JP5623746B2 - 荷電粒子測定による統計的トモグラフィ再構成法 - Google Patents
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Description
本発明は、米国エネルギー省によって与えられた、契約番号DE-AC52-06NA25396に基づく政府支援でなされた。米国政府は、本発明に於いて一定の権利を保有する。
Claims (22)
- 物体容積体から得られる荷電粒子トモグラフィ・データより物体容積体を検出する方法であって:
(a)物体容積体を通過する荷電粒子の散乱角及び推定運動量に対応する所定の荷電粒子トモグラフィ・データを取得する工程と、
(b)期待値最大化(ML/EM)アルゴリズムに於いて使用される、統計的多重散乱モデルに基づく、荷電粒子散乱の確率分布を用意する工程と、
(c)前記期待値最大化(ML/EM)アルゴリズムを使用して、物体容積体散乱密度の略最尤推定値を決定する工程と、
(d)前記略最尤推定値を基に再構成された物体容積体散乱密度を出力する工程と、
を含み、
前記期待値最大化(ML/EM)アルゴリズムに於いて使用される荷電粒子散乱の確率分布を用意する工程は、
(g)均一物体の所定の散乱密度に基づいて、荷電粒子の散乱角及び変位に対する2次元の確率分布を得る工程と、
(h)前記2次元の確率分布に基づいて、前記荷電粒子の散乱角及び変位に対する3次元共分散行列を得る工程と、
(i)前記3次元共分散行列を用いて、基底関数の線形結合によって特徴付けられる非均一物体容積体による多数の荷電粒子の散乱に対する確率分布を得る工程と、
を含む、方法。 - 前記再構成された物体容積体散乱密度に基づいて、物体容積体内の標的物体の(1)存在と(2)種類のうちの少なくとも1つに関して判定を行う工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記均一物体の所定の散乱密度に基づいて荷電粒子の散乱角及び変位に対する2次元の確率分布を得る工程は、
(k)物質の散乱密度を、その物質の単位深度による荷電粒子の散乱の2乗の期待平均値として決定する工程と、
(l)荷電粒子の散乱分布をガウス分布モデルに基づいて近似する工程と、
(m)荷電粒子宇宙線の散乱及び変位を相関2次元ガウス分布に基づいて近似する工程と、を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記2次元の確率分布に基づいて、前記荷電粒子の散乱角及び変位に対する3次元共分散行列を得る工程は、
座標を追加し、3次元経路長を規定する工程と、
3次元変位を計算する工程と、
3次元共分散行列を規定する工程と、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記3次元共分散行列を用いて、前記基底関数の線形結合によって特徴付けられる非均一物体容積体による多数の荷電粒子の散乱に対する確率分布を得る工程は、
離散的散乱密度推定値を表す基底関数の3次元グリッドを設ける工程と、
各ミューオンに対する散乱/変位の共分散行列を宇宙線経路と散乱密度の推定値の関数として決定する工程と、
複数の荷電粒子に対する確率分布を個々の荷電粒子に対する確率分布の積として決定する工程と、
を含む、請求項4に記載の方法。 - 前記期待値最大化(ML/EM)アルゴリズムを使用して、物体容積体散乱密度の略最尤推定値を決定する工程は、
各荷電粒子に対する散乱及び運動量の測定値を収集する工程と、
各荷電粒子と前記統計的多重散乱モデルの各基底関数との相互作用の幾何学を推定する工程と、
荷電粒子と基底関数の各対に対して、重み行列:Wijを決定する工程と、
各基底関数の散乱密度を推測値で初期化する工程と、
物体容積体の内容に関して、略最尤解を反復的に求める工程と、
を含み、
前記反復処理は、所定の反復回数で、又は解が所定の許容値未満になったときに、停止される、請求項1に記載の方法。 - 前記期待値最大化(ML/EM)アルゴリズムは、平均値更新規則又は中央値更新規則を含む、請求項1の方法。
- 前記荷電粒子トモグラフィ・データは、宇宙線ミューオントモグラフィ・データを含む、請求項1に記載の方法。
- 物体容積体から得られる荷電粒子トモグラフィ・データより物体容積体を検出するコンピュータによって実行される方法であって:
(a)物体容積体を通過する荷電粒子の散乱角及び推定運動量に対応する所定の荷電粒子トモグラフィ・データを取得する工程と、
(b)期待値最大化(ML/EM)アルゴリズムに於いて使用される、統計的多重散乱モデルに基づく、荷電粒子散乱密度の確率分布を用意する工程と、
(c)前記期待値最大化(ML/EM)アルゴリズムを使用して、物体容積体散乱密度の略最尤推定値を決定する工程と、
(d)再構成された物体容積体散乱密度を出力する工程と、
を含み、
前記期待値最大化(ML/EM)アルゴリズムに於いて使用される荷電粒子散乱密度の確率分布を用意する工程は、
(g)均一物体の所定の散乱密度に基づいて、荷電粒子の散乱角及び変位に対する2次元の確率分布を推定する工程と、
(h)前記2次元の確率分布に基づいて、前記荷電粒子の散乱角及び変位に対する3次元共分散行列を得る工程と、
(i)前記3次元共分散行列を用いて、基底関数の線形結合によって特徴付けられる非均一物体容積体による多数の荷電粒子の散乱に対する確率分布を得る工程と、
を含む、方法。 - 前記再構成された物体容積体散乱密度に基づいて、判定を行う工程をさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 前記荷電粒子トモグラフィ・データは、宇宙線ミューオントモグラフィ・データを含む、請求項10に記載の方法。
- 均一物体の所定の散乱密度に基づいて、荷電粒子の散乱角及び変位に対する2次元の確率分布を推定する工程は、
物質の散乱密度を、公称運動量p0=3GeV/cの宇宙線荷電粒子のその物質の単位深度による散乱の2乗の期待平均値として決定する工程と、
宇宙線荷電粒子散乱分布を、ガウス分布モデルを使用して近似する工程と、
宇宙線散乱及び変位を相関2次元ガウス分布によって近似する工程と、
を含み、
前記2次元確率分布に基づいて、前記荷電粒子の散乱角及び変位に対する3次元共分散行列を得る工程は、
座標を追加して、3次元経路長を規定する工程と、
3次元変位を計算する工程と、
3次元共分散行列を規定する工程と、
を含み、
前記3次元共分散行列を用いて、基底関数の線形結合によって特徴付けられる非均一物体容積体による多数の荷電粒子の散乱に対する確率分布を得る工程は、
離散的散乱密度推定値を表す基底関数の3次元グリッドを設定する工程と、
個々の宇宙線荷電粒子に対する前記散乱/変位の共分散行列を宇宙線経路及び散乱密度推定値の関数として決定する工程と、
複数の宇宙線荷電粒子に対する確率分布を個々の荷電粒子の確率分布の積として決定する工程と、
を含む、請求項12に記載の方法。 - 前記期待値最大化(ML/EM)アルゴリズムを使用して、物体容積体散乱密度の略最尤推定値を決定する工程は、
各宇宙線荷電粒子に対する散乱及び運動量の測定値を収集する工程と、
各荷電粒子と前記統計的多重散乱モデルの各基底関数との相互作用の幾何学を推定する工程と、
荷電粒子と基底関数の各対に対して、重み行列:Wijを決定する工程と、
各基底関数の散乱密度を推測値で初期化する工程と、
物体容積体の内容に関して、略最尤解を反復的に求める工程と、
を含み、
前記反復処理は、所定の反復回数で、又は解が所定の許容値未満になったときに、停止される、請求項12に記載の方法。 - 前記荷電粒子は、ミューオンを含む、請求項16に記載の方法。
- コンピュータアクセス可能なデータ記憶媒体を含むコンピュータ・プログラムであって、そのデータ記憶媒体は、コンピュータによって実行される時荷電粒子トモグラフィ・データから物体容積体密度プロファイルを統計的に再構成する方法をコンピュータに実施させる命令を格納し、
前記方法は、
(a)物体容積体を通過する荷電粒子の散乱角及び推定運動量に対応する所定の荷電粒子トモグラフィ・データを取得する工程と、
(b)期待値最大化アルゴリズム(ML/EM)に於いて使用される、統計的多重散乱モデルに基づく、荷電粒子散乱密度の確率分布を用意する工程と、
(c)前記期待値最大化アルゴリズム(ML/EM)を用いて、物体容積体密度の略最尤推定値を決定する工程と、
(d)再構成された物体容積体散乱密度を出力する工程と、
を含み、
前記期待値最大化(ML/EM)アルゴリズムに於いて使用される荷電粒子散乱の確率分布を用意する工程は、
(g)均一物体の所定の散乱密度に基づいて、荷電粒子の散乱角及び変位に対する2次元の確率分布を得る工程と、
(h)前記2次元の確率分布に基づいて、前記荷電粒子の散乱角及び変位に対する3次元共分散行列を得る工程と、
(i)前記3次元共分散行列を用いて、基底関数の線形結合によって特徴付けられる非均一物体容積体による多数の荷電粒子の散乱に対する確率分布を得る工程と、
を含む、コンピュータ・プログラム。 - 物体容積体を通過する荷電粒子によって物体容積体を検出する検出システムであって、
物体容積体の第1の側に配置され、物体容積体に向かう入射荷電粒子の位置と角度を測定する第1の位置感知検出器セットと、
物体容積体の前記第1の側の反対側の第2の側に配置され、物体容積体から出て行く出射荷電粒子の位置と角度を測定する第2の位置感知検出器セットと、
前記第1の位置感知検出器セットからの測定信号のデータと前記第2の位置感知検出器セットからの測定信号のデータを受け取る信号処理ユニットと、
を含み、
前記信号処理ユニットは、前記受け取ったデータを処理し、物体容積体内の容積体散乱密度分布を統計的に再構成し、
前記信号処理ユニットは、
(a)物体容積体を通過する荷電粒子の散乱角及び推定運動量に対応する荷電粒子トモグラフィ・データを取得し、
(b)統計的多重散乱モデルに基づいて、荷電粒子散乱密度の確率分布を用意し、
(c)期待値最大化アルゴリズム(ML/EM)を用いて、物体容積体散乱密度の略最尤推定値を決定し、
(d)前記略最尤推定値に基づいて再構成された物体容積体散乱密度を出力するように構成され、
前記統計的多重散乱モデルに基づいて、荷電粒子散乱密度の確率分布を用意することは、
(g)均一物体の所定の散乱密度に基づいて、荷電粒子の散乱角及び変位に対する2次元の確率分布を得ることと、
(h)前記2次元の確率分布に基づいて、前記荷電粒子の散乱角及び変位に対する3次元共分散行列を得ることと、
(i)前記3次元共分散行列を用いて、基底関数の線形結合によって特徴付けられる非均一物体容積体による多数の荷電粒子の散乱に対する確率分布を得ることと、
を含む、システム。 - 素粒子検出器の前記第1及び第2のセットは各々、第1の方向の少なくとも3つの荷電粒子測定及び前記第1の方向とは異なる第2の方向の少なくとも3つの荷電粒子測定が可能となるように配置されたドリフトチューブを含む、請求項20のシステム。
- 前記荷電粒子は、物体容積体に入射する自然の宇宙線ミューオンであって、そして前記信号処理ユニットは、物体容積体内の容積体散乱密度分布の統計的再構成結果に基づいて、物体容積体内に標的物体が存在するかどうかを示すように構成される、請求項20に記載のシステム。
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