JP2013174587A - 三次元後方散乱撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】後方散乱放射線を用いた対象物撮像システム及び方法を提供する。
【解決手段】撮像システム５は対象物２２を照射する放射線源１０を含み、放射線源は対象物の周りで回転可動である。撮像システム５は、対象物２２からの後方散乱放射線を検出する検出器１５をも含む。検出器１５は、光源と検出器が対象物を中心に回転移動可能となるように対象物２２の実質的に同じ側に配置される。検出器１５は、各セグメントが対象物を通した射影の単一の視線を有しており、その視線に沿ってだけ放射線を検出するように複数の検出器セグメントに分離され得る。制限された視線は、各検出セグメントが後方散乱放射線の所望の成分を分離可能とする。放射線源１０と検出器１５は、異なる回転角度で対象物の複数の画像を収集し、対象物について互いに独立して移動ができる。複数の画像は、対象物の三次元復元を生成するために使用できる。
【選択図】図１

Description

この出願は、画像を生み出すシステムに関する。より具体的には、この出願は、放射線撮影技術を使用して散乱場成分（後方散乱を含む）を検出する撮像システム及び撮像システムを使用する方法に関する。

多くの産業、軍事、警備や医療の応用分野において、対象物の内部構造の画像が求められている。放射線撮影は、撮像に使用できる技術の一種である。放射線撮影は、一般的に、従来の伝送放射線撮影や後方散乱放射線撮影のどちらかを含んでいる。検査される対象物の背後に近接が不可能な場合、後方散乱放射線撮影のみが可能である。後方散乱撮像方法の１つにはコンプトン散乱に基づくコンプトン後方散乱撮像（ＣＢＩ：Compton Backscatter Imaging）がある。

横移動放射線撮影（ＬＭＲ：Lateral migration radiography）は、複数散乱光子と単一散乱光子の両方を利用するＣＢＩに基づく撮像法の一種である。ＬＭＲは２つの検出器ペアを使用し、各検出器ペアが一方の単一散乱光子を主に撮像するコリメートされていない検出器と他方の複数散乱光子を主に撮像するコリメートされた検出器とを有する。これにより、２つの別々の画像の生成が可能となり、一方が主に表面の特徴を含み、他方が主に下部表面の特徴を含む。

最近、ＬＭＲの変形として、選択的検出による後方散乱放射線撮影（ＲＳＤ：backscatter radiography by selective detection）が用いられてきている。ＲＳＤは、コリメーション面下の射影領域から単一散乱光子と複数散乱光子の組み合わせを使用して画像を生成している。結果として、その画像は、一次散乱及び多次散乱成分の組み合わせを有し、画像の改善された下部表面解像度を提供する。

この出願は、放射線撮影を使用して散乱場成分（後方散乱を含む）を検出する撮像システム及び該撮像システムを使用する方法に関する。撮像システムは、対象物の付近で可動な放射線源であって物体を照射する放射線源を含む。撮像システムは、物体からの後方散乱放射線を検出する検出器をも含む。放射線源と検出器が対象物の周りに回転移動可能となるように、検出器は、対象物の実質的に同じ側に配置される。放射線源と検出器は対象物に付近に互いに独立して回転運動を含め移動可能であり、異なる回転の角度で物体の複数の画像を収集することができる。これらの複数の画像は、物体の三次元復元を生成するために使用される。

放射線源は、Ｘ線、ガンマ線、中性子線、電子線源、又はこれらの組み合わせを含むことができる。放射線源のビームは、ペンシルビーム、ファンビーム、コーンビーム、又はそれらの組み合わせでもよい。検出器は、輝尽性蛍光体ベースの撮像プレート（image plate）、ＴＦＴベースのフラットパネル検出器、アモルファスシリコンパネル、デジタル化場スクリーン（digitizing field screen）、又はそれらの組み合わせを含むことができる。検出器（又は複数の検出器）は、各検出器セグメントが対象物を通した射影の単一視線を有しかつその視線に沿ってだけ放射線を検出するように（すなわち、コリメータグリッドを使用して）、複数の検出器セグメントに分離されてもよい。制限された視線は、各々の検出器セグメントが後方散乱放射線の所望の成分を分離することを可能とする。

撮像システムは、医療、軍事、安全保障、その他の産業等、多くの異なる業界において、任意の所望の対象物の片面からの非破壊撮像に使用することができる。撮像システムは、爆弾（例えば地雷）を含むことが疑われるような観察不能な様々な埋設物或いは対象物や、材料、荷物、貨物、集積回路又はその他のアイテム中のボイドや欠陥等の様々な対象物を分析することができる。

撮像システムは、放射線源からの放射を使用して対象物を撮像する。放射線が検出器に向かって後方散乱されるとき、それはコリメータグリッドを介して受信され、各検出器セグメントに分離され得る。各検出器セグメントは、関心のある物体上の微小領域の”視野”を持っている。各検出器セグメントごとに収集されたデータを処理することにより、物体の画像を生成することができる。次に、放射線源及び／又は検出器は、対象物に対して異なる方位に移動され又は回転され、放射線は再び対象物に導かれ、後方散乱放射線は再び各々の検出器セグメントで検出される。再び検出器セグメントごとに収集されたデータを処理することによって、対象物の別の画像を生成することができる。撮像をさらに強化するために、放射線源及び／又は検出器は、複数の方向（すなわち、最大３６０°まで）からデータを収集するために複数回移動されてもよい。複数のデータのセットは、データを三次元画像に復元するために使用されてもよい。

以下の説明において、図面を参照してより理解することができるであろう。

図１は、放射線撮影を用いた後方散乱を検出する撮像システムのいくつかの実施形態を示している線図である。 図２ａは、他の実施例の撮像システムを示し、該システムから得られる画像を示す線図である。 図２bは、図２ａにて得られた画像に関する復元法を用いて得られた三次元画像を示す斜視図である。 図３は、復元法で使用されたシミュレーションの詳細を説明する実施形態を示している線図である。 図４は、本発明のいくつかの実施形態による後方散乱撮像システムのブロック図を示している。

図面は、撮像システムを使用するための撮像システム及び方法の特定の態様を示している。以下の説明と一緒に、図面は本明細書中に記載の構造や方法の原理を例証し説明する。図面において、部品の厚さや大きさは誇張又はそうでなければ、明確にするために変更されてもよい。異なる図面における同一の符号は同一の要素を表し、従って、その説明は繰り返さない。さらに、デバイスの不明瞭な態様を避けるために、周知の構造、材料、又は動作を詳細に記載しない。さらに、図面は、簡略化又は部分的に表示され、図中の要素の寸法は、明確にするため誇張され、さもなれば比例していない場合がある。

以下に、周到な理解を提供するために具体的な詳細を説明する。それでも、当業者はこれらの具体的な詳細を用いることなく、説明された撮像システムと該撮像システムを製造し使用する関連方法が実施され使用され得ることを理解するであろう。確かに、撮像システム及び関連する方法は、記載されたシステム及び方法を変更することにより実践的に配置され、そして業界で使用されている従来の他の装置と技術と組み合わせて使用され得る。以下の説明において、Ｘ線の撮像システムを使用することに焦点を当てるが、ガンマ線、中性子線、電子線、又はそれらの組み合わせ等の他の放射線タイプをも使用することができる。

用語の”に接続され”又は”に結合され”は、本明細書で使用されているかぎりでは、1つの対象物（例えば、材料、層、基材等）が他の対象物に直接接続されか、又は、1つの対象物と他の対象物の間に1つ又は複数の介在物があるかににかかわらず、1つの対象物が他の対象物に接続され、又は、結合される意味である。また、方向が示された場合、方向（例えば、上方、下方、頂、底、横、上へ、下へ、真下、上を越え、上部、下部、水平、垂直、”Ｘ”、”Ｙ”、”Ｚ”等）は相対的なものであり、単に例として提供され、図示及び説明を簡単にするためであり、限定のためではない。また、参照が要素のリスト（例えば、要素a, b, c）として挙げられた場合、かかる参照は、リストに記載されるそれら自体のいずれか、リストされている要素のすべて未満の任意の組み合わせ及び／又はリストされている要素すべての要素の組み合わせを含むことが意図されている。

撮像システムと該撮像システムを使用するための方法のいくつかの実施形態が図に示されている。図１は後方散乱放射線を検出するために用いることができる１つの撮像システムを示す。ここで使用されるように、後方散乱は、照射された対象物又は材料の表面から発生するすべての散乱放射線を含んでいる。

システム５は放射線源１０を含む。放射線源（又は源）１０は、所望の対象物（又は複数の対象物）を貫通する、Ｘ線源、ガンマ線源、中性子源、電子ビーム源、又はこれらの組み合わせを含めた放射線の任意の源（又は放射線源）であり得る。源１０は、所望の深さへの所望の放射線タイプを使用して、所望の対象物領域（対象物自体を含む）を照射する。

いくつかの実施形態において、源１０からの放射線量（又は強度）は、特定の対象物用に制御され、カスタマイズされ得る。例えば、放射線源１０は、撮像するのに必要な詳細な情報を取得するために対象物内の平均深度で光子照明（エネルギー）のスペクトルを提供するように制御され得る。別の例において、放射線源１０によって提供される放射強度は、検出器１２（後述）を飽和させないように十分に低くされ得る。

図１に示すように、放射線源１０は放射線２６を伝搬させ、放射線２６が、部分的又は完全に分析される対象物又は対象物の領域の一部である材料２２の表面を貫通する。放射線２６は材料２２の内部の亀裂２０、ボイド１８、又は材料２２の隠された対象物等の部分に当たって照らす。次に材料２２内のこれらの内部部分は、後方散乱放射線２８として放射線２６の一部分を後方散乱させる。或る構成において、放射線源１０はまた、回転、対象物領域からの放射線源１０の内へ及び外への動き及び角運動を含めた異なる方向の独立した動きが可能である。放射線源１０は、分析されるべき対象物を選択しそれに焦点を当て、又は放射線２６のビーム１３によってスキャンするように調整され得る。あるいは、放射線源を静止させ、対象物が移動可能であるようにも構成できる。

放射源１０からのビーム１３は公知ビームの任意タイプで構成できる。或る構成において、ビームはペンシルビーム、ファンビーム、コーンビーム、又はそれらの組み合わせとして構成することができる。いくつかの例において、ファンビーム又はコーンビームが好適に使用される。これらビームはより高い強度の後方散乱場を作成し、ペンシルビームより大きな視野を有することができるからであり、これによって、大きな視野からの同時収集のために時間を節約することができる。ファン及び／又はコーンビームの幅及び／又は長さは、画像の解像度を向上させるために調整可能である。

ファンビームが使用される場合、絞り部を利用して構成することができる。これらの実施形態において、放射線のビームは、絞り部からの出力が放射線のファンビームとなるような絞り部を通して通過させることができる。これらの実施形態は、ペンシルビームにより照射された単一スポットに代えて、対象物の線を照射することにより、そして高強度の後方散乱場を作成すファンビームを用いることにより、解析速度を向上させることができる。

システム５はまた、検出器１２を含んでいる。検出器１２は、対象物から散乱された放射線を検出できる任意の放射線の検出器（又は複数の検出器）とすることができる。いくつかの実施形態において、検出器は、Ｘ線検出器、ガンマ線検出器、中性子検出器、電子ビーム検出器、又はそれらの組み合わせを含めることができる。他の実施形態において、検出器１２は、ＮａＩシンチレータ結晶、プラスチックシンチレータ、輝尽性蛍光体ベースの撮像プレート、ＴＦＴベースのフラットパネル検出器、アモルファスシリコンパネル、又はそれらの組み合わせを含めることができる。例えば、広い面積の画像用のエックス線撮影のために、輝尽性蛍光体ベースの撮像プレート及び／又アモルファスシリコンパネル（ＡＳＰ：amorphous silicon panel）の変換スクリーンは感光ダイオードのアレイに結合される。

検出器（複数の検出器）は、それぞれが単一の経路又は視線に沿って放射線を検出する複数の検出器セグメントに分離され得る。この分離は、その経路に沿ってのみ放射線を受けるように各セグメントを隔離する任意のメカニズムを用いて、達成することができる。例えば、図１に示されている上記実施形態において、検出器１２は、検出器１２に結合されたコリメータ１４を備えており、よって、コリメートされた検出器１５と称される。コリメータは、コリメータの各グリッド内の複数の検出器セグメントを含む。図１に示されている実施形態において、放射線源１０とコリメートされた検出器１５は、分析すべき対象物領域の同じ側に配置される。放射線源１０は、対象物領域に向けられる光子を生成することができる。コリメートされた検出器１５は、対象物の表面からとその面下の隠された対象物又はボイドから後方散乱される光子を収集する。コリメートされた検出器は、後方散乱された放射線を検出するだけでなく、隠された対象物及び／又はボイドを含む対象物領域の三次元画像を生成する補助機能を有する。

コリメータ１４は、円柱形、楕円形（非円形）又は長方形の断面領域を含む、任意の様々な形状を有することができる。いくつかの実施形態において、コリメータ１４と検出器１２は、コリメータ１４を通過する後方散乱放射線のいずれか又はすべてが検出されるような形状を有している。コリメータ１４は、曲面又は平坦であってもよい、フィン、スレート、スクリーン及び／又は板体を含む様々な幾何形状を有する任意の数のコリメータ特徴部を含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、コリメータ１４（及び、その特徴部）は、鉛等の任意の既知の放射線吸収材料から形成され得る。他の実施形態において、コリメータ１４（及び、その特徴部）は、高密度プラスチック、アルミニウム、又はそれらの組み合わせ等の放射線反射性材料から形成され得る。これらの後者の実施形態は、特定の後方散乱放射線の除去はなく増強が望まれるときに、有用である。或る構成において、コリメータ特徴部は、検出器１２の表面に対して実質的に垂直に配向させることができる。他の構成において、コリメータ特徴部は、各セグメントのために所望の視線の放射線を提供する検出器１２に対して任意の方向に指定させることができる。

いくつかの構成において、コリメータを用いた検出器の分離は、複数の開口部１６を作成することで達成できる。後方散乱方向がコリメータ特徴部に実質的に平行であるか、コリメータ特徴部によって吸収されずに開口部を通過するために十分な狭い角度を有する対象物からの後方散乱放射線は、開口部１６を通って検出器１２に到達する。コリメータ特徴部は、より広い開口部で対象物からのより多くの後方散乱放射線を可能にするためや、狭い開口部で該後方散乱放射を減少させるために、変更可能である。

いくつかの実施形態において、コリメータ１４は、検出器に到達する散乱放射線の方向を変えるために調節可能である。これらの実施形態において、コリメータ特徴部の位置及び／又は方向は、手動メカニズムによって、又は、コンピュータ制御のモーター駆動等の自動メカニズムによって、位置及び／又は方向を変更するために調節可能である。

コリメータ１４は、任意の公知の技術を用いて検出器に結合させることができる。いくつかの実施形態において、コリメータ１４は、コリメータ１４で通った放射線が検出器１２に到達し測定されかつ１つのコリメートされた検出器１５を形成するように、光学的に検出器１２に結合される。他の実施形態において、コリメータ１４は物理的に検出器１２に接続され得る。

コリメートされた検出器１５は、回転や、対象物の領域から出たり入ったりの動きや、角運動を含む異なる複数の方向に移動することができる。或る構成において、コリメータ１４は、検出器に対して回転や、対象物の領域から出たり入ったりの動きや、角運動を含む異なる複数の方向に移動することができる。これらの動きは、所望の後方散乱放射線を選択及び／又は隔離することにより、画像の焦点を合わせることができる。言い換えれば、コリメートされた検出器１５を調整することで、ユーザーは、開口部１６を通過して検出器１２によって検出された後方散乱放射線の特定のベクトルを選択し、特定することができる。あるいは、コリメートされた検出器が静止され、対象物を移動可能とすることができる。

いくつかの実施形態において、放射線源１０とコリメートされた検出器１５は、図１に示すように、可動構造体（例えばプレート２４）に取り付けられる。プレート２４は、対象物に対して実質的に垂直な運動軸を有している。いくつかの実施形態において、この運動軸が回転軸であるので、プレート２４は回転プレートである。（このような回転軸は、図２ａに軸３５として示されている。）当技術分野で知られている極１７が回転プレート２４から延びるように、放射線源１０とコリメートされた検出器１５は、プレート２４に取り付けられてもよい。放射線源１０とコリメートされた検出器１５はプレート２４に沿って任意の位置に配置してもよいし、必要に応じて、その場所は固定又は変更することができる。この構成により、コリメートされた検出器１５に後方散乱を検出させ、源１０にプレート２４に沿って任意の場所から対象物を照射させことができる。

これらの実施形態において、プレート２４の回転軸は、対象物領域を中心に源１０とコリメートされた検出器１５が回転を可能とするとともに、対象物から同様の距離と方向を維持させるようにする。必要に応じて、その独立した調整は、源１０とコリメートされた検出器１５に対する対象物からの距離と方向を変更するように行われ得る。いくつかの構成において、プレート２４は単板を含んでもよく、その上で源１０とコリメートされた検出器１５が互いに対して約１８０°の角度で位置するように保持される。他の構成において、プレート２４は、放射線源１０とコリメートされた検出器１５が独立して回転させられ、互いに対して任意の角度で配向可能となるように取り付けられた別々の２つのプレートで構成されてもよい。例えば、コリメートされた検出器１５が放射線源１０に対して相対的な方向の様々な角度を作成するために回転され得る一方で、放射線源１０を固定された位置に保持することができる。

いくつかの実施形態において、システム５は、任意の公知の可撓性及び／又は軽量の材料から形成された保護及び支持用のハウジングに収容され得る。ハウジングは所定の位置にシステム５の様々な要素を保持している。軽量ハウジング材料はシステムの移植性を容易にして、特定の応用で有利となり得る。かかる材料の使用はまた、筐体を所望の様々な形状に製造可能とし、システムを輸送しやすい比較的軽量に構成可能とする。いくつかの実施形態において、システム５は、容易に可搬でき密閉された空間内で動作するように採用されるコンパクトなシステムとして構成できる。

いくつかの実施形態において、システム１０５は、図２ａに示すように、後方散乱放射線を検出するために使用され得る。この図において、放射線源３０は放射線４０を放射し、放射線が材料３６の表面に浸透して、該材料３６内のボイド４２、４４や、隠された対象物及び／又はクラック（図示せず）等の内部の詳細物に当たって照らす。材料３６内のこれらの内部詳細物は、透過した放射線４１の一部分を後方散乱させる。後方散乱４１は、コリメータ３４を通過して、検出器３２によって検出される。

これらの実施例において、放射線源３０は対象物（対象物領域３８を含む）に向かう光子を生成し、そして、コリメートされた検出器３３は、スキャン面から後方散乱された光子とスキャンした表面の下に内部の詳細物から後方散乱された光子とを収集し得る。対象物領域３８は、放射線源３０に対する独立調整により、又は回転プレート３７に沿って放射線源３０の位置を変えることにより、移動され得る。例えば、調整は、対象物領域３８に対して放射線源３０から対象物領域３８までの距離を変化させることにより行うことができ、これにより、対象物領域３８の照射される量を縮小又は拡大させることができる。また、対象物領域３８は、対象物領域３８に対して放射線源３０の角度を変えることにより移動され得る。

これらの実施形態において、放射線源３０からのビームは、ペンシルビーム、ファンビーム、又はコーンビームであってもよい。コーンビームによると、放射線源３０を移動又は変更することなく、対象物領域３８全体をスキャン可能となる。コーンビームは、対象物領域のサイズを増加又は減少させるように移動させてもよい。ペンシルビーム又はファンビームを使用する際には、対象物領域３８の特定の部分をスキャンすることができる。撮像システム１０５は、所望の対象物領域３８を作成するためにラスタスキャンを含む任意のスキャン設計を使用することができる。対象物領域３８は、円筒状、楕円形（非円形）又は長方形（正方形を含む）を含む断面を有してもよい。以下にさらに詳細に説明するが、放射線源３０とコリメートされた検出器３３の複数の配向から収集されたデータはほぼ同じ対象物領域３８のものである必要がある。

放射線源３０とコリメートされた検出器３３の構成は、対象物領域３８からのデータや画像の複数のセットの取得を可能にする。従って、放射線源３０とコリメートされた検出器３３との間の異なる方向から同じ対象物領域３８の複数の画像を得ることが可能である。いくつかの実施形態において、放射線源３０とコリメートされた検出器３３との間の方向は、相対的にお互いに約１°から最大約３５９°までの範囲である。例えば、放射線源３０とコリメートされた検出器３３が最初に互いに対して１８０°の角度である場合、対象物領域３８の画像が収集され、その後、コリメート放射線源３０を、対象物領域３８の周りに１０°増分単位ごとで回転させ、それぞれの場所で画像を収集することができる。これらの複数の画像に関係するコンピュータモデル化の以下の応用は、対象物領域３８の三次元復元を可能にする。

図２ａに示すように、複数の画像４６、４８、５０及び５２は、放射線源３０とコリメートされた検出器３３の種々の構成から撮影可能である。図２ａは４つの画像を示しているが、任意の数の画像を、三次元復元を取得するために使用することができる。いくつかの実施形態において、画像の数は、２（適切な制約がある）から任意の所望の数の範囲で指定できる。他の実施形態において、画像の数が３又は４から１０又は１５の範囲で指定できる。もちろん、複数の画像が取得されるほど、三次元復元の優れた分解能が得られる。

画像４６は、図２ａに示す源３０とコリメートされた検出器３３の構成から収集されたデータによって得られる。材料３６内で見つかったボイド４２及び４４は、二次元対象物４２ａ及び４４ａとして画像４６に示される。画像４８は、所望量だけ放射線源３０及び／又はコリメートされた検出器３３を回転させて、追加のデータを収集することよって、二次元対象物４２ｂ及び４４ｂとしてボイド４２及び４４を描いて得られる。画像４８を得るためには、放射線源３０とコリメートされた検出器３３は、同じ方向において対象物領域３８の両方回りに９０°回転させた（例えば、互いに対して１８０°の角度のままで）。画像５０は、二次元対象物４２ｃ及び４４ｃとしてボイド４２及び４４を描いた同じ方向において放射線源３０とコリメートされた検出器３３の両方を別の９０°だけ対象物領域３８の回りに回転させることによって得られる。いくつかの構成において、画像５０を生成するために使用される構成は、放射線源３０がコリメートされた検出器の右側に位置し、かつコリメートされた検出器がシステムの左側にある図２ａに示す構成の鏡像である可能性がある。画像５２は、二次元対象物４２ｄ及び４４ｄとしてボイド４２及び４４を描いた同じ方向において放射線源３０とコリメートされた検出器３３を別の９０°だけ対象物領域３８の回りに再び回転させることによって得られる。

対象物領域３８周りの回転は、材料３６に対して実質的に垂直配向されている回転軸３５の周囲にプレート３７を回転させることによって達成することができる。これらの実施形態において、プレート３７は、互いに同じ回転距離（すなわち、放射線源３０とコリメートされた検出器３３は互いから１８０°のまま）で放射線源３０とコリメートされた検出器３３を回転させる単板である。他の実施形態において、プレート３７は、放射線源３０とコリメートされた検出器３３を、互いに対して異なる回転距離で回転させることができる接続された２つのプレートであってもよい。対象物領域を中心とした回転は、放射線源３０とコリメートされた検出器３３を定常に維持して対象物領域３８を回転させることによって達成することもできる。

図２ｂは、画像４６、４８、５０及び５２を使用して、対象物領域の三次元（３Ｄ）構造３８とボイド４２及び４４とを描写している。この三次元構造は、本明細書に記載した復元法を用いて得られる。復元法は、ボイド、クラック、腐食、剥離又は他の隠された対象物を含む材料３６の任意の所望の特徴の三次元構造を提供するために使用することができる。

復元法に使用するための将来の生成モデルを生み出す数学的定式化は、次のとおりである。該定式化は、複数散乱事象よりむしろ、単一後方散乱から検出器に戻る光子のみを考慮する。コリメートされた検出器は、その各々が関連する視線を有する開口部のセットを備えている。入射光子は、開口部の位置及び配位によって定義された三次元空間である関連する視線に沿って移動する。

図３は、復元法の実施例のためのシミュレーションの詳細を示している。撮像される空間６１の領域は対象物領域と称される。コリメートされた線７２の検出器セグメント６３から距離ｓに沿った位置は、ｄ（ｓ）と称される。線６８は、源６０と位置ｄ（ｓ）を接続する。線６８の放射線源から距離ｔに沿った位置は、ｅ（ｓ、ｔ）と称される。位置ｄ（ｓ）から放射線源６０への距離はｆと称される。

位置ｄ（ｓ）での後方散乱から検出器セグメント６３に到達する光子の数のための式すなわち信号強度は、以下の４つの条件項：（Ａ）放射線源６０から放射された光子の数、（Ｂ）放射線源６０から線６８に沿って移動し対象物領域内の材料を通過してｄ（ｓ）に到達する際の強度の損失、（Ｃ）線７２に沿って散乱した強度の割合、及び（Ｄ）後方散乱された光子が検出器への線７２に沿って移動する際の強度の損失、を含めることができる。項Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの累積的効果は乗法的であり、従って、距離ｓでの後方散乱から単一の経路iに沿って検出器に到達する強度の数学的な式は次のとおりである。

ここで、Ｅ₀は放射線源６０の強度であり、ρ（ｘ）は対象物領域内の位置ｘの関数としての物質の密度であり、θ_i（ｓ）は２つの線６８及び７２で形成される角度であり、γ（θ_i（ｓ））は該２線が交わる所の角度の関数としての微分散乱断面積である。コンプトン散乱影響をモデル化するために、γ（θ_i（ｓ））はｃｏｓ²（θ）に等しくなるように設定され得る。あるいは、散乱の他のモデルは、式（１）が用いられ置換され得る。

経路ｉに沿って移動する全強度は、線７２に沿ってすべての後方散乱事象を積分したものである。全強度は、次のとおりである。

ここで、実際には、ｄ（ｓ）に沿った積分は、対象物領域の有効な境界（すなわち材料が無い又は信号が軽微になる）で終わる。

式１及び式２の基本的な形は、従来のトモグラフィ法やトモシンセシス（Tomosynthesis）法とは異なり、画像密度の線形式ρへの容易な分解には向いていない。むしろ、条件の非線形混合、すなわち、視線に沿った強度損失と後方散乱の合成をモデル化する、式２の最も外側の積分として表されている指数項と後方散乱項の乗法の効果の組み合わせ、がある。

復元のため、条件Ａ＝Ｅ₀は定数として処理され、検出器ユニットに吸収され得る。該定数は撮像する前に全体的に推定され又は別々に測定され得る。従って、検出器セグメント視線に沿った積分と画像密度の条件の式（２）のための形式は、次のようになる。

ここで、関数Ｂ_i及びＤ_iはρの非線形関数である。

二次の非線形相互作用を処理して、

として表記されたρの固定された推定値を用いると、式は次のようになる。

ここで、ρに明示的に依存しない項がｗ_i（ｓ）に結合される。結果は、線形演算子であり、よって、従来のＸ線形成と同じ形式の画像定式化のための式であり、類推によってトモグラフィ復元である。

式（４）の離散形式を考えると、グリッド上のρの近似すなわち個々の検出器セグメントはＲ_kと表され、グリッド位置でのρの値はＸ_kと表され、集められた射影画像の数はＮと表される。離散復元Ｒ_kは、測定された検出器の強度と、撮像モデルを離散復元Ｒ_kへ適用することからのそれらのシミュレート値と、の間の合計の差を最適化するように設計されている。式（４）に示すように、関数ｗ_i（ｓ）は、重みＷ_ijのセットとしてキャプチャされることができ、これは、後方散乱が発生した所のグリッドＲ_kについての解の固定された推定値

と、放射線源６０及び検出器セグメント６３からポイントへ対応する線積分と、の間の関係を測定する。そして、復元は次のように定式化される。

ここで、Ｍは、復元での格子点（例えば、検出器セグメント）の数であり、Ｒは、解での格子点全体の集合を表す。Ｒは復元されるべき対象物を表し、Ｍは収集された射影データを表している。重みＷ_ijは従来のコンピュータトモグラフィ法に類似した方法で計算することができ、すなわち、線形補間（三次元で例えばトリリニア補間）を使用して、グリッドと線積分の間の幾何学的関係を用いて、点の各ペアに対する検出器と復元グリッドの線形依存性を確立することができる。

式（５）の最小二乗問題は過剰に制約された線形システム（an over-constrained linear system）として解決され得る。かかる式５の線形システムは、標準的数値緩和（線形システム）方法（standard numerical relaxation (linear system) methods）や代数的復元法（ＡＲＴ：algebraic reconstruction technique）又は同時代数的復元法（ＳＡＲＴ：simultaneous algebraic reconstruction technique）のような従来の反復法を含む様々な方法で解決することができる。ＳＡＲＴが使用される場合、アルゴリズムは、射影データからの代数方程式を使用して、未知の変数の配列を見つけるように、復元問題を定式化する。これは反復復元アルゴリズムであり、これはノイズや不完全な射影データに強いという利点がある。ＡＲＴ、ＳＡＲＴアルゴリズム及びその変形は当業者に知られているので、それらをさらに説明しない。

基礎となる定式化及び物理学の性質上、

は、固定されたものとして扱われる。式（４）の積分は、源−検出器と後方散乱の位置との間の材料特性を平均化（又は滑化）するので、従って、放射線に沿った集合材の材料特性は、復元の精度の或るレベルを得るのに十分である。

精度結果は、放射線が後方散乱のポイントからポイントへと移動するときに起こる強度損失のモデルの精度に依存する。反復復元を使用することができ、解のＲ⁰，Ｒ¹，Ｒ²，，，の連続として表すと、強度損失のモデル化に使用される解の離散推定値の連続

となる。これは、線形システムの重みの配列Ｗ^l _ijを示す。実装において、推定値

は、単に定式化の遅滞（lag）である。このように、

とＷ^lは先の解から推定された強度損失から計算することができ、それらは後続の各反復で変化する。このようなスキームは、非線形最適化問題（すなわち、非線形項を遅滞させる）に効果がある。

いくつかの実施形態は、表面特徴と下部表面特徴を撮像する放射線の透過力を利用した、片面の非破壊撮像技術のための方法及び装置に関連する。これらの実施形態は、非破壊検査、軍の医療用画像処理及び警備のため等、様々な応用に使用することができる。

復元アルゴリズムの実装は便利な復元のための様々な手段を用いて行うことができる。いくつかの実施形態において、従来の処理システム（例えば、として、コンピュータ）は、コンピュータトモグラフィ法を使用した復元手段を提供できる。特に、かかるアルゴリズムは、１つ又はそれ以上の汎用又は専用プロセッサ（複数可）に実行するためのソフトウェアで実装することができる。ソフトウェアは、プロセッサによって実行されるマシン実行可能な命令を生成するためにコンパイル又は解釈することができる。プロセッサは、入力として次のいずれかを受け入れ得る。

ａ．放射線源に対する対象物の配位／相対的な位置
ｂ．検出器に対する対象物の配位／相対的な位置
ｃ．検出器からの出力信号（信号の配列）
必要であれば、プロセッサはまた、源と検出器に対する対象物の相対的な位置を制御することができる。従って、プロセッサは次のいずれかを出力することができる。

ａ．対象物の回転制御
ｂ．放射線源のための線形位置決め制御
ｃ．検出器のための線形位置決め制御
図４は後方散乱撮像のためのシステムの例を示している。システム４００は、（例えば、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、Ｗｅｂサーバ等とすることができる）コンピュータ・サブシステム４０２を含むことができる。コンピュータシステムは、プロセッサ、メモリ（データ記憶とプログラムストレージ）及び入力／出力等、従来の設計にすることができる。コンピュータシステムは、ディスプレイ（例えば、復元された画像を表示するもの）及びヒト入力装置（例えば、キーボード、マウス、タブレット等）を含めることができる。コンピュータシステムは、放射線源４０４にインターフェイス及び放射線源へ制御情報４０６を提供することができる。例えば、制御情報は、放射線源の放射出力をオン／オフすると放射線源出力強度を設定するために提供することができる。システムは、放射線源を移動するための機械的手段（例えば、上記のような）を含むことができ、その場合、制御情報は、放射線源の位置／方向を制御することができる。

システム４００はまた、コンピュータシステム４０２に検出された後方散乱放射線の測定値４１０を提供することができる検出器４０８を含むことができる。例えば、測定値は検出器から提供されたデジタルデータである場合がある。別の例として、測定値は、アナログデータとすることができ、処理の前にデジタル形式に（例えば、アナログ−デジタル変換器を使用して）変換され得る。システムは検出器を移動するための機械的手段（例えば、上記のような）を含むことができ、その場合、制御情報４１２は検出器の位置／方向を制御するために検出器にコンピュータシステムから提供され得る。

コンピュータシステム４０２は、三次元復元画像を形成するために、検出された後方散乱放射４１０の複数の二次元のスライスからのデータを結合するために復元技術（例えば、上記のような）を実装するようにプログラムされ得る。三次元復元画像は、ディスプレイの出力は、後で使用するためにメモリに格納され、表示又は保管用の別の場所への通信リンク（例えば、インターネット）を介して送信され得る。

必要であれば、システム４００はまた、（例えば、上述したように）撮像される対象物を移動する手段を含むことができ、その場合、コンピュータシステム４０２は、対象物の位置／方向を制御するための制御出力４１４を提供することができる。

限定されるものではないが、本発明の実施形態の応用には、材料内や構造物内における欠点や欠陥を検出するためのスキャナー／撮像システム、壁や構造物の内部における標的対象物及び／又は異物の破片を検出するためのスキャナー、壁、容器又は個人に隠された対象物を識別する警備目的のデバイス、ポータルスキャンや法執行機関や他の警備応用、及び医療用撮像が含まれる。

本明細書中における実質的に任意の複数形及び／又は単数形の用語の使用に関して、当業者は、文脈及び／又は応用に適するように、複数から単数に及び／又は単数から複数へ翻訳することができる。様々な単数／複数の順列は、明示、明確化のために本明細書に記載されている。

先に示された修正に加えて、多数の他の変形及び代替の構成は、この説明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者によって考案することができ、添付の特許請求の範囲は、そのような修正や変更を包含することが意図されている。情報は、現時点で最も実用的で好ましい態様であると判断されるものに関して特殊かつ詳細に説明したが、これに限られず、それは多数の修正を含むことは当業者には明らかであろう。当業者は形状、機能、操作及び使用の方法は、本明細書に記載された原則や概念から逸脱することなく行うことができる。また、本明細書で使用されるように、すべての点で実施例及び実施形態は、例示のみであることが意図されており、いかなる方法においても限定されると解釈されるべきではない。

Claims (22)

1. 対象物を撮像する装置であって、
   対象物に対して相対的に可動でありかつ対象物を照射する放射線源と、
   対象物からの後方散乱放射線を検出する検出器であって、前記放射線源と対象物の実質的に同じ側に配置されており、それぞれが対象物から単一の放射線経路を検出する複数のセグメントに分離されている前記検出器と、を含み、
   前記放射線源と前記検出器は、対象物付近にて互いに独立して移動しかつ異なる角度で対象物の複数の画像を収集することを特徴とする装置。
2. 前記検出器は、前記検出器を前記セグメントに分離するコリメータを備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記放射線源は、Ｘ線源、ガンマ線源、中性子源、電子線源、又はそれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記放射線源は、ペンシルビーム、ファンビーム又はコーンビームの形態の放射線を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. さらに対象物に対して実質的に垂直な回転軸を有する回転プレートを含み、前記放射線源と前記検出器が前記回転プレートに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記放射線源は、対象物に対する調整可能な配向角を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記検出器は、対象物に対する調整可能な配向角を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記放射線源と前記検出器は、対象物に対して調整可能な距離を有していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記コリメータは、前記セグメントの各々に当たる後方散乱放射線を制限するグリッドを含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
10. 対象物を撮像する装置であって、
    対象物に対して相対的に可動でありかつ対象物を照射する放射線源と、
    対象物からの後方散乱放射線を検出する検出器であって、前記放射線源と対象物の実質的に同じ側に配置されており、対象物の周りで回転可動であり、それぞれが対象物から単一の放射線経路を検出する複数のセグメントに分離されている前記検出器と、
    前記検出器に結合され、後方散乱放射線の測定を受け入れ、測定値から対象物の三次元画像を作図するように構成されたプロセッサと、を含み、
    対象物、前記放射線源、前記検出器、又はそれらの組み合わせは互いに相対的に移動可能であることを特徴とする対象物を撮像する装置。
11. 前記検出器は、前記検出器を前記セグメントに分離するコリメータを備えていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記放射線源は、Ｘ線源、ガンマ線源、中性子源、電子線源、又はそれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
13. 対象物に対して実質的に垂直な回転軸を有する回転プレートをさらに含み、前記放射線源と前記検出器が前記回転プレートに取り付けられていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
14. 前記放射線源と前記検出器は、対象物に対して調整可能な配向角を有していることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
15. 前記コリメータは、前記セグメントの各々に当たる後方散乱放射線を制限するグリッドを含むことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
16. 対象物を撮像する装置であって、
    放射線で対象物を照射する照射手段と、
    対象物からの後方散乱放射線を検出する検出手段であって、前記照射手段と対象物の実質的に同じ側に配置されており、それぞれが対象物から単一の放射線経路を検出する複数のセグメントに分離されている前記検出手段と、
    前記照射手段と前記検出手段のそれぞれに対して対象物を相対移動させる手段と、
    前記照射手段と前記検出手段に関連した対象物の複数の位置で得られた検出された後方散乱放射線から対象物の三次元画像を復元する手段と、を含むことを特徴とする対象物を撮像する装置。
17. 対象物を撮像する方法であって、
    それぞれが対象物から単一の放射線経路を検出する複数のセグメントへ検出器を分離するステップと、
    放射線の第１のビームで対象物を照射し、対象物が第１の後方散乱放射線を発するステップと、
    前記検出器の前記セグメントを使用して、第１の後方散乱放射線を受け、第１の後方散乱放射線を検出するステップと、
    前記検出器に対して対象物を移動させるステップと、
    透過性放射線の第２のビームで対象物を照射し、対象物が第２の後方散乱放射線を発するステップと、
    コリメータを介して第２の後方散乱放射線を受け、前記検出器の前記セグメントを使用して第２の後方散乱放射線を検出するステップと、
    検出された第１の後方散乱放射線と検出された第２の後方散乱放射線を用いて対象物の三次元画像を形成するステップと、を含むことを特徴とする対象物を撮像する方法。
18. 対象物を移動させるステップは、第１ビーム及び第２ビームを提供する放射線源に対して対象物を相対的に回転するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記移動を繰り返すステップと、
    透過性放射線の追加のビームで対象物を照射し、対象物が追加の後方散乱放射線を発するステップと、
    追加の後方散乱放射線を受け、前記検出器の前記セグメントを使用して、追加の後方散乱放射線を検出するステップと、をさらに含み、
    前記画像を形成するステップは、追加の後方散乱放射線を使用するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 前記画像を形成するステップは、
    復元される対象物の一部又は全部に対応するデータ点の三次元グリッドを定義するステップと、
    後方散乱した放射線に基づいてグリッド内の各データポイントで復元された対象物特性を推定するステップと、
    復元された対象物特性に基づいて予測後方散乱放射を計算するステップと、
    推定された後方散乱放射線と検出された後方散乱放射線の差を決定するステップと、
    反復してその差に基づいて復元された対象物特性を向上させるステップと、を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 別の場所で対象物の複数の画像を収集して対象物の三次元復元を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
22. 前記検出器を複数のセグメントに分離して前記セグメントの各々に当たる後方散乱放射線を制限するコリメータグリッドを用いるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。