形成的交线附近。扇形射线面13在入射被测物体10的路径上各处都可以发生康普顿散射效应，其发生概率取决于被测物体10的材料分布情况，低原子序数的元素如碳、氢和氧等更容易发生康普顿散射效应。当康普顿散射效应发生的位置不同时，由于探测器205和206的探测几何角不同以及挡光板101对X射线的阻挡和吸收，探测器205和206对应位置的探测单元所收集的背散射X射线的比例会有差异，如图4所示，根据背散射X射线的方向不同，分别为背散射X射线12、背散射X射线15以及背散射X射线16。具体言之，当康普顿散射效应发生在被测物体10的浅层A处，朝向位置较高的探测器205的背散射X射线15可以经平行孔准直器103被探测器205收集，而朝向位置较低的探测器206的背散射X射线12由于挡光板101的阻挡作用不能被探测器206收集；当康普顿散射效应发生在被测物体的深层C处，朝向位置较低的探测器206的背散射X射线12可以经平行孔准直器102被探测器206收集，而朝向位置较高的探测器205的背散射X射线15由于挡光板101的阻挡作用不能被探测器205收集；当康普顿散射效应发生在被测物体的中间层B处，挡光板101只能部分地阻挡背散射X射线16，各方向的背散射X射线会以不同的比例被探测器205和探测器206同时收集，通过对探测器205和探测器206收集的X射线的比例进行比较，可以判断X射线在被测物体10中发生康普顿散射效应的深度信息，进一步得到物体10的内部结构。

上述实施例中的具体设置结构仅以为例，实际上本领域技术人员可以将多个探测器之间以及多个探测器与挡光板之间的位置关系进行灵活设置。例如，可以将多个探测器以及多个第二准直器设置在不同的方位，而不局限于竖向并排的方式，使得扇形射线面在物体处发生背散射后的射线,与各第二准直器的入射侧分别形成不同的入射角度，挡光板可以设置在发生背散射后的射线的路径上，用于与多个第二准直器配合，对发生背散射后的射线进行约束，以达到使得多个探测器接收到的发生背散射后的射线的强度产生差异信息，进而判断康普顿散射效应发生的深度信息的目的。因此，对于本领域技术人员来说，可以根据上述实施例内容，灵活设置射线背散射成像系统的具体结构。

需要强调说明的是，上述实施例仅以两第二准直器中间通过挡光板分割，且两准直器对应两探测器为例。实际的应用中，由于X射线在被测物体中发生康普顿散射效应的深度信息是根据每组探测器所收集的背散射射线的比例的差异而计算得到的估计值。因此通过设置更多的第二准直器以及对应的多组探测器，同时在相邻的第二准直器之间均通过一挡光板分割，可以将每组探测器所收集的背散射射线的比例进一步细化，从而增加深度信息的精度和分辨能力。实际上，更多的第二准直器以及探测器的数量可以使深度信息的估计值更加准确，进而提得到提高图像识别能力。

综上所述，本发明通过设置多组探测器以及多个第二准直器，通过调整该射线源与该多组探测器的相对位置，以及多个该第二准直器和该挡光板的约束，造成该多组探测器的探测几何角不同，通过比较不同组探测器中对应位置的探测单元所收集的背散射射线的强度的差异，可判断射线在该被测物体中发生康普顿散射效应的深度信息；通过比较同组探测器中不同位置的探测单元所收集的背散射射线的强度的差异，可获取射线在该被测物体中发生康普顿散射效应的横向信息；通过该射线源与该多组探测器所构成的整体与被测物体形成的相对运动，可以连续推扫，从而获得完整的多层背散射图像。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在所附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为所附权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种射线背散射成像系统，其特征在于，包括，射线源、第一准直器、多个探测器、多个第二准直器、移动装置以及至少一挡光板；

该移动装置使该射线源和该多个探测器作为一个整体与物体进行相对移动；

该射线源与该第一准直器的入射侧对应，该第一准直器的射出侧朝向一第一指定方向，该第一准直器用于将该射线源发出的射线准直成扇形射线面，该扇形射线面对相对运动的该物体进行扫描；

该扇形射线面在该物体处发生背散射后的射线,与各该第二准直器的入射侧分别形成不同的入射角度，并使得发生背散射后的射线能够射入该多个第二准直器中的至少一个；

该多个第二准直器的数量与该多个探测器的数量相等，该多个探测器与该多个第二准直器的射出侧一一对应设置；

所述至少一挡光板设置在该发生背散射后的射线的路径上，用于与该多个第二准直器配合，对该发生背散射后的射线进行约束，使得该多个探测器接收到的该发生背散射后的射线的强度产生差异信息，进而判断康普顿散射效应发生的深度信息。

2.根据权利要求1所述的射线背散射成像系统，其特征在于，该多个第二准直器并排设置，该多个探测器与该多个第二准直器对应并排设置，该多个第二准直器的入射侧面向一第二指定方向，该第一指定方向与该第二指定方向成一夹角，该夹角为大于等于10°小于等于90°；

任意两相邻的该第二准直器之间均设置有一该挡光板，用于根据扇形射线面在该物体处发生背散射的深度的差异，对部分发生背散射的射线进行阻挡和吸收。

3.根据权利要求2所述的射线背散射成像系统，其特征在于，该夹角为60°。

4.根据权利要求2所述的射线背散射成像系统，其特征在于，该多个第二准直器以及该至少一挡光板通过一挡光外壳固定在一起，每一该挡光板上均设置有一滑动部件，该滑动部件伸出该挡光外壳，该挡光外壳上开设有供该滑动部件滑动的滑孔，该滑动部件能够沿该滑孔带动该挡光板滑动，以调整该挡光板的位置。

5.根据权利要求1所述的射线背散射成像系统，其特征在于，还包括一第一支架以及一第二支架；

该移动装置为一传动带；

该第一支架以及第二支架分别沿该传动带的传动方向前后设置；

该射线源固定在该第一支架上，该第一准直器与该射线源固定；

该多个探测器固定在该第二支架上，该多个第二准直器固定在该多个探测器上；

其中，该第一指定方向以及该第二指定方向均朝向该传动带上的该物体经过的位置；

该扇形射线面与传动带的交线，与传动带的传动方向垂直。

6.根据权利要求5所述的射线背散射成像系统，其特征在于，

该探测器为两个，该第二准直器对应为两个，一该挡光板设置在两该第二准直器之间，并能够对两该第二准直器的入射侧的部分发生背散射的射线进行阻挡和吸收；

扇形射线面与该挡光板下端的延长面所形成的交线至该挡光板的下端的距离为第一距离，该挡光板下端的延长面与扇形射线面所形成的交线与该多个探测器的入射侧端面的距离为第二距离，第一距离为第二距离的二分之一至三分之二。

7.根据权利要求1所述的射线背散射成像系统，其特征在于，还包括，一供电装置，与该多个探测器连接，用于向该多个探测器供电。

8.根据权利要求1所述的射线背散射成像系统，其特征在于，该第二准直器为平行孔准直器、汇聚孔准直器或发散孔准直器。

9.根据权利要求1所述的射线背散射成像系统，其特征在于，该第一准直器为扇面准直器或狭缝准直器。

10.根据权利要求1所述的射线背散射成像系统，其特征在于，该探测器包括光收集器件、光传输器件、光电探测器件以及前端电子学电路；该光收集器件由硅酸钇镥、锗酸铋或碘化钠闪烁晶体材料加工而成；该光传输器件为光学玻璃或有机玻璃制成的光导或光纤；该光电探测器件是位置灵敏型的光电倍增管、微通道板或硅光电二极管，或非位置灵敏型的光电倍增管。

11.根据权利要求1~10任一权利要求所述的射线背散射成像系统，其特征在于，该挡光板的材料为钨或铅。

12.根据权利要求1~10任一权利要求所述的射线背散射成像系统，其特征在于，该射线源为X射线源或γ射线源。

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