MX2009001939A - Tomografia de atenuacion por dispersion. - Google Patents
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Abstract
Métodos para representar un objeto inspeccionado en la base de atenuación determinada a partir de un par de vóxeles iluminados; un haz de radiación penetrante caracterizado por una dirección de propagación y una distribución de energía se explora a través de un objeto mientras que los detectores de dispersión con campos de vista colimados detectan la radiación dispersada por medio de cada vóxel del objeto inspeccionado que el haz incidente intercepta por la radiación penetrante; al calcular la atenuación de la radiación penetrante entre los pares de vóxeles de incidencia del haz incidente, se obtiene una imagen tomográfica que representa la distribución tridimensional de la atenuación en el objeto de una o más energías de radiación penetrante y así de varias características materiales.
Description
TOMOGRAFIA DE ATENUACION POR DISPERSION
La presente solicitud reclama prioridad a partir de la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos No. de serie 60/823,328 presentada el 23 de agosto de 2006 cuya solicitud está incorporada aquí a manera de referencia.
CAMPO TECNICO
La presente invención se refiere a métodos y sistemas para inspeccionar objetos por medio de radiación penetrante y más particularmente a la inspección de objetos por medio de la detección simultánea de radiación penetrante dispersada en direcciones distintas y posiblemente opuestas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Desde septiembre de 2001 , la Tomografía Computarizada por Rayos X (TC) se ha utilizado de manera extensiva para buscar materiales explosivos ocultos en el equipaje aéreo. El método funciona al medir el "número de TC" de objetos contenidos en una maleta. El número de TC es esencialmente una medida de atenuación por unidad de longitud de rayos X (con una distribución de energía dada) en el material que comprende cada objeto. El número de TC puede entonces utilizarse para identificar el material.
En cuanto a definición, "número de TC", como aquí se utiliza y en cualquiera de las reivindicaciones anexas, se referirá a una medida de atenuación de rayos X convencionalmente remarcada con relación a la atenuación de agua. Para los materiales orgánicos, el número de TC es esencialmente una medida de la densidad de electrones del material la cual, a su vez, es proporcional a la densidad de masa. Los sistemas de TC por rayos X por lo tanto son capaces de medir la densidad de masa de materiales ocultos. Los materiales explosivos tienden a tener más densidades que se encuentran en la escala de aproximadamente 1.2 a 1.7 gramos por centímetro cúbico (g/cc). Ya que los sistemas de TC por rayos X reconstruyen los contenidos de un contenedor en tres dimensiones, también se determina el volumen de cada objeto oculto. Al combinar esta información con la densidad da como resultado la masa de cada objeto. Al seleccionar los objetos con un tamaño y masa mínimos que tienen una densidad entre 1.2 y 1.7 g/cc, las amenazas explosivas pueden automáticamente detectarse en el contenedor y sonar una alarma. Las desventajas de los sistemas de TC por rayos X incluyen su tamaño y costo. Tanto el tamaño como el costo se elevan en gran parte debido a las grúas que giran rápidamente en las cuales están montados la fuente y el detector de rayos X. La Patente de Estados Unidos 5,930,326 titulada "Sistema de tomografía de dispersión lateral", describió un método para detectar la radiación dispersada en esencialmente 90° fuera de un haz de lápiz de barrido
Industrial
I I MARCA
por rastreo de rayos X, como la detecta una o más conjuntos de sistemas detectores segmentados y colimados. La distribución de intensidad de la radiación dispersada lateralmente entonces se utiliza para reconstruir (en tres dimensiones) los objetos orgánicos ocultos dentro de un contenedor. Esa patente está incorporada aquí a manera de referencia.
BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION
De acuerdo con las modalidades preferidas de la presente invención, se proporcionan métodos de un sistema para representar un objeto con base en la determinación de un trayecto libre de medios de radiación penetrante basada en el análisis por pares de vóxeles. En varias modalidades, el método incluye: generar un haz incidente de radiación penetrante caracterizado por una dirección de propagación y una distribución de energía; colocar una pluralidad de elementos detectores sobre el haz de radiación penetrante cada detector caracterizado por un campo de vista; colimar el campo de vista de cada elemento detector; variar la propagación del haz incidente de radiación penetrante para que sea secuencialmente incidente en el objeto inspeccionado en una pluralidad de puntos de incidencia; detectar la radiación dispersada por voxéles del objeto inspeccionado tomado en pares, los vóxeles definidos como la intersección
entre una dirección de propagación del haz incidente y el campo de vista de un elemento detector; calcular la atenuación de la radiación penetrante entre pares de vóxeles de incidencia del haz incidente. De acuerdo con otras modalidades de la invención, el paso de de detectar la radiación puede incluir detectar componentes de energía específicos de radiación dispersada fuera de haz incidente de radiación penetrante. Además de variar la dirección de propagación del haz incidente, el haz incidente puede explorarse en un patrón sustancialmente transversal a la dirección de propagación para que sea incidente en el objeto inspeccionado en una pluralidad de puntos de incidencia. Puede mostrarse la atenuación de radiación penetrante como una función de posición dentro del objeto inspeccionado. De acuerdo con otra modalidad alterna de la invención, el paso de colocar detectores sobre el haz incidente de radiación penetrante puede incluir colocar sistemas de detectores de dispersión a lo largo de las direcciones que tienen un componente de vector sustancialmente paralelo a la dirección de propagación del haz incidente o puede incluir colocar los detectores en un plano sustancialmente transversal al haz de radiación penetrante. Calcular la atenuación de radiación penetrante puede incluir determinar un trayecto libre de medios de radiación dispersada como una función de posición dentro del objeto inspeccionado. Colimar puede incluir
restringir el campo de vista de cada detector a una dirección en una escala específica de ángulos con respecto a la dirección de propagación del haz incidente. De acuerdo con otras modalidades de la invención, los métodos descritos pueden además incluir variar la distribución de energía del haz incidente de radiación penetrante. Además, el paso de explorar puede incluir explorar una abertura con respecto a un tubo de rayos X así como activar elementos discretos de un conjunto de sistema origen. El material puede identificarse como una sustancia de amenaza, en una comparación de un trayecto libre de medios, calculado de acuerdo con las enseñanzas anteriores con una tabla de valores medidos. Una atenuación calculada puede validarse por la interrogación repetida de un vóxel con elementos detectores del campo de vista opuesto.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Las características anteriores de la invención se entenderán por medio de la referencia de la descripción detallada tomada con los dibujos anexos: La figura 1 muestra el principio de operación de un sistema de
Tomografía de Atenuación por Dispersión de acuerdo con modalidades de esta invención,
La figura 2 muestra una geometría en la cual un objeto que interviene está interpuesto dentro de uno de los haces incidentes en el sistema de la figura 1 ; La figura 3 es una descripción esquemática de una modalidad preferida de la presente invención en la que los elementos detectores de los sistemas detectores opuestos detectan radiación penetrante dispersada lateralmente por un objeto inspeccionado; La figura 4 muestra esquemáticamente un escenario en el cual dos objetos envolventes están localizados entre un objeto bajo inspección y elementos del sistema de dispersión superior e inferior; La figuras 5A y 5B muestran sistemas que exploran equipaje y paquetes pequeños de acuerdo con modalidades de la invención, La figura 6 muestra un sistema en el cual los detectores de dispersión se colocan a un lado del objeto inspeccionado como una unidad de inspección móvil; La figura 7 muestra una modalidad de la invención en la que la fuente se coloca sobre el objeto inspeccionado y los sistemas detectores de dispersión se colocan al otro lado; Las figuras 8A y 8B muestran modalidades de la presente invención para la inspección de personal en la que se coloca la fuente de radiación penetrante, respectivamente sobre (o debajo) y en un plano horizontal con respecto a un sujeto inspeccionado; y
La figura 9 muestra un dispositivo de inspección manual que contiene dos detectores de rayos X colimados y una fuente que emite una pluralidad de haces de rayos X explorados de acuerdo con una modalidad de la presente invención.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
Esta invención está construida conforme a las enseñanzas de la patente de Estados Unidos No. 5,930,326 al escribir un método simple y elegante para determinar una medición mucho más precisa de la densidad de objetos orgánicos ocultos. De acuerdo con modalidades preferidas de la presente invención, la distribución de dispersión lateral se detecta en dos sistemas detectores. El método permite una reconstrucción completa tridimensional de contenidos orgánicos del contenedor, junto con la determinación de densidad más precisa que pudiera obtenerse utilizando los métodos mostrados en la patente de Estados Unidos No. 5,930,326. Como ahora se describirá con respecto a la figura 1 , la Tomografía de Atenuación por Dispersión, generalmente observa la disminución, en la radiación dispersada lateralmente a partir de un has de rayos X de barrido por rastreo mientras el haz se mueve más profundamente hacia un objeto de interés. Se debe observar que mientras la descripción se refiere a un haz incidente 10 de radiación penetrante como un haz de rayos X, debe
entenderse que cualquier haz de radiación penetrante se encuentra dentro del ámbito de esta invención. Por lo tanto, el haz puede incluir rayos X, o rayos gama, etc. En la figura 1 , el haz de rayos X de barrido por rastreo 10 entra desde la parte izquierda y pasa a través de un bloque 12 de material orgánico. En los tiempos ti y t2, el haz de rayos X 10 se caracteriza por la intensidad y I2, respectivamente y las posiciones instantáneas son designadas por los números 10 y 11 en la figura 1 , Un sistema detector de dispersión segmentado 14 está localizado sobre el material orgánico y cada elemento detector 15 en el sistema 14 está colimado de tal manera que su campo de vista 16 para detectar la radiación dispersada esté directamente debajo de él o equivalentemente, de tal manera que su campo de vista sea perpendicular a la dirección de propagación del haz incidente 10. Uno de los elementos detectores 15 está resaltado y en los tiempos ti y t2 éste detecta la radiación dispersada emitida desde los elementos de volumen 17 y 18 respectivamente contenidos dentro del material orgánico 12. La relación de fuerzas S-i y S2 de la radiación dispersada detectada en el elemento detector ith en los tiempos ti y t2 se da por:
en donde ?(?) es un factor de atenuación que caracteriza la radiación dispersada en el material orgánico sobre la distancia ?? que separa los dos
haces y ? es el trayecto libre de medios de la radiación dispersada en el material orgánico. El factor de atenuación ?(?) está dado por:
Puede verse que, por la geometría simple mostrada en la figura 1 , la intensidad del haz del rayo X incidente en dos vóxeles es igual a
En este caso, Ec. 1 resulta en
A(A) = S2/S1 , Ec. 3
y por lo tanto la atenuación (y por lo tanto el trayecto libre de medios ? de la radiación de material orgánico) puede simplemente determinarse a partir de la relación S2 / S-i. Ya que el trayecto libre medios para materiales orgánicos es esencialmente proporcional a la densidad de masa, puede inferirse la densidad de material. Sin embargo, en casos realistas, las intensidades del haz y l2 no serán, en general, iguales. Esto podría suceder, por ejemplo, si el material orgánico 12 puede girarse con respecto a los haces 10 y 11 , o si un objeto que interviene 20 bloquea uno de los haces incidentes como se muestra en la figura 2.
En el caso mostrado en la figura 2, ya que ? fe, la Ec. 1 indica que ?(?) = S2/S-i. De hecho, ya que li y fe no se conocen, la atenuación no puede determinarse a partir de Ec. 1. Hasta este momento, esta invención provee soluciones no disponibles a este problema como describirá con respecto a la figura 3. De acuerdo con las modalidades preferidas de la presente invención, están provistos dos sistemas de dispersión lateral, un sistema de dispersión lateral superior U y un sistema de dispersión lateral inferior L. Debe entenderse que la referencia a las direcciones superiores e inferiores es arbitraria y los sistemas de detectores pueden colocarse en direcciones que tienen un componente de vector sustancialmente paralelo a la dirección de propagación del haz incidente de radiación penetrante que están dentro del alcance de esta invención. Asi, los sistemas detectores superiores e inferiores U y L mostrados en la figura 3 pueden también etiquetarse como sistemas izquierdos y derechos por ejemplo. La relación de las intensidades de dispersión en el elemento detector remarcado de sistema detector superior en los tiempos t-i y t2 está dada por:
De manera similar, la relación de las señales en el sistema detector inferior está dada por:
Las ecuaciones multiplicadoras 4 y 5 juntas dan:
A(A) [L1U2/(L2Ui)] . Ec. 6
Puede verse que la expresión de la factor de atenuación en Ec. 6 ahora es independiente completamente de las intensidades del haz no conocidas y l2 y es independiente de cómo el material orgánico 12 está orientado en la bolsa o el número de objetos envolventes 20 los cuales pueden estar ocluyendo los haces incidentes. El único requerimiento es que exista suficiente intensidad en los dos haces incidentes y un trayecto lo suficientemente claro para que la radiación dispersada alcance cada uno de los dos sistemas detectores. Otro aspecto importante de la invención es que ya que sólo se utilizan las relaciones de las intensidades de dispersión (por ejemplo, sólo las relaciones Li/L2 y U2/U-i, aparecen en Ec. 6), el método para calcular el factor de atenuación dado por Ec. 6 es inmune a cualquier objeto envolvente 20 el cual puede atenuar la radiación dispersada antes de que ésta alcance uno o ambos de los sistemas detectores. Esto se muestra esquemáticamente en la figura 4, en donde dos objetos envolventes 40 y 42 ahora están localizados entre el material orgánico 12 bajo la inspección y los sistemas de dispersión superiores U e inferiores L. En este escenario, la atenuación en el bloqueo
orgánico 12 (y por lo tanto su densidad) puede determinarse, a pesar del "desorden" envolvente que ocluye tanto los haces incidentes como la radiación dispersada.
Correcciones adicionales a los datos de dispersión Las ecuaciones 4 y 5 se basan en el supuesto de que los vóxeles en los haces 1 y 2 a partir de los cuales se origina la dispersión son esencialmente la misma distancia desde cada uno de los sistemas detectores. En este hecho, el vóxel en el haz 1 , en el caso general, estará en una distancia diferente a cada uno de los sistemas detectores que el vóxel en el haz 2. Para corregir estas diferencias, las ecuaciones 4 y 5 se convierten en:
U2/ U1 = (l2 / li).(dQU2>A(A) Ec. 7
L1/L2 = (li / l2).(dQL1/ dQL2> A(A) Ec. 8
en donde, por ejemplo, dQLi es el ángulo sólido del elemento detector en el sistema inferior para el vóxel localizado en el haz 1. Con estas correcciones de ángulo sólido, Ec. 6 ahora se convierte en:
?(?) = [UU2 / (L2Ui) dQL2 dnL1 / (dQL1 dQU2)] Ec. 9
En general, el efecto del factor de corrección de ángulo sólido dQi.2 Qui / (dQLi dQu2) es lo suficientemente pequeño y generalmente tiene un valor cercano a la unidad.
Modalidades ejemplares de la invención La medición de la atenuación (y por lo tanto la densidad) de los materiales orgánicos ocultos implícita por Ec. 9 pueden implementarse en cualquier sistema que utilice un haz de lápiz de rayos X y que contenga dos sistemas segmentados de detectores de dispersión. Dos sistemas para explorar el equipaje y pequeños paquetes se muestran en las figuras 5A y 5B en donde la fuente de radiación penetrante está comprendida respectivamente de un aro con una abertura de exploración sobre un tubo de rayos X 51 y un sistema origen de rayos X en un nanotubo de carbono 52, comprendido de elementos discretos que pueden activarse como se describe por ejemplo en la Solicitud de Patente de Estados Unidos codependiente No. de serie /737,317, presentada el 19 de abril de 2007, e incorporada aquí a manera de referencia. En cada caso, un sistema detector izquierdo 54 y un sistema detector derecho 56 están provistos para la aplicación como se describe anteriormente. Adicionalmente, un sistema de retrodispersión 58 puede colocarse entre la fuente y el objeto inspeccionado para proporcionar imágenes adicionales o la información de caracterización de material. Alternativamente, el método de la invención puede también utilizarse para inspeccionar materiales ocultos dentro de un contenedor en
donde el acceso a los lados del contenedor (para colocar los sistemas detectores) no es práctico. Tal un esquema se muestra en la figura 6, en donde los sistemas detectores angulados y colimados 60 están localizados en la dirección hacia atrás hacia la fuente de rayos X 61. La modalidad mostrada en la figura 6 a manera de ejemplo, la fuente de rayos X 61 y los sistemas detectores 60 están montados en un sistema de imágenes móviles de retrodispersión de rayos X, en plataforma 62, por ejemplo que se ha utilizado para inspeccionar vehículos 64. En la figura 7, se muestra una modalidad alternativa que explora los vehículos u otros contenedores anteriores. En este caso los detectores 70 y 72 están montados en los lados del sistema (que podrían, por ejemplo, estar basados en un portal 74 o en una grúa) mientras que la fuente de rayos X 76 se coloca sobre el objeto inspeccionado 78. En las figuras 8A y 8B, se muestran dos modalidades alternas para detectar el material orgánico de contrabando llevado por personas en bolsas o en mochilas u ocultos bajo la ropa. En la figura 8A, se muestra una modalidad en donde una persona 80 es explorada por un haz de rayos X 82 incidente desde arriba. El haz de rayos X 82 puede también colocarse para explorar una persona desde abajo. La figura 8B muestra una modalidad, tomada esquemáticamente desde arriba, en donde la persona 80 es explorada por un haz de rayos X 82 el cual permanece esencialmente en el plano horizontal. En cada caso, los sistemas detectores 72 están colocados en cada lado de la persona 80.
Una modalidad alterna de la invención, la cual puede utilizarse como un dispositivo manual se muestra en la figura 9. En esta modalidad, un dispositivo 90 contiene dos unidades detectoras de rayos X colimados 94 cada una contiene un detector 92 y 93. Adicionalmente, el dispositivo 90 contiene una fuente 95 que emite una pluralidad de haces de rayos X de barrido 96 y 97 como se describe anteriormente o alternativamente, puede emitir dos haces fijos como se muestra, con sólo uno activado en cualquier tiempo dado. Los haces 96 y 97 pueden estar activados secuencialmente al utilizar obturadores, por ejemplo. Los haces emitidos alternan en tiempo permitiendo que el factor de atenuación de materiales orgánicos ocultos 96 se determine de acuerdo con Ec. 6.
Modalidad de energía dual de la invención La expresión del factor de atenuación dado en Ec. 6,
A(I) = V [ L1U2 / (L2U1) ],
hace posible que el trayecto libre de medios ? de la radiación dispersada se mida para una pieza particular de material orgánico oculto. Al variar la energía del haz de lápiz de barrido por rastreo, el trayecto libre de medios ? del material puede medirse para diferentes escalas de energía de rayos X. Al analizar cómo el trayecto libre de medios ? del material cambia con energía de rayos X, puede inferirse una determinación del número atómico efectivo
aproximado Z del material, además de la medición de la densidad de material. Por ejemplo, el trayecto libre de medios para materiales más altos Z disminuiría más rápidamente con la disminución de energía de fotones, comparado con materiales inferiores Z. Esto es debido a la fuerte dependencia del efecto fotoeléctrico (el cual absorbe los rayos X) en el número atómico efectivo del material. La absorción fotoeléctrica transversal aumenta rápidamente con el número atómico efectivo del material con la disminución de energía de fotones de rayos X. Alternativamente, más que variar la energía del haz de rayos X de barrido por rastreo, los elementos detectores sensibles de energía pueden utilizarse en los sistemas detectores. Un tal ejemplo de esto incluye el uso de detectores CdZnTe, que hacen posible que la energía de cada rayo X detectado se mida. Puede hacerse cortes en las energías de los rayos X detectados y el factor de atenuación dado por Ec. 6 puede entonces calcularse por medio de diferentes escalas de energías de rayos X. Entonces se permite que el trayecto libre de medios de material pueda calcularse para varias energías promedio de rayos X, permitiendo que tanto las mediciones de densidad como de número atómico efectivo del material puedan realizarse. Al tener estas dos mediciones se permite una identificación más precisa del material que conforma el objeto orgánico aumentando los índices de detección y disminuyendo los índices de falsa alarma. Se debe notar que cada una de las modalidades alternas de la invención descritas anteriormente puede extenderse para incluir la operación de energía dual.
De acuerdo con ciertas modalidades adicionales de la invención, el material puede estar identificado como una sustancia de amenaza basada en una comparación de un trayecto libre de medios, calculado de acuerdo con las enseñanzas anteriores con una tabla de valores de medición. Una atenuación calculada puede validarse con la interrogación repetida de un vóxel con elementos detectores del campo de vista opuesto. Todo lo anterior descrito en las modalidades de la invención están previstas para ser meramente ejemplares y numerosas variaciones y modificaciones pueden ser evidentes para los expertos en la técnica. Tales variaciones y modificaciones están previstas para estar dentro del alcance de esta invención como se definen en cualquiera de las reivindicaciones anexas.
Claims (14)
1.- Un método para representar un objeto sobre la base de un trayecto libre de medios de radiación penetrante, el método comprende: generar unos haces incidentes de radiación penetrante, el haz incidente tiene una dirección de propagación y una distribución de energía; colocar una pluralidad de elementos detectores sobre el rayo de radiación penetrante cada detector tiene un campo de vista; colimar el campo de vista de cada detector; detectar la radiación dispersada desde una pluralidad de vóxeles que yacen dentro del objeto inspeccionado, cada vóxel está definido como una intersección del campo de vista de uno de los elementos detectores y la dirección de propagación del haz incidente de radiación penetrante; y calcular la atenuación de la radiación penetrante dispersada entre los pares de vóxeles, cada vóxel del par corresponde a una de al menos dos direcciones de propagación del haz incidente de radiación penetrante.
2.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende adicionalmente variar la dirección de propagación del haz incidente de radiación penetrante para que sea progresivamente incidente en el objeto inspeccionado en una pluralidad de puntos de incidencia.
3.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el paso de detectar la radiación incluye detectar componentes de energía especificados de la radiación dispersada fuera del haz incidente de radiación penetrante.
4.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende adicionalmente: explorar el haz incidente en un patrón sustancialmente transversal a la dirección de propagación para que sea incidente en el objeto inspeccionado en una pluralidad de puntos de incidencia.
5.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende adicionalmente un paso para mostrar la atenuación de la radiación penetrante como una función de posición dentro del objeto inspeccionado.
6. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el paso de colocar los detectores sobre el haz incidente de radiación penetrante incluye ordenar sistemas de detectores de dispersión a lo largo de las direcciones que tienen un componente de vector sustancialmente paralelo a la dirección de propagación del haz incidente.
7. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el paso de ordenar los detectores sobre el haz incidente de radiación penetrante incluye ordenar los detectores en un plano sustancialmente transversal al haz de radiación penetrante.
8.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque calcular la atenuación de radiación penetrante incluye determinar un trayecto libre de medios de radiación dispersada como una función de posición dentro del objeto inspeccionado.
9.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el paso de colimar incluye restringir el campo de vista de cada detector a una dirección en una escala específica de ángulos con respecto a la dirección de propagación del haz incidente.
10. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende adicionalmente variar la distribución de energía del haz incidente de radiación penetrante.
11. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el paso de explorar incluye explorar una abertura con respecto a un tubo de rayos X.
12.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el paso de explorar incluye activar elementos discretos de un sistema origen.
13. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende adicionalmente identificar un material como una sustancia de amenaza con base en una comparación de un trayecto libre de medios calculado con una tabla de valores medidos.
14. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende adicionalmente validar una atenuación calculada con base en una interrogación repetida de un vóxel con elementos detectores del campo de vista opuesto.
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