MX2013009142A - Analisis de energia de retrodispersion para la clasificacion de materiales basado en no conmutatividad posicional. - Google Patents

Abstract

Un sistema y métodos para caracterizar regiones dentro, o en, un objeto inspeccionado, en donde un material de dispersión con bajo Z y un material de alto Z se encuentran los dos a lo largo de una línea de visión común; el objeto inspeccionado es escaneado con radiación penetrante caracterizada por una distribución de energía, y la radiación penetrante dispersada por el objeto inspeccionado es detectada de tal manera que genera una primera señal de detector que distingue entre materiales con número atómico efectivo alto y bajo, bajo un primer conjunto de condiciones con respecto a la distribución de energía de la radiación penetrante y una segunda señal de detector que distingue entre materiales con número atómico efectivo alto y bajo, bajo un segundo conjunto de condiciones con respecto a la distribución de energía de la radiación penetrante; se genera una imagen, basada en una función de la primera señal de detector y la segunda señal de detector, mientras que la primera y segunda señales de detector también se combinan para crear una imagen diferencial, para permitir la distinción de los materiales de alto Z y de bajo Z.

Description

ANÁLISIS DE ENERGÍA DE RETRODISPERSIÓN PARA LA CLASIFICACIÓN DE MATERIALES BASADO EN NO CONMUTATIVIDAD POSICIONAL La presente solicitud reclama prioridad de la solicitud de patente provisional de E.U.A. 61/440,491 , presentada el 8 de febrero de 2011 , y que se incorpora en la presente como referencia.

CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere a sistemas y a métodos para clasificar materiales conforme a sus números atómicos efectivos basándose en la detección de la radiación penetrante dispersada desde los mismos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Desde hace más de 25 años se han estado utilizando los sistemas de inspección con rayos x de retrodispersión para detectar materiales orgánicos que están escondidos dentro de equipaje, contenedores de carga, en vehículos, y en personal. Debido a que los materiales orgánicos en masa dispersan de preferencia rayos x (por dispersión de Compton) en vez de absorberlos, estos materiales aparecen como objetos más grandes en las imágenes de retrodispersión. Sin embargo, como la intensidad de retro-dispersión es una función complicada de la distancia, posición y la forma y grosor del objeto, así como la cantidad de desorden interpuesto que obscurece el objeto, es difícil usar la intensidad de retrodispersión para clasificar adicionalmente el material orgánico.

También de manera simultánea durante muchos años se ha intentado encontrar una manera confiable de usar mediciones de retrodispersión de energía dual (o multi-energía) para ayudar a identificar materiales escondidos, además de sólo usar la intensidad medida. Un método es alternar la energía de la fuente de rayos x, y observar la intensidad de retrodispersión relativa proveniente de un objeto en la imagen de retrodispersión en las dos energías. La relación R de la intensidad de energía baja a la intensidad de energía alta de los rayos x retrodispersados se puede utilizar para clasificar el material objetivo. Otro método es usar una sola fuente de energía, pero cambiar temporalmente la filtración del rayo de manera que haces con espectros alternantes de energía incidan en el objeto que está siendo inspeccionado. Por ejemplo, se muestran ejemplos en las patentes de E.U.A. 6,249,567 (de Rothschild, et al.) y 6,459,764 (de Chalmers, et al.), las dos se incorporan en la presente como referencia.

Otro método conocido en la técnica para iluminar un objeto inspeccionado con múltiples energías, es el uso de una sola fuente de energía, y detectores de resolución de energía, con lo que la energía de cada fotón de rayos x retrodispersados es caracterizada cuando es detectada. En este caso, la relación R se puede definir como la intensidad detectada en un rango de energía con una energía promedio inferior dividida entre la intensidad en un rango de energía que tiene una energía promedio superior.

En cada uno de los escenarios anteriores, se demuestra que la relación R es una fuerte función de la distancia que hay desde los detectores hasta el objeto iluminado, y de alguna manera es una función más débil de la forma del objeto iluminado. Esto se debe a que la energía de los rayos x retrodispersados depende mucho del ángulo de dispersión, cuyo rango en este caso está definido por el ángulo sólido de los detectores con relación al punto de dispersión. Como el ángulo sólido es una función de la distancia D entre los detectores y el punto de dispersión, la relación R también es una función de la distancia D. Adicionalmente, como normalmente los detectores están desviados del plano del haz por cierta distancia, la cantidad de material sobrepuesto dentro del objeto a través del cual debe pasar la radiación dispersada (desde el punto de dispersión hasta los detectores) también depende de la distancia hasta el objeto. Este efecto es muy notable en una lámina de acero plana, por ejemplo, en donde para un rayo Bremstrahlung de 225kV incidente, la energía promedio de los rayos x dispersados incidentes en los detectores (descentrada del eje del rayo por 30.48 centímetros) puede variar de 72 keV para dispersarse desde un objeto unos cuantos metros hasta sólo 63 keV para un objeto a una distancia de 3 metros. Esto significa que la radiación dispersada desde una lámina de acero que está cerca de los detectores se endurece significativamente en comparación con la radiación dispersada desde una lámina de acero más distante.

La dependencia de la relación R en la forma del objeto iluminado se debe a la longitud variada de la trayectoria dentro del objeto que deben atravesar los rayos x dispersados antes de salir del objeto y alcanzar los detectores. Por ejemplo, esta distancia es más pequeña para los objetos esféricos en comparación con los rectangulares. Para los objetos que consisten en un material de alto Z (que de preferencia absorbe los rayos x de energía más baja), esto dará como resultado un valor menor de R para los objetos rectangulares en comparación con los esféricos.

En consecuencia se ha comprobado que no existe un mecanismo confiable para usar la resolución de energía de las propiedades de retrodispersión de rayos x de un objeto para clasificar este objeto por el número atómico.

El concepto general de usar el análisis de energía de los rayos x retrodispersados para estudiar personal, en donde el espectro de energía del haz de la fuente de rayos x varía con el tiempo por un filtro que varía periódicamente, fue descrito en la patente de E.U.A. No. 7,561 ,666 (de Annis, que se incorpora en la presente como referencia), sin embargo las enseñanzas de Annis se limitan al caso en el que el objeto de dispersión no es estudiado por una capa de intervención de un material altamente atenuante, mientras que el estudio por un material de alto Z es generalmente el caso en el que los materiales son estudiados en un equipaje metálico o un vehículo. En las típicas energías de rayos x en las que operan los escáners de cuerpo de retrodispersión de rayos x, 40-1 10 keV, necesariamente la clasificación de los materiales es bastante cruda, con todos los objetos siendo clasificados en uno de sólo tres o cuatro rangos de número atómico. Esto puede incluir materiales orgánicos, aluminio, metálicos (por ejemplo, acero o cobre, etc.), y de alto Z (por ejemplo, plomo). Además, normalmente la brillantez relativa de la señal retrodispersada ya es capaz de proporcionar una separación adecuada entre estas categorías de materiales para escáners corporales, y la resolución de energía de la señal de retrodispersión es superflua.

Lo que sí sería más útil es poder discriminar entre diferentes materiales orgánicos - por ejemplo, entre el tejido humano y los explosivos. Sin embargo, si se quiere lograr esto usando las técnicas enseñadas por Annis, la energía de punto final de la energía más baja debe de ser muy baja (sólo de aproximadamente 30 keV o menos), haciendo que la aplicación práctica de esta técnica sea problemática para un escáner corporal práctico, debido a la alta atenuación de los rayos x en este rango de energía por la ropa que se interpone entre la fuente de rayos x y el cuerpo de la persona inspeccionada.

Además, las técnicas de Annis en ningún momento aclaran la cuestión de que si los objetos de alta dispersión, como los materiales orgánicos, están enfrente de, o detrás de, una característica estructural altamente atenuante, como una lámina de material de alto Z, como por ejemplo el cuerpo de acero de un automóvil.

Definición Como se usa en la presente, y en cualquiera de las reivindicaciones anexas, el término "ubicación" utilizado en el contexto de un material dentro de un objeto inspeccionado, se referirá a la distancia relativa de este material desde una posición de referencia fiduciaria, como la fuente del haz de rayos x de iluminación primaria.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De acuerdo con varias modalidades de la presente invención, se proporcionan métodos para caracterizar regiones dentro de un objeto inspeccionado, en donde tanto un material de dispersión de bajo Z como un material de alto Z pueden encontrarse ambos a lo largo de una línea de visión común. Los métodos tienen los pasos de: a. escanear el objeto inspeccionado con una radiación penetrante emitida por una fuente caracterizada por una distribución de energía; b. detectar la radiación penetrante dispersada por el objeto inspeccionado, de una manera que genere una primera señal de detector que distinga entre materiales que tengan un número atómico efectivo más alto y más bajo, bajo un primer conjunto de condiciones con respecto a la distribución de energía de la radiación penetrante; c. detectar la radiación penetrante dispersada por el objeto inspeccionado de una manera que genere una segunda señal de detector que distinga entre materiales que tengan un número atómico efectivo más alto y más bajo, bajo un segundo conjunto de condiciones con respecto a la distribución de energía de la radiación penetrante; d. generar una imagen diferencial basada en una función de la primera y la segunda señales de detector; y e. determinar la ubicación de materiales de bajo Z y alto Z dentro de una sola línea de visión con relación a la fuente, basándose por lo menos en la imagen diferencial.

De acuerdo con otras modalidades de la presente invención, el escaneo del objeto inspeccionado con radiación penetrante puede comprender escanear secuencialmente al objeto inspeccionado con radiación penetrante caracterizada por una primera distribución de energía y una segunda distribución de energía. También puede haber un paso de determinar la ubicación relativa de una región con número atómico bajo con respecto a una región con número atómico alto dentro de un objeto inspeccionado, basándose por lo menos en valores de regiones respectivas dentro de la imagen detectora diferencial, basándose opcionalmente, por completo o en parte, en segmentación. La radiación penetrante empleada de acuerdo con las modalidades de la presente invención, puede ser radiación de rayos x.

De acuerdo con modalidades alternativas de la presente invención, se puede proporcionar un sistema para caracterizar regiones dentro de un objeto inspeccionado. El sistema tiene una fuente de radiación penetrante para generar un haz de radiación penetrante, y un escáner para escanear la radiación penetrante a través del objeto inspeccionado. El sistema también tiene medios de discriminación de energía para distinguir la radiación penetrante dispersada que es detectada bajo un primer conjunto de condiciones con respecto a una distribución de energía de radiación dispersada, y un segundo conjunto de condiciones con respecto a una distribución de energía de radiación penetrante dispersada. Por último, el sistema tiene un generador de imágenes para generar una primera imagen basada en una función de la radiación detectada bajo sólo uno del primero y el segundo conjuntos de condiciones con respecto a la distribución de energía, y un generador de imágenes de diferencia para generar una imagen diferencial basada en una función de la radiación detectada durante el primer conjunto de condiciones y la radiación detectada durante el segundo conjunto de condiciones con respecto a la distribución de energía.

En otras modalidades de la presente invención, los medios de discriminación de energía pueden incluir un primer detector caracterizado por una primera distribución de respuesta como una función de la energía detectada, y un segundo detector caracterizado por una segunda distribución de respuesta como una función de energía detectada. La fuente de radiación penetrante puede ser un tubo de rayos x.

Todavía en otra modalidad de la presente invención, el primero y segundo detectores se pueden disponer en lados respectivos de la fuente de radiación penetrante, o el primero y segundo detectores se disponen a cada lado de la fuente de radiación penetrante.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Las características anteriores de la invención se entenderán más fácilmente mediante referencia a la siguiente descripción detallada, tomada con referencia a las figuras anexas, en las cuales: La figura 1 es una representación esquemática de un sistema de retrodispersión de energía múltiple de acuerdo con las modalidades de la presente invención; La figura 2 es un diagrama de flujo que representa un proceso de formación de imagen de dispersión de acuerdo con ciertas modalidades de la presente invención; La figura 3 es un diagrama de flujo que representa un proceso de formación de imagen de dispersión de acuerdo con otras modalidades de la presente invención; La figura 4A representa una imagen de retrodispersión de 140 keV regular de un fantasma de prueba adquirido con un detector centellador de oxisulfuro de gadolinio (GOS). La figura 4B representa una imagen de diferencia obtenida sustrayendo una imagen de retrodispersión del mismo fantasma adquirido con un centellador de fluoro-cloruro de bario (BFC) a partir de la imagen de GOS de la figura 4A.

Las figuras 5A y 5B representan esquemáticamente configuraciones alternativas del detector de dispersión de acuerdo con modalidades de la presente invención.

La figura 6 muestra el valor de los segmentos del detector de retrodispersión de no filtrados a filtrados para dispersar plástico que se localiza detrás, y enfrente de, acero con 1 mm de espesor.

La figura 7 es una imagen de retrodispersión de rayos x derivada, de acuerdo con una modalidad de la presente invención, mostrando una mayor dispersión debido a artículos orgánicos que se encuentran en el exterior de un vehículo, y debido a artículos orgánicos peligrosos que están escondidos dentro del vehículo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Definiciones Como se usa en esta descripción, y en cualquiera de las reivindicaciones anexas, los términos "alto Z" y "bajo Z" : tendrán connotaciones relacionadas uno con el otro, es decir que "alto Z" se refiere a un material, o a una de línea de visión, caracterizada por un número atómico Z efectivo que es más alto que un material o línea de visión que es referido, en el mismo contexto, como "bajo Z".

Por conveniencia heurística, "Z", a menos que se especifique otra cosa o que sea requerido por el contexto, se referirá al "número atómico efectivo" que caracteriza una región de un material heterogéneo que comprende múltiples elementos. El "número atómico efectivo" es el número atómico promedio, en donde el promedio es el de un tipo que se emplea comúnmente en interacciones de rayos x-materia.

Como se utiliza en esta descripción y en las reivindicaciones anexas, el término "imagen" se refiere a cualquier representación multidimensional, ya sea que esté en forma tangible o en una forma perceptible de otra manera, por medio de la cual un valor escalar de alguna característica se asocia con cada una de una pluralidad de ubicaciones que corresponden a coordenadas dimensionales de un objeto en un espacio físico, aunque no necesariamente mapeadas una por una en el mismo. Ejemplos de dichas características incluyen el nivel de una señal de detector o una función escalar de niveles de la señal de detector. Adicionalmente, por ejemplo, el despliegue gráfico de la distribución espacial de alguna característica, como el número atómico, en uno o más colores constituye una imagen. Por lo tanto también la constituyen una disposición de números en una memoria de computadora o medio holográfico. De manera similar, "formación de imágenes" se refiere a la producción de una característica física establecida en términos de una o más imágenes.

Como se usa en esta descripción y en las reivindicaciones anexas, el término "función" aplicado a múltiples variables, se usa en el sentido matemático más amplio, para incluir combinaciones de variables lineales o no lineales, ya sea que la función sea analítica o no, continua o no, diferenciable o no, o si la función se deriva de una tabla de consulta. Una función de múltiples variables puede no tener una dependencia de una o más de las variables.

Como se usa en las reivindicaciones anexas a la presente, el término "valor" asociado con un pixel se referirá al valor escalar de una cantidad o característica específica a la cual se refiere una imagen. Así, dicho "valor" podría representar cuantitativamente una brillantez escalada de una señal de dispersión asociada con ese pixel, o podría ser un valor que es una función de una o más cantidades medidas. Un "valor" también podría estar asociado con una región o subregión, en cuyo caso el término se refiere a un promedio de valores de pixeles de una imagen asociada con esta región o subregión. El promedio puede ser un promedio ponderado, y no está restringido a un promedio aritmético, o a cualquier tipo particular de promedio.

Como se usa en la presente, y en cualquiera de las reivindicaciones anexas, el término "imagen de diferencia" se refiere a una imagen obtenida por la combinación de resultados de detección usando dos modalidades distintas referenciadas al mismo espacio del cual se hicieron las imágenes. La combinación puede ser por sustracción (haciendo una "imagen de diferencia pura") o por cualquier otra forma de combinación lineal, o, por el contrario, por combinación no lineal, o por la combinación de cualquier clase de valores asociados, respectivamente, con cada modalidad de detección. Así, por ejemplo, se puede usar una tabla de consulta para generar una imagen de diferencia basada en un primer valor asociado con un pixel particular, o región de pixeles, según lo detectado usando una primera modalidad, y un segundo valor asociado con el pixel correspondiente, o región de pixeles, según lo detectado usando una segunda modalidad.

Aunque la descripción provista en la presente se refiere sólo a la "retrodispersión", por conveniencia heurística, se entenderá que el aparato y las técnicas que se describen en la presente se pueden practicar con dispersión dirigida en direcciones diferentes a la de hacia atrás con respecto a la dirección de propagación de un haz incidente de radiación penetrante. El uso del aparato y las técnicas que se describen en la presente con respecto a la dispersión en cualquier dirección, de alguna manera está dentro del alcance de la presente invención y cualquiera de las reivindicaciones anexas a la presente.

Las distribuciones de energía de radiación penetrante se pueden denotar en la presente, por razones de conveniencia, citando su energía terminal emitida (con frecuencia llamada energía de "punto final"). Así, por ejemplo, un tubo de rayos x que emite radiación de Bremsstrahlung debido a los electrones acelerados a través de un potencial de 100 kV, emitirá rayos x con una energía menor a 100 keV, y el espectro de radiación emitida se puede caracterizar en la presente, como un "haz de 100 keV", y una imagen de radiación detectada dispersada desde ese haz puede ser llamada en la presente como "imagen de dispersión de 100 keV".

Descripción de las modalidades Aunque las modalidades de la presente invención pueden estar descritas en la presente, por razones de conveniencia, en términos de resolución de energía después de la interacción de radiación penetrante con el objeto inspeccionado (es decir, utilizando detectores con sensibilidad de energía diferencial o detectores con resolución de energía), debe entenderse que al variar el espectro de energía del haz incidente, ya sea variando el espectro de una sola fuente (por ejemplo, cambiando la energía de punto final, o la filtración del haz, o de otra manera), o empleando múltiples fuentes, igualmente está dentro del alcance de la presente invención.

Ahora se describirá un sistema de acuerdo con las modalidades de la presente invención, con referencia a la figura 1. Un sistema de retrodispersión de energía múltiple, designado generalmente con el número 100, se emplea para caracterizar un artículo inspeccionado 110, que puede ser un vehículo, por ejemplo, o puede ser un artículo de carga, etc. Una fuente 102 de radiación penetrante, como un tubo de rayos x, emite radiación penetrante formada en un haz 106 por medio de un colimador 104 que también puede servir para modular el haz 106 en otras formas, como temporalmente o espectralmente. El haz 106 choca contra el material de dispersión 112 en el artículo inspeccionado 110 después de atravesar el material de alto Z 114, que puede ser, por ejemplo, el cuerpo de acero de un vehículo. Algunas veces, el haz 106 primero chocará, a lo largo de una línea de visión, en un material de bajo Z 113 que está sobrepuesto en el material de alto Z 1 14. La interacción con el material de dispersión 1 12 da origen a la radiación penetrante dispersada 1 16, parte de la cual es interceptada por uno o más detectores de dispersión 122a-122d. Los detectores de dispersión 22a-122dpueden tener diferentes sensibilidades espectrales, por ejemplo, los detectores 122b y 122d preferencialmente pueden detectar detectores de energía superior que han atravesado los detectores 122a y 122c. De manera similar, el material sobrepuesto 1 13 igualmente da origen a una radiación retrodispersada 115, también detectada por detectores de dispersión 122a-122d. Se entenderá que todos los materiales reales dan origen a la dispersión de fotones de Compton, de manera que el material de alto Z 1 14 también dispersa. Sin embargo, debido a la baja autoabsorción de la radiación dispersada dentro del material de bajo Z, es este material de bajo Z, como un material orgánico, por ejemplo, el que da origen normalmente a señales de dispersión más brillantes (más intensas), en situaciones prácticas. Las señales de dispersión generadas por los detectores de dispersión 122a-122d con la detección de la radiación penetrante generada 1 15 y 116 se acoplan al procesador 130 que procesa las señales, como se describirá a continuación, generando imágenes que pueden ser desplegadas, como también se describirá a continuación.

En otras modalidades de la invención, como se describirá a continuación, el haz incidente 106 de radiación penetrante puede estar caracterizado por un espectro que varía con el tiempo, de manera que constituye un espectro con energía promedio más alta durante una porción de un ciclo, y un espectro con una energía más baja durante otra porción de un ciclo. Una señal de retrodispersión asociada con un detector que tiene una sensibilidad mayor a la energía más alta, ya sea en forma inherente o gracias a la temporización de una fuente de tiempo variable, puede ser referida como una "señal de retrodispersión de energía superior", y la radiación detectada a la cual corresponde dicha señal puede ser referida, en la presente, como "retrodispersión de energía superior". De manera análoga, una señal de retrodispersión asociada con un detector que tiene una sensibilidad mayor a la energía más baja, ya sea en forma inherente o gracias a la temporización de una fuente de tiempo variable, puede ser referida como una "señal de retrodispersión de energía inferior", y la radiación detectada a la cual corresponde dicha señal puede ser referida, en la presente, como "retrodispersión de energía inferior".

El valor de la relación R de la retrodispersión de energía inferior a la retrodispersión de energía superior es una función no sólo de la distancia desde los detectores hasta el objeto iluminado, y de la forma del objeto, sino que también depende mucho del espesor y de la composición de cualquier material sobrepuesto que se localice entre el objeto iluminado 1 2 y la fuente de rayos x 102, y entre el objeto 112 y los detectores 122a-l22d. Los materiales orgánicos sobrepuestos 113 tendrán la tendencia a reducir la intensidad de la retrodispersión que viene del objeto iluminado 112, mientras que dejan el valor de R relativamente sin cambios. Sin embargo, los materiales sobrepuestos de alto 2 114, de preferencia absorberán los componentes de energía inferior de la dispersión, dando como resultado un valor más bajo de R del que tuviera el objeto iluminado sin un material sobrepuesto de alto Z.

Debido a este último efecto, la retrodispersion de energía dual (o retrodispersion de energía múltiple), de acuerdo con las modalidades de la presente invención, permite cierto grado de clasificación del material en circunstancias en las que el objeto que está siendo identificado es el primero en ser iluminado por el haz de rayos x, y la retrodispersion desde el objeto iluminado puede alcanzar los detectores de retrodispersion sin pasar a través de cantidades importantes de materiales sobrepuestos. Además, de preferencia se deberá conocer la distancia y la posición del objeto con relación a los detectores de retrodispersion, de manera que la relación R pueda ser corregida conforme a las mismas. El conocimiento de la distancia y la posición del dispersor 112 con relación a los detectores de retrodispersion 122a-122d puede conocerse, dentro del alcance de la presente invención, usando cualquier medio de determinación de posición, incluyendo, por ejemplo y sin limitación, transmisión de rayos x concurrente o formación de imagen de dispersión lateral, mediciones de dispersión pulsada resueltas temporalmente, análisis de intensidad de dispersión, formación de imágenes de onda milimétrica, etc.

Para la mayoría de las aplicaciones prácticas de inspección, en donde los materiales de interés están escondidos dentro de algún tipo de alojamiento exterior 110 (por ejemplo, equipaje o el lado de un vehículo), la incertidumbre que se ha descrito en la presente elimina la posibilidad de usar el análisis de retrodispersión de energía dual (o energía múltiple) para la identificación del material. Las excepciones serían si se utilizaran explosivos descubiertos en un dispositivo explosivo improvisado (IED por sus siglas en inglés), sin ningún material de alto Z que intervenga, o si los materiales estuvieran escondidos bajo la ropa de una persona. En este último caso, la ropa de la persona interactúa sólo un poco con el haz de rayos x, y el material escondido tiene la influencia dominante en la forma espectral del espectro de retrodispersión, como se describe en la patente de E.UA No. 7,561 ,666 (de Annis).

Sin embargo, hay una aplicación práctica completamente diferente que se presta a la técnica del análisis de energía de retrodispersión habilitada únicamente por la presente invención, es decir, la capacidad del análisis de retrodispersión de energía dual (energía múltiple) para ayudar en la segmentación y/o filtración de características en imágenes de retrodispersión de vehículos u otros objetos, las cuales, a su vez, permiten que algoritmos de detección automática de peligro determinen de manera más precisa cuáles características corresponden a los artículos amenazantes en oposición a los artículos benignos.

Por ejemplo, se describe un sistema de retrodispersión para la inspección de personal en la patente de E.U.A. No. 7,809,109 (de Mastronardi, et al.), que se incorpora en la presente como referencia. Un sistema de retrodispersión, como el que se puede emplear para la inspección de paquetes y equipaje, se describe en la patente de E.U.A. No. 7,555,099 (de Rothschild, et al.), que se incorpora en la presente como referencia. Un sistema de retrodispersión, que se puede emplear para la inspección de vehículos, se describe en la patente de E.U.A. No. 7,593,506 (de Cason, et al.), que también se incorpora en la presente como referencia. Las configuraciones descritas en cualquiera de los sistemas anteriores los hacen aptos para el análisis de material con retrodispersión de energía múltiple de acuerdo con las modalidades de la presente invención.

Los artículos peligrosos pueden ser reconocidos por un operador al cual se le presentan las imágenes de retrodispersión, como se ve en las figuras 4A y 7, en una pantalla. Además, se pueden emplear algoritmos de asistencia al operador del software para automatizar, por completo o en parte, el proceso de identificar los artículos peligrosos. La tecnología de asistencia al operador se describe en el documento de Ahmed et al., "Historical Comparison of Vehicles using Scanned X-Ray Images," presentado en el IEEE Workshop on Applications of Computer Vision, Kona, Hawaii, 5-7 de enero, 201 1 , documento que se incorpora en la presente como referencia.

Los métodos y aparatos de acuerdo con la presente invención se pueden aplicar ventajosamente, por ejemplo, para la inspección con rayos x de retrodispersión de vehículos. Los Algoritmos de asistencia al operador (OA por sus siglas en inglés) que buscan automáticamente los artículos peligrosos dentro de las imágenes de un vehículo, deben decidir si las partes más brillantes del vehículo que exhiben una dispersión más alta corresponden a artículos orgánicos 701 en el exterior del vehículo (como las manijas de las puertas, estructuras de soporte para los espejos externos, molduras de plástico, etc.) o si se deben a artículos peligrosos orgánicos 703 que están escondidos dentro del vehículo, como se muestra en la figura 7. No se puede utilizar brillantez absoluta de la retrodispersión de la región inspeccionada, ya que los materiales orgánicos delgados que están en el exterior del vehículo pueden tener una brillantez similar a la de los objetos orgánicos más gruesos que están en el interior del vehículo.

En la técnica anterior, la distinción entre los artículos orgánicos que están en el exterior de un vehículo y los artículos que están en el interior del vehículo, se hacía basándose en la ubicación de las regiones de brillo con relación a la imagen segmentada del vehículo. Un algoritmo de segmentación divide la imagen del vehículo en regiones, que representan las puertas, los neumáticos, las ventanas, etc. del vehículo. Si se localiza una parte brillante de la imagen dentro de estas regiones segmentadas en una posición esperada (por ejemplo, en donde se espera que aparezcan las manijas de las puertas en una región de la puerta), no serán marcadas como amenazas. La dificultad con este enfoque es la necesidad de tener en cuenta; la gran variación entre los tipos diferentes y marcas de vehículos, y la variación en la ubicación y la intensidad de retrodispersión de las regiones más brillantes.

De acuerdo con las modalidades de la presente invención, se puede hacer una distinción entre las partes brillantes de la imagen que corresponden a objetos que están en el exterior del cuerpo de acero de un vehículo contra aquellos que están adentro, sin recurrir a las presunciones de segmentación de la técnica anterior, sino más bien sobre la base de que si una comparación de una imagen de energía única con una imagen de energía diferencial indica que un material de bajo Z se encuentra dentro, en vez de afuera, de un alojamiento de alto Z. Una vez que han sido identificados los materiales que tienen un Z bajo afuera del vehículo, entonces se puede asumir que cualquier amenaza escondida en el vehículo estará en el interior del cuerpo de acero, permitiendo que un algoritmo de asistencia al operador ignore todas las partes brillantes del vehículo que son identificadas como objetos que están en el exterior. Generalmente esto simplifica mucho el algoritmo de OA - ahora sólo necesitan ser analizadas las partes más brillantes en la imagen que son identificadas como que son de objetos que están en el interior del vehículo. Utilizando la imagen segmentada del vehículo, las partes brillantes restantes de la imagen pueden ser comparadas con las posiciones esperadas de objetos de dispersión benignos que se localizan dentro del cuerpo del vehículo. Éstos incluirían, por ejemplo, al conductor y algunos pasajeros, y depósitos internos de fluidos, como el fluido de lavado del parabrisas. Nótese que una excepción a este método serían los artículos amenazantes que están escondidos detrás de los parachoques de plástico de los vehículos. En este caso, se pueden determinar los límites de las regiones de parachoques a partir de la imagen segmentada, y entonces estas regiones pueden ser analizadas con un algoritmo diferente.

Ahora se describirán los métodos de acuerdo con : las modalidades de la presente invención con referencia a los diagramas de flujo de las figuras 2 y 3. La figura 2 representa un proceso en el que se realiza la iluminación 202 por medio de un haz de rayos x de iluminación con un espectro sustancialmente estacionario. (Se entenderá que la fuente se puede modular temporalmente, dentro del alcance de cualquier modalidad de la presente invención). En el proceso 204, la detección se hace usando múltiples detectores de dispersión, o de otra manera, de tal forma que una señal registre preferencialmente la dispersión de alta energía, mientras que una segunda señal registre preferencialmente la dispersión de baja energía. Una relación de la señal de retrodispersión de la detección de dispersión de baja y alta energía es calculada en el proceso 206. Como se entenderá el término "relación", como se usa en la presente, abarca las relaciones ponderadas o corregidas, diferencias logarítmicas, etc.

Una vez que se ha calculado la relación de la señal de dispersión de baja energía a la de alta energía, se compara (208) con un valor límite para determinar si el objeto iluminado está detrás, o en frente de la barrera de alto Z. Se entenderá que también se puede comparar la relación inversa con un límite. Nótese que la relación sólo es un ejemplo de comparación de las dos señales de retrodispersión, y que se puede usar cualquier función de las dos señales, ya sea lineal o no lineal.

En las modalidades preferidas de la invención, el valor de la relación R se compara con el valor límite en una base de pixel por pixel en la imagen, permitiendo que se haga la determinación para cada pixel en la imagen. Pero en los sistemas actuales que se usan para la inspección de vehículos, normalmente la intensidad del rayo x es insuficiente para permitir que sea calculado el valor de R para un solo pixel con la precisión requerida, debido al número limitado de fotones dispersados que pueden ser detectados en el tiempo de integración de un solo pixel. Por esta razón, se puede analizar una subregión de la imagen que consiste en muchos pixeles (por ejemplo, un área de 10 ? 10 pixeles), y el valor de R puede ser calculado a partir de las señales de retrodispresión sumadas de todos los pixeles en la subregión.

En diferentes modalidades de la invención, el valor límite, contra el cual es comparada la relación R para determinar si el dispersor de Z inferior 112 (mostrado en la figura 1) se encuentra detrás, o en frente del material de alto Z 114 puede ser determinado en una base empírica y prescrito al procesador 130, o puede ser ajustado por un operador, o puede ser calculado (en el paso 210) en el transcurso de la inspección, basándose en una medición o cálculo 2 2 de una distancia al dispersor 112.

Ahora con referencia a la figura 3, se representa un diagrama de flujo de un proceso, en el que se pone en paralelo lo mostrado en la figura 2, excepto que en este caso la energía del haz de rayos x es modulada temporalmente (por ejemplo, variando la energía de punto final o variando la filtración del haz), en vez de apoyarse en la sensibilidad de energía diferencial de los detectores de dispersión.

Demostración de operación de acuerdo con las modalidades de la invención Se presentan resultados basados en pruebas de formación de imágenes de retrodispersión de energía dual usando una fuente de rayos x de energía única 102 y un par de detectores 122a y 122c localizados a cada lado de la fuente de rayos x. Uno de los detectores utilizados es un detector de centelleo de fluoro-cloruro de bario (BFC), que tiene un borde k para el bario a 37.4 keV. El segundo detector utilizaba un centellador de oxi-sulfuro de gadolinio (GOS), con el gadolinio teniendo un borde k a 50.2 keV. Por lo tanto el detector de BFC es más sensible para detectar rayos x de energía inferior que el detector de gadolinio, y exhibe señales de detección relativamente superiores para la dispersión de materiales orgánicos que el detector de GOS, mientras que el detector de BFC exhibe señales relativamente inferiores que las del detector de GOS provenientes de materiales con número atómico alto (metálicos).

La respuesta diferencial de la detección de BFC a GOS se puede observar en las figuras 4A y 4B. La figura 4A es una imagen de retrodispersión de 140 keV adquirida con un detector de GOS, mientras que la figura 4B es una imagen de retrodispersión de diferencia normalizada (GOS-BFC) de la escena idéntica. Las señales de los dos detectores son ponderadas de manera que las regiones orgánicas 402 en la imagen de diferencia (figura 4B) aparezcan oscuras (a diferencia de las imágenes de retrodispersión regulares, en las que aparecen como regiones brillantes 404).

Esto implica que las regiones de alto Z 412 aparecerán más brillantes en la imagen de diferencia (figura 4B), ya que la señal de BFC es más pequeña que la señal de GOS para estas regiones.' Las áreas de plástico y acero no ocultas aparecen oscuras y brillantes, respectivamente, en la imagen de diferencia. Sin embargo, los paquetes de azúcar 422 que se encuentran en la esquina derecha inferior, permanecen brillantes en la imagen de diferencia, ya que están escondidos detrás de una delgada lámina de acero.

Las figuras 4A y 4B, ilustran, por lo tanto, ambas aplicaciones de la retrodispersión de energía específica que se describen en la presente. Los materiales no ocultos son brillantes 412 (indicando un material de alto Z) u obscuros 402 (indicando un Z bajo) en la imagen de diferencia (figura 4B), dependiendo de su número atómico. Pero los materiales orgánicos que están escondidos detrás del acero (por ej., los paquetes de azúcar 422 en la esquina derecha inferior de la figura 4A) también aparecen brillantes en la imagen de diferencia (figura 4B), según la segunda aplicación de la retrodispersión de energía específica que se describe en la presente. La comparación de las figuras 4A y 4B, por ejemplo, permite determinar si los materiales orgánicos que aparecen relativamente brillantes en la imagen de retrodispersión regular están detrás (brillantes en las dos imágenes), o en frente (brillantes en la figura 4A y oscuros en la figura 4B) del acero o de otro material de alto Z. Así, la ubicación de un material de bajo Z con relación a un material de alto Z no comunica nada con respecto a su aparición en la combinación de una imagen de retrodispersión como la figura 4A y una imagen de diferencia como la figura 4B.

Ahora se describirán otras modalidades de la invención con referencia a las figuras 5A y 5B. En las modalidades de acuerdo con las dos figuras 5A y 5B, la fuente 102 (mostrada en la figura 1) se localiza arriba del plano de la página, de manera que el haz 106 está dirigido dentro de la página. En la figura 5A, un detector de retrodispersión 502 que está a la izquierda de la fuente de rayos x 102 es más sensible a la retrodispersión de baja energía que un segundo detector de retrodispersión 504 que está a la derecha de la fuente de rayos x 102. Un ejemplo de esto es el uso de dos detectores de BFC, con el detector derecho 504 teniendo un filtro frontal a través del cual deben pasar los rayos x dispersados antes de la detección. Las elecciones típicas de filtro para una fuente de rayos x de 225 kV podrían ser de hierro con 0.5mm de espesor, estaño con 0.2 mm de espesor, o de cobre con 0.75mm de espesor. La relación R de las señales del detector de las no filtradas a las filtradas se puede usar para caracterizar cada pixel en la imagen de retrodispersión.

Una deficiencia en la configuración del detector que se muestra en la figura 5A es que la radiación de dispersión 115 y 116 (mostrada en la figura 1), que incide en la cara frontal de los dos detectores, podría ser muy diferente debido a los efectos de sombreado o absorción en el artículo (u objeto) 110 que está siendo escaneado. Por ejemplo, la forma del objeto podría significar que los rayos x dispersados deben pasar a través de más material sobrepuesto para alcanzar el detector izquierdo (sin filtro) 502 que con el detector derecho (con filtro) 504. Esto causaría que la relación R tenga un valor inferior de lo que tendría de otra forma, posiblemente dando como resultado que el objeto dispersante 113 sea asignado erróneamente como estando detrás, en vez de en frente, del objeto de acero de alto Z 114.

En la figura 5B se muestra una configuración preferida de detector. En esta configuración, tanto los detectores con filtro 514 como los sin filtro 512 se ubican a cada lado de la fuente de rayos x 102, lo que reduce mucho el impacto de cualquier efecto de sombreado o absorción, ya que los efectos antes mencionados tienen influencia por igual tanto en los elementos detectores con filtro como en los sin filtro.

Se realizaron simulaciones para un objetivo de plástico de iluminación con haz de 225kV con espesor variable detrás de una lámina de acero con un grosor de 1 mm, a distancias de 0.305 a 2.135 metros. Los detectores consistían en BFC en la configuración mostrada en la figura 5B, con cobre de 0.75 mm de espesor en los elementos detectores con filtro. Los resultados se muestran en la figura 6. Se podrá observar que si se utiliza un umbral de R=2.75, los pixeles en la imagen que corresponden a la dispersión desde el plástico enfrente del acero, se pueden separar de la dispersión que viene del acero desnudo, o desde un material orgánico que está escondido detrás del acero. Esto confirma, por ejemplo, que la geometría del detector representado en la figura 5B hace posible un algoritmo de asistencia al operador, basado en la segmentación, como se describió antes, para clasificar regiones brillantes en la imagen como provenientes de características internas de, o características externas al cuerpo de acero de un vehículo.

Las modalidades descritas de la invención pretenden ser de ejemplo únicamente y serán evidentes numerosas variaciones y modificaciones para los expertos en la técnica. Todas esas variaciones y modificaciones pretenden estar dentro del alcance de la presente invención como lo definen las reivindicaciones anexas.

Cuando los ejemplos que se presentan en la presente involucran combinaciones específicas de actos de método o elementos de sistema, se entenderá que estos actos y estos elementos se pueden combinar de otras maneras para lograr el mismo objetivo de inspección con rayos x. Adicionalmente, las características de dispositivo individuales pueden cumplir con los requerimientos de elementos citados por separado de una reivindicación. Las modalidades de la invención aquí descritas están previstas para ser meramente ejemplares; y variaciones y modificaciones serán evidentes para los expertos en la técnica. Todas esas variaciones y modificaciones pretenden estar dentro del alcance de la presente invención como lo definen las reivindicaciones anexas.

Claims (10)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1- Un método para caracterizar regiones dentro de un objeto inspeccionado, en donde un material de dispersión con bajo Z y un material de dispersión con alto Z pueden encontrarse los dos a lo largo de una sola línea de visión, el método comprende: a. escanear el objeto inspeccionado con radiación penetrante emitida por una fuente caracterizada por una distribución de energía; b. detectar la radiación penetrante dispersada por el objeto inspeccionado en una manera que genere una primera señal de detección y que distinga entre materiales con número atómico efectivo alto y bajo, bajo un primer conjunto de condiciones con respecto a la distribución de energía de radiación penetrante; c. detectar la radiación penetrante dispersada por el objeto inspeccionado de una manera que genere una segunda señal de detección que distinga entre materiales con número atómico efectivo alto y bajo, bajo un segundo conjunto de condiciones con respecto a la distribución de energía de radiación penetrante; d. generar una imagen diferencial basada en una función de la primera y segunda señales de detección; y e. determinar la ubicación de materiales de bajo Z y alto Z dentro de una sola línea de visión con relación a la fuente, basándose en por lo menos la imagen diferencial.

2.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el escaneo del objeto inspeccionado con radiación penetrante caracterizada por una distribución de energía, comprende escanear secuencialmente al objeto inspeccionado con radiación penetrante caracterizada por una primera distribución de energía y una segunda distribución de energía.

3.- El método de conformidad con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado además porque también comprende un paso de verificar la ubicación relativa de una región de bajo Z con respecto a una región de alto Z dentro de un objeto inspeccionado, basándose en valores de respectivas regiones dentro de la imagen diferencial.

4.- El método de conformidad con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado además porque las respectivas regiones son definidas, por completo o en parte, basándose en segmentación.

5. - El método de conformidad con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado además porque la radiación penetrante es radiación de rayos x.

6. - Un sistema para caracterizar regiones dentro de un objeto inspeccionado, el sistema comprende: a. una fuente de radiación penetrante para generar un haz de radiación penetrante; b. un escáner para escanear la radiación penetrante a través del objeto inspeccionado; c. un medio de discriminación de energía para distinguir la radiación penetrante dispersada que es detectada bajo un primer conjunto de condiciones con respecto a una distribución de energía de radiación penetrante distribuida bajo un segundo conjunto de condiciones con respecto a una distribución de energía de radiación penetrante dispersada; d. un generador de imágenes para generar una primera imagen basada en una función de la radiación detectada bajo sólo uno del primero y segundo conjuntos de condiciones con respecto a la distribución de energía; y e. un generador de imágenes de diferencia para generar una imagen diferencial basada en una función de la radiación detectada bajo el primer conjunto de condiciones y la radiación detectada bajo el segundo conjunto de condiciones con respecto a la distribución de energía.

7. - El sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el medio de discriminación de energía comprende a. un primer detector caracterizado por una primera distribución de respuesta como una función de la energía detectada y b. un segundo detector caracterizado por una segunda distribución de respuesta como una función de energía detectada.

8. - El sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la fuente de radiación penetrante es un tubo de rayos x.

9. - El sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el primero y segundo detectores se disponen en lados respectivos de la fuente de radiación penetrante.

10.- El sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el primero y segundo detectores se disponen a cada lado de la fuente de radiación penetrante.