CN109691238A - 用于改善放射成像扫描仪的穿透力的系统与方法 - Google Patents

Abstract

使用系统和方法增加穿透力并且减少放射成像系统的排外区域。X射线检测方法利用包括竖直移动的扇形波束的X射线小扇形照射对象，每个小扇形具有比对象的角度覆盖更小的角度范围。通过调制X射线波束产生小扇形，使X射线波束与小扇形同步，检测照射对象的小扇形，从与小扇形的完整扫描周期对应的检测器阵列中采集图像切片，并且处理所采集的图像切片而组合成合成图像。

Description

用于改善放射成像扫描仪的穿透力的系统与方法

相关引用

本说明书依赖于于2016年7月14日提交的题为“Systems and Methods forImproving Penetration of Radiographic Scanners”的美国专利临时申请号62/362,585的优先权。

通过引用将上述申请的全部内容结合在此。

技术领域

本说明书涉及放射成像系统。更具体地，本说明书涉及一种增加放射成像系统的穿透力并且减少排外区域的方法。

背景技术

X射线成像是检测货物中的违禁品时所使用的最为常见方法之一。然而，在检查大型集装箱过程中，由于辐射线(radiation)的穿透力不足，传统的X射线系统的共同点是产生具有黑暗区域的图像。这些黑暗区域可能表示存在危险材料；然而，这些黑暗区域几乎不给出关于危险品的精确性质的信息。已有货物检查系统的典型穿透力深度的范围在铁的200mm与400mm之间。

尽管已知利用高功率源能够获得具有更高穿透力的系统，然而，使用更高功率的源增加了辐射线排外区域的大小和覆盖区，从而限制了该系统的广泛部署。由此，使用高能X射线用于货物检查不得不做出一些折衷。一方面，为了提供货物的高度成像穿透力，源需要产生高强度、高能X射线波束。另一方面，越高的X射线强度/能量导致的辐射线覆盖区越大，从而要求控制区(排外区域)越大或系统周围的屏蔽越多。这还会导致对货物的辐射剂量越高，并且在入口系统的情况下，对货物驾驶员的辐射剂量也越高。

当排外区域不受限制或设置屏蔽建筑物来限制系统的大小时，随着源强度的增加，穿透力深度的增加开始减少，直至其达到X射线源的强度再高也不能引起X射线的穿透力深度增加时的点。限制最高可实现的穿透力深度的主要影响是散射，散射表示添加至传输信号中的背景信号。来自成形的扇形波束的X射线从集装箱壁和货物散射并且产生被添加至传输图像中的低频背景信号，从而显著地降低了对比度，由此限制穿透力。散射的强度取决于碰撞在所扫描的对象上的X射线数目。相比于更短和更窄的扇形，扇形波束越长和越宽，产生的散射越多，近似与照射区的比率成比例。由此，从被检查的对象的其他部分散射的X射线污染了在检测器处接收的传输信号。因此，需要进一步减少散射以增加X射线穿透力。

减少散射的最为常见的方案是结合检测器使用准直仪。然而，获得所需穿透力需要大的、重型、以及昂贵的准直仪。此外，由于准直仪自身变成散射源，仅部分减少了散射排斥。

减少所测量的散射辐射的其他现有方法由采用本身对低能X射线(其是散射辐射的特性)不敏感的切伦科夫(Cerenkov)检测器构成。然而，相比于标准的X射线检测器，这些切伦科夫(Cerenkov)检测器和能量敏感型检测器更为复杂并且昂贵，并且通常不能够改善强度调制。此外，当源强度增加时，这些检测器由于非常高的计数率而开始饱和。又一些其他的方法以测量辐射的能谱和移除低能信号为基础。

目前，可用的X射线源通常具有被设置成客户所要求的输出水平的单一固定强度设置，即，通常是仍符合所需辐射覆盖区的最高设置。而且，在典型的扫描过程中，不仅从一个车辆或集装箱至下一车辆或集装箱，而且在同一车辆或集装箱中的货物内，源输出通常比实现足够的成像穿透力所需的高出许多。因此，需要增加X射线强度以增加穿透力但不增加排外区域和/或辐射剂量。

用于增加穿透力的当前方法以波束-调制强度(基于之前切片中测量的最高衰减度)为基础。然而，由于对象的小区域的高衰减度，沿着切片的波束强度可以比所需的强度更高。强度越高，导致排外区域越大，或如果强度受限，则源强度减少导致穿透力降低。

转让给本说明书的申请人的PCT公开号WO2011095810A3公开了“一种扫描仪系统，包括：辐射产生器，被配置为产生辐射以照射对象；检测装置，被配置为检测与对象相互作用后的辐射并且随着对象相对于产生器移动而产生检测数据组的序列；以及处理装置，被配置为处理每个检测器数据组以由此产生控制输出，该控制输出用于在扫描对象时控制辐射产生器改变其辐射输出”。然而，仍需要更精细的控制来根据切片内的竖直位置调制强度，以进一步优化施加给对象的强度。通过引用将WO2011095810公开的全部内容结合在此。

此外，也转让给本说明书的申请人的美国专利号9218933公开了一种用于扫描对象的X射线源包括：电子束产生器，其中，所述电子束产生器产生电子束；加速计，用于在第一方向上加速所述电子束；以及第一组磁性元件，用于将所述电子束传递入由第二组磁性元件产生的磁场中，其中，有所述第二组磁性元件产生的磁场使所述电子束撞击目标，使得对象基本上仅仅产生朝向扫描对象中的高密度区域聚焦的X射线”。然而，仍需要一种不要求复杂的电子传递部件的系统。通过引用将'933专利全部内容结合在此。

即使系统具有非常高的穿透力，也存在需要劳动密集型的手动检查进行清查的黑暗警报。需要进一步降低黑暗警报率来减少手动检查。

因此，需要具有增加穿透力和更小排外区域的扫描系统，导致性能改善并且警报率更低并且易于部署在宽范围的环境中。

发明内容

在一些实施方式中，本说明书公开了一种具有增加穿透力的X射线检测系统，包括：X射线源，用于朝向对象投射X射线波束；机构，用于从X射线波束产生一个或多个小扇形，每个小扇形包括具有小于对象的角度覆盖的角度范围的竖直移动扇形波束；检测器阵列，用于检测被投射在对象上的小扇形；控制器，用于使X射线源与机构同步，并且从与小扇形对应的检测器阵列中采集图像切片；以及处理单元，用于将所采集的图像切片组合成合成图像。

在一些实施方式中，本说明书公开了一种被配置为提供对象的增加穿透力的X射线检测系统，包括：X射线源，用于在检查体积内产生X射线波束；传送器，用于移动对象通过检查体积；准直仪，定位在X射线源与对象之间，其中，准直仪被配置为接收X射线波束并且从X射线波束产生一个或多个小扇形，其中，每个小扇形包括具有大于1度但小于对象的角度覆盖的角度范围的竖直移动扇形波束；检测器阵列，与所述X射线源相对并且定位在检查体积内以用于检测被投射在对象上的一个或多个小扇形；控制器，被配置为使X射线源与准直仪同步并且从与一个或多个小扇形中的每个扇形对应的检测器阵列中采集图像切片；以及处理单元，用于将所采集的图像切片组合成合成图像。

可选地，X射线源是脉冲X射线源。

可选地，X射线源产生双能波束。进一步，可选地，双能波束交织。

可选地，X射线源产生包括在时间上分离的低能X射线波束和高能X射线波束的X射线脉冲。

可选地，控制器被配置为控制传送器，以使得一个或多个小扇形乘以传送器的速率的总时间等于或小于检测器阵列中的检测器的宽度。

可选地，准直仪被配置为相对于对象在一个或多个小扇形之间产生近似1度的重叠。

可选地，X射线源是CW X射线源。

可选地，用于产生一个或多个小扇形的准直仪包括与波束衰减器耦接的多个控制快速致动器，以使X射线波束成形。

可选地，用于产生一个或多个小扇形的准直仪包括斩波器。

可选地，用于产生一个或多个小扇形的准直仪包括旋转轮，旋转轮具有被设计成产生竖直移动的一个或多个小扇形的狭缝。

在一些实施方式中，本说明书致力于一种X射线检测方法，包括：利用多于一个的X射线小扇形照射对象，其中，每个X射线小扇形包括具有大于1度、但小于对象的角度覆盖的角度范围的竖直移动扇形波束，并且其中，通过使用准直仪产生每个X射线小扇形，准直仪用于对通过X射线源产生的X射线波束进行准直；使X射线波束与多于一个的小扇形同步；检测照射对象的多于一个的小扇形；从与多于一个的小扇形的完整扫描周期对应的检测器阵列中采集图像切片；并且处理图像切片并且将图像切片组合成合成图像。

可选地，方法进一步包括：基于从相对于对象在同一竖直位置处的先前扇形检测到的信号调整多于一个的小扇形中的每个小扇形的波束强度和能量以产生控制输出，其中，使用控制输出控制X射线检测方法。

可选地，X射线源是脉冲X射线源。

可选地，X射线源产生双能波束。

可选地，双能波束交织。

可选地，X射线源产生包括在时间上分离的低能X射线波束和高能X射线波束的X射线脉冲。

可选地，在相对于对象的表面区域的每个位置处，准直仪被配置为在一个或多个小扇形之间产生重叠。

可选地，准直仪包括具有螺旋孔的旋压圆筒。

可选地，准直仪包括与波束衰减器耦接以使X射线波束成形的多个控制快速致动器。

可选地，在下一周期中的相同的小扇形位置处调整多于一个的小扇形中的每个小扇形的能量，以允许每个竖直位置的交织双能扫描。

可选地，X射线源是CW X射线源。

在一些实施方式中，本说明书公开了一种用于操作扫描系统的方法，其中，所述扫描系统包括X射线源、检测器阵列、以及处理并且分析图像数据的处理器，方法包括：产生第一X射线波束，以引导第一扫描产生被扫描的对象的图像；确定所述图像数据中需要更详细的检查的区域；将准直仪配置为限制第二X射线波束，以使得在发射第二X射线波束时，准直仪发射多个小扇形，其中，每个小扇形具有小于覆盖对象的角度范围、但大于1度的角度范围；并且相对于X射线源和检测器阵列移动对象，以对区域执行第二扫描。

可选地，所述区域表示在所述第一扫描过程中第一X射线波束缺乏穿透力。

可选地，所述区域表示诸如爆炸物、火器、毒品、或违禁品等感兴趣的物品或警报。

可选地，X射线源与检测器阵列安装在吊架(gantry)上。

可选地，准直仪包括与波束衰减器耦接以使第二X射线波束成形的多个控制致动器。

可选地，准直仪包括仅检查所述区域的两个竖直控制衰减器。

可选地，与使用第一X射线波束的扫描的速度相比，使用所述多个小扇形以更低的速度执行所述区域的扫描。

可选地，方法进一步包括：以使用多个小扇形的扫描产生的区域的图像代替使用第一X射线波束的扫描产生的区域。

在下面提供的附图和详细描述中以更深层次地描述了本说明书中的上述及其他实施方式。

附图说明

本说明书中的这些特征及其他特征和优点将被进一步理解，如通过参照结合附图所考虑的详细描述更好地理解：

图1A示出了扫描货物的常规X射线系统，显示了多个可能的X射线路径；

图1B示出了示例性检测器和准直仪，显示了多个可能的X射线路径；

图2示出了根据本说明书的实施方式的包括脉冲源的系统，脉冲源投射竖直移动小扇形以扫描货物，产生减少的散射；

图3示出了根据本说明书的另一实施方式的包括连续波(CW)源的系统，连续波(CW)源投射竖直连续移动的小扇形来扫描货物，产生了减少的散射；

图4是其中使用本说明书的成像系统扫描标准的穿透体模(phantom)对象的示例性例图；

图5示出了根据本说明书的实施方式的经由图4中描述的成像系统，利用X射线的完整扇形波束和多个小扇形获得的标准穿透体模对象的示例性模拟图像；

图6A示出了根据本说明书的优选实施方式的包括连接至波束衰减器以产生竖直移动的小扇形的多个致动器的机构；

图6B是示出根据本说明书的优选实施方式的用于产生图6A中所示的竖直平移小扇形的机构内的各种衰减器配置的框图；

图7示出了根据本说明书的可替代实施方式的相对于被扫描的对象竖直移动X射线小扇形时所使用的旋滚斩波器的示例性设计；

图8A示出了根据本说明书的可替代实施方式的用于在第一位置产生移动小扇形的示例性机构；

图8B示出了根据本说明书的可替代实施方式的用于在第二位置产生移动小扇形的示例性机构；

图8C示出了根据本说明书的可替代实施方式的用于在第三位置产生移动小扇形的示例性机构；

图8D示出了根据本说明书的可替代实施方式的用于在第四位置产生移动小扇形的示例性机构；并且

图9是描述根据实施方式的本说明书中的成像系统的扫描步骤的流程图。

具体实施方式

本说明书描述了具有增加穿透能力和更小排外区域的扫描系统，导致性能改善并且易于部署在宽范围的环境中。本说明书中的实施方式非常适合于包括但不限于集装箱、卡车、以及有轨车检查等环境中的应用。本说明书中的一些实施方式尤其非常适合于在检查慢移动车辆时使用。

本说明书致力于用于减少排外区域并且增加诸如X射线扫描仪等放射成像系统的穿透能力的系统和方法。在实施方式中，本说明书中描述的成像系统能够以足够的穿透力深度扫描高密度的货物以对违禁品进行检测，从而导致黑暗警报(可能需要二次检查)的概率较低。本说明书还描述了一种成像系统，成像系统具有来自散射辐射线(在常规X射线扫描仪中观察的)的更低影响并且能够用于检查高密度货物。本说明书还描述了一种允许对施加给货物和环境的辐射线强度进行优化、从而进一步增加穿透力的新型方法。

在实施方式中，本说明书描述了一种通过产生具有比所扫描的对象的角度覆盖更小的角度范围的竖直移动的扇形波束而减少散射的新型机构。本说明书提供了与脉冲X射线源和数据获取系统同步的竖直移动扇形波束或“小扇形”。在实施方式中，“小扇形”表示总体整个扇形波束的一部分并且竖直平移而覆盖对象的范围。

在实施方式中，竖直准直仪投射具有比所扫描的对象的角度覆盖更小的角度范围的小扇形。在实施方式中，通过使用具有与对象无关的维度特性、但被定制成确保考虑到最高和最宽可能的对象维度的准直仪实现角度范围。在实施方式中，准直仪被设计成提供预定义的对象高度和对象宽度(比标准的对象高度和宽度更大)的准直，由此确保对象的任何部分均被扫描。

经由准直仪机构竖直平移小扇形，以覆盖对象的角展度。脉冲直线加速器X射线源和数据获取系统以这样一种方式与移动准直仪同步，即，间隔地获取对象的图像，其中，在一个周期中，小扇形无间隙地并且可选最小限度重叠地覆盖对象的切片。然后，将来自各个小扇形的图像进行组合，以产生切片图像。在一个实施方式中，为了使对象运动的影响最小化，通过小扇形的数目增加源脉冲频率。该实施方式的优点在于，由于每次获取时的照射面积减小，使得散射减少。

本说明书还致力于减少辐射线排外区域。在附加实施方式中，使用来自各个小扇形的信号控制下一周期的小扇形的强度，以优化源强度。在实施方式中，基于在各个小扇形中观察的传输对波束强度和/或能量进行调制，以将对象暴露于穿透力所需的最小强度，同时，减少对货物和环境的剂量，从而致使排外区域变小。这与应用于完整扇形波束的PCT公开号WO 2011095810A中描述的强度调制相似，通过引用将其全部内容结合在此。

因为标准系统中处于相同竖直位置的脉冲之间的时间相同，而是因为脉冲速率相应地增加，所以也可以采用此处描述的实施方式进行双能扫描。然而，对于快速移动的对象，脉冲频率较高并且可能不可以将脉冲频率提高二或三的因子。在这些应用中，优选实施方式使用脉冲源，其中，每个脉冲包含短时间分离的双能量。

在另一实施方式中，使用连续波(CW)源。在该实施方式中，数据获取系统在多个时间间隔处连续采集数据，且时间短于准直仪从顶部位置移至底部位置以覆盖切片时所花费的时间。

本说明书致力于多个实施方式。为了能够使本领域普通技术人员实践本说明书而提供下列公开。本说明书中使用的语言不应被解释为对任意一个特定实施方式的整体否认或用于将权利要求书限制在此处使用的术语含义之外。在不背离本说明书的实质和范围的情况下，此处限定的一般原理可以应用于其他实施方式和应用。此外，所使用的术语和措词用于描述示例性实施方式之目的并且不应被视为限制性。由此，本说明书与包含符合所公开的原理和特征的数个替代实施方式、改造、以及等同物的最宽范围一致。出于清晰之目的，尚未详细描述与本说明书有关的技术领域中已知的有关技术材料的细节，以使本说明书不必要地模糊。

此处应注意，可以使用并且通过任意其他实施方式实现结合特定实施方式描述的任意特征或部件，除非另有明确指示。

图1A示出了包括X射线源110和检测器阵列120的X射线系统，用于对包含货物140的有轨车130进行扫描。X射线路径150表示通过货物140透射的未相互作用的X射线。在理想系统中，这些仅是被检测的X射线。X射线路径160表示被有轨车130的集装箱的壁散射的X射线，并且X射线路径170表示在货物140内散射的X射线。由路径170表示的散射X射线构成X射线系统的背景噪音。在各个实施方式中，本说明书提供减少背景噪音的系统和方法。

图1B示出了准直仪与检测器阵列耦接以减少X射线散射信号。在图1B中，用于检测器的准直仪180与X射线检测器阵列120耦接，用于减少散射的X射线(诸如，图1A中所示的X射线170等)。如所示，主X射线波束190的路径不与准直仪180交互并且被检测器阵列120检测到，而之后的X射线路径192被吸收到准直仪180中并且未被检测到。此外，之后的X射线路径194穿过准直仪180并且被检测器阵列120检测到，而之后的X射线路径196被准直仪180散射到检测器阵列120中并且也被检测到。

这些效果表明准直仪减少了散射，然而，更深度的准直仪，或具有距离检测器更长的波源的准直仪，导致拒绝更多。准直仪的性能受各个准直仪开口的长宽比影响。长宽比越高，准直仪的散射拒绝越多；然而，该实施方式制造起来更为昂贵。

进一步地，由于准直仪被制造得更深，准直仪中的散射限制了拒绝。由此，由于在准直仪(用于减少来自货物的散射)中散射的X射线可以比来自货物的其余散射在数目上变得更多，使用深度准直仪与实现散射减少之间存在此消彼长的关系。在实施方式中，准直仪深度最大值为300mm，大于该深度，增益被最小化。应注意，由于其将减少未被散射的X射线的数目，准直仪的壁厚度不能被制造地过厚。由此，为了减少X射线散射，采用数目更多的准直仪窗格。

在实施方式中，本说明书提供了一种通过产生竖直移动的X射线波束或小扇形而减少X射线散射信号的方法。图2示出了一种根据本说明书的实施方式的系统，其包括投射竖直移动的小扇形以对货物以减少的散射进行扫描的脉冲源。系统包括用于对有轨车(或其他对象)230进行扫描的脉冲X射线源210和检测器阵列220。合适的X射线源的实施例包括但不限于撞击钨的电子直线加速器和目标CW源，电子直线加速器诸如回旋加速器(Rhodotron)和超导直线加速器。本领域普通技术人员应当认识到，可以采用本领域中已知的任意脉冲X射线源。准直仪240表示产生角度范围小于有轨车230的角度覆盖的竖直移动的扇形波束或小扇形250、260、以及270的机构。

返回参考图2，与常规系统中检查货物时通常使用的完整扇形形状的X射线波束相比较，由小扇形260产生的信号的散射减少。在实施方式中，在一个周期中，当将扇形波束投射至小扇形位置250、260、以及270而覆盖货物有轨车230的竖直广度时，使X射线脉冲与扫描机构同步而采集数据。处理单元对来自小扇形250、260、270的数据进行组合，以形成用于货物的有轨车230的切片图像。由于准直仪限定了小扇形并且趋于产生具有模糊边缘的波束，小扇形250、260、270之间的小部分重叠优选为允许将小扇形250、260、270更好地“缝合”成切片图像，以排除或最小化边缘效应。在实施方式中，采用近似1度的重叠。应注意，为了将图像切片缝合到一起，可以采用本领域中已知的任意合适的方案。

在实施方式中，为了减少货物运动的效应，源脉冲频率与小扇形的数目近似成比例地增加。例如，在移动应用中，脉冲频率为约100Hz。如果小扇形的数目是3，频率将增加至300Hz。在实施方式中，通过将对应的扇形波束分割成两半而产生最小数目的小扇形；然而，这并不能使得散射明显减少。通过增加小扇形的数目(通过减少各个小扇形的角度范围而实现)，减少散射辐射。然而，仅能够通过成比例地增加脉冲直线加速器源的脉冲频率而获得小扇形的数目增加。

在实施方式中，扫描仪的扇形波束的典型角度范围近似为60度。在实施方式中，小扇形的角度范围为从1度至30度。在实施方式中，采用十个小扇形，每个小扇形具有5度的角度范围。本领域普通技术人员应当认识到，小扇形具有比常规笔形波束(角度范围为零点几度的数量级)明显更大的角度范围。

因为与标准X射线扫描相比较，X射线的总数目相同，所以对货物和环境的X射线剂量不增加。然而，由于在相对于入射在检测器上的主波束在任意获取时间检查货物时的X射线变少，散射减少。

对于双能扫描，源可以交织(指在第一脉冲时，源可以是第一能量，在第二脉冲时，源可以是第二能量，并且在第n个脉冲时，源可以是第n能量)或可以包含隔开小时间间隙(>～100ns)的同一脉冲的双能量。同样，频率有效地提高两个因数。例如，在标准系统以250Hz操作时，源发射频率可能以每个脉冲的双能量增加至375Hz，从而产生750Hz的有效频率，从而能够以较小的货物运动效应使用三个小扇形。

在实施方式中，对于交织的双能扫描，产生奇数个小扇形，以使得第二能量在下一周期中处于相同的小扇形位置，从而允许对每个竖直位置进行双能扫描。例如，在三个小扇形的情况下，在第一周期中，将看到下列模式：具有高能量(HE)的顶部小扇形、具有低能量(LE)的中心小扇形、以及具有高能量(HE)的底部小扇形。在下一周期中，将看到下列模式：具有低能量(LE)的顶部小扇形、具有高能量(HE)的中心小扇形、以及具有低能量(LE)的底部小扇形。由此，在实施方式中，第一周期是HE-LE-HE并且下一周期是LE-HE-LE，由此允许能量在连续周期的对应小扇形位置处交织。应注意，如果小扇形的数目是偶数，则各个位置处的能量将为LE或HE，并且LE-HE或HE-LE将不可能布置在相同的竖直位置处。

图3示出了根据本说明书的另一实施方式的系统，其包括CW源，用于投射竖直运动的连续移动小扇形，以对货物以减少的散射进行扫描。图3示出了包括对货物的有轨车330进行扫描的CW X射线源310和检测器阵列320的X射线系统。准直仪340表示产生角度范围小于有轨车330的角度覆盖的竖直连续移动扇形波束的机构。扫描机构与数据获取模块同步，以在位置350时通过检测器阵列320开始数据采集并且在位置360处结束数据采集，从而覆盖小扇形370的角度范围。在图3中，结束位置360构成下一获取周期的起始位置。以类似的方式继续数据采集，直至货物的全部竖直广度被“各个”小扇形覆盖。如同图2所示的脉冲源实施方式，通过使用CW源310减少了散射。应注意，无论源是脉冲还是CW，系统操作保持相同。尽管脉冲高能量X射线源产生以数毫秒分离的数微秒脉冲，然而，CW源连续产生X射线。

图4是其中使用本说明书中的成像系统对ANSI 42.46标准穿透力体模对象进行扫描的示例性例图。如图4所示，ANSI 42.46穿透力体模对象401放置在有轨货物405内。使用ANSI 42.46标准穿透力体模对象401评定高能放射成像系统的穿透能力。所述对象401包括具有至少60cm的长度和宽度的直线构成的铁块406。并且近似长斜方形铁块404放置在直线构成的铁块406的后面。长斜方形铁块406的厚度近似为直线构成的铁块406的厚度的20％。在图4所示的测试程序中，体模对象401放置在有轨货物集装箱405的中心处，朝向X射线源402倾斜。X射线检测器阵列403被设置成检测通过对象401传输的X射线。X射线系统的穿透力的成功ANSI测试基于对该X射线系统在判断所捕获图像中的长斜方形对象406的尖端407指向哪个方向时的能力的评定。

图5示出了根据本说明书的实施方式的ANSI 42.46穿透力体模对象的示例性模拟图像，其经由图4中描述的成像系统利用X射线的完整扇形波束以及使用多个小扇形获得。通过以完整的扇形波束照射体模对象(诸如图4所示的对象401等)而形成图像510，体模对象包括与长斜方形对象耦合的直线构成的对象。能够看出，由于难以区分该图像中的直线构成的对象501内的长斜方形对象502，图像510的图像质量不佳。通过使用诸如参考图4描述的X射线的多个小扇形照射体模对象(诸如图4所示的对象401等)而获得图像520。通过使用多个小扇形，由于测量的散射减少，图像对比度得到改善。能够看到，与图像510相比较，由于直线构成的对象501内的长斜方形对象502更易于看得见，图像520的图像质量更佳。相比于获得图像520时所使用的，通过使用X射线的更多数目的小扇形照射体模对象(诸如图4所示的对象401等)而获得图像530。通过使用更多数目的小扇形，甚至检测到被散射的X射线的数目更少。从图中能够看到，由于图像530中的直线构成的对象501内的长斜方形对象502最为清晰可见，图像530的质量比图像520的质量更佳。

X射线的竖直移动的小扇形的产生需要一种用于投射X射线波束的系统，其中，该X射线波束具有小于所检查对象的角度覆盖的角度范围。在一个实施方式中，系统包括以发射率(Re)发射辐射线的辐射源和以传送器速率(Rc)移动对象通过系统的传送器，其中，小扇形横过对象的时间(Tf)优选为等于单个辐射脉冲的时间。在该情况下，发射一组小扇形(当组合时，覆盖包含对象的全部角度范围)的总时间等于小扇形的总数(Nf)的倍数：Tf*Nf。当乘以传送器速率(Rc)时，该总时间应优选为等于或小于检测器宽度(Dw)，由此确保不丢失对象的任意部分。因此：Tf*Nf*Rc<Dw，其中，Tf是一个小扇形的时间，Nf是小扇形的总数，Rc是传送器速度，并且Dw是检测器宽度。下面描述了用于产生竖直平移的小扇形的各个实施方式。

图6A示出了根据本说明书的优选实施方式的包括连接至波束衰减器以产生竖直移动的小扇形的多个致动器的机构。多个致动器610通过钢制推/拉驱动杆620连接至多个波束衰减器630。如图6B中更为详细地描述的，致动器610是计算机受控的以移动波束衰减器630使得波束衰减，以投射竖直移动的小扇形。在实施方式中，致动器610是用于获得对快速移动的对象进行扫描的快速响应时间的旋转致动器。在包括扫描慢速移动或固定对象的深度扫描的可替代实施方式中，可以使用诸如气动致动器等其他类型的致动器。

在实施方式中，使用具有充分覆盖感兴趣的对象面积的角度范围的单个小扇形执行深度扫描。在所扫描的货物的大部分高度衰减，并且可以以低速扫描货物的情况下，使用诸如上述所述X射线小扇形对货物进行扫描。然而，保持扫描的速度低于扫描快速移动货物时使用的速度。在实施方式中，以慢速度扫描货物时所使用的小扇形的数目多于扫描快速移动货物时所使用的小扇形的数目。

例如，并且仅通过实施例，直线加速器源以lKHz脉冲频率每隔1毫秒(1/l000Hz＝1ms)产生1个X射线脉冲。尽管扫描以3.6km/h(或每1ms移动1mm或每个脉冲移动1mm)移动的对象，但通过使用具有10mm的宽度的检测器，X射线覆盖整个对象，这是因为检测器比对象每个脉冲移动的距离更宽。因此，因为每个小扇形花费1ms，如果1ms乘以10个小扇形＝10ms，即，对象行进10mm的距离(等于检测器宽度)，所以在不丢失对象的任意部分的情况下，扫描对象时所使用的小扇形的最大数目为10。然而，如果小扇形的数目增加，例如增加至20个小扇形，小扇形覆盖对象所花费的时间将为20ms，即，对象也移动20mm。因为检测器宽度仅为10mm，所以X射线将丢失对象的一部分。然而，如果将对象的速度降低至1.8km/h，对象则在20ms内移动10mm，由此允许对象的各个部分被扫描。相应地，在一个实施方式中，系统监测乘以传送器速率(Rc)后的总的小扇形时间是否大于检测器宽度(Dw)。如果系统确定确实如此，则将传送器速率(Rc)减少至足以确保乘以传送器速率(Rc)后的总时间等于或小于检测器宽度(Dw)的速率。

图6B是示出产生图6A所示的竖直移动小扇形的机构中的各种衰减器配置的框图。如图6B所示，竖直准直仪640与多个波束衰减器630a、630b、…、630n耦接，多个波束衰减器630a、630b、…、630n进而连接至图6A所示的多个致动器(图6B中未示出)。竖直准直仪640投射覆盖被扫描对象的完整竖直广度的扇形波束。通过与致动器610耦接的杆620可以控制多个衰减器630a、630b、…、630n，以将投射波束移入和移出，从而投射相对于被扫描对象竖直移动的X射线小扇形。在配置650中，将衰减器630b、630c、以及630d移至波束中以对波束进行衰减，而衰减器630a位于波束之外，以将小扇形投射在被扫描对象的上部之上。在配置660中，将衰减器630a、630c、以及630d移至波束中对波束进行衰减，而衰减器630b位于波束之外，以将小扇形投射在被扫描对象的上中间部分之上。在配置670中，将衰减器630a、630b、以及630d移至波束中以对波束进行衰减，而衰减器630c位于波束之外，以将小扇形投射在被扫描对象的下中间部分之上。在配置680中，将衰减器630a、630b、以及630c移至波束中以对波束进行衰减，而衰减器630d位于波束之外，以将小扇形投射在被扫描对象的下部之上。因此，移动小扇形，以通过将衰减器移出被投射的X射线波束之外而将X射线投射在被扫描对象的不同部分之上。如描述的，衰减器的移动提供竖直移动的X射线小扇形。在各个实施方式中，波束衰减器630a、630b、...、630n由诸如但不限于铅或钨等高密度材料制成。

在另一实施方式中，通过形成在旋转圆筒上的螺旋轮廓孔可以相对于被扫描对象竖直移动X射线小扇形。图7示出了根据本说明书的可替代实施方式的相对于被扫描对象竖直移动X射线小扇形所使用的旋滚斩波器的示例性设计。美国专利号9,058,909B2中描述了旋滚斩波器，通过引用将其全部内容结合在此。旋滚/斩波器的旋转提供恒定大小和速度的竖直移动小扇形。

在一个实施方式中，斩波器702被制造成由高度衰减X射线的材料制成的圆筒状。斩波器702包括用于斩波器的螺旋狭缝704。圆柱形状能够使得斩波器702围绕Z轴703并且沿着螺旋狭缝(孔)704旋转，建立旋滚运动，以提供可以将X射线的竖直移动小扇形投射在被扫描对象上的有效竖直移动狭缝704。在一个实施方式中，如本说明书中的系统要求的，狭缝704足够宽，以允许投射小扇形波束。应注意，窄的狭缝将产生笔形波束，而非扇形或小扇形波束。

图8A示出了根据本说明书的另一可替代实施方式的用于产生移动小扇形的示例性机构。参考图8A，旋转机构800包括具有三个狭缝802、803、以及804的轮801，三个狭缝802、803、以及804为弧形或部分圆形状。在一个实施方式中，轮由诸如铅或钨等高度衰减X射线的材料制成。轮801进一步包括竖直准直仪805。在操作时，随着轮发生旋转，狭缝802与竖直准直仪805的相互作用导致阻碍从狭缝进行辐射，但投射小扇形的部分806a除外。在一个实施方式中，狭缝的宽度被配置为产生所需的小扇形角广度。在一个实施方式中，基于小扇形宽度与直线加速器脉冲频率确定轮的旋转频率。轮旋转与直线加速器脉冲频率同步，以在一个周期内产生具有小重叠并且覆盖货物广度的小扇形。

图8B、图8C、以及图8D是示出轮的各个位置的一系列图，其指示如何产生小扇形并且如何移动以覆盖被扫描对象的广度。参考8B、图8C、以及图8D及图8A，位置810示出了位于最上方位置的小扇形806a。当轮801在逆时针方向上旋转时，小扇形806b向下移动，如图8B中的位置820所示。本领域普通技术人员应当认识到，轮也可以在逆时针方向上旋转。由此，在位置820之后进一步旋转，小扇形806c向下进一步移动，如图8C中的位置830所示。当小扇形存在于最低位置时，轮中的下一个狭缝803投射上方小扇形807。图8D中的位置840示出了此情形。重复旋转循环，直至扫描完整的对象。

应注意，尽管利用小扇形进行扫描减少了散射，但是，小扇形内仍存在因货物与X射线波束相互作用而产生的一些散射。因此，在一个实施方式中，本说明书中的系统利用位于小扇形之外的检测器测量散射并且使用该测量消除小扇形中的散射。然后，从传输图像数据中减去所估计的散射，以增加合成图像的对比度。

本领域普通技术人员应认识到，即使本说明书中的实施方式所提供的穿透力增加，然而，存在要求劳动密集的手动检查的黑暗警报。因此，在另一实施方式中，本说明书描述了一种采用两步骤过程扫描对象，以进一步减少黑暗警报的方法。通过图9中的流程图示出了该过程。

参考图9，在初次扫描901中，利用单能或多能高能辐射的标准扇形波束或小扇形对卡车或货物集装箱进行扫描，其中，利用检测器阵列测量所透过的辐射线。在实施方式中，通过完整的周期扫描卡车或货物集装箱，其中，如上所述，完整的周期是使用具有角度范围的标准扇形波束或具有标准扇形波束的总角度范围的多个小扇形对正在检查的对象的竖直广度进行扫描。由此，在实施方式中，在完整的周期中，经由准直仪机构将小扇形竖直平移以覆盖对象的角展度。脉冲直线加速器X射线源和数据获取系统以这样一种方式与移动准直仪同步，即，间隔地获取对象的图像，其中，在一个周期中，小扇形无间隙地(可选地，最小重叠地)覆盖对象的切片。然后，将来自各个小扇形的图像组合，以产生切片图像。

在步骤902中，分析传输信息，以确定黑暗警报的区域。如909所示，如果未发现黑暗警报的区域，则对传输图像进行分析，以确定违禁品及感兴趣的其他物品的存在性。

如步骤903中所示，如果波束未穿透图像的一个或多个区域(黑暗警报)，则使区域经历二次扫描。在二次扫描中，调整水平准直仪，以仅覆盖黑暗区域的竖直广度以及可疑区域(如有的话)。

904中示出了此操作。然后，重新定位集装箱，以允许对可疑区域的位置进行重新扫描。在一个实施方式中，如905所示，使辐射源倾斜，以与黑暗区域的中心对准。在一个实施方式中，优选为以比初次扫描更低的速度执行重新扫描，诸如，例如，以l/40^th的标准扫描速度执行重新扫描。906中示出了此操作。

在系统的一个实施方式中，将源与检测器安装在吊架上，以允许重新定位系统并且以宽范围的速度扫描对象的任意部分。可选地，因为轫致辐射X射线更为强烈，所以源以这样一种方式倾斜，即，波束中心线与黑暗区域的中心对准，以增加波束强度。

通过合适地使用准直仪减少竖直广度而防止了来自集装箱的其他区域的散射并且增加穿透力。应注意，因为单能图像因使X射线光谱失真的散射而更清晰(cleaner)，所以散射减少还有助于通过双能波束而改善材料分离。扫描速度下降进一步允许提高统计准确度并且还增加穿透力。

之后，如907所示，扫描系统对传输图像进行再次检查，以检查是否存在更多的黑暗警报。如果在扫描图像中发现更多的黑暗警报，则通过重复步骤904、905、以及906，再次执行重新扫描。该过程继续，直至解除所有黑暗警报。

如908所示，当不存在更多的黑暗警报时，将图像的重新扫描部分整合到对象的初始图像中。在一个实施方式中，通过以对应的重新扫描部分替代图像的初始部分，完成此操作。然后，如909所示，分析传输图像，以确定违禁品及感兴趣的其他物品的存在性。

除清除黑暗警报之外，二次扫描的另一动机是清除自动化的高Z警报。应注意，当检测高Z材料时，本说明书中的系统使用自动化程序产生警报。题为“Systems and Methodsfor Automated,Rapid Detection of High Atomic Number Materials”并且由本说明书的申请人提交的美国专利申请号14/104,625中描述了检测高Z材料时自动产生警报的该系统和方法，通过引用将其全部内容结合在此。

应注意，自动检测高Z材料的方法采用了来自分段对象及周围背景的衰减信息。因此，由于改善了单能与双能对比度而减少了对主动探询的需求，以更少的散射重新扫描可疑对象能够解除警报。由此，在一个实施方式中，本说明书中的系统采用上面参考图9描述的重新扫描方案，以通过与清除黑暗警报类似的方式清除自动高Z警报。在一个实施方式中，通过以10°-20°角执行的另一扫描而获得额外的改善，以允许具有不同的叠加对象组的货物的不同视野。本领域普通技术人员应当认识到，要求在所有扫描阶段中确认警报甚至将导致错误警报率更低。本领域技术人员还应认识到，二次检查不仅可以应用于高Z材料，而且还可以延伸至感兴趣的其他对象，诸如，包括爆炸物、火警器、毒品等可疑的违禁品等。

在一个实施方式中，X射线源可以被中子源所替代。应注意，当X射线源被中子源替代时，检测器被中子检测器替代并且准直仪被中子衰减材料而非铅替代。然而，系统的操作保持相同。

在申请的描述与权利要求书中，各个词“包括(comprise)、”“包含(include)”、以及“具有”、及其形式不一定必须局限于与词相关联的列表中的元件。

上述实施例仅示出了本说明书中的系统与方法的许多应用。尽管此处仅描述了本说明书的少许实施方式，然而，应当理解的是，在不背离本说明书的实质或范围的情况下，本说明书可以涵盖许多其他特定的形式。因此，本实施例及实施方式被视为示出性并且非限制性，并且可以在所附权利要求书的范围内修改本说明书。

Claims (30)

1.一种X射线检查系统，被配置为提供对象的增加穿透力，所述X射线检查系统包括：

X射线源，用于在检查体积内产生X射线波束；

传送器，用于移动所述对象通过所述检查体积；

准直仪，定位在所述X射线源与所述对象之间，其中，所述准直仪被配置为接收所述X射线波束并且从所述X射线波束产生一个或多个小扇形，其中，每个小扇形包括具有大于1度但小于所述对象的角度覆盖的角度范围的竖直移动扇形波束；

检测器阵列，与所述X射线源相对并且定位在所述检查体积内以用于检测被投射在所述对象上的所述一个或多个小扇形；

控制器，被配置为使得所述X射线源与所述准直仪同步并且从与所述一个或多个小扇形中的每个小扇形对应的所述检测器阵列采集图像切片；以及

处理单元，用于将所采集的所述图像切片组合成合成图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述X射线源是脉冲X射线源。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述X射线源产生双能波束。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述双能波束交织。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述X射线源产生X射线脉冲，所述X射线脉冲包括在时间上分离的低能X射线波束和高能X射线波束。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置为控制所述传送器，以使得所述一个或多个小扇形乘以所述传送器的速率的总时间等于或小于所述检测器阵列中的检测器的宽度。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述准直仪被配置为在所述一个或多个小扇形之间产生近似1度的重叠。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述X射线源是CW X射线源。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，用于产生所述一个或多个小扇形的所述准直仪包括多个控制快速致动器，所述控制快速致动器与波束衰减器耦接，以使所述X射线波束成形。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，用于产生所述一个或多个小扇形的所述准直仪包括斩波器。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，用于产生所述一个或多个小扇形的所述准直仪包括旋转轮，所述旋转轮具有被设计成产生竖直移动的一个或多个小扇形的狭缝。

12.一种X射线检测方法，包括：

利用多于一个的X射线小扇形照射对象，其中，每个X射线小扇形包括具有大于1度但小于所述对象的角度覆盖的角度范围的竖直移动扇形波束，并且其中，通过使用准直仪产生每个X射线小扇形，所述准直仪用于对通过X射线源产生的X射线波束进行准直；

使所述X射线波束与所述多于一个的小扇形同步；

检测照射所述对象的所述多于一个的小扇形；

从与所述多于一个的小扇形的完整扫描周期对应的所述检测器阵列中采集图像切片；并且

处理所述图像切片并且将所述图像切片组合成合成图像。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：基于从相对于所述对象在同一竖直位置处的先前小扇形检测的信号调整所述多于一个的小扇形中的每个小扇形的波束强度和能量，以产生控制输出，其中，使用所述控制输出控制所述X射线检测方法。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述X射线源是脉冲X射线源。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述X射线源产生双能波束。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述双能波束交织。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述X射线源产生X射线脉冲，所述X射线脉冲包括在时间上分离的低能X射线波束和高能X射线波束。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述准直仪被配置为在相对于所述对象的表面区域的每个位置处，在所述一个或多个小扇形之间产生重叠。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述准直仪包括具有螺旋孔的旋滚圆筒。

20.根据权利要求12所述的方法，其中，所述准直仪包括多个控制快速致动器，所述控制快速致动器与波束衰减器耦接以使所述X射线波束成形。

21.根据权利要求12所述的方法，其中，在下一周期中的同一小扇形位置处，调整所述多于一个的小扇形中的每个小扇形的能量，以允许每个竖直位置的交织双能量扫描。

22.根据权利要求12所述的方法，其中，所述X射线源是CW X射线源。

23.一种用于操作扫描系统的方法，其中，所述扫描系统包括X射线源、检测器阵列、以及处理和分析图像数据的处理器，所述方法包括：

产生第一X射线波束，以引导第一扫描产生被扫描的对象的图像；

确定所述图像数据中需要更详细检查的的区域；

将准直仪配置为限制第二X射线波束，以使得在发射所述第二X射线波束时，所述准直仪发射多个小扇形，其中，每个小扇形具有小于覆盖对象的角度范围但大于1度的角度范围；并且

相对于所述X射线源和所述检测器阵列移动所述对象，以对所述区域执行第二扫描。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述区域表示所述第一X射线波束在所述第一扫描过程中缺乏穿透力。

25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述区域表示诸如爆炸物、火器、毒品、或违禁品等感兴趣的物品或警报。

26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述X射线源和所述检测器阵列安装在吊架上。

27.根据权利要求23所述的方法，其中，所述准直仪包括多个控制致动器，所述控制致动器与波束衰减器耦接以使所述第二X射线波束成形。

28.根据权利要求23所述的方法，其中，所述准直仪包括仅检查所述区域的两个竖直控制衰减器。

29.根据权利要求23所述的方法，其中，与使用所述第一X射线波束的扫描的速度相比，使用所述多个小扇形以更低的速度执行所述区域的扫描。

30.根据权利要求23所述的方法，进一步包括：以使用所述多个小扇形的扫描产生的区域的图像代替使用所述第一X射线波束的扫描产生的区域。