JPH10508377A - 薄い物体を検出するためのｘ線コンピュータ化トモグラフィー（ｃｔ）システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 三次元容積を放射線走査して、その容積を表すボクセルの性質を測定し(Ｓ₁)、その性質の類似した値を有するボクセルを識別し(Ｓ₂)、隣接する類似したボクセルの群を識別する(Ｓ₃)ことにより、物体の存在を確かめる。そして、隣接するボクセルの群の特徴、たとえば質量(Ｓ₇)および／または容積(Ｓ₅)が所定の値を有するならば、その隣接するボクセルの群を、物体を含むものとして識別する。

Description

【発明の詳細な説明】 薄い物体を検出するための Ｘ線コンピュータ化トモグラフィー（ＣＴ）システム 発明の背景 本発明は、薄い物体、たとえば荷物の壁に沿って配設された爆発物を検出する ための改良された技術に関する。より具体的には、本発明は、Ｘ線コンピュータ 化トモグラフィー（ＣＴ）を使用して、薄い物体、たとえば爆発物を検出するた めの改良された技術に関する。 壊滅的な損害をもたらすのに必要な爆薬の量は比較的少なく、プラスチック爆 薬はほぼいかなる所望の形にも形成することができるため、荷物の中の爆発物の 検出はきわめて困難な問題である。おそらく、検出するのに最も困難な形態は、 材料を、一方向には非常に小さな物理的広がりしか持たない薄い板状物に変形さ せた板状爆発物である。 爆発物を検出する一つの従来方法は、Ｘ線ＣＴの使用によるものである。Ｘ線 ＣＴとは、Ｘ線を物体に通し、その物体を透過するＸ線の減衰を計測することに よって物体の内部構造を測定する技術である。この技術では、物体が多数のボク セルに細分される。ボクセルとは、画像処理に用いるための容積測定の基本単位 である。爆発物は、荷物の中の他の物体に比べて、特定の密度範囲、たとえば１ ．２〜１．８gm/ccの密度を有し、したがって、爆発物以外の場合とは異なって Ｘ線を減衰させる。 一般に、ＣＴシステムは、ボクセルサイズが画像中の最小の対象物にほぼ相当 するように設計されている。高いコントラスト感度が求められる場合、この手法 は明らかに正当化される。実際には、対象の空間的寸法よりもいくらか小さいボ クセルサイズがしばしば使用される。しかし、この手法は、画像を取得し、再構 成するのに多数の検出素子、視角位置およびボクセルを要するため、システムの コストおよび複雑さが大幅に増す。Ｘ線光源充填量もまた、より小さいボクセル 寸法に対してほぼ同じ数のＸ線、ひいては同じ信号対雑音比を維持する必要性に より、有意に増大する。 板状爆発物の薄い寸法がＣＴ画像中の直線ボクセル寸法よりも小さいならば、 そのボクセルが爆発物によって完全には満たされないという事実により、対象の ボクセルの測定密度は低下する。図１および２は、爆発物密度ρが１．５gm/cc である構造の場合のこの問題を示す。図１は、爆発物で完全に満たされた、平均 密度が１．５gm/ccであるボクセルＶ₁を示す。図２は、板状爆発物の一部を含む 、板状物の厚さがボクセルの直線寸法の２０％であるボクセルＶ₂を示す。ボク セルＶ₂の平均密度ρは０．３gm/ccに減少している。従来のＣＴシステムならば 、ボクセルＶ₂に関して、爆発物に予想される密度よりも低い密度を計算してし まい、したがって、ボクセルＶ₂を、爆発物を含有しないものとして識別するで あろう。 課題は、スーツケース中の背景物質からそのような板状爆発物を区別すること である。 発明の概要 したがって、本発明の目的は、物体が一つの寸法において薄いとき、三次元空 間中の物体の存在または不在を決定することである。 本発明のもう一つの目的は、爆発物を検出するための改良された技術を提供す ることである。 本発明のもう一つの目的は、処理しなければならないボクセルの数を最小限に しながらも、同時に、たとえば荷物の壁に沿って配設された板状爆発物の検出を 提供する、爆発物を検出する技術を提供することである。 本発明のさらに別の目的は、爆発物検出のための費用の低いＸ線コンピュータ 化トモグラフィーシステムを提供することである。 本発明による技術は、三次元容積中の物体、たとえば荷物の中の爆発物の存在 または不在を確かめる。本発明による技術は、三次元容積の放射線走査を利用し て、三次元容積を表す複数のボクセルそれぞれの性質（たとえば密度）を測定し 、その性質の類似した値を有するボクセルを識別して、類似した値を有する隣接 するボクセルの群を識別する。そして、隣接するボクセルの群の特徴が所定の値 を有するならば、その隣接するボクセルの群を、物体を含むものとして識別する 。 本発明の他の目的、特徴および利点は、以下に述べる本発明の詳細な説明によ って明らかになろう。 図面の簡単な説明 以下、添付の図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。 図１は、１．５gm/ccの平均密度ρを有する完全に満たされたボクセルＶ₁を示 す。 図２は、０．３gm/ccの平均密度ρを有する部分的に満たされたボクセルＶ₂を 示す。 図３は、本発明による適切なハードウェア構成の斜視図である。 図４は、本発明に使用するのに適したガントリーの端面図である。 図５は、連結していない特定範囲の密度の小さな領域を有する危険のないバッ グＢ₁を示す図である。 図６は、特定範囲の密度を有する、大きな隣接する領域を有する疑わしいバッ グＢ₂を示す図である。 図７は、本発明にしたがって爆発物を検出する技術を示す流れ図である。 好ましい態様の詳細な説明 本発明は、爆発物が、荷物の中の他の物品、たとえば衣類に比較して、特定の 範囲の密度を有するという事実および多くの爆発物が、正しく爆燃するには、物 理的に一体、すなわち隣接していなければならないという事実に基づく。本発明 によると、画像処理装置は、連結している成分を識別および標識して、特定の密 度範囲の領域を識別し、それらの領域を一つの容積に合わせる。そして、その一 つの容積が爆発物を含むとすれば、有意な損害をもたらすのに十分大きいかどう かを決定するために、その一つの容積のサイズを計算する。 本発明は従来のＣＴシステムよりも安価であるため、これは、たとえば、初期 的な選抜に使用することができる。疑わしい領域が本当に爆発物であることを確 認するために、たとえば中性子または手作業による二次的な検査を用いることが できる。 本発明によるこの新規な技術では、事前知識を画像処理および解析と組み合わ せて、より大きなボクセルサイズを有するシステム構造を提供する。たとえば、 １．５gm/ccの密度を有する厚さ２mmの板状爆発物を考えてみる。従来のＣＴシ ステムでは、１ｍの視野をカバーするのに２mmのボクセルサイズが必要であり、 ５ ００個の検出素子が必要であろう。システムの空間解像度を維持するのに必要な ５００×５００の画像を再構成するには、約１０００の視角が必要であろう。そ のようなシステムは、より大きなボクセルサイズの使用を許す本発明に比べ、き わめて複雑かつ高価である。 図３および４は、本発明の好ましい態様に使用するのに適したハードウェアを 示す。図３は、検査を受けようとしているバッグＢを示す斜視図である。バッグ Ｂは、コンベヤ３００に沿ってＤ方向にガントリー１００に向かって運ばれる。 ガントリー１００には、バッグがガントリー１００を通過するとき、バッグの中 にＸ線を発するＸ線光源が含まれる。ガントリー１００にはまた、Ｘ線検出器の セットが含まれる。検出器は、バッグＢを透過したＸ線を検出する。検出器から の情報が処理装置２００に送られて、Ｘ線がバッグを透過したときの減衰が測定 される。処理装置２００には、いずれも以下でさらに詳細に説明する隣接性識別 モジュール２１０および物体識別モジュール２２０が含まれる。減衰情報は処理 装置２００によって使用されて、バッグの三次元画像における各ボクセルの密度 が計算される。 バッグの三次元密度マップを再構成するには、バッグを種々の角度で見ること が必要である。したがって、ガントリー１００をバッグを中心に回転させるか、 バッグを回転させるかのいずれかを行わなければならない。図３および４に示す 構成では、バッグを回転させたならばバッグの内容物が移動するため、ガントリ ー１００を回転させる。 図４はガントリー１００の端面図である。図４に示す本発明の具現態様におい て、ガントリー１００は、１００cm×５０cmの最大バッグサイズを収容する大き さである。ガントリー１００には、Ｘ線光源１０および検出器アレイ２０が含ま れる。光源１０は１４０kVpで１〜５kW光源であり、３０°の扇角を有している 。検出器アレイ２０は、１２８０個の検出素子を８×１６０の配列で有している 。各検出素子には、フォトダイオードに結合されたシンチレータおよび関連の電 流積分電子部品が含まれる。この態様におけるボクセルサイズは０．６２５×０ ．６２５×１．２５cmである。標準的なバッグ（７５cm×５０cm×２０cm）の場 合のスライスの回数は６０である。標準的なバッグの場合の総検査時間は、２５ ０ 回の検視を基準として８秒間である。 ＣＴ走査、ハードウェアおよび信号処理に関する一般的な背景情報は、「「コ ンピュータ化トモグラフィ第１部：概論および産業上の適用（Computed Tomogra phy Part I: Introduction and Industrial Applications）」、The Journal of The Minerals，Metals & Materials Society、David C．Copley、Jeffrey W．E berhardおよびGregory A．Mohr、第46巻、その1、1994年1月、14〜26頁」「コン ピュータ化トモグラフィー画像の原理（Principles of Computerized Tomograph ic Imaging）、Avinash C．KakおよびMalcolm Slaney(IEEE Press 1988)」およ び「投影による画像再構成（Image Reconstruction From Projections）、Gabor T．Herman(Academic Press 1980)」に見いだすことができる。これらの出版物 の全内容は参照として本明細書に含まれる。 本発明によるこの新規な技術においては、約１cmの大きなボクセルサイズを用 いることができる。所与のボクセルを通過する大きな板状爆発物は、ボクセル容 積の２０％を満たし、その結果、０．３gm/ccのボクセルの平均密度をもたらす であろう。さらに、この密度は、０．２gm/ccのバッグの背景密度に対して区別 するのにも十分な大きさである。したがって、選択した密度範囲、たとえば０． ２５〜１．８gm/ccの密度のボクセルは、潜在的に爆発物を含むものとして識別 される。このような特定範囲内の密度を有する領域を、領域Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃およ びＲ₄として図５および６に示す。以下、図５および６をさらに詳細に論じる。 上述の背景領域を識別したのち、三次元グレースケール連結成分識別および標 識処理により、選択された密度範囲にある、物理的に隣接するすべてのボクセル が結合される。成分識別および標識技術は、「Berthold Klaus Paul Hornによる 自動装置視野（Robot Vision）（MIT Press 1986）の第４章」に記載されている 。この出版物は参照として本明細書に含まれる。 この本文に記載されている手法を、本発明に使用するため、本発明が二次元バ イナリー手法ではなく三次元グレースケール手法を用いるという点において改変 する。ボクセルが１であるかどうかを決定するためにチェックするのではなく、 チェックは、選択された基準値に対するその差△が所定のしきい値よりも小さい かどうかを決定するために実施される。所定のしきい値よりも小さいならば、そ のボクセルは、ちょうどバイナリーの場合の１のように処理される。三次元では 、面積の代わりに容積を使用する。所与のボクセルについて、隣接するボクセル を、対象のボクセルよりも上の平面、それと同じ平面およびそれよりも下の平面 に分割する。三次元ラスタ走査を上から下に実行し、その間、平面の中の走査は 二次元ラスタ走査である。二次元の場合と同様に、隣接する要素のサブセットを 標識機構において使用する。上の平面のすべてのボクセルを評価する。上の平面 のいずれかのボクセルが目標ボクセルのしきい値差△の範囲にあるならば、それ は、そのボクセルの標識を割り当てられる。対象のボクセルの平面では、二次元 の場合と同じボクセルを用いる。二次元の場合と同様に、二つの異なる標識を一 つの成分の部分部分に用いることが可能である。実際、これは、対象の中央のボ クセルに標識を与える二つのボクセルが点だけ（面または辺ではなく）でその中 央のボクセルに連結しているときに当てはまる。このような場合、二つの標識が 等しいことに留意し、それらのいずれかを中央のボクセルに使用する必要がある 。二回目の画像走査を用いる再標識が必要であるかもしれない。 三次元では物理的に隣接し、所定のしきい値未満の密度変動を有する指定の密 度範囲にあるボクセルを分類し、識別のための標識を割り当てる。この隣接性の チェックは三次元で実行されるため、いかなる方向のいかなる形状の薄い領域で も容易に識別される。 次に、各領域中のボクセル数を決定し、しきい値と比較する。小さな領域、す なわち、少数のボクセルしか含まない領域は、「無害」であるとして除外される 。この状況を図５に示す。図５は、指定の密度範囲にある、連結していない小さ な領域Ｒ₁、Ｒ₂およびＲ₃を有する「無害な」バッグＢ₁を示す。大きな隣接領域、 すなわち、所定のしきい値よりも多い数のボクセルを含む領域は、疑わしいもの として識別される。この状況を図６に示す。図６は、指定の密度範囲にある物質 の大きな隣接領域Ｒ₄を有する疑わしいバッグＢ₂を示す。そして、その領域中の 各ボクセルの容積にその密度を掛けることにより、疑わしい領域に含まれる質量 を計算する。得られた質量が所定のしきい値、たとえば１０００gmよりも大きい ならば、その領域を仮に爆発物として識別する。そして、パルス高速中性子解析 のような第二の検査技術を用いるか、バッグを開けるかのいずれかにより、立証 することができる。 以下、図７を参照しながら上述の技術の詳細な実施例を説明する。図７に示す 段階の大部分は、処理装置２００の隣接性識別モジュール２１０および物体識別 モジュール２２０で実行される。手近な特定の用途に応じて、これらのモジュー ルは、ソフトウェア、ハードウェアまたはそれらの組み合わせによって具現化す ることができる。 図７に示す技術は、本発明の原理を応用した一例にすぎないということを留意 すべきである。当業者は、図７の技術の数多くの変形および変更が可能であるこ とを理解するであろう。 図７の実施例は、以下の事前情報に基づくものである。 （１）爆発物密度は１．２〜１．８gm/ccの範囲である。 （２）スーツケース中の背景密度は約０．２gm/ccである。 （３）少量、たとえば１００ccまたは１５０gmの爆発物の検出は望まない。 （４）部分的な容積人工物は、ボクセルの充填の欠如に正比例して、密度コン トラストを減らす。 手近な検出問題の詳細に基づいて、この事前情報に対して適切な変更を加える ことができる。図７の実施例では、０．３〜１．８gm/ccを対象の密度範囲とし て選択している。 段階Ｓ₁で、スーツケースを走査して、ボクセルごとの線形減衰係数を決定す る。この係数が順に各ボクセルの密度を表す。走査および密度測定に適した技術 は、ＣＴ走査に関する上述の参考文献に記載されている。この密度情報は段階Ｓ₂ 〜Ｓ₇での処理のためにメモリに記憶される。これらの段階は全部でスーツケー スのＣＴ画像中の潜在的な爆破物領域を識別するものである。 段階Ｓ₂で、類似した範囲の密度、すなわち、０．３〜１．８gm/ccの類似した 密度を有するボクセルどうしを連結し、隣接領域として標識する。段階Ｓ₃で、 各隣接領域中のボクセル数を数える。段階Ｓ₄で、各隣接領域、すなわち、連結 され、標識された各領域の容積を、その領域のボクセル数（段階Ｓ₃より）にボ クセル容積を掛けることによって測定する。段階Ｓ₅が、隣接領域ごとに、隣接 領域の容積がしきい値Ｔ₁、たとえば７５０ccよりも大きいかどうかを決定する。 しきい値 Ｔ₁よりも大きい容積の領域があるならば、それは疑わしいとみなされ、処理は 段階Ｓ₆に進む。 段階Ｓ₆で、疑わしい隣接領域にわたって各ボクセル密度とボクセル容積との 積を合計することにより、各疑わしい隣接領域の質量を測定する。段階Ｓ₇が、 各疑わしい隣接領域の質量（Ｓ₆より）がしきい値Ｔ₂、たとえば１０００gmより も大きいかどうかを判定する。疑わしい隣接領域の質量がしきい値Ｔ₂よりも大 きいならば、その領域は、仮に爆発物として識別され、処理は段階Ｓ₈に進む。 段階Ｓ₇は、警報を作動させることを含む。段階Ｓ₈で、さらなる検査方法、たと えばパルス高速中性子解析により、またはバッグを開けることにより、爆発物の 存在または不在を立証する。 この新たな技術は、２mmのボクセルの代わりに大きいボクセルを使用すること ができるため、必要な検出素子の数が減る。たとえば、１cmのボクセルを使用す るならば、必要な検出素子の数は１００に減り、視角の数は約２００に減り、画 像サイズは１００×１００に縮小する。したがって、検出器の数×視角の数に比 例する入力データセットサイズは、２５倍（または、スライス厚を増すことがで きるため、それ以上）減る。視角の数×画像中のボクセル数に比例する画像再構 成時間は、１２５倍短縮される。このような、データおよび計算の負担における 徹底的な減少が、荷物検査のための実用的かつ信頼できるＣＴシステムをより簡 素にする。 本発明を、その特定の具体的な用途および具現態様に関して上述したが、本発 明の範囲は、上述の具体的な用途および具現態様には限定されない。当業者であ れば、上記の教示を受けたのち、本発明の真髄および範囲の中での種々の変形、 変更および応用を思いつくであろう。たとえば、本発明は、図３および４に示す 物理的配置には限定されない。本発明は、荷物の中の板状爆発物を検出するのに 特に有用であるが、対象物が、ＣＴ画像中、一つの方向でボクセルの直線寸法よ りも小さい場合にはいつでも汎用性であり、たとえば、複合材料における層剥離 を検出し、特徴づけるのに使用することもできる。したがって、本発明の範囲は 、以下の請求の範囲によって定義される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数のボクセルによって表される三次元容積中の物体の存在または不在を 確かめることを支援する方法であって、該物体が、少なくとも一つの寸法でボク セルの直線寸法よりも小さいところで、該方法が、 （ａ）該三次元容積を放射線走査して、該三次元容積を表す複数のボクセルそ れぞれの性質を測定する段階と、 （ｂ）該性質の類似した値を有するボクセルを識別して、該類似した値を有す る隣接するボクセルの群を識別する段階と、 （ｃ）該隣接するボクセルの群の特徴が所定の値を有するならば、該隣接する ボクセルの群を、該物体を潜在的に含むものとして識別する段階と、 を含む方法。 ２．物体が爆発物である、請求項１記載の方法。 ３．物体が複合材料における層剥離である、請求項１記載の方法。 ４．走査がＸ線走査を含む、請求項１記載の方法。 ５．特徴が隣接する群の質量である、請求項１記載の方法。 ６．特徴が隣接する群の容積である、請求項１記載の方法。 ７．三次元容積が荷物の内容物を含む、請求項１記載の方法。 ８．（ａ）三次元容積を走査して、該三次元容積を表す複数のボクセルそれぞ れの密度を測定する段階と、 （ｂ）該複数のボクセルのうち、類似した密度を有するボクセルどうしを連結 し、標識する段階と、 （ｃ）類似した密度を有する隣接するボクセルの領域それぞれの容積を測定す る段階と、 （ｄ）そのような隣接する領域それぞれの容積を第一のしきい値に比較し、該 第一のしきい値を超えるような隣接する領域それぞれを疑わしい領域として識別 する段階と、 （ｅ）疑わしい領域それぞれの質量を測定する段階と、 （ｆ）疑わしい領域それぞれの質量を第二のしきい値に比較し、該第二のしき い値を超える疑わしい領域それぞれを、爆発物を潜在的に含む領域として識別す る段階とを含む、爆発物を検出する方法。 ９．爆発物の存在または不在を確認するためにさらに検査する段階をさらに含 む、請求項８記載の方法。 １０．さらなる検査が手作業での検査を含む、請求項９記載の方法。 １１．さらなる検査が中性子呼掛けを含む、請求項９記載の方法。 １２．複数のボクセルによって表される三次元容積中の物体の存在または不在 を確かめることを支援する装置であって、該物体が、少なくとも一つの寸法でボ クセルの直線寸法よりも小さいところで、該装置が、 （ａ）該物体を走査するための走査装置と、 （ｂ）処理装置とを含み、 該処理装置が、 （１）該三次元容積を表す複数のボクセルそれぞれの性質を測定し、該性質の 類似した値を有するボクセルを識別して、該類似した値を有する隣接するボクセ ルの群を識別するための隣接性識別モジュールと、 （２）該隣接するボクセルの群の特徴が所定の値を有するならば、該隣接する ボクセルの群を、該物体を潜在的に含むものとして識別するための物体識別モジ ュールとを含む装置。 １３．物体が爆発物である、請求項１２記載の装置。 １４．物体が複合材料における層剥離である、請求項１２記載の装置。 １５．走査装置がＸ線走査装置である、請求項１２記載の装置。 １６．特徴が隣接する群の質量である、請求項１２記載の装置。 １７．特徴が隣接する群の容積である、請求項１２記載の装置。 １８．三次元容積が荷物の内容物を含む、請求項１２記載の装置。 １９．（ａ）三次元容積を走査して、該三次元容積を表す複数のボクセルそれ ぞれの密度を測定するための走査装置と、 （ｂ）処理装置とを含み、 該処理装置が、 （１）該複数のボクセルのうち、類似した密度を有するボクセルどうしを連結 し、標識するための隣接性識別モジュールと、 （２）（ｉ）類似した密度を有する隣接するボクセルの領域それぞれの容積を 測定し、 （ii）そのような隣接する領域それぞれの容積を第一のしきい値に比較し、該 第一のしきい値を超えるような隣接する領域それぞれを疑わしい領域として識別 し、 （iii）疑わしい領域それぞれの質量を測定し、 （iv） 疑わしい領域それぞれの質量を第二のしきい値に比較し、該第二のし きい値を超える疑わしい領域それぞれを、爆発物を潜在的に含む領域として識別 するための物体識別モジュールとを含む、爆発物を検出するための装置。 ２０．（ａ）三次元容積を走査して、該三次元容積を表す複数のボクセルそれ ぞれの密度を測定する段階と、 （ｂ）該複数のボクセルのうち、類似した密度を有するボクセルどうしを連結 し、標識する段階と、 （ｃ）類似した密度を有する隣接するボクセルの領域それぞれの容積および質 量の少なくとも一方を測定する段階と、 （ｄ）類似した密度を有する隣接する領域それぞれの容積および質量の少なく とも一方を少なくとも一つのしきい値に比較し、しきい値を超える領域それぞれ を、潜在的に爆発物を含む領域として識別する段階と、 を含む、爆発物を検出する方法。